Реактивное сопло в авиации. Сопло Лаваля. Конструкция и режимы его работы Работает ли сопло лаваля в двс

Для большего увеличения скорости истечения выше критической применяют комбинированное сопло Лаваля, названное по имени шведского инженера, впервые его предложившего. Схема сопла представлена на рис.3.4. Его суживающаяся часть работает как дозвуковое сопло, а расширяющаяся - как сверхзвуковое. В наименьшем сечении скорость равна местной скорости звука. При правильном выборе выходного сечения давление газа в нем равно

Рис.3.4. Комбинированное сопло Лаваля

давлению окружающей среды. Такой режим называется расчетным. Максимальный расход через сопло Лаваля остается таким же, как и в суживающемся сопле, увеличивается только скорость газа. Скорость в горловине сопла определяется по уже известному уравнению для критической скорости

Скорость в выходном сечении сопла вычисляется из приведенного ранее выражения при полном расширении газа до давления окружающей среды p 2 .

Если полагать, что расширение газа в сопле является адиабатным, то параметры (температура, давление, скорость, плотность) в любом промежуточном сечении можно определить используя известные зависимости для адиабатного процесса.

Постепенное расширение газа в раструбе сопла Лаваля происходит лишь при условии, что угол его раскрытия a не превышает 12-14 0 для конического сопла. При больших значениях угла a струи отрываются от стенок сопла и в нем образуются вихри как и при отсутствии раструба. При соотношении давлений b > b кр в наименьшем сечении сопла скорость газа будет меньше скорости звука и расширяющаяся часть будет работать как диффузор.

Сопла Лаваля широко используются для достижения сверхзвуковых скоростей движения газа или пара в турбинах, реактивных и ракетных двигателях, аэродинамических трубах. Следует подчеркнуть, что сопло Лаваля будет выполнять роль диффузора в том случае, когда скорость перед ним больше скорости звука («обратное» сопло Лаваля). Такие сопла применяются значительно реже, чем традиционные.

Что такое критический режим истечения газа, когда наступает эффект запирания, в чем его смысл и как его преодолеть?

Критические параметры потока

Параметры потока в сечении где скорость течения газа равна скорости звука называют критическими .

Критическая скорость также как и максимальная скорость однозначно определяется температурой торможения .

Если при течении газа температура торможения неизменна, то и критическая скорость неизменна.

За характерную принимают критическую скорость Vк или скорость звука - a.

• λ=V/Vк
• М=V/a
• 0

  В критическом сечении безразмерные критерии λ и М равны 1. в критическом сечении принимает вид:

  M к =ρ к *V к *A к

  Эффект запирания

  Максимальное значение массового расхода достигает по достижению критического режима (в критическом сечении), при λ=1, q=А к /А=1 (функция q увязывает геометрию канала с параметрами потока, A площадь) и V=a.

  Последующее изменение параметров потока при неизменных параметрах торможения (R o и T o) не приводит к увеличению массового расхода. Это явление называется эффектом запирания.

  Рассмотрим процесс истечения газа из при заданных параметрах и известном противодавлении.

  Поскольку процесс истечения газа через баллон является очень быстротечным его считают адиабатическим. Если сопло выполнено гидравлически совершенным то, потери в нем невелики и ими, в первом приближении, можно пренебречь. То есть течение газа идеальное, адиабатическое, изоэнтропийное.

  При истечении воздуха из суживающегося сопла можно выделить два характерных режима работы:

  • режим дозвуковых скоростей
  • режим критических скоростей

  Режим дозвуковых скоростей

  • Р с =Р 1

При дозвуковом режиме массовый расход и скорость можно вычислить по формулам:

Режим критических скоростей

• V=V к

На этом режиме изменение скорости и массового расхода за счет изменения противодавления Р 1 уже невозможно, этот факт неизменности скорости и массового расхода называют режимом запирания сопла .

Эффект запирания сопла вызван тем, что волны изменения противодавления Р 1 от источника возмущения распространяются со скоростью звука, до тех пор, пока скорость истечения V была меньше скорости звука эти волны давления проникали в струю и формировали истечение в соответствии с противодавлением Р 1 .

По достижении скорости истечения V равной скорости звука Vк, волны давления уже в струю не проникают, они уносятся струей, имеющей ту же скорость, поэтому изменить параметры истечения в соответствии с повышением противодавления не могут, наступает режим запирания.

При этом параметры в струе остаются критическими, а давление в струе Р к будет выше, чем противодавление Р 1 .

