6.2. Суживающиеся сопла

Суживающееся выходное сопло приведено на рис. 6.2. Оно име­ет форму конического насадка, площадь минимального сечения его может быть постоянной, либо изменяться с помощью створок (пунктиром они показаны на рисунке в отклоненном состоянии).

Суживающиеся сопла конструктивно просты и имеют сравни­тельно небольшие потери из-за трения газа о стенки сопла и внут­реннего трения газа. Потери оцениваются коэффициентом скорости сопла

где с_с — действительная (с учетом потерь) скорость истечения, а — адиабатная (без учета потерь) скорость истечения газа из сопла, определяемая по формуле, получаемой из уравнения энер­гии для сечений на входе в сопло (т—т) и на выходе из него (с-с):

Значения _с = 0,98 ... 0,99.

Величина потерь также может быть определена с помощью ко­эффициента восстановления полного давления

Оба коэффициента при сверхкритических перепадах давлений в сопле

Индекс «кр» относится к сечению «с—с».

Уравнение расхода через суживающееся сопло записывается аналогично уравнению (5.18):

где р_с* — полное давление газа на срезе сопла, Па; Т_с* — темпе­ратура заторможенного потока газа в том же сечении, К; F_с — пло­щадь выходного сечения сопла, м²; — коэффициент расхода, учитывающий неравномерность поля скоростей на срезе сопла; — газодинамическая функция расхода.

С увеличением скорости полета растет значение _с. При газ в суживающемся сопле может расширяться только до критического давления. Из-за неполного расширения (недорасширения) газа получаются потери тяги, тем большие, чем больше скорость полета.

6.3. Сверхзвуковые сопла

Схема сопла Лаваля представлена на рис. 6.3. Оно состоит из двух участков: суживающегося (до сечения «кр») и расширяюще­гося, где происходит дальнейшее расширение газа, снижение его давления и температуры и повышение скорости газа. Степень уширения сопла F=F_c/F_Kp связана со степенью понижения давле­ния в сопле _с = р_т*/р_с. Когда, _с = _кр сопло работает с полным расширением, режим работы сопла называется расчетным. При _с > _кр и р_с>р_н, сопло работает с недорасширением, а при _с< _кр и р_с< р_н, сопло работает с перерасширением газа.

Если на двигатель поставлено сопло, рассчитанное из условия Рс=Рн, то в случае полного расширения тяга двигателя определя­ется по формуле (1.2). Если на двигателе стоит сопло, работаю­щее с недорасширением, то скорость истечения уменьшится, но в формуле тяги появится статический член тяги F_c(p_c—р_н). Если сопло работает с перерасширением, то скорость истечения газа по­лучается более высокой, чем при полном расширении, но стати­ческий член становится отрицательным, так как р_с<р_а-

Для того чтобы определить, при каком сопле тяга двигателя максимальна, "рассмотрим силы, действующие на расширяющуюся часть сопла Лаваля.

На рис. 6.4 показано распределение давления на стенках сверх­звуковой части сопла (при отсутствии трения). Когда площадь F₀ обеспечивает полное расширение газа в сопле, в нем создается рав­нодействующая сила давления, направленная по полету (рис. 6.4, а). Если удлинить сопло,, добавив к нему расширяющийся уча­сток 1\ (увеличить F), то на внутренней поверхности этого участ­ка, где давление р меньше давления р_н в окружающей среде, образуется

равнодействующая, направленная против полета (отрица­тельная). Этот случай соответствует работе сопла с перерасшире­нием, когда давление в сопле уменьшается до значений, меньших чем в окружающей среде (рис. 6.4, б).

Если укоротить сопло, отбросив участок /₂ (уменьшить F), что­бы сопло работало с неполным расширением, то тяга также полу­чается меньше, так как на отброшенной части результирующая сил давления была направлена по полету (рис. 6.4, в).

