Рисунок 9.1_2 – 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 πñ* 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. 9.1_1в). 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° [9.12.3]. Cопла Лаваля могут работать на трех режи-

ìàõ (ñì. Ðèñ. 9.1_3):

-с полным расширением, когда статическое давление на срезе сопла равно давлению в окружающей среде Ðñ = Ðí (ñì. Ðèñ. 9.1_3à);

-с перерасширением, когда статическое давление на срезе сопла меньше давления в окружающей среде Ðñ<Ðí (ñì. Ðèñ. 9.1_3á);

-с недорасширением, когда статическое давление на срезе сопла больше давления в окружающей среде Ðñ>Ðí (ñì. èñ. 9.1_3â).

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 9.1_3 – Режимы работы сопла Лаваля [9.12.1]

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. 9.2.1_1). Конструктивно это самые простые смесители, имеющие минимальные массу

èгидравлическое сопротивление, но и наименьшую эффективность.

-инжекторные – поток одного из контуров внедряется в другой под углом через щелевые отверстия (см. Рис. 9.2.1_2);

-вихревые – потоки контуров перед смешением предварительно закручиваются;

-лепестковые смесители (см. Рис. 9.2.1_3 …9.2.1_5).

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. 9.2.1_3) пространственной формы, характеризуемой параметрами, которые можно разделить на три группы.

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

Рисунок 9.2.1_1 – ТРДД с кольцевым смесителем 1-общее сопло; 2-кольцевой смеситель; 3-затурбинный конус

Рисунок 9.2.1_2 – Инжекторное смесительное устройство [9.12.4] (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 9.2.1_3 – 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 α1

и карманов α2;

- 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 [9.12.5]…[9.12.8].

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

(9.2-1)

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:

(9.2-2)

ãäå ÑÒí, ÑÒñ – экспериментально определенные 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:

(9.2-3)

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

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

- коэффициент влияния.

для защитного корпуса ходового винта).

Рисунок 9.2.1_4 – ВУ двигателя ПС-90А со смешением потоков 1 – корпус; 2 – сопло; 3 – смеси-

тель; 4 – конус затурбинный; 5 – наружный обтекатель сопла