Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 9-2-Vyhodnyje_ustrojstva_TRDD

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.

9.2.1 - Выходные устройства со смешением потоков

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

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

В конструкцию ВУ ТРДД со смешением входят: «жесткое» сопло, затурбинный «конус» (часто профилированный) и смеситель. Пространство между сечениями на выходе из смесителя и на выходе из сопла является камерой смешения потоков наружного и внутреннего контуров. Эффективность ВУ со смешением в значительной степени определяется конструкцией смесителя. Существуют различные типы смесителей:

-кольцевые – имеют форму расширяющейся, сужающейся или цилиндрической круглой трубы (см. Рис. 9.9). Конструктивно это самые простые смесители, имеющие минимальные массу и гидравлическое сопротивление, но и наименьшую эффективность.

-инжекторные – поток одного из контуров внедряется в другой под углом через щелевые отверстия (см. Рис. 9.10);

-вихревые – потоки контуров перед смешением предварительно закручиваются;

-лепестковые смесители (см. Рис. 9.11 …9.13).

Смешение потоков с помощью инжекторных

èвихревых смесителей повышает интенсивность выравнивания параметров в камере смешения, но при этом сопровождается чрезмерно высокими потерями полного давления. Наиболее широкое распространение в двигателестроении получили лепестковые смесители, позволяющие выровнять потоки с приемлемым уровнем потерь полного давления. Быстрое выравнивание параметров с помощью лепесткового смесителя достигается за счет глубокого взаимного внедрения потоков на входе в камеру смешения.

Лепестковый смеситель представляет собой одностенную гофрированную оболочку (см. Рис. 9.11) пространственной формы, характеризуемой параметрами, которые можно разделить на три группы.

К первой группе относятся геометрические параметры, которые задаются на основании тер-

Рисунок 9.9 – ТРДД с кольцевым смесителем 1-общее сопло; 2-кольцевой смеситель; 3-затурбинный конус

Рисунок 9.10 – Инжекторное смесительное устройство [9.4] (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc)

модинамического расчета двигателя – величины проходных площадей по внутреннему и наружному контурам на входе и выходе из проточной час-

ти смесителя – F1âí, F1íàð (на входе), F2âí, F2íàð (на выходе). Величина площади на входе в смеситель

со стороны внутреннего контура F1âí определяется площадью на выходе из проточной части турбины за последним рабочим колесом. Величины площадей на выходе из смесителя F2âí, F2íàð зависят от объемных расходов потоков и определяются из условия равенства статических давлений на выходе из смесителя.

Ко второй группе относятся параметры, которые характеризуют геометрический облик смесителя и определяют глубину взаимного внедрения потоков:

- количество «лепестков» z;

Рисунок 9.11 – Схема ВУ с лепестковым смесителем

- соотношение площади кольцевого зазора между затурбинным конусом и кромками «карманов» Fêîë.âí к площади внутреннего контура на сре-

зе смесителя Fêîë.âí/F2âí;

- углы наклона образующих лепестков α 1

и карманов α 2;

- степень раскрытия смесителя hñì/H;

- угол подрезки лепестков или карманов ψ . К третьей группе относятся параметры, кото-

рые характеризуют форму элементов лепестков смесителя и могут быть переменными по его длине:

-радиусы кривизны лепестков Rë и карманов Rê;

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

От выбора этих параметров зависит уровень профильных потерь, определяющихся безотрывностью обтекания поверхностей смесителя и сведением к минимуму размеров зон ускорения и торможения потоков в пристеночном слое.

Передача энергии от горячего потока к холодному осуществляется в ВУ путем непосредственного взаимодействия потоков в процессе их смешивания. При этом передача энергии в бoльшую массу холодного воздуха наружного контура происходит путем и по законам тепломассообмена в турбулентных струях, что связано с потерями диффузии, потерями кинетической энергии при смешении,

гидравлическими и газодинамическими потерями в каналах смесителя и сопле, снижающими эффект от смешения [9.5]…[9.8].

Эффективность смешения характеризуется коэффициентом тяги ВУ, который можно представить как функцию двух характеристик: полноты смешения и потерь полного давления. Коэффициент тяги Ñò определяется:

(9.9)

ãäå Rèçì – измеренная тяга ВУ;

Gèçì – измеренный массовый расход каждого контура;

Vòåîð – скорость потока в каждом контуре, определенная при условии расширения потока до местного давления окружающей среды.

