Войти
A Форсунка - это форсунка преобразует внутреннюю энергию рабочего газа в движущую силу; именно сопло, образующее струю, отделяет газовую турбину, являющуюся газогенератором, от реактивного двигателя.
. Форсунки ускоряют доступный газ до дозвуковые, трансзвуковые или сверхзвуковые скорости в зависимости от настройки мощности двигателя, их внутренней формы и давления на входе в сопло и на выходе из него. Внутренняя форма может быть сходящейся или сходящейся-расходящейся (C-D). Сопла CD могут ускорять струю до сверхзвуковых скоростей в расширяющейся части, тогда как сужающееся сопло не может ускорять струю сверх звуковой скорости.
Форсунки могут иметь фиксированную геометрию или они могут иметь изменяемую геометрию для получения другого выхода зоны для контроля работы двигателя при оснащении форсажной камерой или системой подогрева. При оснащении форсажных двигателей соплом C-D площадь горловины может изменяться. Сопла для сверхзвуковых скоростей полета, при которых создаются высокие отношения давления сопла, также имеют расходящиеся секции с изменяемой площадью. Турбореактивные двигатели могут иметь дополнительное и отдельное сопло, которое дополнительно ускоряет перепускной воздух.
Форсунки также действуют как ограничители потока, последствия которых составляют важный аспект конструкции двигателя.
Сходящиеся сопла используются во многих реактивных двигателях. Если соотношение давлений в сопле выше критического значения (около 1,8: 1), сужающееся сопло задушит, что приведет к некоторому расширению до атмосферного давления за горловиной (т. Е. Наименьшая площадь проходного сечения)., в следе от реактивного самолета. Хотя импульс реактивной струи по-прежнему создает большую часть общей тяги, дисбаланс между статическим давлением в горловине и атмосферным давлением по-прежнему создает некоторую тягу (давление).
Сверхзвуковая скорость воздуха, втекающего в ГПВРД, позволяет использовать простое расширяющееся сопло.
Двигатели, способные к сверхзвуковому полету, имеют элементы сходящегося-расходящегося выхлопного канала для создания сверхзвукового потока. Ракетные двигатели - крайний случай - своей отличительной формой обязаны очень большой площади сопел.
Когда степень перепада давления в сужающемся сопле превышает критическое значение, поток перекрывает, и, таким образом, давление выхлопных газов на выходе из двигателя превышает давление окружающего воздуха и не может уменьшаться через обычный эффект Вентури. Это снижает эффективность сопла по созданию тяги, поскольку большая часть расширения происходит после самого сопла. Следовательно, ракетные двигатели и реактивные двигатели для сверхзвукового полета включают в себя сопло C-D, которое допускает дальнейшее расширение внутрь сопла. Однако, в отличие от фиксированного сходящегося-расширяющегося сопла, используемого в обычном ракетном двигателе, сопла на турбореактивных двигателях должны иметь тяжелую и дорогую переменную геометрию, чтобы справляться с большим изменением соотношения давлений сопла, которое происходит при скоростях от дозвуковой до более 3 Маха.
Тем не менее, сопла с малым коэффициентом площади имеют дозвуковое применение.
Форсунки с регулируемым выхлопом на ТРДД GE F404 -400, установленном на Boeing F / A-18 Hornet. Без дожигания дозвуковые двигатели имеют сопла фиксированного размера, потому что изменение характеристик двигателя с высотой и дозвуковой скоростью полета приемлемо с фиксированным соплом. Это не относится к сверхзвуковым скоростям, как описано для Concorde ниже.
С другой стороны, некоторые высокие коэффициенты обхода турбовентиляторные двигатели гражданского управляют рабочей линией вентилятора с помощью конвергентно-расширяющегося сопла с чрезвычайно низким (менее 1,01) коэффициентом площади на байпасном (или смешанном выхлопном) потоке. На низких скоростях такая установка заставляет сопло действовать так, как если бы оно имело изменяемую геометрию, предотвращая его засорение и позволяя ему ускоряться и замедлять выхлопные газы, приближаясь к горловине и расширяющейся секции соответственно. Следовательно, выходная область сопла управляет сопряжением вентилятора, которое, будучи больше горловины, немного отводит рабочую линию вентилятора от помпажа. На более высоких скоростях полета подъем плунжера во впускном отверстии заглушает горло и заставляет площадь сопла определять соответствие вентилятора; сопло, меньшее, чем выходное отверстие, заставляет горловину слегка подталкивать рабочую линию вентилятора в сторону помпажа. Однако это не проблема, поскольку запас по помпажу вентилятора намного больше на высоких скоростях полета.
