2. Входные устройства

2.1. Общие сведения

Назначение входного устройства – обеспечить подвод и сжатие необходимого количества воздуха из окружающей среды к компрессору с наименьшими потерями и максимальной равномерностью полей скоростей и давлений на всех режимах эксплуатации двигателя. Сжатие воздуха во входном устройстве может осуществляться только за счёт преобразования кинетической энергии набегающего потока в потенциальную энергию (статическое давление).

Конструктивно входное устройство может составлять часть конструкции двигателя, либо сочетание самолетных и двигательных частей.

Входные устройства могут быть индивидуальными для каждого двигателя, либо групповыми, предназначенными для нескольких рядом расположенных двигателей. При групповом входном устройстве, для исключения взаимного влияния двигателей на работу друг друга, во входном устройстве ставят длинные вертикальные перегородки.

По месту расположения на самолёте входные устройства подразделяются: лобовые и фюзеляжные (боковые, верхние, нижние). Лобовые ВУ обычно применяются, когда двигатели размещаются в гондолах либо в крыле, а фюзеляжные – при размещении двигателей в задней части фюзеляжа. Гондолы могут быть размещены на крыле, под крылом или на хвостовой части фюзеляжа, а входное устройство в невозмущенном потоке.

Фюзеляжные входные устройства могут быть полукруглыми, плоскими, клиновидными или совковыми.

Лобовые входные устройства могут быть как кольцевыми (осесимметричными), так и прямоугольными (плоскими).

Основные требования к входным устройствам:

- малое внешнее сопротивление;

- достаточная прочность и жёсткость на всех режимах эксплуатации;

- высокий коэффициент восстановления статического давления;

- устойчивое, безсрывное обтекание набегающего потока;

- равномерное поле скоростей и давлений на входе в компрессор;

- малая масса;

- достаточная герметичность;

- технологичность и простота обслуживания в эксплуатации;

- допустимый уровень шума.

Подвод необходимого количества воздуха к двигателю обеспечивается, прежде всего, правильным выбором площади входного устройства и при необходимости её изменением в соответствии с режимом работы двигателя и режимом полёта.

В полете давление воздуха на входе в компрессор определяется эффективностью его сжатия (торможения) во входном устройстве и потерей энергии скоростного напора на трение по каналу входного устройства. Потери во входном устройстве оцениваются коэффициентом восстановления полного давления σ_вх, который равен отношению полного давления Р_вх на входе в компрессор к полному давлению адиабатически заторможенного набегающего потока Р_н (σ_вх = Р_вх/Р_н). Снижение величины σ_вх приводит к уменьшению давления на входе в компрессор, ухудшается экономичность и тяга двигателя, возрастают удельный расход топлива и удельная масса. Так, при скорости полёта М=2,5, уменьшение коэффициента восстановления полного давления на 30% приводит к снижению тяги двигателя на 45% и увеличению удельного расхода топлива на 15%. Для получения наибольшего значения σ_вх входное устройство целесообразно размещать в зоне максимального использования скоростного напора, профилировать сечение входного устройства для двигателей, эксплуатируемых при М>1, вводить регулирование площади входного устройства и обеспечивать минимальные гидравлические потери. С этой целью обтекаемые поверхности входных устройств выполняют гладкими, без уступов и резких поворотов, осуществляют отсос или слив пограничного слоя и стремятся входной канал выполнить как можно меньшей длины. Для обеспечения равномерности поля скоростей и давлений на входе в компрессор, участок входного канала, перед компрессором выполняют конфузорным с уменьшением площади на 7…10%.

При установке двигателя на самолёт часть развиваемой им мощности тратится на преодоление внешнего (лобового) сопротивления создаваемого входным устройством, гондолой двигателя, специальными заборниками воздуха для целей охлаждения элементов двигателя. Суммарное внешнее сопротивление включает в себя сопротивление трения при наружном обтекании гондолы, волновое сопротивление входного устройства, волновое сопротивление гондолы, взаимное влияние (интерференция) силовой установки и самолёта. Значение силы внешнего сопротивление входного устройства Х_вх зависит от геометрии входного устройства, места расположения и состояния обтекаемых поверхностей и скорости обтекания.

При размещении двигателей в фюзеляже внешнее сопротивление возрастает незначительно, а внутреннее, из-за каналов большой длины и поворотов, может возрасти значительно. На дозвуковых самолётах это приводит к снижению тяги и экономичности двигателей до 15%. При размещении двигателя вне самолёта – в гондоле резко возрастают потери на внешнее сопротивление, а внутренние растут незначительно, так как входной канал короткий и прямой. Потери тяги и экономичности на дозвуковых самолётах не превышают 2%.

Таким образом, тяга двигателя, используемая на перемещение самолёта, снижается на величину потерь внутри входного устройства ΔР_вх и внешнего обтекания Х_вх. Входное устройство, обеспечивающее минимальные потери тяги внутри входного устройства называют оптимальным, а ВУ обеспечивающее наименьшие потери как ΔР_вх, так и внешнего обтекания называют наивыгоднейшим. Для самолёта важно иметь наивыгоднейшее входное устройство, которое легче всего реализовать в осесимметричном входном устройстве с осевым входом воздуха.

Необходимая прочность и жёсткость конструкции входного устройства при требовании минимума массы обеспечивается правильным выбором места размещения двигателя, типом применяемого входного устройства и системы его регулирования, материалом и толщиной стенок силовых элементов и рациональным размещением продольных и поперечных подкрепляющих элементов. При проектировании входного устройства необходимо учитывать, что при работе двигателя при М=0, внутри канала входного устройства создаётся разряжение (возможна потеря устойчивости оболочки), а при полёте М>0 – значительное избыточное давление.

Необходимая герметичность воздухоподводящего канала входного устройства достигается установкой в местах соединения элементов входного устройства уплотняющих лент, резиновых прокладок и нанесения, специальных гермеризирующих замазок. Герметичность соединения самолётных и двигательных частей входного устройства должна быть обеспечена с возможностью свободы их перемещений из-за различия температурных расширений.

Во входном устройстве должна быть установлена противообледенительная система, предотвращающая образования льда в каналах входного устройства.