Сверхзвуковые выходные устройства

РС сверхзвуковых выходных устройств (сопла Лаваля) состоят из сужающегося и расширяющегося участков.Важнейшим параметром сверхзвукового РС является степень уширения сопла, представляющая собой отношение площади выходного сечения сопла F_c к площади его критического сечения F_кр (площади горла): f_c = F_c/F_кр. Она однозначно определяет максимальную достижимую степень понижения давления газа в РС π_с. Чем больше f_c, тем больше величина π_с, которая может быть реализована в данном РС. При f_c = const величина π_c остается постоянной в широком диапазоне изменения располагаемой степени понижения давления газа π_с.р.

В зависимости от соотношения статических давлений рс и рн выделяют три характерных режима работы сверхзвукового РС.

1. Степень уширения сопла f_с обеспечивает полное расширение газа, т.е р_с = р_н; режим работы РС называют режимом полного расширения или расчетным режимом, при этом π_с = π_с.р.

2. Если уширение сопла f_с недостаточно для полного расширения газа до атмосферного давления (р_с>р_н), РС работает на режиме недорасширения, при этом π_с<π_с.р, т.е. окончательное понижение давления газа до р_н происходит уже за пределами сопла, не оказывая влияния на тягу двигателя, следовательно, тяга снижается по сравнению с расчетным режимом. Для того чтобы увеличить π_с до π_с.р и обеспечить полное расширение газа в пределах сопла, потребовалось бы увеличить f_c.

3. При степени уширения сопла f_с большей, чем это требуется для расширения газа до атмосферного давления, сопло работает на режиме перерасширения, т.е. в его выходном сечении устанавливается р_с<р_н и тогда π_с>π_с.р . Так как при этом скорость газа в выходном сечении РС С_с>а, то за соплом под воздействием противодавления поток газа тормозится с образованием в нем скачков уплотнения, на которых давление повышается до р_н. В этом случае, как и в двух предыдущих, скорость газа в выходном сечении РС определяется по фактической степени понижения давления π_с = р₄*/р_с, соответствующей данному уширению сопла. Статическая составляющая силы тяги двигателя становится отрицательной, тяга снижается по сравнению с расчетным режимом работы РС. При значительном перерасширении газа в сверхзвуковом РС происходит отрыв пограничного слоя от стенок сопла, и скачки уплотнения перемещаются внутрь сопла. Скорость потока в скачках снижается до дозвукового значения, тяга двигателя резко снижается. Для устранения перерасширения потребовалось бы уменьшение f_c.

Таким образом, тяга двигателя снижается как при р_с>р_н, так и при р_с<р_н, однако потери тяги при перерасширении возрастают значительно интенсивнее, чем при недорасширении. Поэтому если на двигателе устанавливается нерегулируемое сверхзвуковое РС, которое должно работать при различных перепадах давления, то лучше, если оно будет работать на некоторых режимах с недорасширением. При этом значительно уменьшается потребное уширение сопла, снижаются длина, выходной диаметр сопла, его вес и лобовое сопротивление двигателя (т. н. «компромиссное сопло»).

Регулирование геометрии РС

Применение регулируемых РС дает существенные преимущества по тяге и экономичности двигателя и значительно облегчает его запуск. Регулирование РС необходимо также для согласования работы ГТ и ОК, обеспечения устойчивой работы двигателя, особенно при запуске, приемистости и при включении форсажа. При включении ФК температура га перед соплом возрастает; массовый расход газа при Fкр=const уменьшается пропорционально √Т_4ф/Т₄. В той же степени уменьшится и расход воздуха G_в через ОК. При таком уменьшении G_в ОК войдет в помпаж. Поэтому при включении ФК необходимо увеличить с некоторым опережением F_кр так, чтобы G_в остался неизменным.

Для обеспечения полного расширения газа и минимальных потерь в сверхзвуковом РС на всех скоростях полета, РС необходимо выполнять регулируемым, причем регулировать необходимо как F_кр, так и F_c. Однако даже изменение только F_c сужающегося сопла оказывается сложной конструктивной задачей, и выполненные в настоящее время конструкции не всегда надежно работают. Еще более сложной задачей является создание сопел Лаваля с независимым регулированием F_кр и F_с.

Из предложенных схем регулируемых РС наиболее эффективными и простыми по конструкции являются многостворчатые однорядные, многостворчатые двухрядные и эжекторные регулируемые РС (рис. 32).

Однорядные многостворчатые РС применяют для дозвуковых выходных устройств, содержащих форсажную камеру. Каждая створка представляет собой жесткую коробчатую конструкцию, закрепленную шарнирно к наружной стенке сопла. Уплотнение стыков створок достигается за счет их взаимного перекрытия. Управление положением створок производится перемещением в осевом направлении опорного кольца, ограничивающего раскрытие створок под действием газовых сил. Необходимый закон изменения площади сопла достигается соответствующим профилированием наружной поверхности створок, по которой перемещается опорное кольцо.

Двухрядное многостворчатое РС представляет собой последовательное соединение двух однорядных регулируемых створчатых конструкций. Первый ряд створок имеет шарнирное соединение с наружной стенкой сопла, а второй ряд соединен шарнирно с первым. В таком РС величины Fкр и Fc могут изменяться независимо друг от друга. Данная схема получила большое распространение несмотря на конструктивную сложность.

Рис. 41. Принципиальные схемы регулируемых сопел: а – однорядное многостворчатое сопло; б – двухрядное многостворчатое сопло

Необходимость упрощения системы регулирования в широком диапазоне изменения степени уширения РС привела к созданию сопел с газодинамическим регулированием: эжекторых РС и РС с центральным телом.

Эжекторное РС (рис. 42) имеет обычное сужающееся сопло и расположенную вокруг него цилиндрическую или коническую обечайку. Из сопла вытекает основной поток газа с повышенным давлением, а в кольцевую полость, образованную наружной поверхностью сопла и обечайкой, поступает эжектируемый атмосферный воздух (избыточный воздух из СВУ или непосредственно из атмосферы). 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 газа, позволяет упростить конструкцию системы регулирования F_КР и F_C по сравнению со всережимным соплом Лаваля. Эжектируемый холодный воздух обеспечивает эффективное охлаждение стенок сопла и форсажной камеры.

Рис. 42. Схема эжекторного реактивного сопла

По сравнению с эжекторным, РС с центральным телом является еще более простым по конструкции, требует более простого регулирования, имеет меньшую массу. Применение таких РС сдерживается трудностью обеспечения эффективного охлаждения центрального тела.