Сопло ракеты на V2 демонстрирует классическую форму. В ракетных двигателях также используются сходящиеся-расходящиеся сопла, но они обычно имеют фиксированную геометрию, чтобы минимизировать вес. Из-за высокого отношения давлений, связанного с полетом ракеты, сходящиеся-расходящиеся сопла ракетных двигателей имеют гораздо большее соотношение площадей (выходное отверстие / горловина), чем те, которые установлены на реактивных двигателях.
Форсажные камеры на боевых самолетах требуют большего сопла для предотвращения неблагоприятного воздействия на работу двигателя. Форсунка с регулируемой диафрагмой состоит из серии движущихся, перекрывающихся лепестков с почти круглым поперечным сечением форсунки и сужается для управления работой двигателя. Если самолет должен лететь со сверхзвуковой скоростью, за форсажным соплом может следовать отдельное расширяющееся сопло в конфигурации сопла эжектора, как показано ниже, или расходящаяся геометрия может быть объединена с соплом форсажной камеры в конфигурации конвергентно-расширяющегося сопла изменяемой геометрии., как показано ниже.
Ранние форсажные камеры были либо включены, либо выключены и использовали двухпозиционную раскладушку, или веко, сопло, которое давало только одну область, доступную для использования дожигания.
Эжектор относится к к перекачивающему действию очень горячего, высокоскоростного выхлопа двигателя, увлекающего (выбрасывающего) окружающий воздушный поток, который вместе с внутренней геометрией вторичного или расходящегося сопла регулирует расширение выхлопных газов двигателя. На дозвуковых скоростях поток воздуха сужает выхлоп до сужающейся формы. Когда выбрано дожигание и самолет набирает скорость, два сопла расширяются, что позволяет выхлопу формировать сходящуюся-расходящуюся форму, ускоряя выхлопные газы выше 1 Маха. Более сложные двигательные установки используют третичный воздушный поток для уменьшения площади выхода на низких скоростях.. Достоинства эжекторного сопла заключаются в относительной простоте и надежности в тех случаях, когда заслонки вторичного сопла устанавливаются силами давления. Сопло эжектора также может использовать воздух, который попал в воздухозаборник, но не требуется двигателю. Количество этого воздуха значительно варьируется в диапазоне полета, а сопла эжектора хорошо подходят для согласования воздушного потока между системой впуска и двигателем. Эффективное использование этого воздуха в сопле было основным требованием для самолетов, которые должны были эффективно летать на высоких сверхзвуковых скоростях в течение длительных периодов времени, поэтому его использовали в SR-71, Concorde и XB-70 Valkyrie.
Простым примером эжекторного сопла является цилиндрический кожух с фиксированной геометрией, окружающий форсунку на установке J85 в T-38 Talon. Более сложными были устройства, используемые для установок J58 (SR-71 ) и TF-30 (F-111 ). Оба они использовали дверцы третичной продувки (открываются на более низких скоростях) и свободно плавающие перекрывающиеся створки для последней форсунки. И заслонки продувки, и последние заслонки сопел устанавливаются за счет баланса внутреннего давления выхлопных газов двигателя и внешнего давления из поля потока летательного аппарата.
На ранних установках J79 (F-104, F-4, A-5 Vigilante ), срабатывание вторичного сопла было механически связано с соплом дожигателя. В более поздних установках последнее сопло механически приводилось в действие отдельно от сопла дожигателя. Это дало повышенную эффективность (лучшее соответствие первичной / вторичной зоны выхода с высоким требованием к числу Маха) на 2 Маха (B-58 Hustler ) и 3 Маха (XB-70).
В турбовентиляторных установках, не требующих нагнетания вторичного воздушного потока выхлопными газами двигателя, используется сопло CD с изменяемой геометрией. Эти двигатели не требуют внешнего охлаждающего воздуха, необходимого для турбореактивных двигателей (корпус горячего дожигателя).
Расширяющееся сопло может быть неотъемлемой частью лепестка сопла дожигателя, расположенного под углом после горловины. Лепестки движутся по криволинейным дорожкам, и осевое поступательное движение и одновременное вращение увеличивают площадь горловины для дожигания, в то время как задняя часть становится дивергенцией с большей площадью выхода для более полного расширения на более высоких скоростях. Примером может служить TF-30 (F-14 ).
Первичный и вторичный лепестки могут быть шарнирно соединены вместе и приводиться в действие одним и тем же механизмом для обеспечения управления форсажной камерой и расширения с высокой степенью сжатия в сопле, как на EJ200 (Eurofighter ). Другие примеры можно найти на F-15, F-16, B-1B.