Таким образом, максимальная тяга при отсутствии трения по­лучится при полном расширении. Но так как трение имеется, наи­большая тяга получается при работе с некоторым недорасширением, при укорочении сверхзвуковой части сопла, так как вблизи выходного сечения результирующая сил давления меньше резуль­тирующей сил трения.

Сопло Лаваля, если оно рассчитано на большие М_ш имеет зна­чительные потери на пониженных скоростях. Если же его рассчи­тывали для работы на малых М_ш то потери возрастают с ростом скорости полета. Уменьшение потерь в сопле достигается путем регулирования его, изменением степени уширения F.

Принципиальная схема регулируемого сопла Лаваля приведена на рис. 6.5. В этом сопле ряд створок 1 служит для регулирова­ния критического сечения, к этому ряду створок шарнирно за­креплены створки 2, служащие для независимого регулирования площади Fс, третий ряд створок 3 образует очертание кормовой поверхности гондолы двигателя, при котором ее сопротивление уменьшается

Всережимные сопла Лаваля очень сложны конструктивно, по­этому применяют более простые «ирисовые» сопла (рис. 6.6). Ве­нец створок сопла перемещается по криволинейным направляю­щим, выполненным в кожухе форсажной камеры. При работе на нефорсированных режимах (рис. 6.6, а) они смещаются назад с поворотом во внутреннюю сторону, чем достигается уменьшение площади критического сечения, а сами створки образуют сужи­вающееся сопло.

На форсированных режимах (рис. 6.6, б) створки перемещают­ся вперед по потоку с одновременным поворотом во внешнюю сто­рону. Так как створки имеют S-образную форму, площадь крити­ческого сечения возрастает, а простое суживающееся сопло пре­вращается в сверхзвуковое.

Ирисовые сопла относительно просты, имеют малую массу, ма­лое внешнее сопротивление, но небольшой диапазон регулирова­ния их проходных сечений (^=1,3 ... 1,4), что ограничивает область применения таких сопел невысокими значениями М_п (М_п= = 1,5 ... 2,0).

Необходимость упрощения системы регулирования при широ­ком потребном диапазоне изменения степени уширения сопла при­вела к созданию сопел с аэродинамическим регулированием: эжек- торных и сопел с центральным телом.

Эжекторное сопло (рис. 6.7) имеет обычный суживающийся на­садок 2 (первичное сопло) и расположенную вокруг него цилинд­рическую или коническую обечайку 4. Из сопла вытекает газ вы­сокого давления 1, а в кольцевую полость, образованную наруж­ной поверхностью сопла и внутренней поверхностью, поступает

эжектируемый атмосферный воздух 3 (избыточный воздух возду­хозаборника, воздух, отбираемый в пограничном слое гондолы). Вытекающая из сопла струя активного газа расширяется в дозву­ковом потоке пассивного газа, приобретая при этом форму расши­ряющейся части сопла Лаваля, но без твердых стенок. Замена жесткой стенки жидкой границей, образованной струей пассивного воздуха, позволяет упростить конструкцию системы регулирования площадей критического и выходного сечений сопла по сравнению со всережимным соплом Лаваля.

На малых скоростях полета или на больших с выключенной форсажной камерой возникает необходимость в подводе воздуха 5 через окна подпитки. На этих режимах есть опасность перерасширения основного потока, истекающего из первичного сопла с ма­лым значением я_с, и этот воздух заполняет избыточную площадь выходного сечения, если не предусмотрено ее регулирование.

Эжекторное сопло отличается простотой регулирования крити­ческого сечения, подачей холодного вторичного воздуха. Этот же воздух используется для интенсивного охлаждения стенок сопла и форсажной камеры. Поэтому такие сопла наиболее пригодны для двигателей с форсажной камерой.

По сравнению с эжекторным сопло с центральным телом (рис. 6.8) является более простым в конструктивном отношении, требует более простого регулирования, отличается меньшей массой. Но применение таких сопел ограничено сравнительно низкими допус­тимыми температурами газов, так как эффективное охлаждение центрального тела затруднено.