Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Этим термином определяется широкий класс устройств, являющихся неотъемлемой частью любого ГТД и объединенных функцией формирования необходимого выходного импульса по величи- не и направлению. В зависимости от требований к выходному импульсу выходные устройства (ВУ) можно разделить на две группы:

1.ВУ, которые формируют максимально возможный импульс и в нужном направлении. В основном - это ВУ ВРД. Вместе с воздухозаборниками они тесно интегрированы с ЛА и в значительной степени определяют его характеристики.

2.ВУ, основное назначение которых - обеспе- чить «выброс» рабочего тела с минимально возможным выходным импульсом. К этой группе относятся диффузоры, улитки, выхлопные патрубки.

Кроме основной функции формирования выходного импульса ВУ в зависимости от назначения ГТД могут обеспечивать дополнительно:

- регулирование двигателя; - управление вектором тяги (включая ревер-

сирование тяги); - снижение инфракрасной и радиолокацион-

ной заметности; - снижение шума;

-вывод трансмиссии (выходного вала);

-«участие» в силовой схеме подвески. Современные ВУ часто совмещают несколь-

ко функций и представляют собой весьма сложные конструкции. Ниже приведены примеры ВУ.

На Рис. 9_1 показано ВУ ТРДД ПС-90А, состоящее из сопла со смешением потоков и реверсивного устройства (РУ).

На Рис. 9_2 показано ВУ ТРДДФ Д-30Ф6 – регулируемое сопло (РС).

На Рис. 9_3 приведено ВУ вертолетного двигателя Д-25В – выхлопной патрубок.

На Рис. 9_4 показано ВУ ГТД (фирмы Solar) промышленного применения – «улитка».

ВУ, в которых статическое давление в процессе течения падает, скорость растет, т.е. потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи, называются соплами. Сопла – наиболее широкий класс ВУ. Они применяются на всех ТРД, ТРДД, ТРДФ, ТРДДФ, ПВРД, а также на жидкостных и твердотопливных ракетных двигателях, которые здесь не рассматриваются. Основное их назначение – формирование максимального выходного импульса.

На Рис. 2.1.1.1_1 показан простой газотурбинный цикл в Т-S диаграмме. Одним из образующих этот цикл процессов является процесс расширения газа в сопле (см. Рис. 9_5). Если бы газ расширялся в сопле без потерь, то его энтропия была бы

Рисунок 9_1 – ТРДД ПС-90А 1 – РУ решетчатого типа, 2 – смеситель, 3 – сопло, 4 – затурбинный конус

535

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9_2 – ТРДДФ Д-30Ф6 1 - регулируемое сопло

Рисунок 9_3 – Двигатель Д-25В 1 - выхлопной патрубок

Рисунок 9_4 – ГТД промышленного применения (Saturn Gas Turbine of Solar Turbines Incorporated)

1 - «улитка»

постоянной (S = const) и этот процесс изображался бы линией Т-С“ (см. Рис. 9_5). Реальный процесс (линия Т-С) происходит всегда с потерями и ростом энтропии. При этом конечная температура газа в реальном процессе всегда выше, чем в идеальном на ∆Ò( что связано с переходом части энергии вследствие трения в тепло) а полное давление ниже - Ðñ*<Ðò*. Скорость истечения из сопла в реальном процессе – Vc всегда меньше чем в идеальном – Vc.èä, поэтому эффективность сопла можно оценивать их отношением:

ϕñ = Vc / Vc èä. ,

(9-1)

которое называется коэффициентом скорости. Гидравлические потери в процессе расшире-

ния газа в сопле характеризуются коэффициентом восстановления полного давления σñ* = Ð*ñ / Ðò*.

Основными причинами образования потерь являются:

-неравномерность потока в сопле;

-нерасчетность, связанная с работой сопла на режимах перерасширения или недорасширения газа (Ðñ≠Ðí, ñì. Ðèñ. 9.1_3);

-трение газа о стенки сопла;

-утечки газа из проточной части (в соединениях: например, по фланцу крепления сопла и т.п.).

536

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9_5 – Процесс расширения газа в сопле Pò*, Òò* - полное давление и полная температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Pò, Òò - стати- ческое давление и температура на входе в сопло (на выходе из турбины); Pñ*, Pñ - полное и статическое давление на выходе из сопла; Pí - атмосферное давление

Коэффициенты восстановления полного дав- ления[9.12.1]:σñ* и скорости ϕñ связаны соотношением

, (9-2)

ãäåëå. πñ* = Ðò*/Ðñ – степень расширения газа в соп-

Интегрально оценить эффективность работы сопел можно с помощью коэффициентов тяги

, скорости ϕC = VC/VC.ÈÄ, импульса , [9.12.2]:

RC = GC/gϕC+FC(PC-PÍ)