Полнота смешения потоков определяется из уравнения:

(9.10)

ãäå ÑÒí, ÑÒñ – экспериментально определенные

Рисунок 9.12 – ВУ двигателя ПС-90А со смешением потоков 1 – корпус; 2 – сопло; 3 – смеситель;

4 – конус затурбинный;

5 – наружный обтекатель сопла

значения коэффициентов тяги горяче- го и холодного потоков для заданной конфигурации выходного устройства;

– идеальный прирост коэффициента тяги, который может быть получен при полном смешении.

Суммарные потери полного давления вдоль смесителя и камеры смешения, отнесенные к потерям соответствующей конфигурации свободного (кольцевого) смесителя, рассчитываются по параметрам холодного потока из уравнения:

(9.11)

ãäå ÑÒÑ – величина коэффициента тяги для конфигурации смесителя с принудительным смешиванием (лепесткового);

ÑÒÑî - величина коэффициента тяги для соответствующей базовой конфигурации кольцевого смесителя;

- коэффициент влия-

íèÿ.

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 способом предварительно оценить эффективность смесительного устройства (величину потерь полного давления в каналах смесителя, сопла, полноту смешения) с помощью двухмерных и трехмерных пакетов программ. Окончательный выбор смесительного устройства осуществляется после проведения испытаний на моделях или на натурном двигателе.

Пример конструкции ВУ двигателя ПС-90А со смешением потоков наружного и внутреннего контуров приведен на Рис. 9.12 и 9.13. ВУ состоит из корпуса 1, сопла 2,смесителя 3 и затурбинного конуса 4. В конструкцию ВУ также входят наружный обтекатель 5 сопла и фланец 6 крепления обтекателя. Корпус 1 сварной конструкции, передним фланцем крепится к наружному корпусу двигателя. Сопло 2 передним фланцем крепится к корпусу 1. Смеситель 3 состоит из восемнадцатилепестковой обечайки с приваренным фланцем для крепления к задней опоре турбины. Снаружи к соплу 2 и корпусу 1 крепится обтекатель 5, являющийся продолжением мотогондолы двигателя. Пространство между сечениями на выходе из смесителя и на выходе из сопла является камерой смешения потоков наружного и внутреннего контуров.

Корпус 1 с соплом 2 образуют наружный профиль канала наружного контура и камеры сме-

шения. Смеситель 3 является внутренним профилем канала наружного контура и наружным вместе с затурбинным конусом - канала внутреннего.

Корпус 1, сопло 2 и фланец 6 выполнены из титанового сплава, смеситель 3 и затурбинный конус 4 выполнены из теплостойкой нержавеющей стали. Обтекатель сопла 5 выполнен из алюминиевого сплава.

9.2.2 - Выходные устройства ТРДД с раздельным истечением потоков

ВУ с раздельным истечением потоков (см. Рис. 9.14) имеет два сопла, установленных на выходе из наружного и внутреннего контуров двигателя.

Из Рис. 9.14 видно, что такое ВУ конструктивно проще и легче ВУ со смешением потоков. Однако, обтекание мотогондолы двигателя с таким ВУ более сложное, зависящее от геометрических параметров сопел, мотогондолы; взаимного расположения мотогондолы, пилона, крыла; режимов работы двигателя, скорости полета самолета. Исследования показывают, что правильный выбор обводов хвостовой части двигателя, его расположения относительно крыла позволяют не только существенно снизить сопротивление интерференции, но и получить даже прирост тяги.

Выбор геометрических параметров ВУ с раздельным истечением производится по результатам расчетов течения газа в трехмерной постановке. Окончательный выбор геометрии ВУ с раздельным истечением производится после проведения модельных испытаний.

На начальном этапе проектирования предварительно могут быть рекомендованы следующие параметры (см. Рис. 9.15):

По результатам испытаний, проведенных как на моделях, так и на натурных двигателях, полу- чено, что минимальные потери тяги обеспечиваются при углах наклона образующих сопла наружного контура в диапазоне 6…16°. При больших углах наклона образующих (более 16°) возможны отрывы потока от поверхности, что приведет к появлению дополнительных потерь тяги. При малых углах наклона образующих сопла наружного контура (менее 6°) увеличиваются длина и масса сопел, что может оказаться неоптимальным для конкретного двигателя.

