Режимы работы сверхзвукового реактивного сопла

 

В сверхзвуковом реактивном сопле (сопле Лаваля) при ,  реализуется в сужающейся части РС. Вследствие того, что  суммарная степень понижения давления в сопле Лаваля  будет определяться степенью понижения давления в его сверхзвуковой (расширяющейся) части , которая зависит от ее относительной площади (степени уширения) .

Так как поток движется в расширяющейся части сопла со сверхзвуковой скоростью, то давление окружающей среды р _н, распространяющиеся в виде акустических волн со скоростью звука, не может проникнуть через срез сопла на встречу потоку и повлиять на давление в потоке. Поэтому давление на срезе СРС может быть как меньше, так и больше р _н в зависимости от соотношения  и .

Условием расчетного режима сверхзвукового сопла является: , то есть: . Так как в сечении с-с давление газа равно давлению окружающей среды, потери при смешивании истекающего потока газа с воздухом атмосферы отсутствуют и суммарные потери в сопле минимальны. На расчетном режиме создается максимально возможная тяга сопла R _c.max = М _г с _с.

Режим недорасширения наблюдается при: ,

то есть: . Подведенный к сверхзвуковому соплу полный перепад давлений  «не срабатывается», так как .

Из-за недорасширения газа в сопле скорость на срезе сопла меньше, чем можно было бы получить при полном расширении.

Выводы: 1. «Недополучение» тяги сопла R _c вследствие того, что c _c.меньше максимально возможной при данной .

2. Повышенный шум из-за дорасширения потока до р _н в атмосфере за срезом сопла.

Режим перерасширения наблюдается при: ,

то есть: .

Давление в сверхзвуковом сопле достигает р _н в расчетном сечении с _р – с _р до среза сопла  (рис.1.15). На участке от сечения с _р – с _р до сечения с - с газ будет продолжать расширяться и его давление уменьшится до р _с < р _н, соответственно, скорость возрастет до c _c > c _c.р (см. рис. 1.15).

При выходе из сопла струя газа «обжимается» атмосферным давлением
р _н > р _с, что приводит к резкому росту р _с до давления , и торможению потока  до дозвуковой скорости  в прямом скачке уплотнения на срезе сопла (см. рис.1.15). Тяга сопла резко снижается .

Уменьшению R _c так же способствует создание на участке перерасширения отрицательной тяги Δ R _a из-за наличия перепада давлений на стенках сопла (рис. 1.16, а).

При значительном (глубоком) перерасширении, из-за отрыва пограничного слоя от внутренней стенки сопла, давление р _н проникает через дозвуковую зону пограничного слоя внутрь сопла и там образуется скачок уплотнения (рис. 1.16, б). За скачком скорость потока становится дозвуковой, а так как канал расширяющийся (диффузор) скорость продолжает снижаться, а давление расти при движении потока до среза сопла.

На срезе сопла: р _с = р _н. Вследствие того, что за скачком давление возрастает, перепад давлений на стенках диффузора уменьшается и, следовательно, уменьшается Δ R _a (см. рис. 1.16, б). Потери тяги на режиме глубокого перерасширения уменьшаются по сравнению с перерасширением без отрыва ПС.

 

Назначение и выбор типа РС

РС является основной частью ВУ ВРД и предназначено для преобразования части энтальпии газового потока после ГТ в кинетическую энергию струи газа, истекающей из двигателя (создание реактивной тяги).

Выбор типа РС (дозвуковое или сверхзвуковое) определяется в первую очередь полной степенью расширения газа в РС – .

Величина  зависит от типа ВРД, режима его работы и параметров полета.

При дозвуковых скоростях полета у ТРД и ТРДД с сужающимся РС: = 6…7 (Н ≥ 11 км); = 2,5…3,0 (Н = 0).

Максимальная тяга двигателя с сужающимся РС R _max достигается при

(р _с = р _н; с _с = с _кр),

где = 1,86, при к _г= 1,33.

При  сужающееся РС работает на режиме недорасширения (см. рис. 1.13, б). При незначительном превышении  >  потери из-за недорасширения невелики, поэтому выгодно применять сужающиеся сопла, отличающиеся простой конструкцией и малым весом.

Сужающиеся сопла применяются при полете на дозвуковых и малых сверхзвуковых (М < 1,3) скоростях.

Так как температура на срезе РС Т _с > Т _н, то критическая скорость истечения газа из РС  – скорости звука в атмосфере, следовательно, на малых сверхзвуковых скоростях полета удельная тяга
R _уд = с _кр – V > 0, где V = а М, сле­довательно, R > 0, и разгон ЛА до сверхзвуковой скорости возможен.

При  потери из-за недорасширения в сужающемся РС существенно возрастают и, целесообразно применять сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).

Сверхзвуковое РС

Для увеличения тяги R необходимо увеличивать c _c, увеличивая степень расширения газа в сопле , и сохранять при этом режим полного расширения . Этого возможно добиться с применением сверхзвукового РС (рис. 1.17).

