2.2. Дозвуковые входные устройства

При дозвуковых скоростях полета самолёта применяются дозвуковые входные устройства, в которых преобразование кинетической энергии набегающего потока в потенциальную энергию (давление) осуществляется в свободном потоке перед входным устройством. Внутри канала входного устройства скорость воздуха составляет (0,6…0,65) М.

Простейшая конструкция дозвукового входного устройства ТРД (рис.2.1) состоит из внешнего обтекателя 1, внутреннего обтекателя 2, и корпуса 3.

Рис. 2.1. Простейшее дозвуковое входное устройство ТРД:

1- внешний обтекатель; 2 – внутренний обтекатель; 3 – корпус; 4 - ребра жесткости

Для обеспечения обтекания без срыва потока при несовпадении оси входного устройства и направлении вектора скорости набегающего и снижения гидравлических потерь (получения максимального значения коэффициента восстановления полного давления) потока внешний обтекатель имеет профилированную переднюю кромку. Внешний обтекатель изготавливается из листового материала (АМг, АМц) и для увеличения жёсткости и прочности к его стенкам привариваются продольные и поперечные профилированные элементы 4. Передняя профилированная кромка изготавливается глубокой вытяжкой и соединяется с внешним обтекателем сваркой. Внутренний обтекатель обеспечивает плавный переход кругового сечения канала на входе в двигатель в кольцевой - на входе в компрессор. Обычно он изготавливается глубокой вытяжкой из листового материала (АМг, АМц, ст.10) без продольного разъёма или с продольным разъёмом.

Во входном устройстве ТВД (рис.2.2) внутренний обтекатель образуется обтекателем втулки воздушного винта и корпуса редуктора.

Рис. 2.2. Входное устройство ТВД: 1 – корпус входного устройства; 2 – внешний обтекатель; 3 – внутренний обтекатель; 4 – обтекатель корпуса редуктора

В настоящее время к двигателям самолётов гражданской авиации предъявляются жёсткие требования по уровню шума. Одним из источников шума двигателя является входное устройство. Поэтому конструкции входных устройств современных двигателей значительно усложнились. Одним из элементов обеспечивающим снижение уровня шума является установка на обтекаемых поверхностях входного канала специальных звукопоглощающих облицовок и специально профилированных внутренних обтекателей. Более подробно вопросы шумоглушения в авиационных двигателях рассмотрены в [4,5].

Дозвуковые входные устройства ввиду их конструктивной простоты можно применять до скоростей полёта М=1,3…1,5, при которых потери в прямых скачках уплотнения ещё незначительны.

2.3. Сверхзвуковые входные устройства

Сверхзвуковые входные устройства применяются на самолётах при скоростях полёта М>1,5. В сверхзвуковых входных устройствах процесс сжатия (торможения) набегающего сверхзвукового потока осуществляется в системе скачков уплотнения – несколько косых и замыкающий прямой. Косые скачки уплотнений образуются при обтекании центрального тела с изломом или клина и замыкаются на передней кромке внешнего обтекателя. Прямой скачок уплотнения всегда замыкается в плоскости входа. Оптимальное число косых скачков определяется скоростью полёта.

Сверхзвуковые входные устройства могут быть с постоянной площадью проходного сечения и с изменяющейся площадью (регулируемые). Так как входные устройства с постоянной площадью имеют оптимальные характеристики только на одном, обычно расчетном режиме полёта, их применение ограничено.

В регулируемом входном устройстве осуществляется согласование производительности (пропускной способности), минимального сечения входа, количества скачков уплотнений, в результате чего обеспечивается максимальное значение тяги, устойчивость работы двигателя в широком диапазоне скоростей полёта и режимов работы двигателя. Так при изменении скорости полёта с М=1,5 до М=3 расход воздуха через входное устройство должен возрасти в 3 раза.

