книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

т

Рис. 9.5. Процесс расширения газа в сопле: Р*, 7^ - полное давление и полная температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Рт, Гт - статическое давление и температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Р*, Рс - полное и статическое давление на выходе из сопла; Р„ - атмосферное давление

9.1. Нерегулируемые сопла

без потерь до давления в ок­ ружающей среде (Рс= Рн);

К-приведенная скорость газа

на выходе из сопла, опреде­ ляется по газодинамической функции я(А.с)= Р с/(а* х х Р ;) а = 18,1 при £ = 1,33 (для газа); а = 18,3 при £=1,4 (для воздуха).

Величина коэффициента восстановления пол­ ного давления зависит от перепада давления в со­ пле: с увеличением я* величинаа* уменьшается. Коэффициент скорости нерегулируемых сопел всегда меньше 1 и меняется в диапазоне срс = 0,97...0,99. Величина коэффициента тяги Rc меньше 1 и достигает максимального значения на режиме полного расширения.

9.1. Нерегулируемые сопла

Форма проточной части сопла определяется в основном диапазоном изменения степени пони­ жения давления газа (перепадом давлений) в со­ пле я* и требованиями к режимам работы двига­ теля, на которых должна быть получена его мак­ симальная эффективность.

При околокритических и небольших закритических я* (я*тах < 2,5), что характерно для двига­ телей транспортных и пассажирских самолетов с крейсерской скоростью до 900 км/ч, сопла, как правило, выполняются в виде сужающихся или сужающихся с небольшим расширяющимся за критическим сечением участком конических или профилированных каналов. Геометрия канала сопла неизменна и оптимизируется в зависимо­ сти от полетного цикла, чаще всего для крейсер­ ского режима. Такие сопла называются нерегу­ лируемыми или жесткими.

Напомним, что критический перепад давле­ ний в сопле определяется из условия достижения скорости потока, равной скорости звука X = 1 в выходном сечении (на срезе) сужающегося со­ пла:

(для газа) я^ « 1,851 Сопла такого типа используются на всех ТРД,

ТРДД, а также ТВД. Они входят в состав ВУ ТРДЦ со смешением.

На рис. 9.6 показаны типы нерегулируемых сопел.

Сужающиеся сопла могут иметь вид:

давления в сопле. Более плавная форма проточ­ ной части способствует получению более равно­ мерных полей и, как следствие, более высоких значений рс. Увеличение п*с также способствует увеличению цс.

Нерегулируемое сопло может быть также в виде сужающе-расширяюгиегося канала (сопла Лаваля), имеющего форму двух усеченных кону­ сов или профилированных каналов, сопряжен­ ных вершинами (рис. 9.6, в). В месте сопряжения может быть либо угловая точка, либо плавный участок. Чтобы избежать отрыва потока от сте­ нок, углы профиля должны быть:

-для сужающейся части сопла < 60° (от гори­ зонтали);

-для расширяющейся части < 14° [9.3]. Сопла Лаваля могут работать на трех режимах

(рис. 9.8):

-с полным расширением, когда статическое давление на срезе сопла равно давлению в окру­ жающей среде Рс= Рн(рис. 9.8, а);

-с перерасширением, когда статическое дав­ ление на срезе сопла меньше давления в окру­ жающей среде Рс < Рн(рис. 9.8, б);

-с недорасширением, когда статическое дав­ ление на срезе сопла больше давления в окру­ жающей среде Рс > РИ(рис. 9.8, в).

Очевидно, что тяга сопла максимальна на ре­ жиме полного расширения. Однако, для установ­ ленного на самолет двигателя это не всегда так. Максимальная тяга обеспечивается на режиме

снедорасширением. Объясняется это тем, что расширяющаяся за срезом сопла струя создает подпор для внешнего потока, что увеличивает давление на внешнем обтекателе сопла. Проис­ ходит так называемое «восстановление давле­ ния», которое может дать положительный эф­ фект, больший, чем внутренние потери от недорасширения.

С учетом уменьшения габаритов и массы со­ пла расчетные режимы (т.е. на которых задаются параметры в техническом задании на двигатель), как правило, с недорасширением.

9.2. Выходные устройства ТРДД

ВУ ТРДД существуют двух типов:

-со смешением потоков наружного и внут­ реннего контуров и общим соплом;

-с раздельным истечением из наружного

ивнутреннего контуров.

Выбор типа ВУ зависит от многих факторов: параметров двигателя, требований к массе, аку­ стическим характеристикам, реверсивному уст­ ройству, компоновки двигателя на самолете, его

9.2. Выходныеустройства ТРДД

назначения. Выбор - результат поиска опти­ мального решения с учетом всех факторов и тре­ бований.