При ,  реализуется в сужающейся части сверхзвукового РС. Так как , то суммарная степень понижения давления в сопле Лаваля  будет определяться степенью понижения давления в его сверхзвуковой (расширяющейся) части , которая зависит от степени уширения сопла:

                                     (1.15)

Максимальная тяга R _max достигается при равенстве , соответствующем расчетному режиму работы РС (p _с = р _н).

При  (p _с > р _н) – режим недорасширения.

При  (p _с < р _н) – режим перерасширения.

На нерасчетных режимах работы сверхзвукового РС:

 (p _с > р _н) – режим недорасширения;

 (p _с < р _н) – режим перерасширения,

имеет место недополучение тяги двигателя. Особенно большие потери тяги наблюдаются на режиме перерасширения.

Для поддержания расчетного режима (p _с = р _н) необходимо регулировать величину (F _кр, F _c) при изменении условий полета и режима работы ВРД.

Потери энергии в РС

Критерии оценки потерь в РС:

– коэффициент скорости

 

φ _с = с _с/ c _c.ад ≈ 0,97…0,985,                           (1.16)

 

оценивает потери скорости в РС, то есть скорость истечения из реального РС:

 

;             (1.17)

– коэффициент сохранения полного давления в РС

 

;                                         (1.18)

– кпд РС

 

,                                    (1.19)

 

оценивает потери кинетической энергии в РС.

Виды потерь в сверхзвуковых РС:

– внутренние потери;

– потери, связанные с нерасчетностью режима работы РС;

– потери на преодоление внешнего сопротивления ВУ.

 

Внутренние потери

 

1. Потери на трение (гидравлические потери).

В сверхзвуковых РС потери на трение (оцениваются φ_тр) значительны, так как в расширяющейся, достаточно длинной части РС течет сверхзвуковой поток.

Для снижения этого вида потерь можно применить эжекторные сопла, в которых расширение газа за критическим сечением происходит в границах свободной струи без стенок.

2. Потери, связанные с рассеиванием выходной скорости (для конических каналов) (рис. 9.2), где 2α – угол раствора; с _а.ср = с _сφ_рас – средняя осевая составляющая скорости.

Величина коэффициента рассеивания –  зависит от угла α и определяется по табл. 1.2.

При увеличении угла α, следовательно, уменьшении φ_рас, снижается с _а.ср (при с _с = const)

При проектировании РС рекомендуется выбирать значения угла α ≤ 25…30^о

 

 

Таблица 1.2

 

α, град	0	5	10	20
φрас	1,0	0,998	0,992	0,97

Для уменьшения этого вида потерь у сопел с большой степенью расширения газа  стенки расширяющейся части профилируют по форме свободно расширяющейся струи газа (см. рис. 1.18) с осевым выходом потока.

3. Волновые потери (φ_волн) возникают в сверхзвуковой (расширяющейся) части РС из-за появления скачков уплотнения при неравномерном входе потока.

Для уменьшения волновых потерь переход между дозвуковой и сверхзвуковой частями РС делают плавным (по дуге с большим радиусом)
(см. рис. 1.18).

4. Потери, связанные с неравномерностью поля давлений по сечению сопла (φ _р).

5. Тепловые потери, связанные с теплоотдачей через стенки сопла (φ_тепл).

Суммарные внутренние потери сверхзвукового РС φ _с определяются как произведение:

φ_с = φ_тр φ_рас φ_волн φ _р φ_тепл.                           (1.20)

Потери, связанные с нерасчетностью режима работы РС

 

Этот вид потерь оценивается при помощи коэффициента нерасчетности режима работы сопла:

,                                        (1.21)

где R _c = М _г с _с + F _с(р _с – р _н) – тяга сопла;

R _с.п = М _г с _с – тяга сопла при полном расширении (расчетный режим).

На расчетном режиме = 1, так как R _c = R _с.п.

Для оценки суммарных потерь (φ_с и ) вводят комплексный критерий – коэффициент тяги сопла:

,                                       (1.22)

где R _с.ид – тяга идеального сопла (полное расширение = 1 и отсутствие внутренних потерь φ_с = 1).

В общем случае

.                                          (1.23)

На расчетном режиме , так как .

 

Потери, связанные с преодолением внешнего сопротивления ВУ.

 

Этот вид потерь оценивается с помощью коэффициента внешнего сопротивления ВУ:

,                                    (1.24)

где Х _с – суммарное внешнее сопротивление РС или ВУ в целом.

Наличие внешнего сопротивления ВУ Х _с вызвано взаимодействием внешнего потока, обтекающего ВУ, и струи газов, истекающей из РС, а также аэродинамическим сопротивлением и зависит от числа М полета, полной степени расширения газа в РС  и формы наружного контура кормовой части ВУ.

Суммарные потери в ВУ оценивают с помощью коэффициента эффективной тяги РС:

.                       (1.25)