Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / Glava9-9-1-Vyhodnyje_ustrojstva_GTD-Neregulirujemyje_sopla

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Этим термином определяется широкий класс устройств, являющихся неотъемлемой частью любого ГТД и объединенных функцией формирования необходимого выходного импульса по величи- не и направлению. В зависимости от требований к выходному импульсу выходные устройства (ВУ) можно разделить на две группы:

1.ВУ, которые формируют максимально возможный импульс и в нужном направлении. В основном - это ВУ ВРД. Вместе с воздухозаборниками они тесно интегрированы с ЛА и в значительной степени определяют его характеристики.

2.ВУ, основное назначение которых - обеспе- чить «выброс» рабочего тела с минимально возможным выходным импульсом. К этой группе относятся диффузоры, улитки, выхлопные патрубки.

Кроме основной функции формирования выходного импульса ВУ в зависимости от назначения ГТД могут обеспечивать дополнительно:

- регулирование двигателя; - управление вектором тяги (включая ревер-

сирование тяги); - снижение инфракрасной и радиолокацион-

ной заметности; - снижение шума;

-вывод трансмиссии (выходного вала);

-«участие» в силовой схеме подвески. Современные ВУ часто совмещают несколь-

ко функций и представляют собой весьма сложные конструкции. Ниже приведены примеры ВУ.

На Рис. 9.1 показано ВУ ТРДД ПС-90А, состоящее из сопла со смешением потоков и реверсивного устройства (РУ).

На Рис. 9.2 показано ВУ ТРДДФ Д-30Ф6 – регулируемое сопло (РС).

На Рис. 9.3 приведено ВУ вертолетного двигателя Д-25В – выхлопной патрубок.

На Рис. 9.4 показано ВУ ГТД (фирмы Solar) промышленного применения – «улитка».

ВУ, в которых статическое давление в процессе течения падает, скорость растет, т.е. потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи, называются соплами. Сопла – наиболее широкий класс ВУ. Они применяются на всех ТРД, ТРДД, ТРДФ, ТРДДФ, ПВРД, а также на жидкостных и твердотопливных ракетных двигателях, которые здесь не рассматриваются. Основное их назначение – формирование максимального выходного импульса.

На Рис. 2.1 показан простой газотурбинный цикл в Т-S диаграмме. Одним из образующих этот цикл процессов является процесс расширения газа в сопле (см. Рис. 9.5). Если бы газ расширялся в сопле без потерь, то его энтропия была бы постоян-

Рисунок 9.2 – ТРДДФ Д-30Ф6 1 - регулируемое сопло

Рисунок 9.3 – Двигатель Д-25В 1 - выхлопной патрубок

Рисунок 9.4 – ГТД промышленного применения (Saturn Gas Turbine of Solar Turbines Incorporated)

1 - «улитка»

íîé (S = const) и этот процесс изображался бы линией Т-С (см. Рис. 9.5). Реальный процесс (линия Т-С) происходит всегда с потерями и ростом энтропии. При этом конечная температура газа в - реальном процессе всегда выше, чем в идеальном на ∆ Ò( что связано с переходом части энергии вследствие трения в тепло) а полное давление ниже - Ðñ*<Ðò*. Скорость истечения из сопла в реальном процессе – Vc всегда меньше чем в идеальном – Vc.èä, поэтому эффективность сопла можно оценивать их отношением:

которое называется коэффициентом скорости. Гидравлические потери в процессе расшире-

ния газа в сопле характеризуются коэффициентом восстановления полного давления σ ñ* = Ð*ñ / Ðò*.

Основными причинами образования потерь являются:

-неравномерность потока в сопле;

-нерасчетность, связанная с работой сопла на режимах перерасширения или недорасширения газа (Ðñ≠ Ðí, ñì. Ðèñ. 9.5);

-трение газа о стенки сопла;

-утечки газа из проточной части (в соединениях: например, по фланцу крепления сопла и т.п.).

Рисунок 9.5 – Процесс расширения газа в сопле Pò*, Òò* - полное давление и полная температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Pò, Òò - статическое давление и температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Pñ*, Pñ - полное и статическое давление на выходе из сопла; Pí - атмосферное давление

Коэффициенты восстановления полного давления σ ñ* и скорости ϕ ñ связаны соотношением [9.1]:

, (9.2)

ãäåëå. π ñ* = Ðò*/Ðñ – степень расширения газа в соп-

Интегрально оценить эффективность работы сопел можно с помощью коэффициентов тяги

, скорости ϕ C = VC/VC.ÈÄ, импульса , [9.2]:

RC = GC/gϕ C+FC(PC-PÍ)

(9.3),

IC = GC/gϕ C+FCPC

ется по газодинамической

функции π (λ Ñ) = ÐÍ/(σ Ñ*ÐÒ*); α = 18,1 ïðè k = 1,33 (äëÿ

ãàçà); α = 18,3 ïðè k = 1,4 (для воздуха).

Величина коэффициента восстановления полного давления зависит от перепада давления в сопле: с увеличением π ñ* величина σ ñ* уменьшается. Коэффициент скорости нерегулируемых сопел всегда меньше 1 и меняется в диапазоне ϕ C = 0,97…0,985. Величина коэффициента тяги

меньше 1 и достигает максимального значения на режиме полного расширения.