Рисунок 9.15 – Схема ВУ с раздельным истечением потоков

Степень совершенства ВУ с раздельным истечением характеризуется коэффициентом потерь тяги в соплах:

и коэффициентом расхода:

Полученные с помощью современных методов рас- чета и уточненные по результатам модельных испытаний коэффициенты потерь тяги и расхода изменяются в диапазонах:

;

При расчете характеристик следует учиты-

âàòü:

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

-влияние загромождения стойками задней опоры канала внутреннего контура;

-взаимодействие набегающего потока воздуха, обтекающего мотогондолу, с пилоном и крылом (при размещении двигателя на крыле).

ВУ ТРДД с раздельным истечением потоков из контуров образовано двумя сужающимися, профилированными или сужающе-расширяющимися соплами, рассмотренными в разделе 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, сопла 2 внутреннего контура и затурбинного конуса 3. Наружное сопло 1 крепится к наружному корпусу 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, работающее при относительно низких температурах, выполняется из титановых, алюминиевых сплавов или из полимерно-композиционных материалов.

Сопла и затурбинный конус могут быть выполнены с использованием звукопоглощающих конструкций.

9.3 - Регулируемые сопла

При степени понижения давления газа π ñ*max > 2,5 потери в «жестком» сопле на нерасчетных режимах могут стать неприемлемыми. В этом случае, а также в случае использования на двигателе форсажной камеры (ТРДФ, ТРДДФ) возникает необходимость изменения площадей критичес-

êîãî, à ïðè π ñ*max >> 2,5 – и выходного сечений сопла, а также формы его канала в процессе изме-

нения режима работы двигателя, изменения режима полета. Форма канала может трансформироваться из сужающейся в сужающе-расширяющуюся и обратно. Такие сопла называются регулируемыми (РС). Они позволяют получить максимальный выходной импульс в широком диапазоне высот и скоростей полета, при изменении π ñ* до 20 и более. Чем больше π ñ* 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 импульса, РС позволяют улучшить некоторые характеристики двигателя, в частности:

-характеристики запуска (увеличение площади критического сечения – раскрытие сопла – уменьшает сопротивление за турбиной, облегчая раскрутку ротора на запуске, и снижает потребную мощность стартера);

-скоростную характеристику (раскрытие сопла с увеличением скорости полета дает возможность увеличить частоту вращения ротора и тягу двигателя);

-повысить запас устойчивости компрессора.

9.3.1 - Осесимметричные регулируемые сопла

Первые РС, как и нерегулируемые, были круглыми в сечении или, точнее, осесимметричными. Их развитие шло от конструкций с регулированием площади только критического сечения по двум схемам:

1.С центральным телом. Возможно, первое регулируемое сопло такого типа было на ТРД Jumo 004, установленном на Ме262 в 1942 году. (В российском обозначении РД10 Jumo 004 устанавливался на ЯК15). Из-за сложности охлаждения центрального тела в ТРДФ РС с центральным телом развития не получили.

2.С помощью шарнирно установленных на фланце форсажной камеры силовых элементов – створок и расположенных между ними уплотнительных элементов - проставок. Типичная конструкция РС такого типа приведена на Рис. 9.17.

Регулирование площади критического сечения производилось поворотом (закрытием) створок, шарнирно закрепленных на фланце форсажной камеры, перемещаемыми в осевом направлении по направляющим роликами, установленными на корпусе. Сверхзвуковая часть сопла и выходное сечение формировались «жидкими стенками» эжектора. Наружная часть сопла образовывалась «жестким» насадком.

Эжекторный контур требовал значительного расхода вторичного воздуха, что увеличивало габариты и массу самолета.

Стремление к уменьшению коэффициента эжекции привело к замене наружного насадка створчатой конструкцией (см. Рис. 9.18), в принципе аналогичной дозвуковой части сопла, но устанавливаемой либо под действием аэродинами- ческих сил (так называемая «флюгерная» часть или «флюгерные» створки), либо за счет кинематической связи с дозвуковым соплом.

Дальнейшее совершенствование РС шло по пути постепенного отказа от эжекторного контура (Êэж = 0) и замены «жидких стенок» створчатой конструкцией. «Наступление» на жидкий контур шло с двух сторон: вначале со стороны выходного сечения появились так называемые «подстворки»,

àзатем и со стороны дозвуковой части - второй ряд створок («надстворок») (см. Рис. 9.19). Таким образом, на большинстве форсажных режимов разрыв сверхзвукового контура исчез и РС стало на этих режимах «автомодельным». «Жидкие стенки» сохранились только на бесфорсажных режимах. Логическим завершением развития осесимметрич- ных створчатых конструкций РС стало создание все-