5. Камера смешения и переходные каналы

Смешение выхлопных потоков применяется на ДТРД в основном с относительно невысокой степенью двухконтурности <2,0÷3,0. Применение такого смешения потоков создаёт некоторые термодинамические, конструктивные и другие преимущества. При смешении происходит обмен теплом между «холодной» струёй внешнего контура и «горячей» струёй внутреннего контура и соответственно выравнивание поля скоростей С₅ по массе выхлопной струи. Благодаря этому уменьшаются потери кинетической энергии с выходной скоростью, увеличивается полётный к.п.д. и тяга ДТРД несколько возрастает, а удельный расход топлива снижается.

Наибольший эффект от обмена теплом наблюдается в случае, когда масса смешиваемых потоков сопоставимы ( ≈0,5÷2,0) [1].

Помимо отмеченного, при смешении потоков снижается шум выхлопной струи и упрощаются конструктивные решения реверса тяги и форсажа ДТРД. Кроме того, необходимо отметить, что минимальные потери кинетической энергии получаются в случае, когда полные давления смешиваемых потоков примерно одинаковы. Из-за этого оптимальные значения у ДТРД со смешением выхлопных потоков на 20÷40% меньше, чем у ДТРД с раздельным выхлопом. Это даёт возможность при проектировании в случае смешения потоков получать более простой и лёгкий турбокомпрессор.

Процесс смешения потоков осуществляется в камере смешения, расположенной перед общим реактивным соплом двигателя. Камера смешения оценивается коэффициентом восстановления полного давления , учитывающим потери при смешении потоков, приводящие к снижению полного давления в конце камеры смешения ДТРД по сравнению с расчётным значением, т.е.

Рекомендуется значение .

Потери в затурбинном канале при отсутствии форсажной камеры учитываются коэффициентом восстановления полного давления . Потери в канале наружного контура оцениваются коэффициентом восстановления полного давления .

При наличии в наружном контуре воздухо-воздушного радиатора для охлаждения воздуха, отбираемого от компрессора для охлаждения турбины, величина выбирается более низкой и составляет .

Для учёта потерь полного давления в переходных каналах между каскадами компрессора вводятся соответствующие коэффициенты восстановления полного давления, а именно:

– в канале между вентилятором и подпорными ступенями;

– в канале перед компрессором низкого давления;

– в канале перед компрессором высокого давления.

Рекомендуются следующие значения

.

Нижний предел относится к длинному, сильно изогнутому каналу, верхний – к случаю, когда канал отсутствует.

6. Выходное сопло

В выходном сопле происходит преобразование располагаемого теплоперепада в кинетическую энергию, выходящей из двигателя струи. Такое преобразование сопровождается некоторыми потерями скорости. Влияние этих потерь на величину реактивной тяги ГТД особенно велико на сверхзвуковых скоростях полёта.

Потери скорости в выходных соплах ГТД принято оценивать величиной коэффициента скорости .

Для ТРД и ДТРД с камерой смешения и общим соплом рекомендуется величина . Для ДТРД с раздельными соплами каждое сопло оценивается своим коэффициентом .

Значение для нерегулируемых суживающихся сопел можно считать постоянным в широком диапазоне изменения степени понижения давления в сопле, т.е. независимых от и условий полёта.

Верхний предел рекомендуемых значений обычно соответствует профилированным нерегулируемым соплам. При величина коэффициента восстановления полного давления . Эта величина обычно используется при вычислении критического сечения выходного сопла.

Если конструкция сопла ещё не установлена, то в предварительных расчётах ТРД рекомендуется принимать стандартное значение .

Характеристики сверхзвуковых сопел на нерасчётных режимах обычно ухудшаются. Так в условиях взлёта значения даже у регулируемых сверхзвуковых сопел могут быть меньшими, чем в расчётных условиях. В связи с этим для регулируемых сверхзвуковых сопел различных конструкций (в том числе и для эжекторных) на взлётном режиме коэффициент скорости можно принимать в пределах

.

У ТВД величина , что соответствует значительно меньшему располагаемому перепаду давлений на сопле, чем у ТРД и ДТРД. Кроме того, контур проточной части сопла у ТВД, как правило, не конфузорный, несколько диффузорный, или близкий к случаю F=const. Все это приводит к тому, что относительные потри в сопле ТВД получаются большими, чем у ТРД, а величина соответственно меньшей и равной . Причём наименьшие значения соответствуют соплам с большей диффузорностью. В расчётах ТВД рекомендуется принимать .

Выхлопные трубы турбовальных ГТД (например, у вертолётных ГТД) сложны по конструкции и имеют значительную диффузорность. Потери в таких трубах можно определить только на основе специальных продувок. Однако, поскольку в таких соплах , выходная скорость на срезе сопла принимает минимальное значение и расчётом реактивной тяги у таких двигателей во многих случаях можно пренебречь. Если в задании на проект указана максимально допустимая величина реактивной тяги, то для турбовальных ГТД ориентировочно можно принимать .

При полном расширении газа в выходном сопле степень понижения давления

для ТРД ;

для ТРДФ ;

для ДТРД с раздельными соплами , ;

для ДТРД со смешением потоков .

Коэффициент восстановления полного давления в выхлопном тракте внешнего контура ДТРД зависит от скорости потока на выходе вентилятора, конструкции и длины тракта и обычно составляет

,

где большие значения соответствуют коротким оболочкам II контура у ДТРД с большой двухконтурностью. Коэффициент восстановления полного давления в выхлопном тракте внутреннего контура зависит в основном от длины этого тракта и составляет

.

Если при полном расширении в выходном сопле , то при неполном расширении газа С₅ снижается, так как и становится меньше. Следовательно, в этом случае потери тяги в выходном сопле возникают не только из-за гидравлических сопротивлений, но и вследствие недорасширения газа.

Однако, в диапазоне располагаемых перепадов давлений , соответствующих дозвуковым скоростям полёта ГТД, потери тяги двигателя практически не зависят от неполноты расширения в сопле [1], поэтому в расчётах реактивной тяги ГТД их можно не учитывать.

В диапазоне значений , соответствующих сверхзвуковым скоростям полёта ГТД, габариты сопла, т.е. , при полном расширении может превысить заданные габариты двигателя. В этих случаях по рисунку 1.4 подбирается такая степень уширения сверхзвуковой части сопла (и соответственно величины ), которая бы укладывалась в данные габариты.

Рисунок 1.4. Зависимость потребного уширения сверхзвуковой части сопла ГТД от располагаемого перепада давлений

Тогда величина .

Если при полном расширении указанная поправка давления практически не отражается на величине тяги, и её нет смысла определять [1].