(9-3),

IC = GC/gϕC+FCPC

ãäå RÑ, VÑ, IÑ	– соответственно действи-
	тельные тяга сопла, ско-
	рость истечения газа и вы-
	ходной импульс, определен-
	ны с учетом гидравлических
RÑ.ÈÄ, VÑ.ÈÄ, IÑ.ÈÄ	потерь газа в сопле;
	– соответственно идеальные
	тяга сопла, скорость истече-
	ния газа и выходной им-
	пульс, определенные по
	формулам (9-3) при условии
	полного расширения газа
	без потерь до давления в ок-
λÑ	ружающей среде (ÐÑ		= Ðí);
	– приведенная скорость газа
	на выходе из сопла, опреде-
	ляется по газодинамической
	функции π(λ ) = Ð /(σ			*Ð *);
	Ñ	Í	Ñ	Ò

α = 18,1 ïðè k = 1,33 (äëÿ ãàçà); α = 18,3 ïðè k = 1,4 (для воздуха).

Величина коэффициента восстановления полного давления зависит от перепада давления в сопле: с увеличением πñ* величина σñ* уменьшается. Коэффициент скорости нерегулируемых сопел всегда меньше 1 и меняется в диапазоне ϕC = 0,97…0,985. Величина коэффициента тяги

меньше 1 и достигает максимального значения на режиме полного расширения.

9.1 - Нерегулируемые сопла

Форма проточной части сопла определяется, в основном, диапазоном изменения степени понижения давления газа («перепадом» давлений) в сопле - πñ* и требованиями к режимам работы двигателя, на которых должна быть получена его максимальная эффективность.

При околокритических и небольших закрити-

ческих πñ* (πñ*max<2,5), что характерно для двигателей транспортных и пассажирских самолетов

с крейсерской скоростью до 900 км/час, сопла, как правило, выполняются в виде сужающихся или сужающихся с небольшим расширяющимся за критическим сечением участком конических или профилированных каналов. Геометрия канала сопла неизменна и оптимизируется в зависимости от полетного цикла, чаще всего для крейсерского режима. Такие сопла называются нерегулируемыми или «жесткими».

Напомним, что критический перепад давлений в сопле определяется из условия достижения скорости потока, равной скорости звука λ= 1 в выходном сечении (на «срезе») сужающегося сопла:

537

q(λc)

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.1_1 - Типы нерегулируемых сопел а) – конусное сужающееся сопло; б) – сужающееся сопло Витошинского; в) – сужающееся-

расширяющееся сопло (сопло Лаваля)

(9.1-1),

где k - показатель адиабаты газа, при k = 1,33 (äëÿ

ãàçà) π êð≈ 1,85.

Сопла такого типа используются на всех ТРД, ТРДД, а также ТВД. Они входят в состав ВУ ТРДД со смешением.

На Рис. 9.1_1 показаны типы нерегулируемых сопел.

Сужающиеся сопла могут иметь вид:

-конуса с углом наклона не более 10…12 градусов (см. Рис. 9.1_1а) [9.12.3];

-профилированного канала (см. Рис. 9.1_1б), образованного вращением кривой, например, описываемой формулой Витошинского (см. Рис. 9.1_2):

							(9.1-2),
ãäå BS = R2âõ-R2êð, BT = (X / Lñ)2;
Râõ	– радиус на входе в сопло;
Rêð	– радиус сопла в критическом сечении;
Lñ	– длина сопла;

Õ, Óõ – текущие координаты точек, лежащих на образующей, начиная от входа в сопло.

Минимальная площадь сужающегося сопла на выходе при докритических перепадах давления определяется:

(9.1-3),

ãäå Gñ, Ò*ñ, Ð*âõ - соответственно расход, полная температура и полное давление газа на входе в сопло;

- газодинамическая функция, определяемая по газодинами- ческим таблицам;

(9.1-4),

m = 0,3965 для воздуха (при k = 1,4; R = 29,27); m = 0,3898 для выхлопных газов (при k = 1,33; R = 29,4);

g = 9,81 ì/ñ2 - ускорение свободного падения; R - газовая постоянная.

Для критических и сверхкритических перепадов давлений λñ = 1,0; q(λñ) = 1,0; à Fñ = Fêð - площадь критического сечения в сужающемся сопле (совпадает с площадью выходного сечения).

Действительное значение минимальной (или критической) площади сопла Fñä. отличается от рас- четной, определенной по формуле (9.1-3), на вели- чину µñ:

Fñä. = mñFñ,

(9.1-5)

ãäå µñ – коэффициент расхода.

µñ<1 из-за влияния пограничного слоя, образующегося у стенок сопла, из-за неравномерности параметров (крутка потока после турбины, кони- ческий профиль сопла и т.д.).

Значение коэффициента расхода зависит от формы проточной части в районе минимального (критического) сечения, от величины перепада дав-

538