Метательное сопло — сопло , преобразующее внутреннюю энергию рабочего газа в тяговую силу; это сопло, образующее струю, отделяющую газовую турбину или газогенератор от реактивного двигателя .
Движущие сопла ускоряют имеющийся газ до дозвуковой , околозвуковой или сверхзвуковой скорости в зависимости от мощности двигателя, их внутренней формы и давления на входе в сопло и выходе из него. Внутренняя форма может быть сходящейся или сходящейся-расходящейся (CD). Сопла CD могут ускорять струю до сверхзвуковой скорости в расширяющейся секции, тогда как сужающееся сопло не может ускорять струю сверх звуковой скорости. [1]
Метательные сопла могут иметь фиксированную геометрию или переменную геометрию, чтобы обеспечить разные выходные площади для управления работой двигателя, когда он оснащен камерой дожигания или системой подогрева. Когда двигатели форсажного сгорания оснащены соплом CD, площадь горловины варьируется. Сопла для сверхзвуковых скоростей полета, при которых создаются высокие коэффициенты давления в сопле [2] , также имеют расходящиеся сечения переменной площади. [3] Турбореактивные двигатели могут иметь дополнительное и отдельное рабочее сопло, которое дополнительно ускоряет перепускной воздух.
Движущие сопла также действуют как ограничители на выходе, последствия чего составляют важный аспект конструкции двигателя. [4]
Сужающиеся сопла используются на многих реактивных двигателях. Если соотношение давлений в сопле превышает критическое значение (около 1,8:1), сужающееся сопло засорится , в результате чего часть расширения до атмосферного давления произойдет за горловиной (т. е. при наименьшей площади потока), в следе струи. Хотя реактивный импульс по-прежнему создает большую часть полной тяги, дисбаланс между статическим давлением в горловине и атмосферным давлением все еще создает некоторую тягу (давления).
Сверхзвуковая скорость воздуха, поступающего в ГПВРД, позволяет использовать простое расширяющееся сопло.
Двигатели, способные совершать сверхзвуковые полеты, имеют сходящиеся-расходящиеся выхлопные каналы для создания сверхзвукового потока. Ракетные двигатели (крайний случай) обязаны своей отличительной формой очень большой площади сопел.
Когда степень давления в сужающемся сопле превышает критическое значение, поток дросселируется , и, таким образом, давление выхлопных газов, выходящих из двигателя, превышает давление окружающего воздуха и не может уменьшиться за счет обычного эффекта Вентури . Это снижает эффективность создания тяги сопла, поскольку большая часть расширения происходит после самого сопла. Следовательно, ракетные двигатели и реактивные двигатели для сверхзвуковых полетов имеют сопло CD, которое обеспечивает дальнейшее расширение внутренней части сопла. Однако, в отличие от фиксированного сужающегося-расширяющегося сопла, используемого в обычном ракетном двигателе , сопла турбореактивных двигателей должны иметь тяжелую и дорогую изменяемую геометрию, чтобы справляться с большими изменениями степени давления в сопле, которые возникают при скоростях от дозвуковых до более 3 Маха.
Тем не менее, сопла с малым коэффициентом площади имеют дозвуковое применение.
Дозвуковые двигатели без форсажа имеют сопла фиксированного размера, поскольку при фиксированном сопле допустимы изменения характеристик двигателя с высотой и дозвуковой скоростью полета. Это не относится к сверхзвуковым скоростям, как описано для Конкорда ниже.
С другой стороны, некоторые гражданские турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности управляют рабочей линией вентилятора, используя сужающееся-расширяющееся сопло с чрезвычайно низким (менее 1,01) коэффициентом площади на перепускном (или смешанном выхлопном) потоке. На низких скоростях полета такая установка заставляет сопло действовать так, как если бы оно имело изменяемую геометрию, предотвращая его засорение и позволяя ускорять и замедлять выхлопные газы, приближающиеся к горловине и расширяющейся секции соответственно. Следовательно, область выхода сопла управляет спичкой вентилятора, которая, будучи больше горловины, немного оттягивает рабочую магистраль вентилятора от помпажа. На более высоких скоростях полета подъем плунжера в воздухозаборнике перекрывает горло и заставляет площадь сопла определять соответствие вентилятора; сопло, меньшее, чем выходное, заставляет горловину слегка подталкивать рабочую линию вентилятора в сторону помпажа. Однако это не проблема, поскольку запас по помпажу вентилятора намного выше при высоких скоростях полета.