9.1 - Нерегулируемые сопла

Форма проточной части сопла определяется,

âосновном, диапазоном изменения степени пони-

жения давления газа («перепадом» давлений) в соп-

ëå - π ñ* и требованиями к режимам работы двигателя, на которых должна быть получена его максимальная эффективность.

При околокритических и небольших закрити-

ческих π ñ* (π ñ*max<2,5), что характерно для двигателей транспортных и пассажирских самолетов с крейсерской скоростью до 900 км/час, 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 зависимости от полетного цикла, чаще всего для крейсерского режима. Такие сопла называются нерегулируемыми или «жесткими».

Напомним, что критический перепад давлений

âсопле определяется из условия достижения скорости потока, равной скорости звука λ = 1 в выходном сечении (на «срезе») сужающегося сопла:

(9.4),

где k - показатель адиабаты газа, при k = 1,33 (äëÿ

ãàçà) π êð≈ 1,85.

Сопла такого типа используются на всех ТРД, ТРДД, а также ТВД. Они входят в состав ВУ ТРДД со смешением.

На Рис. 9.6 показаны типы нерегулируемых сопел.

Сужающиеся сопла могут иметь вид:

-конуса с углом наклона не более 10…12 градусов (см. Рис. 9.6, à) [9.3];

-профилированного канала (см. Рис. 9.6, á), образованного вращением кривой, например, описываемой формулой Витошинского (см. Рис. 9.7):

Õ, Óõ – текущие координаты точек, лежащих на образующей, начиная от входа в сопло.

Минимальная площадь сужающегося сопла на выходе при докритических перепадах давления определяется:

(9.6),

ãäå Gñ, Ò*ñ, Ð*âõ - соответственно расход, полная температура и полное давление газа на входе в сопло;

q(λ c) - газодинамическая функция, определяемая по газодинами- ческим таблицам;

(9.7),

m = 0,3965 для воздуха (при k = 1,4; R = 29,27); m = 0,3898 для выхлопных газов (при k = 1,33; R = 29,4);

g = 9,81 ì/ñ2 - ускорение свободного падения; R - газовая постоянная.

Для критических и сверхкритических перепадов давлений λ ñ = 1,0; q(λ ñ) = 1,0; à Fñ = Fêð - площадь критического сечения в сужающемся сопле (совпадает с площадью выходного сечения).

Действительное значение минимальной (или критической) площади сопла Fñä. отличается от рас- четной, определенной по формуле (9.8), на вели- чину µñ:

ãäå µñ – коэффициент расхода.

µñ<1 из-за влияния пограничного слоя, образующегося у стенок сопла, из-за неравномерности параметров (крутка потока после турбины, кони- ческий профиль сопла и т.д.).

Значение коэффициента расхода зависит от формы проточной части в районе минимального (критического) сечения, от величины перепада дав-

Рисунок 9.7 – Профиль сопла Витошинского

ления в сопле. Более плавная форма проточной ча- сти способствует получению более равномерных полей и, как следствие, более высоких значений µñ. Увеличение π ñ* также способствует увеличению .µñ. Коэффициент расхода, учитывающий влияние только пограничного слоя, составляет µñ = 0,96…0,98.

Нерегулируемое сопло может быть также в виде сужающегося-расширяюшегося канала (сопла Лаваля), имеющего форму двух усеченных конусов или профилированных каналов, сопряженных вершинами (см. Рис. 9.6, â). В месте сопряжения может быть либо угловая точка, либо плавный уча- сток. Чтобы избежать отрыва потока от стенок углы профиля должны быть:

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

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

ìàõ (ñì. Ðèñ. 9.8):

-с полным расширением, когда статическое давление на срезе сопла равно давлению в окружающей среде Ðñ = Ðí (ñì. Ðèñ. 9.8, à);

-с перерасширением, когда статическое давление на срезе сопла меньше давления в окружающей среде Ðñ<Ðí (ñì. Ðèñ. 9.8, á);

-с недорасширением, когда статическое давление на срезе сопла больше давления в окружающей среде Ðñ>Ðí (ñì. Ðèñ. 9.8, â).

Очевидно, что тяга сопла максимальна на режиме полного расширения. Однако, для установленного на самолет двигателя это не всегда так. Максимальная тяга обеспечивается на режиме с недорасширением. Объясняется это тем, что расширяющаяся за срезом сопла струя создает «подпор» для внешнего потока, что увеличивает давление на внешнем обтекателе сопла. Происходит так называемое «восстановление давления», которое может дать положительный эффект, больший, чем внутренние потери от недорасширения.

Рисунок 9.8 – Режимы работы сопла Лаваля [9.1]

С учетом уменьшения габаритов и массы сопла «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 внутреннего контуров и общим соплом;

-с раздельным истечением из наружного и внутреннего контуров.

Выбор типа ВУ зависит от многих факторов: параметров двигателя, требований к массе, акустическим характеристикам, реверсивному устройству, компоновки двигателя на самолете, его назна- чения. Выбор – результат поиска оптимального решения с учетом всех факторов и требований.