Сопло Лаваля

Для того, чтобы обеспечить течение газа со сверхзвуковой скоростью применяют сопло Лаваля. Массовый расход сквозь сопло будет критическим, а скорость истечения газа будет выше скорости звука.

Вдоль сопла происходит плавное снижение давления плоть до противодавления Р 1 , и плавный разгон потока от 0 до V к (скорости звука) в сходящейся части до сверхзвука в расходящейся части сопла.

Сопло Лаваля - газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине.

Описание сопла Лаваля:

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Сопло было впервые предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а потому и названо по имени его изобретателя. Затем в 1913 г. Р. Годдардом подана заявка на изобретение на применение сопла Лаваля в двухступенчатой твердотопливной ракете . В настоящее время сопло Лаваля широко используется на некоторых типах паровых турбин, в ракетных двигателях и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателях .

Позже это явление – ускорение газа до сверхзвуковых скоростей нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики и соответствующих газодинамических расчетов.

Принцип работы сопла Лаваля:

Ниже на иллюстрации показана работа сопла Лаваля.

По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %. М – число Маха (скорость звука).

На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М < 1). В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями (М > 1).

Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Диффузор по длине всегда больше конфузора. Иногда длина диффузора превышает длину конфузора в 250 раз. Удлинение диффузора способствует увеличению скорости истечения газа из сопла, а соответственно и тяги.

Сегодня общее знакомство с еще одним важным элементом конструкции турбореактивного двигателя.

Сопла Лаваля на двигателях самолета B-1B Lancer.

Одним из составных элементов любого газотурбинного двигателя является так называемое выходное устройство . Конструктивное исполнение его довольно разнообразно. Это может быть реактивное сопло , диффузор или газоотводящий патрубок , устройство реверса или отклонения вектора тяги , различные шумопоглощающие устройства или приспособления для снижения инфракрасной заметности , камеры смешения для ТРДД.

У каждого из этих агрегатов есть своя специфическая область применения. Все в основе зависит от конкретного предназначения двигателя, и, как следствие, летательного аппарата. Современные выходные устройства часто совмещают в себе различные функции и поэтому могут быть довольно сложными конструкциями.

Однако, несмотря на имеющееся разнообразие, некоторую часть этих функций можно в определенном смысле назвать второстепенными (шумоглушение, например, или снижение заметности). К главным же для ГТД прямой реакции изначально относились возможности формирования необходимых параметров потока газа, выходящего из двигателя.

В этом смысле выходные устройства можно поделить на две группы. Первая, формируя поток, делает его выходной импульс максимально большим и направляет его в нужную сторону. Вторая же делает наоборот, то есть занимается превращением потока в простой «выхлоп».

Первая группа – это реактивные сопла, вторая – диффузоры и различного вида выхлопные патрубки. Если в названии (а значит и предназначении) двигателя присутствует слово «реактивный» , то обязательным элементом выходного устройства будет реактивное сопло . В нашем случае это различные типы . Конечно, в каждом из них сопло имеет свой определенный вид и уровень сложности конструкции.

Стоит отдельно отметить, что важной функцией сопла также является обеспечение возможности устойчивой совместной работы элементов ГТД на основных режимах. Величина проходного сечения сопла влияет на температуру потока, поэтому может являться фактором регулирования работы двигателя. В особенности, если сопло конструктивно может менять площадь проходного сечения .

Газотурбинный двигатель, как динамическая расширительная машина , использует располагаемую энергию газа (которую он получил в результате нагрева и повышения давления) для совершения работы на турбине. Газ расширяется в ней, разгоняясь в сопловых аппаратах , и вращая ее рабочие колеса.

Полученная мощность используется для вращения и агрегатов так называемой полезной нагрузки. Если приведение в действие этих агрегатов – основная функция двигателя, как это бывает, например, в ТвАД, то он сконструирован так, что практически вся располагаемая энергия газа (или большая ее часть) превращается в механическую работу . Если конечно двигатель достаточно совершенен в конструктивном плане и не занимается «перекачкой» энергетически заряженного газа в атмосферу:-)…

Поэтому вертолетный газотурбинный двигатель () в качестве выходного устройства обычно имеет диффузорный газоотводящий патрубок. Газовый поток выходящий из турбины такого двигателя уже потратил подавляющую часть своей располагаемой энергии на вращение несущего винта, трансмиссии и конечно собственного компрессора.

Турбовальный двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1Б. Вместо сопла - диффузорный патрубок.