Форсунка с вектором тяги Сопла для векторной тяги включают фиксированную геометрию Bristol Siddeley Pegasus и изменяемую геометрию F119 (F-22 ).
Реверсеры тяги на некоторых двигателях встроены в само сопло и известны как реверсоры целевой тяги. открывается на 2 половины, которые собираются вместе для частичного перенаправления выхлопа вперед. Поскольку область сопла влияет на работу двигателя (см. ниже), развернутый реверсор тяги должен располагаться на правильном расстоянии из струи, чтобы предотвратить изменения в пределы эксплуатации двигателя. Примеры реверсоров целевой тяги можно найти на Fokker 100, Gulfstream IV и Dassault F7X.
Шум струи может быть уменьшен путем добавления элементов на выходе из сопла, которые увеличивают площадь поверхности цилиндрической струи. Коммерческие турбореактивные двигатели и ранние двухконтурные двигатели обычно разделяют струю на несколько частей. Современные турбовентиляторные двигатели с высоким байпасом имеют треугольные зубцы, называемые шевронами, которые слегка выступают в двигательную струю.
Форсунка, благодаря установке противодавления, действует как ограничитель на выходе компрессора и, таким образом, определяет, что входит в переднюю часть двигателя. Он разделяет эту функцию с другим ограничителем ниже по потоку, соплом турбины. Площадь рабочего сопла и сопла турбины задает массовый расход двигателя и максимальное давление. В то время как обе эти области являются фиксированными во многих двигателях (т.е. в двигателях с простым неподвижным соплом), другие, особенно с дожиганием, имеют сопло с регулируемой площадью. Это изменение площади необходимо для сдерживания возмущающего воздействия на двигатель высоких температур сгорания в струйной трубе, хотя площадь также может изменяться во время операции без дожигания для изменения насосной производительности компрессора при более низких настройках тяги.
Например, если нужно было снять сопло для преобразования турбореактивного двигателя в турбовальный, роль, которую играет площадь сопла, теперь возьмет на себя площадь Направляющие лопатки или статоры сопла силовой турбины.
Перерасширение происходит, когда выходная площадь слишком велика по сравнению с размером форсажной камеры или первичного сопла. Это происходило при определенных условиях на установке J85 на Т-38. Вторичное или конечное сопло имело фиксированную геометрию, размер которой соответствовал максимальному случаю форсажной камеры. При настройках тяги без форсажной камеры выходное сечение было слишком большим для закрытого сопла двигателя, приводящего к чрезмерному расширению. К эжектору были добавлены свободно плавающие дверцы, позволяющие вторичному воздуху контролировать расширение первичной струи.
Для полного расширения до давления окружающей среды и, следовательно, максимального тяги или эффективности сопла требуемая площадь увеличивается с увеличением числа Маха полета. Если расхождение слишком мало, что дает слишком малую площадь выхода, выхлоп не будет расширяться до давления окружающей среды в сопле, и будет потеряна тяговая тяга. С увеличением числа Маха может наступить точка, в которой площадь выхода сопла будет равна величине двигателя. диаметр гондолы или диаметр кормовой части самолета. За пределами этой точки диаметр сопла становится наибольшим, и сопротивление начинает возрастать. Таким образом, сопла ограничены установочными размерами, и возникающая потеря тяги является компромиссом с другими соображениями, такими как меньшее сопротивление, меньший вес.
Примеры: F-16 на скорости 2,0 Маха и XB-70 на скорости 3,0 Маха.
Другое соображение может относиться к требуемому соплу охлаждающий поток. Расходящиеся створки или лепестки должны быть изолированы от температуры пламени камеры дожигания, которая может быть порядка 3600 ° F (1980 ° C), слоем охлаждающего воздуха. Более длинное расхождение означает большую площадь для охлаждения. Потеря тяги из-за неполного расширения компенсируется преимуществами меньшего охлаждающего потока. Это относилось к соплу TF-30 в F-14A, где идеальное соотношение площадей на скорости 2,4 Маха было ограничено меньшим значением.
Расширяющаяся секция дает дополнительную скорость выхлопа и, следовательно, тягу при сверхзвуковых скоростях полета.
