31. Выходные устройства. Процесс истечения газа из реактивного сопла

Выходные устройства должны обеспечивать глушение шума.

Требования: максимальное превращение тепловой (потенциальной энергии) в кинетическую и создание максимального импульса тяги с минимальными потерями на всех режимах; обеспечение эффективного регулирования в соответствии с продолжительными режимами полета; обеспечение регулирование величины и направления вектора тяги в широком диапазоне векторной тяги; эффективное глушение шума.

Системы выпуска предназначены для преобразования потенциальной энергии газового потока в кинетическую, для отвода газов в атмосферу, а также для защиты от нагрева элементов конструкции летательного аппарата, находящихся в зоне расположения двигателя.

Эти системы могут быть дозвуковые или сверхзвуковые, с регулируемым или нерегулируемым реактивным соплом, с форсажной камерой или без нее.

Основной частью системы является выходное устройство, состоящее из выпускной трубы и реактивного насадка. На некоторых типах двигателей имеются системы реверсирования тяги и шумоглушители. Если двигатель размещен в передней части гондолы в передней или средней части фюзеляжа, то между двигателем и реактивным соплом устанавливают удлинительную трубу.

Конструктивно система выпуска состоит из следующих основных элементов (рисунок 2.1): выпускной трубы, внутреннего конуса, стоек, удлинительной трубы, реактивного сопла и тепловой защиты.

Выпускная труба при помощи фланцев крепится к корпусу турбины и выполняется чаще всего в виде усеченного конуса, который в сочетании с внутренним конусом образует слегка расширяющийся канал.

Длина выпускной трубы берется по возможности меньшей: обычно L = (0,9–1,3)D.

Если в системе выпуска имеется удлинительная труба, то диа­метр ее нужно подбирать таким, чтобы скорость газов в ней не превышала 150–200 м/сек.

Внутренний конус служит для предотвращения резкого расшире­ния газа за турбиной (для плавного преобразования кольцевого потока на выходе из турбины в сплошной поток за внутренним конусом). Угол у вершины внутреннего конуса α = 35–50°.

Стойки соединяют внутренний конус с выпускной трубой и спрямляют закрученный в рабочем колесе турбины воздушный поток. Если закрутка потока за турбиной значительна, то и стойки имеют закрутку, а также возрастает их ширина и количество.

Если двигатель не имеет форсажа, а число М полета не превышает 1,5–1,7, то площадь реактивного сопла по длине уменьшается. Диаметр D реактивного сопла определяют на основе газодинамического расчета, а длина сопла L = (0,2–0,4)D. При движении газов по реактивному соплу малые потери получаются при угле конусности β = 10–12°.

Элементы конструкции систем выпуска работают в условиях высоких температур и омываются химически активными газами. Температура вытекающих газов достигает 700°С и выше, а при наличии форсажных камер – 1600–1800° С. Давление при этом равно 0,2–0,25 МН/м². Поэтому элементы систем выпуска изготовляют из жаропрочных сталей ЭИ-402, Я1T, сплавов ЭИ-435 и др. Тепловую изоляцию стенок удлинительной трубы обеспечивают при помощи асбеста или воздушной прослойки, омывающей трубу.

Для уменьшения потерь и получения оптимальных характеристик двигателя необходимо иметь прямые выпускные трубы, так как изогнутые увеличивают потери тяги на выходе. Установка удлинительных труб снижает тягу и повышает вес и расход топлива. Для ТВД считают, что потеря тяги из-за установки удлинительных труб составляет 0,3% на один калибр удлинительной трубы ( = l).

Площадь сечения удлинительной трубы выбирают такой же, как и площадь реактивной трубы двигателя без насадки. Применение удлинительных труб усложняет конструкцию самолета. В этом случае требуется постановка дополнительных узлов крепления и обеспечение сохранения допустимых температур вокруг удлинительной трубы.

Необходимую температуру поддерживают при помощи тепловой изоляции горячих поверхностей и охлаждения. Температура элементов конструкции вокруг удлинительной трубы должна быть меньше 140°С на всех режимах полета и при любых атмосферных условиях. В то же время охлаждение не должно приводить к резкому снижению температуры вытекающих газов вдоль трубы, так как это может привести к значительной потере тяги.