Пытаться утилизировать остатки энергии (в смысле получения дополнительной тяги) обычно не имеет смысла. При этом целесообразно использовать устройство для отвода выходящих газов со снижением их скорости выхода, дабы исключить ее влияние на на условия пилотирования и другие важные факторы. Что и делается с успехом.

Но, если двигатель все же реактивный (ТРД, ТРДФ, ТРДД(Ф), ПВРД ), то это значит, что часть располагаемой энергии газового потока, называемую обычно свободной, используется в нем для получения реактивной тяги. Для этого свободная энергия, являющаяся потенциальной , превращается в кинетическую с использованием специального устройства, которым обычно и является реактивное сопло .

То есть поток в сопле разгоняется, при этом падают его давление и температура и растет удельный объем. Получается высокоскоростная газовая струя. А реакция этой самой струи как раз и является тягой двигателя . Основа здесь достаточно простая — работает третий закон Ньютона.

Но при этом типовая схема, параметры и конструкция такого рода устройств могут быть различными. Многое зависит от уровня задач, выполняемых ими в силовых установках различных летательных аппаратов.

Основным параметром, характеризующим работу реактивного сопла, является полная степень понижения давления газа в нем π п =Р * /Р н (или просто перепад давления в сопле) , то есть отношение полного давления (статика +скоростной напор) на входе в сопло к статическому атмосферному давлению. π п зависит от типа двигателя, режима его работы, а также скорости и высоты полета.

Существует еще действительная степень понижения давления в сопле π с = Р * /Р с . Здесь Р с – это давление на срезе сопла. Соотношение между π п и π с показывает на каком режиме работает сопло, то есть расчетный ли он и есть ли потери. Равенство π с = π п означает, что действительное расширение равно заданному – расчетный режим .

О типах сопел. Сужающееся сопло.

Сопло, упрощенно говоря, просто труба, пропускающая поток горячих газов на выход из двигателя. Однако, закономерность, согласно которой меняется площадь сечения этой трубы по тракту и формируется перепад давлений между входом и выходом, определяет изменения скорости потока и ее величину на выходе из двигателя, а значит и тягу (при прочих равных условиях конечно).

Для того, чтобы скорость по мере движения потока по каналу увеличивалась, необходимо уменьшать проходное сечение этого канала из соображений сохранения массового расхода . Здесь работает закон (или уравнение) неразрывности для течений газа в каналах: ρVS = const (ρ — плотность газа, V – скорость потока, S — площадь проходного сечения).

Сужающееся дозвуковое сопло.

В соответствии с законом сохранения энергии давление и температура по тракту сопла тоже должны падать. Пока скорость потока в нем еще невелика, изменения давления и температуры по потоку тоже невелики, и такое свойство, как сжимаемость газа еще практически не проявляется. Ведь она как раз и определяется воздействием изменений давления и температуры.

Однако, далее, с ростом скорости потока и приближением ее к звуковой, а также падением давления сжимаемость дает о себе знать и плотность газа начинает падать. Однако, при этом темп ее падения (в дозвуковом потоке) ниже темпа роста скорости потока. В итоге окончательно получается, что при работе на дозвуке из соображений выполнения равенства ρVS = const сопло должно иметь сужающийся профиль.

Расчетный режим работы такого сопла означает равенство давления на срезе сопла и атмосферного давления. Остальные режимы – нерасчетные (или переходные). А главной особенностью или, можно сказать, недостатком (для авиации, по крайней мере) сужающегося сопла является невозможность разогнать поток до скорости, превышающей скорость звука на срезе.

По мере роста давления (температуры) на входе в сопло давление на срезе остается практически равным атмосферному за счет того, что так называемые малые возмущения (падение давления на выходе из сопла или волны разрежения в данном случае) могут проникать из атмосферы внутрь сопла против потока, переформировывать его, тем самым увеличивая скорость, понижая и выравнивая давления на срезе (физический смысл).

Перемещаются эти возмущения в воздушной среде со скоростью звука. Поэтому, как только скорость потока на срезе сопла достигнет звуковой величины, они уже не смогут перемещаться внутрь и влиять на увеличение скорости потока. Сопло как бы запирается и выходная скорость перестает расти даже с увеличением давления на входе, то есть с ростом перепада.

Наступает так называемый кризис течения сужающегося сопла . Максимальная достигнутая (и максимально возможная) скорость потока на срезе сопла, равная местной звуковой скорости, называется критической . Перепад давления на сопле, при котором достигается эта скорость также носит название критического . А само сопло в этом случае иногда называют звуковым.

