7.2. Условия получения сверхзвуковых скоростей

Рис. 7.1. Сверхзвуковое сопло

Первое условие – сопло сужающееся- расширяющиеся (сопло Лаваля) (рис. 7.1, а).

Второе условие – .

При в сечении кр-кр,c = c_кр, а в сечении с-с, c > c_кр.

Можно получить малую сверхзвуковую скорость в сужающемся сопле с косым срезом (рис. 7.1, б), так как в этом случае F_c > F_кр.

7.3. Режимы работы сужающегося реактивного сопла

У сужающегося сопла при значении скорость истеченияc < c_кр (см. рис. 7.2, а). Так как поток в сопле дозвуковой, то атмосферное давление р_н в форме акустических волн проникает со скоростью звука навстречу дозвуковому потоку внутрь сопла через его срез, и выравнивает давление в сопле таким образом, что р_с всегда равно р_н.

Р

7.2. Режимы работы

сужающегося сопла

ежим работы такого сопла всегда расчетный (р_с = р_н), но так как c < c_кр, имеет место «недополучение» максимальной возможной скорости в сужающемся сопле, а следовательно, максимальной возможной тяги РС R_с.max = c_кр М_т.

При (рис. 7.2,б) критическая скорость c_кр достигается раньше среза сопла в сечении кр-кр при . Вследствие того, что дальнейшее расширение газа в сужающемся сопленевозможно, скорость потока до среза сопла останется равнойc_кр. Плотность будет расти, обеспечивая неразрывность потока .

На срезе сопла: с_с = c_кр; р_с > р_н (режим недорасширения).

На участке сопла от сечения кр-кр до сечения с-с отсутствует приращение скорости с_кр = const, следовательно, приращение тяги, а суммарные гидравлические потери растут.

Выводы: 1. Из-за недорасширения газа в сопле (р_с > р_н) недополучается возможная максимальная тяга.

2. Участок сопла между сечениями кр-кр и с-с не участвует в создании тяги и создает дополнительные потери энергии от трения об стенки.

3. Газ дорасширяется от давления р_с до давления р_н за срезом сопла в атмосфере, что вызывает повышенный шум.

7.4. Режимы работы сверхзвукового реактивного сопла

В сверхзвуковом реактивном сопле (сопле Лаваля)

(7.4)

Так как поток движется в расширяющейся части сопла со сверхзвуковой скоростью, то давление окружающей среды р_н, распространяющееся в виде акустических волн со скоростью звука, не может проникнуть через срез сопла на встречу потоку и повлиять на давление в потоке. Поэтому давление на срезе СРС может быть как меньше, так и больше р_н в зависимости от соотношения и.

Условием расчетного режима сверхзвукового сопла является: , то есть:. Так как в сечении с-с давление газа равно давлению окружающей среды, потери при смешивании истекающего потока газа с воздухом атмосферы отсутствуют и суммарные потери в сопле минимальны. На расчетном режиме создается максимально возможная тяга соплаR_c.max = М_т с_с.

Режим недорасширения наблюдается при: ,

то есть: . Подведенный к сверхзвуковому соплу полный перепад давлений«не срабатывается», так как.

Из-за недорасширения газа в сопле скорость на срезе сопла меньше, чем можно было бы получить при полном расширении.

Выводы: 1. «Недополучение» тяги сопла R_c вследствие того, что c_c.меньше максимально возможной при данной .

2. Повышенный шум из-за дорасширения потока до р_н в атмосфере за срезом сопла.

Р

Рис. 7.3. Режим перерасширения

ежим перерасширения наблюдается при: , то есть:.

Давление в сверхзвуковом сопле достигает р_н в расчетном сечении с_р – с_р до среза сопла (рис.7.3). На участке от сеченияс_р – с_р до сечения с-с газ будет продолжать расширяться и его давление уменьшится до р_с < р_н, соответственно, скорость возрастет до c_c > c_c.р (см. рис. 7.3).

При выходе из сопла струя газа «обжимается» атмосферным давлением р_н > р_с, что приводит к резкому росту р_с до давления , и торможению потокадо дозвуковой скоростив прямом скачке уплотнения на срезе сопла (см. рис.7.3). Тяга сопла резко снижается.

Уменьшению R_c так же способствует создание на участке перерасширения отрицательной тяги ΔR_a из-за наличия перепада давлений на стенках сопла (рис. 7.4, а).

При значительном (глубоком) перерасширении, из-за отрыва пограничного слоя от внутренней стенки сопла, давление р_н проникает через дозвуковую зону пограничного слоя внутрь сопла и там образуется скачок уплотнения (рис. 7.4, б). За скачком скорость потока становится дозвуковой, а так как канал расширяющийся (диффузор) скорость продолжает снижаться, а давление расти при движении потока до среза сопла.

Н

Рис. 7.4. Механизм потерь тяги на режиме перерасширения:

а– безотрывное перерасширение;б– глубокое перерасширение с отрывом

пограничного слоя

а срезе сопла:р_с = р_н. Вследствие того, что за скачком давление возрастает, перепад давлений на стенках диффузора уменьшается и, следовательно, уменьшается ΔR_a (см. рис. 7.4, б). Потери тяги на режиме глубокого перерасширения уменьшаются по сравнению с перерасширением без отрыва ПС.