15.2.7 Реактивное сопло

Обычно при работе форсажной камеры стараются поддерживать одинаковой величину давления в реактивном сопле; тогда операционная точка двигателя также остаётся неизменной, и двигатель не ощущает изменения от работы форсажной камеры (то есть не испытывает изменений от перехода с бесфорсажного режима работы двигателя к форсажному). Чтобы справиться с повышением температуры в реактивном сопле при включенной форсажной камере, необходимо использовать реактивное сопло переменной площади. Требуемое изменение площади горла реактивного сопла может быть определено из уравнения:

.

Если бы газовые постоянные ( C_P и k ) не были изменены дожиганием топлива, площадь реактивного сопла должна была увеличиваться пропорционально квадратному корню из температуры. Для обратимого сопла, реактивная скорость определяется как:

.

(15.4)

Газовые свойства истекающего потока, удельная теплоёмкость C_pm и отношение удельных теплоёмкостей k, зависят от количества воздуха во внешнем контуре. При работе двигателя без использования форсажной камеры величина температуры Т₀₈ изменяется сравнительно немного, но главная функция форсажной камеры должна увеличить её фактором дожигания приблизительно в два раза. Другой важный аспект - отношение давлений Р₀₈ / Р_a - степень повышения давление в вентиляторе находится в диапазоне от 2 до 5, но для высокоскоростного режима полёта, давление торможения на входе Р₀₁, намного выше, чем окружающее давление P_a ,тогда величина отношения Р₀₈ / P_a может повыситься до 16. Реактивное сопло, для поддержания желаемой эффективности при величине отношения давлений Р₀₈ / P_a ≈ 16, должно иметь сужающе – расширяющуюся форму, подобно той, что изображена на рисунке 11.3.

Поведение сужающе - расширяющегося реактивного сопла представлено на рисунке 6.2. Для отношения давлений равного 16, число Маха на выходе должно составить 2.46, а только 0.4 по сравнению с критическим сечением. При этом площадь на выходе из реактивного сопла должна быть в 2.5 раза больше площади горла, которая станет больше, чем площадь остальной части двигателя. Такой большой выход из реактивного сопла может быть не практичен, тогда увеличение площади горла вниз по потоку может быть ограничено меньшей величиной. Процесс расширения тогда не полностью обратим, но потеря тяги брутто может сохраняться разумно малой величиной. На рисунке 15.4, представлено изменение тяги брутто в зависимости от отношения давлений для трех различных реактивных сопел, при величине k = 1.30 для выхлопных газов: сужающееся реактивное сопло, полностью обратимое сужающе - расширяющееся реактивное сопло и обрезанное реактивное сопло, у которого площадь на выходе в 1.6 раз больше величины в горле. (Площадь на выходе в 1.6 раз больше площади горла (или критического сечения) была использована здесь, так как именно это число характерно для истребителя F-16). При степени понижения давления 16, потеря тяги брутто составляющая 1.5 %, была бы вызвана в результате обрезанной расходящейся секции, но величина этой тяги на 10 % выше, по сравнению с простым сужающимся реактивным соплом. Может также быть замечено, при анализе рисунка 15.4, где наблюдается, что до величины отношения давлений, равного 5, существует небольшой «штраф» при наличии более простого и более легкого сужающегося реактивного сопла. Безразмерная тяга брутто реактивного сопла определяется как:

.

В идеальном реактивном сопле площадь критического сечения (или горла) A₈ и площадь выхода А₉ изменяются независимо, чтобы поддерживать правильное отношение площадей в соответствии с отношением давлений. Требуемая площадь горла определяется массовым потоком, давлением торможения и температурой торможения в двигателе, т. к. величина постоянна. В некоторых двигателях эти две площади построены так, что изменяются независимо, но в других двигателях существует установленный график , как функция, чтобы единственный набор приводов позволял изменять обе площади одновременно. При наличии единого набора приводов экономится стоимость и вес, но появляется некоторая потеря тяги и увеличивается удельный расход топлива.

Рисунок 15.4. График зависимости отношения безразмерной тяги брутто реактивного сопла от отношения давлений (торможения и статического).

Требование для незаметности означает, что самолёт должен иметь реактивное сопло специальной формы, часто прямоугольной формы, расположенное выше крыла или хвоста самолёта, чтобы обеспечить ограждение от земли. Аэродинамическая эффективность, вероятно, будет менее удовлетворительна, чем у простого круглого реактивного сопла, но принцип действия неизменен.