Соответственно реактивные сопла , которые работают на докритических перепадах давления, то есть тогда, когда звуковая скорость потока не достигается называются дозвуковыми .

Величина критического перепада давления — термодинамический параметр и зависит от химического состава газа и его температуры. Для условий работы сопла в турбореактивном двигателе она равна в среднем 1,85-1,90.

Таким образом получается, что даже если перед входом в сужающееся сопло имеет место высокоэнергетичный поток, то не факт, что вся его располагаемая потенциальная энергия может быть использована для разгона.

Дозвуковое сопло, работающее на докритических перепадах давления на срезе имеет давление равное атмосферному. Это расчетный режим, как уже говорилось. Но если перепад давления высокий, выше критического (сверхкритический ), то газ не может полностью расшириться в сопле (ведь скорость на выходе не увеличится больше звуковой).

Это уже нерасчетный режим . Давление на срезе в этом случае больше атмосферного, сопло работает с недорасширением и окончательное расширение происходит уже в атмосфере, а не в сопле двигателя, как надо было бы. Это означает, что при больших сверхкритических перепадах давления в сопле имеют место немалые потери энергии . Это и есть вышеупомянутый недостаток.

Сверхкритические перепады в сопле характерны для сверхзвуковых самолетов с и ТРДДФ, имеющих максимальные числа М полета 1,7—3,0. Здесь значения π п в стартовых условиях могут достигать 2,5—3,0 и растут с ростом скорости, а на высотах до 11 км могут составлять 15—20 и более. Поэтому для двигателей таких самолетов выгоднее применять сопла другой схемы.

1 - обычное жесткое сужающееся сопло., 2 - сопло Витошинского.

Простые дозвуковые, сужающиеся реактивные сопла , используются на дозвуковых самолетах. Конструктивно такие сопла могут иметь вид конуса с углом наклона боковой поверхности не более 10°-12° или представлять из себя определенного вида профилированный канал (так называемые сопла Витошинского ).

Наиболее низкая величина докритического перепада давления используется на двигателях непрямой реакции , то есть , турбовальных и ТВВД . У турбовальных, как уже говорилось, вообще применяется не сопло, а газоотводящий патрубок-диффузор. У ТВД И ТВВД используются простые дозвуковые сужающиеся сопла, доля реактивной тяги которых в общей тяге двигателя совсем невелика.

Несколько более высокие значения полных степеней понижения давления имеют с высокими степенями двухконтурности (турбовентиляторные), применяемые в основном в пассажирской коммерческой авиации и на транспортных самолетах (яркий их представитель – ).

Разрез ТРДД. Хорошо виден профиль сопел обоих контуров.

π п в соплах первого контура таких движков в стартовых условиях имеют величину порядка 1,5—1,9, а на высоте 11 км – 2,2—2,8. Для второго контура эти значения обычно несколько ниже. То есть перепады давления на двигателях докритические (или небольшие сверхкритические), поэтому применяются здесь по большей части сужающиеся дозвуковые сопла (иногда с небольшим расширяющимся участком за критическим сечением) в виде конических или профилированных каналов, которые отличаются простотой конструкции и малой массой.

Пример расположения сопел ТВРД.

Последнее достаточно важно для массивных ТВРД. Геометрия этих каналов оптимизирована под основной режим полета (чаще всего крейсерский) и неизменна. То есть этот нерегулируемые или «жесткие» сопла.

Сопло Лаваля.

Для скоростных самолетов двигатели с высокими π п, оборудованные сужающимися дозвуковыми соплами, как уже говорилось, не подходят. Они не могут реализовать всю располагаемую энергию двигателя, до конца превращая ее в тягу. Часть энергии теряется в атмосфере. Особенно это проявляется на повышенных режимах работы, а также на большой скорости и высоте.

В этом случае применяются реактивные сопла другой схемы. Это сверхзвуковые сужающееся-расширяющиеся сопла или сопла Лаваля , названные так по имени своего изобретателя и разработчика Густава де Лаваля (Gustaf de Laval).

В этих соплах газ не испытывает кризиса течения (как в сужающихся) и разгоняется до сверхзвуковых скоростей , тем самым расширяясь и используя свою внутреннюю энергию по максимуму.

Схематично такое сопло имеет две части. Первая – сужающаяся . Она принципиально работает как обычное сужающееся сопло при критических и сверхкритических перепадах давления. На выходе из этой части, которая для сужающегося сопла является срезом, а для сопла Лаваля называется критическим сечением газовый поток достигает скорости звука. Далее следует вторая часть – расширяющаяся .

