Скорость истечения газа из суживающегося сопла и режимы его работы

Как известно из термодинамики, скорость истечения газа из сопла без учета потерь

,

где Т₀^*– полная температура потока газа перед соплом.

Таким образом, скорость истечения газа из сопла зависит от его полной температуры перед соплом Т₀^*, действительной степени понижения давления газа в сопле_cи физических свойств газа (kиR)_.

Зависимость скорости истечения c_сот_cпоказана на рис.8.8.

При _с = 1 течение отсутствует, т.е. скорость истечения равна нулю. При увеличении_с скорость истечения возрастает, и , если величина_сстремится к бесконечности, скорость истечения стремится к предельной величине

.

Рис. 8.8.Зависимость скорости

истечения газа из сопла отπ_с

Таким образом, даже при _с=скорость истечения газа имеет конечное значение. Это объясняется тем, что при энергоизолированном течении увеличение скорости и, следовательно, кинетической энергии газового потока происходит за счет уменьшения его энтальпии, которая на входе в сопло имеет конечное значение () и при полном её переходе в кинетическую энергию газового потока даст также конечное значение скоростис_с, равноес_{с пред}.

Подчеркнём, что в суживающемся сопле поток можно разогнать только до скорости, равной скорости звука. Поэтому максимальная скорость истечения газа из суживающегося сопла ограничена значением критической скорости

,

при этом число Маха на срезе сопла равно единице.

Режим работы суживающегося соплаполностью определяется соотношением между располагаемой и критической степенями понижения давления (_с.расп и_кр). При этом возможны два режима работы:

1)режим полного расширения, когда _с.расп _кр. В этом случае газ в сопле расширяется полностью, давление газа в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды, т.е.p_с=p_H, а действительная степень понижения давления в сопле.

2) режим недорасширения,когда_с.расп >_кр. В этом случае газ в сопле расширяется не полностью, давление газа в выходном сечении сопла больше давления окружающей среды (p_с>p_H), а действительная степень понижения давления в сопле. Окончательное его расширение газа (т.е. уменьшение давления до величиныp_H) происходит за пределами сопла.

8.7. Потери в выходных устройствах и способы их оценки

Потери в выходных устройствах можно в общем случае разделить на три вида:

1. внутренние потери;

2. потери, связанные с нерасчетностью режима расширения газа в сопле;

3. внешнее сопротивление.

Внутренние потери вызваны вязкостью газа. Вязкость обуславливает потери на трение. Кроме того, неравномерность потока в выходном сечении сопла и его местные отклонения от осевого направления также приводят к потерям тяги.

Внутренние потери оцениваются коэффициентом скорости сопла

_с =,

где _с  осредненная (по расходу) величина осевой составляющей действительной скорости на выходе из сопла; _с.ад  скорость на выходе из сопла при отсутствии потерь, равная

_с.ад.

Нерегулируемые сужающиеся сопла с профилированными стенками внутреннего канала имеют _с =0,99…0,995.

С учетом наличия внутренних потерь и пограничного слоя для определения площади критического сечения сопла F_кр при известном расходе газа G_г формула расхода газа через критическое сечение сопла должна использоваться в виде:

_г=_гкрq(_кр),

где _кр=/, а  коэффициент расхода, учитывающий неравномерность параметров газового потока в критическом сечении сопла. У профилированных сопел коэффициенты _кр и  близки к единицы.

Внешнее сопротивление выходного устройства называется также кормовым сопротивлением Х_кор. Оно включает в себя сопротивление давления Х_р.кор и сопротивление трения Х_тр.кор кормовой части фюзеляжа или мотогондолы, сопряженных с обечайкой сопла, т.е. Х_кор=Х_р.кор+ Х_тр.кор.

На величину Х_кор влияет ряд факторов: число M полета, форма кормы сопла, режим его работы, толщина пограничного слоя на поверхности кормы и др.

Основной причиной возникновения внешнего сопротивления кормы является неблагоприятное распределение статического давления на ее внешней поверхности, форма которой, как правило, отлична от цилиндрической. Картина распределения статического давления при обтеканиидозвуковым потоком кормы конической или плавной (так называемой оживальной) формы в присутствии истекающей из сопла недорасширенной струи газа, показана на рис. 8.9. Как видно, на начальном участке кормы поток разгоняется, и статическое давление снижается, а в конце кормы статическое давление увеличивается (вследствие торможения потока при его обратном повороте от оси сопла). У кормы конической формы с изломом поверхности (штриховой контур на рис.8.9) величина наибольшего относительного разрежения и соответственно сопротивление давления получаются более высокими, чем у кормы оживальной формы.

Рис.8.9. Распределение статических давлений на поверхности кормы	Рис. 8.10. Распределение коэффициента давления по внешней поверхности сопла

Повышение давления в конце кормы до р_maxр_Н объясняется наличием выпуклой реактивной струи на выходе из сопла, о которую тормозится поток воздуха, обтекающий корму. Этим частично компенсируется сопротивление, возникающее на тех участках кормы, где давление ниже атмосферного.

Важным требованием к внешней аэродинамике сопел является их безотрывное обтекание. На рис. 8.10 показано полученное в эксперименте распределение коэффициента давления по внешней поверхности сопла при М_Н=0,8 и _с.расп=3,5 для случая, когда нет отрыва, и для случая, когда из за менее удачной формы кормы возникает отрыв потока. При отрыве на начальном участке сопла давление резко снижается, а на конечном участке восстанавливается в недостаточной степени, что приводит к значительному возрастанию внешнего сопротивления.

Другим источником внешнего сопротивления является сопротивление трения, но его доля по отношению к сопротивлению давления относительно невелика.

Суммарная тяговая эффективность выходного устройства в условиях внешнего обтекания оценивается коэффициентом эффективной тяги сопла, равным отношению эффективной тяги сопла к идеальной:

.