Наибольшие трудности при охлаждении удлинительной трубы встре­чаются при работе двигателя на земле, когда нет обдувки трубы встречным воздухом, и при полете со сверхзвуковыми скоростями, когда возможен нагрев конструкции вследствие торможения воздушного потока. Для снижения температуры удлинительных труб при работе дви­гателя на месте используют эффект эжекции или разрежение. В первом случае кожух удлинительной трубы выходит за реактивный насадок, во втором – реактивный насадок за пределы кожуха удлинительной трубы.

Удлинительные трубы должны быть прямолинейными и малой длины, чтобы иметь малое гидравлическое сопротивление. Исключение составляют удлинительные трубы ТВД. Так как скорость выхода газов из этих двигателей небольшая, то можно иметь кривые выпускные каналы, но обязательно гладкие.

Выпускные каналы могут влиять на характеристики устойчивости и управляемости из-за того, что оси входа воздуха в двигатель и выхода струи не совпадают, или из-за того, что меняется картина обтекания хвостового оперения вследствие воздействия вытекающих газов. Кроме того, система выпуска не должна влиять на характеристики двигателя при запуске.

Более сложные конструкции представляют собой системы выпуска двигателей для сверхзвуковых летательных аппаратов. С увеличением скорости полета возрастает степень сжатия, вследствие чего при прочих неизменных условиях повышается полное давление за турбиной. На больших скоростях полета перепад давлений в реактивном сопле становится сверхкритическим. Потери удельной тяги становятся заметными, начиная со скорости полета, соответствующей числу М = 1,5–1,6, и быстро возрастают с увеличением числа М.

Поэтому для ТРД, предназначенных для сверхзвуковых летательных аппаратов, необходимо применять не простые расширяющиеся сопла, а сверхзвуковые, что при сверхкритических перепадах давлений и заданном значении температуры газов за турбиной увеличивает удельную тягу и уменьшает расход топлива.

При больших сверхзвуковых скоростях полета выгодно применять сверхзвуковое реактивное сопло с малым уширением, не обеспечивающем на расчетных высоте и скорости полета полного расширения. Это при небольшом падении тяги значительно уменьшает длину и вес сопла, а также диаметр, что существенно снижает сопротивление силовой установки.

Нормальная устойчивая работа сопла на всех режимах полета достигается применением регулируемого сопла, обеспечивающего полное или близкое к полному расширение газа с наименьшими потерями. Для этого необходимо регулировать уширение сопла в соответствии с изменением условий эксплуатации двигателя.

Изменение площади выходного и критического сечений сверхзвукового реактивного сопла может быть получено путем перемещения внутренней иглы, поворотом створок, образующих стенки сопла, перемещением внутренней иглы и поворотом створок, поворотом створок и вдуванием воздуха для изменения площади критического сечения и другими способами.

Применение регулируемых сопел увеличивает вес, усложняет конструкцию и требует использования систем управления.

Часто в системе выпуска устанавливают форсажную камеру, в которой за счет сжигания топлива повышается теплосодержание воздуха, увеличиваются скорость истечения и тяга двигателя.

Основными элементами этой камеры являются диффузор, стабилизатор пламени, собственно камера сгорания, устройство для впрыска и воспламенения топлива и реактивное сопло.

Организация устойчивого горения в форсажной камере возможна только в случае уменьшения скорости воздуха на входе в нее до 120–200 м/сек. С этой целью применяют диффузор. В нем размещают стабилизатор пламени, который создает зоны обратных воздушных потоков, обеспечивающих устойчивое горение. Перед стабилизаторами на специальных топливных коллекторах устанавливают форсунки центробежного типа, равномерно расположенные по периметру стабилизатора и обращенные навстречу набегающему потоку. Число форсунок берется большим (до 200 шт).

Уменьшение скорости потока только одним диффузором нецелесообразно, так как увеличиваются габариты самого диффузора. Форсажная камера имеет регулируемое сопло (дозвуковое или сверхзвуковое). Створки сопла раскрываются при включении форсажа и закрываются при включении. Открытие должно быть достаточно быстрым для предотвращения повышения температуры газов за турбиной и перегрева лопаток. Закрытие рекомендуется производить медленнее. Управление створками и подачу топлива необходимо сблокировать для прекращения подачи топлива при отказе системы управления створками.

Все элементы форсажной камеры изготовляют из жаропрочных материалов. Наружные поверхности охлаждают воздухом, а внутренние покрывают специальной эмалью.