В ракетных двигателях также используются сужающиеся-расширяющиеся сопла, но они обычно имеют фиксированную геометрию, чтобы минимизировать вес. Из-за высокого соотношения давлений, связанного с полетом ракеты, сужающиеся-расширяющиеся сопла ракетных двигателей имеют гораздо большее соотношение площадей (выходное/горлое), чем те, которые установлены в реактивных двигателях.
Форсажным камерам боевых самолетов требуется сопло большего размера, чтобы предотвратить негативное влияние на работу двигателя. Ирисовое сопло переменной площади [9] состоит из ряда движущихся перекрывающихся лепестков с почти круглым поперечным сечением сопла и сужается для управления работой двигателя. Если самолет должен летать на сверхзвуковых скоростях, за соплом форсажной камеры может следовать отдельное расширяющееся сопло в конфигурации сопла эжектора, как показано ниже, или расширяющаяся геометрия может быть объединена с соплом форсажной камеры в конфигурации сужающегося-расширяющегося сопла изменяемой геометрии. , как показано ниже.
Ранние камеры дожигания либо включались, либо выключались и использовали двухпозиционную насадку-раскладушку или веко, что давало только одну область, доступную для использования дожига. [10]
Эжектор относится к нагнетательному действию очень горячих, высокоскоростных выхлопных газов двигателя, увлекающих (выбрасывающих) окружающий поток воздуха, который вместе с внутренней геометрией вторичного или расширяющегося сопла контролирует расширение выхлопных газов двигателя. На дозвуковых скоростях воздушный поток сужает выхлоп до сходящейся формы. Когда выбрано дожигание и самолет набирает скорость, два сопла расширяются, что позволяет выхлопу принимать сужающуюся-расходящуюся форму, ускоряя выхлопные газы до скорости более 1 Маха. В более сложных установках двигателей используется третичный поток воздуха для уменьшения площади выхода на низких скоростях. . Достоинствами эжекторного сопла являются относительная простота и надежность в случаях, когда положение вторичных створок сопла осуществляется силами давления. Эжекторное сопло также может использовать воздух, который поступает на впуск, но не требуется двигателю. Количество этого воздуха значительно варьируется в зависимости от диапазона полета, а эжекторные сопла хорошо подходят для согласования воздушного потока между системой впуска и двигателем. Эффективное использование этого воздуха в сопле было главным требованием для самолетов, которым приходилось эффективно летать на высоких сверхзвуковых скоростях в течение длительного времени, поэтому его использовали в SR-71 , Concorde и XB-70 Valkyrie .
Простым примером сопла эжектора является цилиндрический кожух фиксированной геометрии, окружающий сопло дожигания на установке J85 в Т-38 Talon . [11] Более сложными были конструкции, использованные для установок J58 ( SR-71 ) и TF-30 ( F-111 ). Они оба использовали третичные дверцы продувки (открывающиеся на более низких скоростях) и свободно плавающие перекрывающиеся створки для последнего сопла. Как дверцы наддува, так и створки выпускного сопла расположены за счет баланса внутреннего давления выхлопных газов двигателя и внешнего давления поля потока самолета.
На ранних установках J79 ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ) срабатывание вторичного сопла было механически связано с соплом форсажной камеры. В более поздних установках последнее сопло приводилось в действие механически отдельно от сопла форсажной камеры. Это дало повышенную эффективность (лучшее соответствие первичной/вторичной выходной зоны требованиям к высокому числу Маха) на скорости 2 Маха ( B-58 Hustler ) и 3 Маха (XB-70). [12]
В турбовентиляторных установках, не требующих нагнетания вторичного воздушного потока выхлопными газами двигателя, используется сопло CD с изменяемой геометрией. [13] Эти двигатели не требуют внешнего охлаждающего воздуха, необходимого турбореактивным двигателям (горячий корпус форсажной камеры).