Сопло Лаваля.

Такой ее профиль можно определить тем, что плотность газа в потоке, продолжающая падать с ростом его скорости (говорилось ранее) на скоростях выше звуковых падает уже быстрее, чем растет эта скорость. Поэтому здесь для сохранения равенства ρVS = const (постоянства расхода) площадь поперечного сечения надо уже увеличивать.

При этом если в дозвуковом сопле скорость потока на срезе зависит от изменения величины входного давления, то в сопле Лаваля скорость на выходе (или точнее число М) этим уже не определяется (в широком диапазоне значений) и зависит от соотношения площадей критического и выходного сечений (то есть расширяющейся части).

Об основные режимах работы сопла Лаваля.

Обычное, нерегулируемое сопло Лаваля может состоять из двух конусов или же из двух профилированных каналов (подобно сужающимся соплам). Переход между половинами либо в виде угловой точки, либо плавного переходного участка. Для безотрывного истечения потока углы сужения ориентировочно не более 60°, расширения не более 14° (к горизонтали).

Диаграмма изменения параметров по тракту сопла Лаваля.

Расчетный режим или режим полного расширения . В этом случае давление на срезе сопла равно атмосферному и тяговые возможности, соответственно максимальны. Два других режима нерасчетные, сопровождающиеся потерями энергии.

Если давление на срезе больше атмосферного, то имеет место недорасширение потока. В этом случае есть, конечно, потери энергии. За соплом в потоке образуются ударные волны, проходя через которые поток понижает давление до атмосферного.

А когда давление на срезе сопла меньше атмосферного, то это перерасширение . В этом случае атмосферное давление хоть и больше внутрисоплового, но проникнуть внутрь сопла против потока не может из-за его сверхзвуковой скорости.

Поэтому сопло до определенного предела может работать на таком режиме. За соплом в потоке образуются волны разрежения, в которых давление восстанавливается до атмосферного.

Однако, если перерасширение значительно, то есть атмосферное давление намного превышает давление на срезе, то за соплом на начальном участке струи может образоваться так называемый мостообразный скачок уплотнения . По мере роста недорасширения этот скачок перемещается против потока и может попасть внутрь сопла.

Далее из-под основания скачка возможен отрыв потока от внутренней стенки сопла. Из-за этого нарушается структура течения, возникают колебания скорости и давления в потоке, сопло начинает «хлопать», то есть имею место автоколебания. Все это может привести не только к падению тяги, но и к разрушению конструкции. Правда процесс такого рода более характерен для неуправляемых сопел Лаваля (в основном в ракетной технике).

Влияние режимов работы сопла на величину тяги (потери).

Потери, связанные с нерасчетным расширением газа можно проиллюстрировать. Для этого нужно рассмотреть двигатель, работающий на постоянном режиме и имеющий нерегулируемое реактивное сопло , площадь выходного сечения которого меняется за счет добавления к нему или отбрасывания некоторого участка (при этом площадь критического сечения постоянна).

С учетом картины распределения давлений (внешнего и внутреннего) видно, что при полном расширении тяга (R) максимальна. При перерасширении давление на срезе сопла становится меньше атмосферного и возникает сила, направленная против тяги. При недорасширении тяга меньше, так как короче само сопло.

Интересно, что в практических целях бывает выгоднее для каждого режима работы двигателя выбирать величину площади среза на условии небольшого недорасширения . Это позволяет при незначительной потере тяги (менее 0,5%) заметно уменьшить габаритные размеры сопла, его массу и площадь охлаждаемой поверхности.

На некоторых двигателях при работе их сопел с недорасширением бывает довольно хорошо виден эффект возникновения волн давления (ударные волны, по сути скачки уплотнения) в выходящей форсажной струе газа в виде следующих друг за другом колец вдоль оси струи. Цвета их (как и самой струи) примерно от фиолетово-красного до малинового. Чаще всего это бывает видно при взлете самолета.

Форсаж. Видно свечение газа в скачках уплотнения.

Процесс упрощенно говоря таков. Недорасширенная струя при выходе начинает резко расширяться, в том числе и в радиальном направлении, «натыкаясь» на относительно малоподвижный наружный поток. Образуется скачок уплотнения. Проходя его струя разогревается и начинает светиться (догорают остатки форсажного топлива или продукты его разложения). При этом давление возрастает и далее процесс повторяется с постепенным затуханием (из-за демпфирующего влияния вязкости газа).

Об управляемости сопла.

