Реактивное сопло — сопло , преобразующее внутреннюю энергию рабочего газа в тяговую силу; именно сопло, формирующее струю, отделяет газовую турбину , или газогенератор , от реактивного двигателя .
Движущие сопла ускоряют доступный газ до дозвуковых , трансзвуковых или сверхзвуковых скоростей в зависимости от мощности двигателя, их внутренней формы и давлений на входе и выходе из сопла. Внутренняя форма может быть сходящейся или сходящейся-расходящейся (CD). Сопла CD могут разгонять струю до сверхзвуковых скоростей в расходящейся секции, тогда как сходящаяся сопло не может разогнать струю выше звуковой скорости. [1]
Сопла могут иметь фиксированную геометрию или могут иметь переменную геометрию, чтобы обеспечить различные выходные площади для управления работой двигателя при оснащении форсажной камерой или системой форсажа. Когда двигатели форсажной камеры оснащены соплом CD, площадь горла является переменной. Сопла для сверхзвуковых скоростей полета, при которых генерируются высокие степени давления в сопле, [2] также имеют переменные площади расходящихся секций. [3] Турбовентиляторные двигатели могут иметь дополнительное и отдельное сопло, которое дополнительно ускоряет воздух байпаса.
Движущие сопла также действуют как ограничители потока, последствия чего представляют собой важный аспект конструкции двигателя. [4]
Конвергентные сопла используются во многих реактивных двигателях. Если отношение давлений в сопле превышает критическое значение (около 1,8:1), конвергентное сопло будет захлебываться , в результате чего часть расширения до атмосферного давления будет происходить ниже по потоку от горла (т. е. наименьшая площадь потока), в следе струи. Хотя импульс струи все еще создает большую часть общей тяги, дисбаланс между статическим давлением в горле и атмосферным давлением все еще создает некоторую (давление) тягу.
Сверхзвуковая скорость воздуха, поступающего в ГПВРД, позволяет использовать простое расходящееся сопло.
Двигатели, способные к сверхзвуковому полету, имеют сходящиеся-расходящиеся выхлопные каналы для создания сверхзвукового потока. Ракетные двигатели — крайний случай — обязаны своей отличительной формой очень высоким коэффициентам площади их сопел.
Когда отношение давлений в сходящемся сопле превышает критическое значение, поток запирается , и, таким образом, давление выхлопных газов, выходящих из двигателя, превышает давление окружающего воздуха и не может уменьшиться с помощью обычного эффекта Вентури . Это снижает эффективность создания тяги соплом, заставляя большую часть расширения происходить ниже по потоку от самого сопла. Следовательно, ракетные двигатели и реактивные двигатели для сверхзвукового полета включают в себя сопло CD, которое допускает дальнейшее расширение против внутренней части сопла. Однако, в отличие от фиксированного сходящегося-расходящегося сопла, используемого в обычном ракетном двигателе , сопла турбореактивных двигателей должны иметь тяжелую и дорогую изменяемую геометрию, чтобы справиться с большим изменением отношения давлений сопла, которое происходит со скоростями от дозвуковой до более 3 Маха.
Тем не менее, сопла с малым отношением площади поверхности применяются и на дозвуковых скоростях.
Дозвуковые двигатели без форсажа имеют сопла фиксированного размера, поскольку изменения в характеристиках двигателя с высотой и дозвуковыми скоростями полета приемлемы при фиксированном сопле. Это не относится к сверхзвуковым скоростям, как описано ниже для Concorde .
С другой стороны, некоторые гражданские турбовентиляторы с высокой степенью двухконтурности управляют рабочей линией вентилятора, используя сходящееся-расходящееся сопло с чрезвычайно низким (менее 1,01) отношением площадей на обводном (или смешанном) потоке выхлопных газов. На низких скоростях полета такая установка заставляет сопло действовать так, как будто оно имеет переменную геометрию, предотвращая его захлестывание и позволяя ему ускорять и замедлять выхлопные газы, приближающиеся к горловине и расходящейся секции соответственно. Следовательно, выходная площадь сопла управляет соответствием вентилятора, которое, будучи больше горловины, немного оттягивает рабочую линию вентилятора от помпажа. На более высоких скоростях полета подъем плунжера во впуске душит горловину и заставляет площадь сопла диктовать соответствие вентилятора; сопло, будучи меньше выхода, заставляет горловину немного подталкивать рабочую линию вентилятора к помпажу. Однако это не проблема, поскольку запас по помпажу вентилятора намного больше на высоких скоростях полета.
