Реактивное сопло

· Определение задачи реактивного сопла ГТД.

· Определение опасности, которую создает высокая скорость выхлопных газов.

· Объяснение принципа работы реактивного сопла.

· Описание изменения газовых параметров и чисел М на выходе в сужающемся и сопле Лаваля.

· Определение термина «запертое реактивное сопло».

· Описание двух разных выхлопных систем ТВД.

· Объяснение способов снижения шума выхлопного сопла.

6.1. РЕАКТИВНОЕ СОПЛО

Значение выхлопной системы для силовой установки часто занижается, но ее конструкция оказывает существенное влияние на характеристики производительности двигателя. Выхлопные газы из турбины должны выходить с правильным направлением и оптимальной скоростью для обеспечения тяги ТРД, а у ТВД температура газов на выходе турбины и обратное давление во многом продиктованы конструкцией выхлопного устройства.

Температура газов на входе в выхлопную систему может быть в диапазоне от 550 °C до 850 °C. При использовании форсажных камер температура может возрасти до 1500 °C.

Если выхлопная система проходит через фюзеляж самолета, он должен быть защищен от таких температур. Это достигается с помощью зазоров между реактивным соплом и обшивкой самолета, по которым циркулирует воздух, а также изоляции сопла определенными волокнистыми материалами, расположенными между слоями нержавеющей стали.

6.2. КОНСТРУКЦИЯ РЕАКТИВНОГО СОПЛА

Скорость газов на выходе из турбины может быть в диапазоне 750 – 1 250 футов в секунду, что составляет примерно 0,5∙ М. Если эти газы для получения тяги перед выбросом в атмосферу пропускать через длинное реактивное сопло, внутри него будет создаваться интенсивная турбулентность, что снизит эффективность двигателя и тягу.

На рис. 6.1 приведена базовая конструкция реактивного сопла самолета без форсажной камеры. Хотя форма внешнего корпуса напоминает сужающийся канал в точке, где газы выходят из турбины, форма объема внутри корпуса фактически является расширяющейся.

Рис. 6.1. Базовое реактивное сопло

Это получается с помощью внедрения стекателя газов – конического устройства, расположенного вплотную к задней поверхности диска турбины. Помогая снизить скорость газов на выходе из турбины до попадания их в выхлопной канал, что минимизирует турбулентность, конус предотвращает протекание горячих газов вокруг поверхности диска турбины, сглаживая нарушения потока и предотвращая перегрев диска.

Подшипник задней опоры турбины внутри стекателя поддерживают задние опорные стойки. Они имеют обтекаемую форму благодаря зализам, спрямляющим остаточные завихрения, которые могут присутствовать в газовом потоке турбины. Остаточные завихрения могут вызывать дополнительные потери, если их пропускать через выхлопной канал.

Выхлопные газы проходят по выхлопному каналу и сбрасываются в атмосферу через реактивное сопло. Оно увеличивает скорость газов до 1М (скорости звука с учетом температуры газов) в выхлопном устройстве теоретически на всех режимах работы выше малого газа. При такой звуковой скорости сопло считается запертым.

Термин «запертое» означает, что без повышения температуры газов, например, с применением нагрева, дальнейшее увеличение скорости их истечения невозможно.

6.3. ОПАСНЫЕ ЗОНЫ ВБЛИЗИ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА И ВЫХЛОПНОГО УСТРОЙСТВА

Рис. 6.2. Опасные зоны вблизи воздухозаборника и выхлопного устройства

6.4. ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВЫХ ПАРАМЕТРОВ И ЧИСЕЛ М НА ВЫХОДЕ В СУЖАЮЩЕМСЯ И СОПЛЕ ЛАВАЛЯ

Сужающаяся форма выхлопного канала укоряет газы. У ТРД скорость газового потока дозвуковая только на низких уровнях тяги. На тяге выше малого газа выхлопная скорость достигает скорости звука применительно к температуре газов, в этой точке сопло считается «запертым». Это означает, что дальнейшего увеличения скорости можно достичь только с помощью повышения температуры.

Когда газ входит в сужающуюся секцию сопла Лаваля, его скорость увеличивается с соответствующим падением статического давления. Скорость газа в этой точке достигает местной скорости звука (1М). Газ попадает в расширяющуюся секцию и прогрессивно ускоряется по направлению к открытому выходу. Реакцией на такое возрастание кинетической энергии является воздействие силы давления на внутренние стенки сопла. Составляющая этой силы, которая действует параллельно продольной оси сопла, производит дальнейшее повышение тяги.