Согласование производительности входного устройства и потребного расхода воздуха для компрессора двигателя можно следующими способами рис.2.3:

Рис.2.3. Способы обеспечения потребного расхода воздуха через сверхзвуковое входное устройство: а – изменением площади входа; б – разделением сверхзвукового потока; в – перепуском воздуха из воздухозаборника в атмосферу

изменением площади входа, путём отклонения кромки внешнего обтекателя (рис. 2.3,а) либо другим конструктивным элементом;

осуществлением сверхзвукового обтекания потока- с уменьшением количества воздуха поступающего во входное устройство (рис.2.3,б);

использованием специальной системы перепуска воздуха из воздухозаборника в атмосферу; воздух перепускается через створку в дозвуковой части за горлом непосредственно в атмосферу или через створку в гондолу, а из гондолы в атмосферу через дозвуковое или сверхзвуковое сопло Лаваля (рис.2.3,в).

По форме входные устройства выполняются: осесемметричными, полукруглыми или плоскими.

В сверхзвуковом осесимметричном регулируемом входном устройстве внутренний обтекатель состоит из нескольких элементов соединённых с возможностью взаимного перемещения (рис.2.4).

Рис.2.4. Сверхзвуковое регулируемое осесимметричное входное устройство: 1 – ступенчатый корпус; 2 - сервопоршень; 3 – внешний обтекатель; 4,5 – кольца; 6 – окна; 7 - гидроцилиндр

Так передняя его часть 1 может перемещаться по оси при помощи сервопоршня 2. Внешний обтекатель 3 состоит из кольца 4 с острой входной кромкой, кольца 5 расположенного между стенками и имеющего возможность осевых перемещений от гидроцилиндра 7. При осевых перемещениях кольцо 5, открывает окна 6 для прохода дополнительного воздуха к компрессору, минуя входное сечения, чем обеспечивается снижение потерь и повышения устойчивости работы двигателя за счет исключения срыва потока с острых входных кромок кольца 4.

На рис. 2.5 приведена схема плоского входного устройства со ступенчатым изменением клинового внутреннего обтекателя.

В плоских сверхзвуковых входных устройствах значительно проще чем в осесимметричных, осуществить регулирование площадей горла, входа и угла клина, например, при помощи специального клина изменяемой геометрии (см. рис. 2.5).

Пример сверхзвуковых входного и выходного устройств приведён на рис.2.6 для ТРД «Олимп» самолёта «Конкорд» (скорость полёта М=2,2). На этом же рисунке приведены положения основных регулируемых элементов входного и выходного устройств, при изменении режима полёта самолёта.

Плоские входные устройства имеют широкие возможности для регулирования площадей горла и входа во всем диапазоне скоростей полёта и на всех режимах работы двигателя. При широком и коротком клине потери на трение соизмеримы с потерями на трение в осесимметричном входном устройстве.

Рис. 2.5. Схема плоского сверхзвукового регулируемого входного устройства со ступенчатым клином изменяемой геометрии: 1 – неподвижный клин; 2 – подвижный клин; 3,4,5 – подвижные элементы для регулирования площади входа; 6 – шарнирные соединения; 7 – отверстия для отсоса пограничного слоя

При рациональном расположении плоского входного устройства относительно набегающего потока (вектора скорости полёта) можно повысить стабильность характеристик входного устройства при изменении направления потока по отношению к оси двигателя.

Осесимметричные входные устройства имеют форму потока воздуха хорошо согласующуюся с проточной частью компрессора, имеют меньшее лобовое сопротивление, и массу, а также лучшую равномерность потока на входе в компрессор. Однако такие входные устройства имеют плохие характеристики при изменении угла набегающего потока (срывной режим).

Кроме того, осуществление необходимого регулирования осесимметричного входного устройства связано с большими трудностями, чем при входном устройстве прямоугольной формы. Сверхзвуковое входное (а также сверхзвуковое выходное) устройство должны проектироваться совместно с основными элементами двигателя (силовой установке).

Доводку и испытание двигателя необходимо проводить также только при установленных входных и выходных устройствах. При проектировании компрессора необходимо учитывать, что при наличии сверхзвукового входного устройства увеличивается неравномерность полей скоростей и давлений на входе и снижается запас устойчивой работы компрессора.

Рис. 2.6. Схема регулируемого входного и выходного устройства:

I – взлетный режим; II – набор высоты при низком уровне шума; III – переход через скорость звука; IV – сверхзвуковой крейсерский режим; V – переход к дозвуковому режиму; VI – реверсирование тяги; 1 – крыло; 2 – регулируемые перепускные створки; 3 – регулируемое выходное устройство