Ракетные двигатели также используют сходящиеся-расходящиеся сопла, но они обычно имеют фиксированную геометрию, чтобы минимизировать вес. Из-за высоких отношений давления, связанных с полетом ракеты, сходящиеся-расходящиеся сопла ракетных двигателей имеют гораздо большее отношение площади (выход/горловина), чем те, которые установлены в реактивных двигателях.
Форсажные камеры на боевых самолетах требуют большего сопла, чтобы предотвратить неблагоприятное воздействие на работу двигателя. Сопло с изменяемой площадью диафрагмы [9] состоит из ряда подвижных, перекрывающихся лепестков с почти круглым поперечным сечением сопла и является сходящимся для управления работой двигателя. Если самолет должен лететь на сверхзвуковых скоростях, за соплом форсажной камеры может следовать отдельное расходящееся сопло в конфигурации эжекторного сопла, как показано ниже, или расходящаяся геометрия может быть объединена с соплом форсажной камеры в конфигурации сходящегося-расходящегося сопла с изменяемой геометрией, как показано ниже.
Ранние форсажные камеры были либо включены, либо выключены и использовали двухпозиционную раскладушку или векообразную насадку, которая оставляла только одну область, доступную для использования форсажной камеры. [10]
Эжектор относится к насосному действию очень горячего, высокоскоростного выхлопа двигателя, увлекающего (выбрасывающего) окружающий воздушный поток, который вместе с внутренней геометрией вторичного или расходящегося сопла контролирует расширение выхлопа двигателя. На дозвуковых скоростях воздушный поток сужает выхлоп до сходящейся формы. Когда выбирается форсаж и самолет ускоряется, два сопла расширяются, что позволяет выхлопу образовывать сходящуюся-расходящуюся форму, ускоряя выхлопные газы за пределами числа Маха 1. Более сложные установки двигателя используют третичный воздушный поток для уменьшения площади выхода на низких скоростях. Преимуществами эжекторного сопла являются относительная простота и надежность в случаях, когда створки вторичного сопла позиционируются силами давления. Эжекторное сопло также может использовать воздух, который был захвачен впускным отверстием, но который не требуется двигателю. Количество этого воздуха значительно варьируется в зависимости от зоны полета, и эжекторные сопла хорошо подходят для согласования воздушного потока между системой впуска и двигателем. Эффективное использование этого воздуха в сопле было основным требованием для самолетов, которым приходилось эффективно совершать крейсерские полеты на высоких сверхзвуковых скоростях в течение длительных периодов времени, поэтому его использовали в SR-71 , Concorde и XB-70 Valkyrie .
Простым примером эжекторного сопла является цилиндрический кожух фиксированной геометрии, окружающий сопло форсажа на установке J85 в T-38 Talon . [11] Более сложными были компоновки, используемые для установок J58 ( SR-71 ) и TF-30 ( F-111 ). Они обе использовали третичные вдувные створки (открытые на более низких скоростях) и свободно плавающие перекрывающиеся створки для конечного сопла. Как вдувные створки, так и конечные створки сопла позиционируются балансом внутреннего давления от выхлопа двигателя и внешнего давления от поля обтекания самолета.
На ранних установках J79 ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ) приведение в действие вторичного сопла было механически связано с соплом форсажной камеры. Более поздние установки имели конечное сопло, механически приводимое в действие отдельно от сопла форсажной камеры. Это давало улучшенную эффективность (лучшее соответствие первичной/вторичной выходной площади с высоким требованием к числу Маха) при 2 Маха ( B-58 Hustler ) и 3 Маха (XB-70). [12]
Турбореактивные двухконтурные установки, не требующие вторичного воздушного потока, нагнетаемого выхлопными газами двигателя, используют сопло CD с изменяемой геометрией. [13] Эти двигатели не требуют внешнего охлаждающего воздуха, необходимого турбореактивным двигателям (горячий кожух форсажной камеры).
Расходящееся сопло может быть неотъемлемой частью лепестка сопла форсажной камеры, углового расширения после горловины. Лепестки движутся по изогнутым траекториям, а осевое перемещение и одновременное вращение увеличивают площадь горловины для форсажа, в то время как задняя часть становится расхождением с большей площадью выхода для более полного расширения на более высоких скоростях. Примером является TF -30 ( F-14 ). [14]
Первичные и вторичные лепестки могут быть соединены вместе и приводиться в действие тем же механизмом, что и на EJ200 ( Eurofighter ), обеспечивая управление форсажной камерой и высокое расширение сопла . [15] Другие примеры можно найти на F-15 , F-16 , B-1B .