Современные сверхзвуковые самолеты многорежимны (от малоскоростного крейсерского до сверхзвукового форсажного), используются в достаточно большом диапазоне чисел М и высот полета, что обуславливает широкий диапазон изменения перепадов π п.

Из соображений наибольшей оптимальности работы двигателей на всех режимах (максимального приближения к расчетному режиму), то есть обеспечения большой тяги с минимальными потерями, сверхзвуковые сопла делаются регулируемыми , с возможностью изменения площади критического и выходног о сечения. Это становится актуальным уже при перепаде π п больше 2,5.

Кроме того реактивное сопло выполняет еще одну очень важную функцию. За счет регулирования площади критического сечения осуществляется согласование совместной работы элементов ГТД. Это повышает эффективность и расширяет область устойчивой работы всего двигателя.

Первым серийным с регулируемым соплом стал немецкий двигатель Junkers Jumo 004 , созданный в Германии в первой половине 1940-х годов и использовавшийся на самолете Ме-262 .

Двигатель Junkers Jumo 004.

Он имел сопло с так называемым центральным телом (кольцевое). Задняя, сужающаяся часть центрального тела (называемая иглой) могла перемещаться в осевом направлении, тем самым изменяя проходное сечение сопла двигателя. При этом менялась тяга и производилась регулировка параметров режима работы двигателя.

Однако такого рода управляемые сопла распространения не получили. Механизм перемещения иглы был ненадежен и требовал сложной системы охлаждения, особенно с ростом температуры газа и появлением форсажных камер.

Следующим этапом развития управляемых сопел стали управляемые сужающиеся сопла с подвижными створками . Такие сопла использовались на ТРДФ, ТРДДФ . Появление мощного форсажного контура повысило важность регулировки проходного (критического) сечения. В английском сопло такого типа даже получило название «форсажное» (afterburner nozzle ).

Такие двигатели позволяли не только значительно повысить тяговую эффективность. Использование диаметра проходного сечения, как регулировочного параметра дало также возможность расширить область устойчивой и безопасной работы турбокомпрессора, облегчить запуск, повысить экономичность двигателя на дроссельных режимах.

Сопла двигателей самолета Xi’an JH-7.

Самолет JH-7.

Сопло обычно работает на докритических и некоторых сверхкритических перепадах с учетом возрастания возможных потерь. Программа управления его чаще всего достаточно проста (особенно на ранних моделях двигателей) с несколькими (две или более) фиксированными позициями сопла (по принципу – открыто для запуска и форсажа, закрыто для режимов крейсер-максимал).

Сопла двигателей самолета Panavia Tornado.

Хвостовая часть самолета Panavia Tornado.

В качестве характерных примеров можно привести двигатель АЛ-7Ф – самолеты типа Су-7Б и Ту-128 , из зарубежных – двигатель Turbo-Union RB199-34R Mk 103 – самолет Panavia Tornado GR4, а также двигатель Xi’an WS9 Qinling – самолет Xian JH-7.

Хвостовая часть самолета Ту-128. Сужающиеся управляемые сопла двигателей АЛ-7Ф-2.

На современных, вновь создаваемых скоростных самолетах (и двигателях) используются в основном регулируемые всережимные сопла Лаваля , несмотря на сложность их конструкции. Но существует еще и другой тип сопел для двигателей многорежимных самолетов. В определенном смысле их можно назвать разновидностью сопла Лаваля, и многие их них до сих пор успешно применяются.

Об эжекторные соплах.

В стремлении избавиться от главного недостатка сужающегося реактивного сопла , потерь энергии при сверхкритических перепадах давления, то есть увеличить тягу, не усложняя значительно при этом конструкцию, инженерами уже довольно давно (первый образец создан в 1887 году — российский инженер Ф.Р.Гешвенд) было придумано усовершенствование обычного дозвукового сужающегося сопла: его превратили в эжекторное .

Такое сопло отличается от сопла Лаваля тем, что у него расширяющаяся часть (сверхзвуковой контур) полностью или частично образована границей свободной газовой струи , выходящей из сужающегося сопла.

Конструктивных исполнений этого варианта много, но основа состоит в следующем. Обычное сужающееся сопло, из которого выходит поток газа, помещено внутрь кольцевой обечайки . Образуется своего рода эжектор . В кольцевой канал между сужающимся соплом и обечайкой для формирования сверхзвуковой струи, регулировки и улучшения ее характеристик, а также для охлаждения элементов конструкции подается эжектируемый воздух, обычно из атмосферы или из-за какой-либо ступени компрессора.