Расширяющееся сопло может быть неотъемлемой частью лепестка сопла форсажной камеры и представлять собой угловое продолжение после горловины. Лепестки перемещаются по изогнутым направляющим, а осевое перемещение и одновременное вращение увеличивают площадь горловины для дожигания, в то время как задняя часть становится расходящейся с большей площадью выхода для более полного расширения на более высоких скоростях. Примером может служить TF-30 ( F-14 ). [14]
Первичные и вторичные лепестки могут быть шарнирно соединены вместе и приводиться в действие тем же механизмом, что обеспечивает управление форсажной камерой и высокую степень расширения сопла, как на EJ200 ( Eurofighter ) . [15] Другие примеры встречаются на F-15 , F-16 , B-1B .
Сопла для векторной тяги включают Bristol Siddeley Pegasus с фиксированной геометрией и с изменяемой геометрией F119 ( F-22 ).
Реверсоры тяги на некоторых двигателях встроены в само сопло и известны как реверсоры целевой тяги. Форсунка открывается на две половины, которые собираются вместе, частично перенаправляя выхлоп вперед. Поскольку площадь сопла влияет на работу двигателя (см. ниже), развернутый реверсор тяги должен быть расположен на правильном расстоянии от реактивной трубы, чтобы предотвратить изменения пределов работы двигателя. [16] Примеры целевых реверсоров тяги можно найти на самолетах Fokker 100, Gulfstream IV и Dassault F7X.
Шум струи можно уменьшить, добавив на выход сопла элементы, которые увеличивают площадь поверхности цилиндрической струи. Коммерческие турбореактивные двигатели и ранние двухконтурные двигатели обычно делили струю на несколько лепестков. Современные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности имеют треугольные зубцы, называемые шевронами, которые слегка выступают в реактивную струю.
Форсунка, задавая противодавление, действует как дроссель на выходе компрессора и, таким образом, определяет, что поступает в переднюю часть двигателя. Он разделяет эту функцию с другим дросселем, расположенным ниже по потоку, — соплом турбины. [17] Зоны рабочего сопла и сопла турбины определяют массовый расход через двигатель и максимальное давление. Хотя во многих двигателях обе эти области фиксированы (т. е. в двигателях с простым фиксированным рабочим соплом), другие, особенно с форсажным двигателем, имеют рабочее сопло изменяемой площади. Это изменение площади необходимо для сдерживания мешающего воздействия на двигатель высоких температур сгорания в струйной трубе, хотя площадь также можно изменять во время работы без дожигания, чтобы изменить производительность накачки компрессора при более низких настройках тяги. [4]
Например, если для преобразования турбореактивного двигателя в турбовальный необходимо было снять рабочее сопло , роль площади сопла теперь играет площадь направляющих лопаток или статоров сопел силовой турбины. [18]
Перерасширение происходит, когда площадь выхода слишком велика по сравнению с размером форсажной камеры или основного сопла. [19] Это произошло при определенных условиях на установке J85 в Т-38. Вторичное или последнее сопло имело фиксированную геометрию, размер которой соответствовал максимальному режиму дожигания. При настройках тяги без форсажа площадь выхода была слишком велика для закрытого сопла двигателя, что приводило к перерасширению. К эжектору были добавлены свободно плавающие дверцы, позволяющие вторичному воздуху контролировать расширение первичной струи. [11]
Для полного расширения до давления окружающей среды и, следовательно, максимальной тяги или эффективности сопла требуемая площадь сечения увеличивается с увеличением числа Маха полета. Если расхождение слишком короткое, что приводит к слишком маленькой площади выхода, выхлоп не будет расширяться до давления окружающей среды в сопле, и будет потерян потенциал тяги. [20] С увеличением числа Маха может наступить момент, когда площадь выхода из сопла станет такой же большой. как диаметр гондолы двигателя или диаметр хвостовой части самолета. За этой точкой диаметр сопла становится наибольшим и начинает испытывать возрастающее сопротивление. Таким образом, форсунки ограничены размером установки, и возникающая потеря тяги является компромиссом с другими соображениями, такими как меньшее сопротивление и меньший вес.
