1. Входные устройства

1.1. Назначение и принцип работы

Входные устройства, предназначенные для подвода к двигателю потребного количества воздуха, могут быть или составной частью двигателя, или частью конструкции воздушного судна.

Входные устройства должны обеспечивать:

- возможно большие значения коэффициента сохранения полного давления;

- малое внешнее сопротивление;

- достаточную равномерность потока на входе в компрессор;

- устойчивую и надежную работу двигателя на всех режимах полета и работы

двигателей.

Повышение давления происходит частично во входном устройстве и частично в компрессоре.

Принцип действия воздухозаборника заключается в следующем. Самолет перемещается относительно воздушного потока со скоростью V, значит и поток перемещается относительно двигателя с этой же скоростью. Если поток тормозить, кинетическая энергия его будет уменьшаться, что будет сопровождаться повышением давления и температуры воздуха.

Увеличение скоростей полета самолетов привело к повышению роли входных устройств. При дозвуковых скоростях полета сжатие воздуха в двигателе осуществлялось в основном компрессором, а повышение давления от скоростного напора было невелико. Главными задачами входных устройств в этом случае являлись подача воздуха к двигателю с малыми потерями и получение на входе в компрессор равномерных полей и скоростей, необходимых для обеспечения его устойчивой работы.

С переходом на сверхзвуковые скорости полета стало возможным значительное повышение давления воздуха во входном устройстве за счет использования скоростного напора. Но вместе с этим газодинамические процессы во входных устройствах существенно усложнились и стали более значительно влиять на тягу и экономичность силовой установки и, что особенно важно, на ее устойчивую работу.

Влияние на нее числа М полета очень велико и при увеличении скорости полета роль воздухозаборника в общем сжатии воздуха сильно возрастает: при М полета больше 4 степень сжатия настолько велика, что эффективная работа двигателя может быть достигнута без сжатия воздуха в компрессоре.

Воздухозаборники имеют систему регулирования, служащую для обеспечения согласованной работы воздухозаборника и двигателя. В результате регулирования обеспечивается получение максимальной эффективной тяги и устойчивой работы двигателя в широком диапазоне скоростей полета и режимов работы двигателя. На сверхзвуковых скоростях полета задача регулирования состоит в том, чтобы удержать систему скачков (особенно замыкающий прямой скачок) в заданном положении. Это достигается перепуском лишнего воздуха в окружающую атмосферу и изменением площади горла. Перепуск воздуха в атмосферу осуществляется открытием специальных створок, установленных за горлом воздухозаборника.

При взлете и малых дозвуковых скоростях полета несмотря на полностью раскрытое горло воздуха для нормальной работы двигателя не хватает. Чтобы не нарушить нормальной работы двигателя при этих режимах полета дополнительно открываются перепускные створки и воздух, минуя горло, поступает к двигателю. Возможны и другие способы регулирования, например, изменением углов клина (конуса) центрального тела, угла обечайки.

Входное устройство современного сверхзвукового самолета представляет собой сложную систему, состоящую из воздухозаборника, каналов, подводящих воздух к двигателю, перепускных и противопомпажных створок, устройств слива пограничного слоя и сложной автоматики.

Для предотвращения попадания в двигатель пыли, песка, камней, кусков бетона и других предметов, которые могут вызвать повреждение деталей двигателя или эрозию поверхностей компрессора, камер сгорания, турбины, забивку воздушных жиклеров и т.п., во входном канале двигателя установлены защитные приспособления.

Наиболее часты случаи попадания посторонних предметов при работе двигателя на стоянке, рулении по аэродрому, взлете и посадке. Попадание мелких предметов уменьшает ресурс двигателя, приводит к снижению тяги, увеличению удельного расхода топлива, а в отдельных случаях может вызвать выход двигателя из строя.

Чем больше расход воздуха и чем ближе двигатель расположен от поверхности ВПП, тем вероятнее попадание в него посторонних предметов.

Для защиты двигателя во входном канале устанавливают неубирающиеся или убирающиеся после взлета решетки и сетки; для очистки воздуха от песка и пыли практическое применение нашли редкие (с зазором примерно 4 мм) защитные сетки.

Следует учесть, что на защитных сетках может легко возникнуть обледенение.

Поэтому их необходимо обогревать и убирать в полете. Защитные сетки обычно убирают силовыми цилиндрами, сблокированными с уборкой и выпуском шасси.

Защитные устройства увеличивают удельную массу и лобовое сопротивление двигателя.

Для защиты ТРД от попадания посторонних предметов пытались применять завесу, заключающуюся в том, что часть воздуха отбирается от двигателя и через специальные сопла под давлением (в виде поперечной струи) отсекает вертикальный поток воздуха, идущий с земли. Эта схема блокируется с шасси: при уборке шасси она отключается, при выпуске - включается. Однако надежная защита воздухозаборников двигателей от попадания посторонних предметов пока полностью не решена.