Схема эжекторного сопла. 1 - профилированная обечайка, 2 - цилиндрическая обечайка.

На срезе сужающегося реактивного сопла организуется критическая скорость потока. Далее поток, имея сверхкритический перепад давлений, расширяется, проворачиваясь вокруг оконечности этого сопла в волнах разрежения и образуя тем самым расширяющийся контур, и в нем разгоняется до сверхзвуковой скорости.

Образуется свободная сверхзвуковая струя . В какой-то точке эта струя может присоединиться к стенке обечайки, формируя сверхзвуковой контур, и далее течение происходит, как в сопле Лаваля.

То есть на некоторой длине сверхзвуковой контур не имеет стенок. Отсюда происходит еще одно название эжекторного сопла – сопло с разрывом сверхзвукового контура.

Физическая сущность большей тяги эжекторного сопла по отношению к сужающемуся состоит в избыточном давлении эжектируемого воздуха. Например, на самой цилиндрической обечайке равнодействующая сил давления равна нулю, при этом на торцевую стенку и внешнюю поверхность первичного сопла действует повышенное давление в эжектируемом потоке (если конечно оно больше атмосферного).

Схема возможного управления обечайкой в эжекторном сопле.

Такого рода реактивные сопла, приближаясь по конечному эффекту к соплам Лаваля, конструкция и управление которых отличается повышенной сложностью, проще и легче их. Они позволяют превратить дозвуковое сужающееся сопло в сверхзвуковое и, таким образом, значительно улучшить его показатели. Однако, есть тут и свои минусы.

Из-за разрыва сверхзвукового контура возможно возникновение циркуляционных вихревых зон в области между границей сверхзвуковой струи и стенкой обечайки в месте выхода потока из сужающейся части и его поворота, а также скачка уплотнения в месте присоединения потока к стенке обечайки.

Обечайки эжекторных сопел на самолете Northrop T-38 Talon.

Все это чревато неизбежными потерями энергии. Подача эжектируемого воздуха позволяет в определенной степени управлять потоком, снижает потери и улучшает характеристики сопла, но при этом может стать причиной увеличения размеров и массы фюзеляжа.

В процессе борьбы с такого рода недостатками конструкция эжекторного сопла совершенствовалась. Вместо обычных цилиндрических обечаек ставились профилированные . Они существенно уменьшают возможности возникновения потерь и, соответственно, падает необходимое количество эжектируемого воздуха.

Для цилиндрических обечаек оно равно 6-8% от объема воздуха, проходящего через внутреннее (сужающееся) сопло, для профилированных – 2-3%. Типичный пример нерегулируемой обечайки — самолет Northrop T-38 Talon с двигателями General Electric J85-5A , или сопло двигателя Volvo RM8 самолета Saab 37 Viggen .

Неуправляемые обечайки эжекторных сопел (изнутри) на самолете Northrop T-38A Talon (ранние модификации).

Northrop T-38N Talon с измененной конструкцией сопла. Обечайка нерегулируемая.

Эжекторное сопло на самолете Saab 37 Viggen. Дозвуковые створки закрыты. Опущена одна из реверсных створок. Хорошо видны окна эжекции и реверса.

Организация подачи эжектируемого воздуха и схема реверса на двигателе самолета Saab 37 Viggen.

Сужающаяся часть сопла двигателя Volvo RM8 для самолета Saab 37 Viggen.

Кроме того сама обечайка может выполняться изменяемого выходного диаметра, то есть имеет обычно створчатую конструкцию и становится регулируемой так же, как и внутренняя сужающаяся часть сопла.

Эти внешние створки либо имеют кинематическую связь с внутренними (истребитель Dassault Rafale , двигатель Snecma M88-2 ), либо управляются по «принципу флюгера », ориентируясь под действием разности внутреннего и внешнего (над соплом) давлений (самолет МиГ-23, двигатель Р-29-300 ).

Двигатель М88-2 для самолета Rafale.

Сопла двигателя М88-2. Самолет Rafale.

Флюгерные ("провисающие") эжекторные створки сопла самолета МиГ-23 (двигатель Р-29-300).

Сужающееся сопло двигателя Р-29-300 в полностью открытом положении.

Также типичный пример эжекторного сопла с флюгерными профилированными вторичными створками — сопла двигателей TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark .

Дальнейшее совершенствование (и в некотором смысле усложнение) сопла заключается в появлении дополнительных венцов створок, которые на определенных режимах сокращают величину разрыва сверхзвукового контура, все больше приближая эжекторноесопло к совершенному управляемому соплу Лаваля. Створки, формирующие выходной диаметр сопла чаще всего флюгерные.