Примерами являются F-16 со скоростью 2,0 Маха [21] и XB-70 со скоростью 3,0 Маха. [22]
Другое соображение может относиться к требуемому потоку охлаждения сопла. Расходящиеся створки или лепестки должны быть изолированы от температуры пламени форсажной камеры, которая может составлять порядка 3600 ° F (1980 ° C), слоем охлаждающего воздуха. Большее расхождение означает большую охлаждаемую площадь. Потеря тяги из-за неполного расширения компенсируется преимуществами меньшего охлаждающего потока. Это относилось к соплу TF-30 в F-14A, где идеальное соотношение площадей при скорости 2,4 Маха было ограничено более низким значением. [23]
Расширяющаяся секция обеспечивает дополнительную скорость истечения и, следовательно, тягу на сверхзвуковых скоростях полета. [24]
Эффект от добавления расширяющейся секции был продемонстрирован на первом сопле 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 с уровня моря) этого двигателя увеличила скорость с 1,6 Маха до почти 2,0, что позволило ВВС установить мировой рекорд скорости - 1207,6 миль в час (1943,4 км/ч). h), что было чуть ниже 2 Маха для температуры в тот день. Истинная ценность сопла CD не была реализована на F-101, поскольку впускное отверстие не было модифицировано для достижения более высоких 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 была переработана конструкция впускного отверстия. Впоследствии ВВС США установили мировой рекорд скорости на F-106 - 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 (имевшие конструкцию ), [26] имели сопло переменной площади, образованное перемещающейся пробкой, известной как Zwiebel [дикий лук] от его 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 модели 004 обладал диапазоном хода вперед/назад 40 см (16 дюймов) для изменения площади выхлопного сопла, приводимого в движение механизмом с приводом от электродвигателя в расширяющейся зоне кузова сразу за турбиной.
Двигатели с форсажной камерой также могут открывать сопло при запуске и на холостом ходу. Уменьшается тяга на холостом ходу, что снижает скорость руления и износ тормозов. Эта функция двигателя J75 самолета F-106 называлась «Контроль тяги на холостом ходу» и снижала тягу на холостом ходу на 40%. [28] На авианосцах более низкая тяга на холостом ходу снижает опасность реактивной струи.
В некоторых приложениях, таких как установка J79 на различных самолетах, во время быстрого открытия дроссельной заслонки можно предотвратить закрытие области сопла за пределами определенной точки, чтобы обеспечить более быстрое увеличение числа оборотов в минуту [29] и, следовательно, более быстрое время достижения максимальной тяги.
В случае турбореактивного двигателя с двумя золотниками, такого как Olympus 593 в Конкорде , площадь сопла может быть изменена, 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 со скоростями полета до 2 Маха .[30]
На некоторых турбовентиляторных двигателях с турбонаддувом рабочая линия вентилятора контролируется площадью сопла как во время работы всухую, так и в мокром режиме, чтобы обменять избыточный запас по помпажу на большую тягу.
Площадь сопла увеличивается во время работы форсажной камеры, чтобы ограничить воздействие на двигатель на входе. Чтобы обеспечить максимальный воздушный поток (тягу) турбовентилятора, можно контролировать площадь сопла, чтобы рабочая линия вентилятора находилась в оптимальном положении. Чтобы турбореактивный двигатель обеспечивал максимальную тягу, площадь можно контролировать, чтобы поддерживать температуру выхлопных газов турбины на предельном уровне. [31]
В ранних установках форсажной камеры пилоту приходилось проверять индикатор положения сопла после выбора форсажной камеры. Если сопло по какой-то причине не открылось, а пилот не отреагировал отменой выбора форсажной камеры, типичные органы 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 «выхлопными газами эжекторного типа». Эти выхлопы преобразовывали часть ненужной энергии потока выхлопных газов двигателей (внутреннего сгорания) в небольшую прямую тягу за счет ускорения горячих газов в обратном направлении до скорости, большей, чем у самолета. Все конфигурации выхлопа в некоторой степени делают это, если выхлопные газы выбрасываются назад.
Особое выхлопное устройство, создающее тягу, было запатентовано компанией Rolls-Royce Limited в 1937 году. [34] На двигателях Rolls-Royce Merlin 130/131 компании de Havilland Hornet 1944 года тяга многоэжекторных выхлопов была эквивалентна дополнительным 70 л.с. на двигатель при полностью открытой дроссельной заслонке.