9.2.1. Выходные устройства со смешением потоков

ВУ со смешением потоков и общим соплом по­ зволяют при умеренной степени двухконтурности m =2...3 дать существенное улучшение эконо­ мичности (до 4 % по удельному расходу), которое сохраняется до т= 8... 10. С такими ВУ проще по­ лучить требуемые акустические характеристики и обратную тягу на режиме реверсирования.

Однако ВУ со смешением имеют сравнительно большую массу, сложнее компонуются на самоле­ те из-за большего сопротивления интерференции.

В конструкцию ВУ ТРДД со смешением вхо­ дят: жесткое сопло, затурбинный конус (часто профилированный) и смеситель. Пространство между сечениями на выходе из смесителя и на

Глава 9. Выходные устройства ГТД

выходе из сопла является камерой смешения по­ токов наружного и внутреннего контуров. Эф­ фективность ВУ со смешением в значительной степени определяется конструкцией смесителя. Существуют различные типы смесителей:

-кольцевые - имеют форму расширяющей­ ся, сужающейся или цилиндрической круглой трубы (рис. 9.9). Конструктивно это самые про­ стые смесители, имеющие минимальные массу

игидравлическое сопротивление, но и наимень­ шую эффективность;

-инжекторные - поток одного из контуров внедряется в другой под углом через щелевые от­ верстия (рис. 9.10);

-вихревые - потоки контуров перед смеше­ нием предварительно закручиваются;

-лепестковые смесители (рис. 9.11-9.13). Смешение потоков с помощью инжекторных

ивихревых смесителей повышает интенсивность выравнивания параметров в камере смешения, но

Рис. 9.9. ТРДЦ с кольцевым смесителем:

1 - общее сопло; 2 - кольцевой смеситель;

3 - затурбинный конус

Рис. 9.10. Инжекторное смесительное устройство [9.4] (печатается с разрешения Rolls-Royce pic)

при этом сопровождается чрезмерно высокими потерями полного давления. Наиболее широкое распространение в двигателестроении получили лепестковые смесители, позволяющие выров­ нять потоки с приемлемым уровнем потерь пол­ ного давления. Быстрое выравнивание парамет­ ров с помощью лепесткового смесителя достига­ ется за счет глубокого взаимного внедрения потоков на входе в камеру смешения.

Лепестковый смеситель представляет со­ бой одностенную гофрированную оболочку (рис. 9.11) пространственной формы, характери­ зуемой параметрами, которые можно разделить на три группы.

Кпервой группе относятся геометрические параметры, которые задаются на основании тер­ модинамического расчета двигателя - величины проходных площадей по внутреннему и наруж­ ному контурам на входе и выходе из проточной части смесителя - Fim, F[mp (на входе), F2m, F2mp (на выходе). Величина площади на входе в сме­ ситель со стороны внутреннего контура F]DHоп­ ределяется площадью на выходе из проточной части турбины за последним рабочим колесом. Величины площадей на выходе из смесителя F2bh, F2HаР зависят от расходов потоков и определяются из условия равенства статических давлений на выходе из смесителя.

Ко второй группе относятся параметры, кото­ рые характеризуют геометрический облик сме­ сителя и определяют глубину взаимного внедре­ ния потоков:

-количество лепестков z;

-соотношение площади кольцевого зазора между затурбинным конусом и кромками карма­ нов FKon BHк площади внутреннего контура на срезе смесителя FmnJ F 2в1|;

-углы наклона образующих лепестков а,

икарманов а 2;

-степень раскрытия смесителя hCM/H;

-угол подрезки лепестков или карманов *F.

Ктретьей группе относятся параметры, кото­ рые характеризуют форму элементов лепестков смесителя и могут быть переменными по его длине:

-радиусы кривизны лепестков Rn и карма­ нов RK\

-ширина лепестка по высоте и по длине сме­ сителя со стороны внутреннего контура.

От выбора этих параметров зависит уровень профильных потерь, определяющихся безотрывностью обтекания поверхностей смесителя и све­

дением к минимуму размеров зон ускорения и торможения потоков в пристеночном слое.

Передача энергии от горячего потока к холод­ ному осуществляется в ВУ путем непосредствен-

терям соответствующей конфигурации свобод­ ного (кольцевого) смесителя, рассчитываются по параметрам холодного потока из уравнения

(АРт ) _ С т . - С Т"

(9.11)

~ КсТ -Ст :

где СТс - величина коэффициента тяги для кон­ фигурации смесителя с принудитель­ ным смешиванием (лепесткового);

Ст - величина коэффициента тяги для соот­ ветствующей базовой конфигурации кольцевого смесителя;

, ( к-1

КСТ —к —1 X к —1 - коэффициент влия­

2к

ния.

Наибольший прирост тяги за счет смешения достигается при близких по величине полных давлениях потоков внутреннего и наружного контуров на выходе из смесителя.