Сопла для управления вектором тяги включают в себя сопла с фиксированной геометрией Bristol Siddeley Pegasus и сопла с изменяемой геометрией F119 ( F-22 ).
Реверсоры тяги на некоторых двигателях встроены в само сопло и известны как целевые реверсоры тяги. Сопло открывается на две половины, которые соединяются, чтобы перенаправить выхлоп частично вперед. Поскольку площадь сопла влияет на работу двигателя (см. ниже), развернутый реверсор тяги должен быть расположен на правильном расстоянии от реактивной трубы, чтобы предотвратить изменение эксплуатационных пределов двигателя. [16] Примеры целевых реверсоров тяги можно найти на Fokker 100, Gulfstream IV и Dassault F7X.
Шум струи можно уменьшить, добавив особенности к выходу сопла, которые увеличивают площадь поверхности цилиндрической струи. Коммерческие турбореактивные двигатели и ранние двухконтурные двигатели обычно разделяют струю на несколько лопастей. Современные турбовентиляторные двигатели с высоким двухконтурным контуром имеют треугольные зубцы, называемые шевронами, которые слегка выступают в движущую струю.
Сопло, в силу установки противодавления, действует как ограничитель ниже по потоку для компрессора и, таким образом, определяет, что попадает в переднюю часть двигателя. Оно разделяет эту функцию с другим ограничителем ниже по потоку, соплом турбины. [17] Площади как движущего сопла, так и сопла турбины устанавливают массовый расход через двигатель и максимальное давление. В то время как обе эти области фиксированы во многих двигателях (т. е. в двигателях с простым фиксированным движущим соплом), другие, особенно те, которые с дожиганием, имеют движущее сопло переменной площади. Это изменение площади необходимо для сдерживания возмущающего воздействия на двигатель высоких температур сгорания в реактивной трубе, хотя площадь также может изменяться во время работы без дожигания, чтобы изменить производительность насоса компрессора при более низких настройках тяги. [4]
Например, если бы сопло двигателя было удалено для преобразования турбореактивного двигателя в турбовальный , то роль, которую играла площадь сопла, теперь взяла бы на себя площадь направляющих лопаток или статоров сопла силовой турбины. [18]
Перерасширение происходит, когда площадь выходного отверстия слишком велика по сравнению с размером сопла форсажной камеры или первичного сопла. [19] Это происходило при определенных условиях на установке J85 в Т-38. Вторичное или конечное сопло имело фиксированную геометрию, рассчитанную на максимальный случай форсажной камеры. При настройках тяги без форсажной камеры площадь выходного отверстия была слишком большой для закрытого сопла двигателя, что приводило к перерасширению. К эжектору были добавлены свободно плавающие створки, позволяющие вторичному воздуху контролировать расширение первичной струи. [11]
Для полного расширения до давления окружающей среды и, следовательно, максимальной тяги или эффективности сопла, требуемое отношение площадей увеличивается с числом Маха полета. Если расхождение слишком короткое, что дает слишком малую площадь выхода, выхлоп не будет расширяться до давления окружающей среды в сопле, и будет потерян потенциал тяги [20] С увеличением числа Маха может наступить точка, когда площадь выхода сопла станет такой же большой, как диаметр гондолы двигателя или диаметр хвостовой части самолета. За этой точкой диаметр сопла становится наибольшим диаметром и начинает вызывать увеличивающееся сопротивление. Таким образом, сопла ограничены размером установки, а потеря тяги является компромиссом с другими соображениями, такими как меньшее сопротивление, меньший вес.
Примерами являются F-16 на скорости 2,0 Маха [21] и XB-70 на скорости 3,0 Маха [22] .