1.2. Требования, предъявляемые к входным устройствам, и их основные параметры

Входные устройства должны удовлетворять ряду требований. К числу этих требований относятся:

- малые потери полного давления в процессе торможения потока воздуха, поступающего в двигатель;

- минимальное внешнее сопротивление;

- устойчивость процесса течения воздуха при всех условиях полета и режимах работы двигателя;

- равномерность поля скоростей и давлений, а также отсутствие значительных

пульсаций потока на входе в компрессор двигателя;

- высокая производительность и возможность регулирования расхода воздуха в соответствии с потребностями двигателя;

- малая масса и габаритные размеры, простота конструкции.

К числу важнейших эксплуатационных требований относятся надежность работы всех систем, простота обслуживания, хорошая защищенность от попадания в двигатель грунта и посторонних предметов при рулении, взлете и др.

Эффективность торможения воздуха во входном устройстве определяется потерями давления воздуха при торможении потока и потерями, обусловленными трением воздуха о стенки входного устройства и каналов, подводящих воздух к двигателю.

Из-за гидравлических потерь во входном устройстве давление перед компрессором меньше полного давления в набегающем потоке. Газодинамическое совершенство входного устройства характеризуется не величиной потерь, а коэффициентом сохранения полного давления. Чем больше потери, тем меньше величина этого коэффициента.

К о э ф ф и ц и е н т с о х р а н е н и я п о л н о г о д а в л е н и я оценивает газодинамические потери в процессе торможения воздушного потока. Он представляет собой отношение полного давления за входным устройством (на входе в двигатель) к полному давлению воздуха в набегающем потоке, т.е. = р / р

Чем выше коэффициент сохранения полного давления, тем больше при заданном режиме полета степень повышения давления воздуха во входном устройстве.

В настоящее время получены весьма высокие коффициенты сохранения полного давления 0,97-0,98.

Уменьшение коэффициента сохранения полного давления приводит к уменьшению давления на входе в компрессор, снижению тяги, уменьшению расхода воздуха, а также к увеличению удельного расхода топлива и массы силовой устаноки. Так, снижение давления на входе в компрессор при М = 2,5 на 30% приводит к уменьшению тяги двигателя на 45% и к увеличению удельного расхода топлива на 15%. Поэтому одним из важнейших требований, преъявляемых к входным устройствам, является обеспечение подвода воздуха с возможно большим значением коэффициента сохранения полного давления.

К о э ф ф и ц и е н т л о б о в о г о с о п р о т и в л е н и я входного устройства, подобно коэффициенту лобового сопротивления, рассматриваемому в аэродинамике, определяется по формуле

с = Х /q * F ,

 где Х - суммарное внешнее сопротивление входного устройства;

q - скоростной напор (q = V / 2);

F - площадь миделя воздухозаборника.

 

Суммарное внешнее сопротивление входного устройства складывается из сопротивления обечайки, дополнительного сопротивления и сопротивления средств перепуска воздуха. На сверхзвуковых скоростях полета и при нерасчетных режимах работы воздухозаборника оно может составлять 20-30% от внутренней тяги двигателя, что и делает крайне важным принятие всех возможных мер для его снижения.

К о э ф ф и ц и е н т р а с х о д а характеризует производительность входного устройства и определяется как отношение действительного расхода воздуха через воздухозаборник к максимально возможному при каждом заданном числе М полета.

Увеличение коэффициента расхода снижает дополнительное сопротивление и в ряде случаев способствует повышению эффективной тяги двигателя.

Условием совместной работы воздухозаборника и двигателя является согласование их расходов воздуха.

Обеспечение устойчивой работы входного устройства является важнейшим требованием, так как связано с условиями надежности работы силовой установки и безопасности полетов.

Пульсации и неравномерность потока на выходе из воздухозаборника оцениваются по тем же параметрам, что и на входе в компрессор. Источниками пульсации являются турбулентность воздуха, неустойчивость пограничного слоя, особенно в местах его взаимодействия со скачками уплотнения, наличие конструктивных и технологических уступов в проточной части и, наконец, неустойчивость течения в самом воздухозаборнике на некоторых режимах его работы. На равномерность и стационарность течения в водухозаборнике значительное влияние оказывают возмущения от вблизи расположенных элементов летательного аппарата. Уровень неравномерности поля скоростей и пульсационные характеристики (амплитуда и частота пульсаций) потока на выходе из воздухозаборников специально нормируются и не должны превышать допустимых значений по условиям устойчивой работы двигателя.

Пристального внимания требуют вопросы размещения воздухозаборника на летательном аппарате. Это объясняется тем, что воздухозаборник интерферирует с планером летательного аппарата и оказывает влияние на его аэродинамическое качество и подъемную силу, которые при правильной компоновке могут даже увеличиваться на определенных режимах полета. Наоборот, неудачная компоновка воздухозаборника может привести к ухудшению аэродинамических характеристик летательного аппарата.

С другой стороны, воздушный поток, возмущенный элементами летательного аппарата, может иметь значительную неравномерность перед входом в воздухозаборник, особенно при эволюциях. В этом случае выбор места расположения воздухозаборника должен обеспечивать его эффективную работу в широком диапазоне углов атаки и скольжения, значительно изменяющихся в условиях полета. Образующиеся при обтекании поверхностей летательного аппарата пограничные слои и вихревые структуры не должны попадать внутрь воздухозаборника и оказывать отрицательное влияние на его внутренний процесс.