В настоящее время можно расчетным спосо­ бом предварительно оценить эффективность смесительного устройства (величину потерь пол­ ного давления в каналах смесителя, сопла, пол­ ноту смешения) с помощью двухмерных и трех­ мерных пакетов программ. Окончательный вы­ бор смесительного устройства осуществляется

после проведения испытаний на моделях или на натурном двигателе.

Пример конструкции ВУ двигателя ПС-90А со смешением потоков наружного и внутреннего кон­ туров приведен на рис. 9.12 и 9.13. ВУ состоит из корпуса 1, сопла 2, смесителя 3 и затурбинного ко­ нуса 4. В конструкцию ВУ также входят наружный обтекатель 5 сопла и фланец 6 крепления обтека­ теля. Корпус 1 сварной конструкции, передним фланцем крепится к наружному корпусу двигате­ ля. Сопло 2 передним фланцем крепится к корпусу 1. Смеситель 3 состоит из восемнадцатилепестко­ вой обечайки с приваренным фланцем для крепле­ ния к задней опоретурбины. Снаружи к соплу 2 и корпусу 1 крепится обтекатель 5, являющийся продолжением мотогондолы двигателя. Простран­ ство между сечениями на выходе из смесителя и на выходе из сопла является камерой смешения пото­ ков наружного и внутреннего контуров.

Корпус 1 с соплом 2 образуют наружный про­ филь канала наружного контура и камеры смеше­ ния. Смеситель 3 является внутренним профилем канала наружного контура и наружным вместе с затурбинным конусом - канала внутреннего.

Корпус 7, сопло 2 и фланец 6 выполнены из титанового сплава, смеситель 3 и затурбинный конус 4 выполнены из теплостойкой нержавею­ щей стали. Обтекатель сопла 5 выполнен из алю­ миниевого сплава.

Глава 9. Выходные устройства ГТД

дельных испытаний коэффициенты потерь тяги и расхода изменяются в диапазонах:

R = 0,95...0,98; р = 0,95...0,98.

При расчете характеристик следует учиты­ вать:

-влияние крутки потока газа внутреннего контура и потока воздуха наружного контура;

-влияние загромождения стойками задней

опоры канала внутреннего контура; - взаимодействие набегающего потока воз­

духа, обтекающего мотогондолу, с пилоном

икрылом (при размещении двигателя на крыле). ВУ ТРДД с раздельным истечением пото­

ков из контуров образовано двумя сужающими­ ся, профилированными или сужающе-расши- ряющимися соплами, рассмотренными в подразд. 9.1.

Пример конструкции ВУ двигателя GE90-94B (фирмы General Electric Company) с раздельным истечением из контуров приведен на рис. 9.16.

ВУ состоит из сопла 1 наружного контура, со­ пла 2 внутреннего контура и затурбинного конуса 3. Наружное сопло 1 крепится к наружному кор­ пусу двигателя, внутреннее сопло 2 и затурбинный конус 3 крепятся к задней опоре 5 турбины.

Внутреннее сопло 2 и затурбинный конус 3 выполняются из теплостойкой нержавеющей стали или жаропрочного сплава (в зависимости от рабочей температуры). Наружное сопло 1>ра­ ботающее при относительно низких температу­ рах, выполняется из титановых, алюминиевых сплавов или из полимерно-композиционных ма­ териалов.

Сопла и затурбинный конус могут быть вы­ полнены с использованием звукопоглощающих конструкций.

9.3. Регулируемые сопла

При степени понижения давления газа я с.шах > 2,5 потери в жестком сопле на нерасчет­ ных режимах могут стать неприемлемыми. В этом случае, а также в случае использования на двигателе форсажной камеры (ТРДФ, ТРДДФ) возникает необходимость изменения площадей критического, а при я*тах > > 2,5 - и выходного сечений сопла, а также формы его канала в про­ цессе изменения режима работы двигателя, изме­ нения режима полета. Форма канала может трансформироваться из сужающейся в сужаю- ще-расширяющуюся и обратно. Такие сопла называются регулируемыми (PC). Они позволя­ ют получить максимальный выходной импульс в широком диапазоне высот и скоростей полета, при изменении я* до 20 и более. Чем больше я* и чем шире диапазон высот и скоростей полета, тем больше влияние сопла на эффективность двигателя и характеристики самолета.

Кроме выполнения своей основной задачи - обеспечения максимального выходного импуль­ са, PC позволяют улучшить некоторые характе­ ристики двигателя, в частности:

- характеристики запуска (увеличение площа­ ди критического сечения - раскрытие сопла - уменьшает сопротивление за турбиной, облегчая раскрутку ротора на запуске, и снижает потреб­ ную мощность стартера);