Другое соображение может быть связано с требуемым потоком охлаждения сопла. Расходящиеся створки или лепестки должны быть изолированы от температуры пламени форсажной камеры, которая может быть порядка 3600 °F (1980 °C), слоем охлаждающего воздуха. Более длинное расхождение означает большую площадь для охлаждения. Потеря тяги из-за неполного расширения идет вразрез с преимуществами меньшего потока охлаждения. Это применимо к соплу TF-30 в F-14A, где идеальное соотношение площадей при числе Маха 2,4 было ограничено более низким значением. [23]
Расходящаяся секция обеспечивает дополнительную скорость истечения и, следовательно, тягу на сверхзвуковых скоростях полета. [24]
Эффект добавления расходящейся секции был продемонстрирован с первым соплом CD компании Pratt & Whitney. Сужающееся сопло было заменено соплом CD на том же двигателе J57 в том же самолете F-101 . Увеличенная тяга сопла CD (2000 фунтов, 910 кг при взлете на уровне моря) на этом двигателе увеличила скорость с 1,6 Маха до почти 2,0, что позволило ВВС установить мировой рекорд скорости в 1207,6 миль/ч (1943,4 км/ч), что было чуть ниже 2 Маха для температуры того дня. Истинная ценность сопла CD не была реализована на F-101, поскольку впуск не был модифицирован для более высоких достижимых скоростей. [25]
Другим примером была замена конвергента на сопло CD на YF-106/P&W J75 , когда он не достигал скорости 2 Маха. Вместе с введением сопла CD был переработан вход. Впоследствии ВВС США установили мировой рекорд скорости на F-106 в 1526 миль в час ( 2,43 Маха ). [25]
Некоторые очень ранние реактивные двигатели, которые не были оснащены форсажной камерой, такие как BMW 003 и Jumo 004 (который имел конструкцию ), [26] имели сопло переменной площади, образованное перемещающейся заглушкой, известной как Zwiebel [дикий лук] из-за ее формы. [27] Jumo 004 имел большую площадь для запуска, чтобы предотвратить перегрев турбины, и меньшую площадь для взлета и полета, чтобы обеспечить более высокую скорость выхлопа и тягу. Zwiebel 004 обладал диапазоном прямого/обратного хода 40 см (16 дюймов) для изменения площади выхлопного сопла, приводимого в действие механизмом с электродвигателем в расходящейся области корпуса сразу за турбиной.
Двигатели, оснащенные форсажной камерой, также могут открывать сопло для запуска и на холостом ходу. Тяга холостого хода уменьшается, что снижает скорость руления и износ тормозов. Эта функция двигателя J75 в F-106 называлась «Управление тягой холостого хода» и уменьшала тягу холостого хода на 40%. [28] На авианосцах более низкая тяга холостого хода снижает опасность реактивной струи.
В некоторых случаях, например, при установке J79 на различных самолетах, во время быстрого открытия дроссельной заслонки область сопла может не закрываться после определенной точки, что позволяет быстрее увеличивать обороты [29] и, следовательно, быстрее достигать максимальной тяги.
В случае двухвального турбореактивного двигателя, такого как Olympus 593 в Concorde , площадь сопла может изменяться, чтобы обеспечить одновременное достижение максимальной скорости компрессора низкого давления и максимальной температуры на входе в турбину в широком диапазоне температур на входе в двигатель, что происходит при скоростях полета до 2 Маха. [30]
В некоторых форсированных турбовентиляторных двигателях рабочая линия вентилятора контролируется площадью сопла как при сухой, так и при влажной работе, чтобы компенсировать избыточный запас по помпажу ради большей тяги.
Площадь сопла увеличивается во время работы форсажной камеры, чтобы ограничить воздействие восходящего потока на двигатель. Чтобы турбовентиляторный двигатель обеспечивал максимальный поток воздуха (тягу), площадь сопла может контролироваться, чтобы поддерживать рабочую линию вентилятора в оптимальном положении. Чтобы турбореактивный двигатель обеспечивал максимальную тягу, площадь сопла может контролироваться, чтобы поддерживать температуру выхлопных газов турбины на ее пределе. [31]
В ранних установках форсажной камеры пилот должен был проверить индикатор положения сопла после выбора форсажной камеры. Если сопло не открывалось по какой-то причине, а пилот не реагировал, отменяя выбор форсажной камеры, типичные элементы управления того периода [32] (например, J47 в F-86L) могли привести к перегреву и выходу из строя лопаток турбины. [33]
Некоторые самолеты, такие как немецкий Bf 109 и Macchi C.202/205, были оснащены «выхлопами эжекторного типа». Эти выхлопы преобразовывали часть отработанной энергии выхлопного потока двигателей (внутреннего сгорания) в небольшое количество прямой тяги, ускоряя горячие газы в направлении назад до скорости, превышающей скорость самолета. Все конфигурации выхлопов делают это в некоторой степени, если выхлопные газы выбрасываются в направлении назад.
В 1937 году компания Rolls-Royce Limited запатентовала особое выхлопное устройство, создающее тягу. [34] На двигателях Rolls-Royce Merlin 130/131 1944 года выпуска самолета de Havilland Hornet тяга от многоэжекторных выхлопных систем была эквивалентна дополнительным 70 л. с. на двигатель при полностью открытой дроссельной заслонке.