Рис. 6.3. Изменение газовых параметров в реактивном сопле

6.5. ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С НИЗКОЙ СТЕПЕНЬЮ ДВУХКОНТУРНОСТИ

Наличие сброса двух газовых потоков в атмосферу несколько усложняет выхлопную систему такого двигателя. В выхлопной системе двигателя с низкой степенью двухконтурности, рис. 6.4, воздух из второго контура соединяется с горячими выхлопными газами в смесителе, который обеспечивает перемешивание двух потоков перед выбросом в атмосферу.

Рис. 6.4. Выхлопное устройство двигателя с низкой степенью двухконтурности

6.6. ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ДВУХКОНТУРНОСТИ

На рис. 6.5 показано два способа выброса холодного воздуха второго контура и горячих выхлопных газов.

На верхнем рисунке показан стандартный метод, когда выхлопные устройства холодных и горячих потоков соосны, и происходит внешнее смешение.

Большую эффективность можно получить с помощью установки интегрированного выхлопного устройства. Два газовых потока частично смешиваются внутри него перед выбросом в атмосферу.

Рис. 6.6. Выхлопные системы двигателя с высокой степенью двухконтурности

6.7. ПОДАВЛЕНИЕ ШУМА

На рис. 6.7 приведены относительные уровни шума от различных источников, одни из самых высоких принадлежат авиационным двигателям.

Хотя общий шум от самолета является комбинацией шумов от многих источников, принципиальным возбудителем является двигатель. Сертификационные стандарты аэропорта и самолета регламентируют максимальный допустимый для самолета уровень шума и неумолимо заставляют вести поиски путей его снижения.

Наиболее существенными источниками шума в двигателе являются компрессор (вентилятор в двигателе с высокой степенью двухконтурности), турбина и выхлопное устройство. Хотя шумы, издаваемые данными источниками, подчиняются несколько разным законам и механизмам происхождения, все они возрастают с увеличением относительной скорости воздушного потока.

Рис. 6.6. Уровни звука от различных источников

Понижение скорости в большей степени влияет на шум выхлопного устройства, чем компрессора или турбины. Поэтому логично ожидать, что снижение скорости выхлопной реактивной струи будет оказывать большее влияние на снижение уровня шума, чем эквивалентное снижение частот компрессора или турбины.

Относительная скорость является разницей между выхлопной реактивной струей и атмосферой, в которую она выбрасывается, создавая разрезающее действие и сильное турбулентное перемешивание. На рис. 6.7 показан след, где создаются зоны высокочастотного и низкочастотного шума.

У одноконтурного ТРД уровень шума выхлопного устройства настолько высок, что шум компрессора и турбины незначителен по сравнению с ним, за исключением работы на очень низкой тяге.

Рис. 6.7. Шумовой след от реактивной струи

Выхлопной шум двухконтурного двигателя ниже из-за снижения скорости реактивной струи, но т.к. такие двигатели развивают более высокую мощность, турбины и КНД создают больший шум на выходе.

У двигателя с высокой степенью двухконтурности (5 к 1) шум от реактивной струи снижен настолько, что преобладающими источниками шума стали КНД (вентилятор) и турбина.

Снизив шум от основного источника, логично было предположить, что производители двигателя будут далее концентрироваться на снижении уровней шума от оставшихся элементов двигателя: вентилятора и турбины.

Использование шумопоглощающих материалов в канале второго контура и воздухозаборнике двигателя, рис. 6.8, стало очень эффективным методом снижения шума в этих зонах. Далее по тракту двигателя в горячих зонах с той же целью снижения шума использовались несколько иные материалы.

Недостатками таких материалов был небольшой процент прибавки веса двигателя и некоторое повышение поверхностного трения, а также небольшое увеличение расхода топлива.

В то время, как современные самолеты получают преимущества от новых шумопоглощающих материалов, для более старых моделей, оборудованных одноконтурными ТРД, должны создаваться другие системы снижения их выхлопного шума.

Все еще можно встретить самолеты с гофрированными внутренними смесителями и лепестковыми соплами, устанавливаемыми в задней части силовых установок. В лепестковом сопле газы протекают отдельными струями и резко смешиваются с медленным воздухом, стекающим с лепестков. Гофрированные внутренние смесители более эффективны в снижении шума, но также снижают характеристики производительности, что снижает их популярность у операторов самолетов.

Рис. 6.8. Типы материалов для поглощения шума и места их применения

Дата добавления: 2015-08-17