5.2. Сужающиеся сопла

Площадь минимального сечения сужающегося выходного сопла может быть неизменной, либо изменяться за счет применения регулируемых створок.

При сверхкритических перепадах давлений степень понижения давления газа в сопловом аппарате.

сохраняется постоянной при изменении полной степени понижения давления.

Индекс "ад" указывает на то, что критическое давление дается для адиабатического процесса расширения, т.е. при отсутствии газодинамических потерь и теплообмена.

Когда полная степень понижения давления больше критической, давление критическое адиабатическое на срезе сужающегося сопла получается больше атмосферного.

При истечении газа из сужающихся сопел возникают потери, которые в основном обусловлены трением потока о стенки и внутренним трением в газе. Эти потери относительно невелики. Они приводят к снижению скорости истечения в выходном сечении сопла и полного давления в этом сечении. Эти потери оценивают коэффициентом скорости или коэффициентом сохранения полного давления

Эти коэффициенты учитывают внутренние потери в сопловых аппаратах. Они связаны между собой определенной зависимостью.

Практически для сопловых аппаратов ГТД можно принимать коэффициент скорости равным 0,98...0,99, это соответствует коэффициенту сохранения полного давления 0,975...0,985.

5.3. Сопла Лаваля, их основные параметры и способы оценки потерь

Для ТРД, предназначенных для сверхзвуковых летательных аппаратов, применяют сверхзвуковые сопла. Оптимальным решение была бы установка на двигателе сопла Лаваля с регулируемым критическим и выходным сечениями, применение которого при сверхкритических перепадах давлений и заданном значении температуры газов за турбиной способно увеличить удельную тягу ТРД и уменьшить расход топлива. Так, например, при числе М = 2 на высоте Н = 11000 м удельная тяга ТРД со сверхзвуковым соплом будет на 20-25% больше, чем при этих условиях у того же двигателя с простым соплом. При больших значениях числа М полета этот выигрыш становится еще значительнее.

На сверхзвуковом (расширяющемся) участке сопла Лаваля происходит дальнейшее расширение газа, сопровождающееся снижением давления и увеличением скорости, тем более значительным, чем выше отношение площадей выходного сечения к минимальному.

Этот параметр, называемый относительной площадью выходного сечения сопла, однозначно определяет степень понижения давления газа в сопле.

Степень полного понижения давления реактивного сопла может быть как больше, так и меньше критической. В первом случае статическое давление на срезе сопла выше атмосферного и сопло работает с недорасширением. Во втором случае оно ниже атмосферного и сопло работает с перерасширением. При степени полного расширения равной критической сопло работает с полным расширением, режим работы выходного устройства называют расчетным.

Режим работы сопла влияет на форму струи за соплом. На режимах недорасширения, когда давление на срезе сопла выше атмосферного, происходит расширение газа за пределами сопла и увеличение поперечного сечения свободной струи на начальном ее участке. Но газ, вследствие его упругих свойств, перерасширяется, т.е. его давление в ядре струи после указанного процесса расширения оказывается меньшим, чем атмосферное. Поэтому за процессом расширения следует процесс сжатия струи газа с образованием скачков уплотнения, а поперечное сечение струи уменьшается. Сжатие струи осуществляется до давления, большего атмосферного, и поэтому оно вновь сменяется расширением. При этом форма внешней поверхности струи имеет периодическую "бочкообразную" структуру: она состоит из ряда последовательно расположенных участков, каждый из которых напоминает форму "бочки". Из-за потерь в скачках и турбулентного перемешивания потока с окружающей средой эти колебания струи быстро затухают.

На режимах перерасширения, когда давление на выходе меньше атмосферного начальный участок свободной струи имеет сужающуюся форму. На этом участке происходит повышение давления до значения, большего атмосферного, в скачках уплотнения, имеющих сложную форму. Затем происходит такое же последовательное чередование зон раширения и сжатия струи и их затухание, как и при истечении с недорасширением. По мере увеличения отношения давлений атмосферного к давлению на срезе сопла мостообразный скачок движется против потока к срезу сопла, устанавливается вблизи его выходного сечения, а затем начинает перемещаться внутрь сопла. Из-под основания скачка возникает отрыв потока.