Эффект добавления расширяющейся секции был продемонстрирован на первом C-D сопле Pratt Whitney. Сужающееся сопло было заменено на сопло C-D на том же двигателе J57 того же самолета F-101. Увеличенная тяга от сопла CD (2000 фунтов, 910 кг при взлете на уровне моря) на этом двигателе подняла скорость с 1,6 до почти 2,0, что позволило ВВС установить мировой рекорд скорости в 1 207,6 миль в час (1943,4 км / ч). h), которая была чуть ниже 2 Маха для температуры в тот день. Истинная ценность сопла CD не была реализована на F-101, поскольку воздухозаборник не был модифицирован для достижения более высоких скоростей.
Другим примером была замена конвергентной насадки на сопло CD на YF-106 / PW J75, когда он не совсем достиг 2 Маха. Вместе с введением сопла CD был изменен дизайн входного патрубка. Впоследствии ВВС США установили мировой рекорд скорости с F-106 со скоростью 1526 миль в час (2,43 Маха). По сути, расходящаяся секция должна добавляться всякий раз, когда поток перекрывается внутри сходящейся секции.
Секционированное выхлопное сопло Jumo 004 с ограничительным корпусом Zwiebel. Некоторые очень ранние реактивные двигатели, которые не были оснащены форсажной камерой, например, BMW 003 и Jumo 004 (имевший дизайн, известный как Zwiebel [дикий лук] из-за своей формы), имели переходную заглушку для изменения площади сопла. Jumo 004 имел большую площадь для запуска, чтобы предотвратить перегрев турбины, и меньшую площадь для взлета и полета, чтобы обеспечить более высокую скорость выхлопа и тягу. Zwiebel 004 обладал диапазоном хода вперед / назад 40 см (16 дюймов) для изменения площади выпускного сопла, приводимого в действие механизмом с приводом от электродвигателя в пределах расширяющейся области корпуса сразу за выходной турбиной.
Двигатели, оборудованные форсажной камерой, также могут открывать форсунки для запуска и на холостом ходу. Уменьшается тяга на холостом ходу, что снижает скорость руления и износ тормозов. Эта функция двигателя J75 в F-106 называлась «Контроль тяги холостого хода» и уменьшала тягу холостого хода на 40%. На авианосцах меньшая тяга холостого хода снижает опасность реактивной струи.
В некоторых приложениях, например, при установке J79 в различных самолетах, во время быстрого открытия дроссельной заслонки можно предотвратить закрытие области сопла за пределами определенной точки, чтобы обеспечить более быстрое увеличение оборотов в минуту. и, следовательно, более быстрое время до максимальной тяги.
В случае двухконтурного турбореактивного двигателя, такого как Olympus 593 в Concorde, площадь сопла может изменяться, чтобы обеспечить одновременное достижение максимального низкого давления. скорость нагнетательного компрессора и максимальная температура на входе в турбину в широком диапазоне температур на входе в двигатель, который имеет место при скорости полета до 2 Маха.
На некоторых турбовентиляторных двигателях с турбонаддувом рабочая линия вентилятора регулируется с помощью площади сопла как в сухом, так и во влажном режиме операция по обмену избыточной наценки на повышение тяги.
Площадь сопла увеличивается во время работы на форсажной камере, чтобы ограничить воздействие на двигатель выше по потоку. Чтобы запустить турбовентилятор для обеспечения максимального воздушного потока (тяги), площадь сопла может регулироваться таким образом, чтобы рабочая линия вентилятора находилась в оптимальном положении. Для турбореактивного двигателя, обеспечивающего максимальную тягу, можно контролировать зону, чтобы поддерживать температуру выхлопных газов турбины на пределе.
В ранних установках форсажной камеры пилот должен был проверить индикатор положения форсунки после выбора форсажной камеры. Если форсунка по какой-то причине не открывалась, и пилот не отреагировал, отменив выбор форсажной камеры, типичные элементы управления того периода (например, J47 в F-86L) могли вызвать смещение лопаток турбины. перегрев и выход из строя.
Некоторые самолеты, такие как немецкий Bf-109 и Macchi C.202 / 205, были оснащены «выхлопными трубами эжекторного типа». Эти выхлопные газы преобразовали часть отработанной энергии выхлопного потока двигателей (внутреннего сгорания) в небольшую прямую тягу за счет ускорения горячих газов в обратном направлении до скорости, большей, чем у самолета. Все выхлопные системы в той или иной степени делают это при условии, что вектор выброса выхлопных газов противоположен / не похож на направление движения самолета.
Выхлопные системы с выталкивателем были разработаны Rolls-Royce Limited в 1937 году. На модели de Havilland Hornet 1944 года Rolls-Royce Merlin 130/131 двигателей, тяга от выхлопных газов с несколькими эжекторами была эквивалентна дополнительным 450 л.с. на двигатель при полностью открытой дроссельной заслонке.
