Принципиальная схема сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

F₁ F₂ F₃

F₁ > F₂ F₂ < F₃

Как видно, СПВРД отличается от дозвукового формами входного устройства и выходного сопла.

	M > 1	M < 1
Для уменьшения скорости
Для увеличения скорости

Входное устройство имеет центральное тело, позволяющее снизить гидравлические потери, резко возрастающие при замедлении сверхзвукового потока. Так как это сверхзвуковой ПВРД, следовательно он используется при сверхзвуковых полетах, т.е. на входе в двигатель скорость достигает 2 и более Маха. Спрофилированный канал входного устройства – конфузорного типа, что позволяет достичь в его выходном сечении скорости, равной скорости звука. А затем в диффузорном канале уменьшить скорость до дозвуковой. Это необходимо для организации устойчивого и полного сгорания топлива в камере сгорания.

Сопло (выходное устройство) представляет собой сопло Лаваля, т.е. 2 состыкованных конуса сужающегося и расширяющегося сечений. Так как это сверхзвуковой ПВРД, то дозвуковой поток необходимо разогнать до скорости звука, что позволяет сделать конфузорный канал. В критическом сечении: . Для получения сверхзвукового потока на выходе из сопла используется канал диффузорного типа.

СПВРД при скоростях полета М = 2÷3 обладают высокой экономичностью, развивают большие тяги при малой массе и относительно простом устройстве.

Таким образом, эффективность ПВРД полностью определяется величиной . Поэтому ПВРД не может обеспечить взлет летательного аппарата, когда , и при его применении необходимы специальные стартовые устройства для разгона летательного аппарата до достаточно большой скорости полета. Этим объясняется его использование в комбинации с турбореактивными двигателями либо с ракетными двигателями. Отсутствие взлетной тяги, и очень сильная зависимость данных ПВРД от не позволяют его использовать в качестве основного двигателя силовых установок самолета, которые эксплуатируются в широком диапазоне . Этот двигатель применяется главным образом на летательных аппаратах одноразового действия специального назначения (самолетах-снарядах и др.), т. е. в тех случаях, когда особенно ценны их преимущества – высокая эффективность при очень больших и относительная легкость и простота конструкции.

Для устранения основных недостатков ПВРД были разработаны так называемые пульсирующие ВРД (ПуВРД).

Лекция №4. 05.03.08.

Принципиальная схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.

1 – входное устройство;

2 – клапанная решетка (2'– пластинчатый клапан закрыт; 2" –пластинчатый клапан открыт);

3 – форсунки впрыска топлива;

4 – камера сгорания;

5 – выходное сопло.

Как видно на рисунке, ПуВРД отличаются от ПВРД одним основным дополнительным элементом – клапанной решеткой (2), упругие пластинчатые клапаны которой автоматически перекрывают канал, не допуская перетекания газа из камеры сгорания во входное устройство.

При поджигании топлива электрической искрой в камере сгорания происходит местное повышение давления, которое приводит к закрытию клапанов (позиция 2'). В результате газ расширяется в одном направлении и вытекает через сопло. Возникающая при этом реактивная сила и используется как тяга. В конце расширения, благодаря инерции движущегося газа, при достаточной длине сопла в зоне клапанов возникает значительное разрежение, под действием которого клапаны открываются (позиция 2") и камера сгорания заполняется новой порцией воздуха. В дальнейшем цикл повторяется сначала.

Ниже на рисунке представлено изменение давления р в камере сгорания по времени τ.

Пульсирующий характер рабочего процесса позволяет иметь избыточное (против атмосферного) давление при сгорании топлива и в случае отсутствия скорости полета. Поэтому ПуВРД в отличие от ПВРД развивает на старте тягу. Однако наряду с этим единственным преимуществом ПуВРД имеют много недостатков.

Периодическое (а не непрерывное) поступление воздуха в камеру сгорания через загромождающую канал и обладающую большим гидравлическим сопротивлением клапанную решетку приводит к тому, что в полете ПуВРД имеет намного меньший расход воздуха, чем ПВРД с теми же поперечными размерами. Эти же обстоятельства не позволяют эффективно использовать кинетическую энергию поступающего в двигатель воздуха. В итоге при больших скоростях полета ПуВРД получаются намного более тяжелыми, громоздкими и менее экономичными по сравнению с ПВРД.

Хотя на старте и при небольших скоростях полета ПуВРД имеют преимущества перед ПВРД, большой удельный вес и низкая экономичность (из-за отсутствия существенного предварительного сжатия воздуха) не позволили им успешно конкурировать с другими типами авиационных двигателей. ПуВРД находят некоторое применение на самолетах-снарядах и летающих моделях.

Основное направление в разработке самолетных ВРД заключалось в использовании непрерывности движения поступающего в двигатель воздуха при создании условий, позволяющих иметь достаточно высокое сжатие воздуха при любой (в том числе и нулевой) скорости полета. Очевидно, что для достижения этой цели необходимо использовать не только сжатие воздуха за счет скоростного напора, но и его сжатие за счет использования специальных устройств – компрессоров.

Применять для сжатия воздуха поршневые компрессоры оказалось нецелесообразным, так как им свойственны те же недостатки, что и поршневым двигателям (большой вес и малая производительность по расходу воздуха). Успешное решение задачи стало возможным лишь за счет использования лопаточных компрессоров, в которых сжатие воздуха осуществляется газодинамическими методами, что делает их высокопроизводительными и легкими. В этих компрессорах сжатие происходит в воздушном потоке, причем необходимая работа сообщается воздуху перегораживающими поток вращающимися лопатками.

Различают два типа лопаточных компрессоров:

• осевые

• центробежные

В последних, в отличие от осевых, для сжатия используются и центробежные силы, возникающие во вращающемся (закрученном) воздушном потоке.

Использование компрессора влечет за собой необходимость располагать источником потребляемой им работы. Единственным рациональным решением явилось применение для этой цели тоже лопаточной, но расширительной машины – газовой турбины, которая при малом весе может пропускать большие расходы газа. В газовой турбине поток расширяется и, воздействуя на вращающиеся лопатки, создает на валу турбины крутящий момент.

Поскольку лопаточные компрессоры и турбины действуют на основе одних и тех же физических явлений, то они могут выполняться с одинаковой частотой вращения и тем самым размещаться на общем валу без каких-либо промежуточных передач, что очень важно для получения более легкой и простой конструкции двигателя. Производимая турбиной для компрессора работа используется также для вращения агрегатов двигателя и компенсации различного рода потерь, например из-за трения в его механизмах.

Лекция №5. 12.03.08.