Сопло Лаваля является типичным сверхзвуковым соплом. Суммарные потери, характерные для этого типа сопел, и влияющие на эфективную тягу силовой установки, разделяются на внутренние потери, потери, связанные с нерасчетноютью режима работы сопла, внешнее сопротивление.

Внутренние потери обусловлены влиянием трех факторов: трения, скачка уплотнения в сверхзвуковой части внутреннего канала сопла и непараллельности (неравномерности) потока на выходе из сопла. Трение в основном возникает вблизи стенок, где образуется пограничный слой. Скачка уплотнения появляются от изломов или неровностей внутренней поверхности сопла и неравномерности потока на входе в сопло. Непараллельность и осевая неравномерность векторов скорости в выходном сечении сопла в большей степени свойственны непрофилированным соплам. Они приводят к уменьшению осевой проекции средней скорости истечения из сопла, определяющей значение тяги двигателя. Относительная величина внутренних потерь в целом характеризует степень совершенства профилирования и изготовления сопла.

Учет внутренних потерь в сверхзвуковых соплах производится по относительному снижению скорости истечения газов. Как в сужающихся соплах, для этой цели пользуются коэффициентом скорости.

Для снижения внутренних потерь в соплах Лаваля выполняют специальное профилирование образующей их внутренней поверхности. Дозвуковой участок очерчивают плавными кривыми (обычно окружностями), чем обеспечивается достаточная равномерность параметров потока в критическом сечении. Контур сверхзвукового участка рассчитывают из условия получения достаточно равномерного потока на выходе из сопла и отсутствия скачков уплотнения. У профилированных сопловых аппаратов потери из-за скачков уплотнений и непаралельности потока практически отсутствуют и коэффициент скорости определяется в основном трением. В таком случае коэффициент скорости равен 0,985...0,99, причем он несколько уменьшается при увеличении относительной площади выходного сечения сопла.

У конических сопловых аппаратов с оптимальным углом полураствора 8...12 град. максимальный коэффициент скорости равен 0,97...0,98.

Потери, связанные с нерасчетностью режима работы сопла, непосредственно влияют на тягу двигателя.

При отсутствии потерь на трение наибольшая тяга соответствует режиму полного расширения. С учетом трения этот вывод несколько меняется. При укорочении сверхзвуковой части сопла по сравнению с исходным соплом, обеспечивающим полное расширение газа, уменьшается не только составляющая от сил давления, но и от сил трения. На участках вблизи выходного сечения при полном расширении газа результирующая сил давления вследствие близости внутреннего давления к атмосферному оказывается меньшей, чем результирующая сил трения. По этой причине в реальных условиях максимум тяги соответствует соплу, работающему с небольшим недорасширением. Такие более короткие сопла имеют, кроме того, меньшую массу, габаритные размеры и размеры охлаждаемой поверхности.

Потери, связанные с нерасчетностью режима сопла, могут быть выражены коэффициентом нерасчетности режима работы сопла, равным отношению тяг сопла при неполном и полном расширении.

Очевидно, что при полном расширении газа в сопле коэффициент нерасчетности режима равен 1.

Для практических целей важное значение имеет оценка двух видов потерь (внутренних и от нерасчетности режима сопла) в сумме. В этом случае действительную тягу сопла сравнивают с тягой идеального сопла Rс.ид. Это отношение принято называть коэффициентом тяги сопла.

При оценке тяговой эффективности выходных устройств в условиях полета необходимо учитывать помимо внутренних потерь и потерь из-за нерасчетности режима также их внешнее сопротивление.

Внешнее сопротивление выходных устройств составляет значительную долю от общих потерь эффективной тяги силовой установки, а по отношению к суммарным потерям эффективной тяги выходного устройства оно может достигать 40-60%.

Основной причиной появления внешнего сопротивления выходных устройств является неблагоприятное распределение статического давления на внешней поверхности кормы и створок сопла, обтекаемых внешним потоком, что создает сопротивление давления. Другим источником внешних потерь является сопротивление трения, хотя его доля по отношению к сопротивлению давления сравнительно невелика.

Для оценки внешней аэродинамики выходных устройств используют коэффициент внешнего сопротивления кормовой части силовой установки.