Сопла двигателей TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark.

Эжекторные щели сопла двигателя TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark.

Самолет General Dynamics F-111 Aardvark. Видны эжекторнык сопла двигателей.

Такие реактивные сопла на данный момент сохраняют актуальность своего применения, несмотря на то, что управляемые всережимные сопла Лаваля уже практически окончательно освоены и активно используются.

Дело в том, что абсолютно полную универсальность классического сопла Лаваля в большом диапазоне скоростей полета не всегда удается обеспечить. Большие углы раскрытия сверхзвуковой части из соображений безотрывного течения неприемлемы.

В таком случае площадь выходного сечения можно увеличивать только за счет удлинения створок. Для достижения же больших скоростей потока такое удлинение оказывается слишком большим, что сильно влияет на массу и работоспособность конструкции. Поэтому практически все современные самолеты, оборудованные двигателями с реактивными соплами Лаваля, летают с максимальными скоростями около 2,3-2,4М (у земли 1,2М ).

Для того, чтобы превысить этот порог и летать быстрее при относительно малых потерях тяги, применяется вышеупомянутое «усложненное» эжекторное сопло . Иначе его еще называют соплом Лаваля с эжектором. Оно обладает необходимой универсальностью, обеспечивающей нужный разгон, надежность, низкую массу и простоту (определенную, конечно) работы конструкции.

"Усложненное" эжекторное сопло двигателя Д30Ф-6. 1 - положение сопла до максимала. 2 - форсаж.

Такое сопло на относительно небольших скоростях потока (и полета, обычно до форсажа) работает как эжекторное, то есть с разрывом сверхзвукового контура, а на больших скоростях (крейсерский форсаж) его проточная часть за счет дополнительных створок и (или) кинематики перестраивается в сопло Лаваля с раскрытым выходным сечением и разрыв контура исчезает. В таком же раскрытом положении сопло находится в момент запуска для облегчения этого процесса.

Эжекторное сопло двигателя Р15БД-300.

Эжекторное сопло двигателя Р15Б-300.

Сопло двигателя Д30Ф-6.

Подобного принципа действия универсальные сопла применены на самолете МиГ-31 – двигатель Д30-Ф6 и его предшественнике МиГ-25 (двигатель Р15Б-300 – упрощенный вариант сопла). На двигателе Д30-Ф6 всего 4 ряда внутренних управляемых створок сопла и помимо кинематически управляемых венцов створок, присутствуют и флюгерные створки, формирующие выходное сечение сопла.

Флюгерными эжекторными створками сопла оборудован также двигатель Pratt & Whitney J58-P4 самолета Lockheed SR-71 . Этот двигатель имеет свои усложненные особенности, но основной принцип эжекторного сопла присутствует.

Хвостовая часть самолета. Видны заборники эжектируемого воздуха и эжекторные створки сопла.

И все же, как уже говорилось выше, в настоящее время среди регулируемых сопел всережимное реактивное сопло Лаваля – одно из самых распространенных в современной сверхзвуковой авиации.

Что касается принципов регулирования такого сопла, то самой выгодной системой из соображений уменьшения потерь на всех режимах полета является двухпараметрическая система регулирования, в которой осуществляется независимое регулирование по параметрам S кр и S c (площади критического и выходного сечения).

За счет регулирования площади критического сечения осуществляется согласование работы элементов ГТД (устойчивость, температура и т.д.), а регулирование площади выходного сечения дает высокую тяговую эффективность.

Однако, такая система регулирования как уже говорилось обладает повышенной сложностью и часто имеет достаточно большую массу, поэтому вплотную она стала внедряться в двигателестроение относительно недавно.

Сопла двигателей самолета F-15 Eagle. Левый в положении для запуска (форсажа), правый - максимал.

Значительно проще система однопараметрического регулирования. В этом случае между величинами S кр и S c устанавливается жесткая механическая связь (обычно это система тяг между створками). Непосредственному регулированию подвергается только S кр, а выходное сечение устанавливается автоматически с помощью этой связи. Подобная система используется, например, на двигателе АЛ-21Ф-3 .

Однако, подобный принцип регулирования ориентирован на выбор одного характерного дозвукового и одного сверхзвукового режима полета для получения наиболее выгодных характеристик. Он, к сожалению, не обеспечивает малых потерь в сопле на других режимах и может оказаться невыгодной для многорежимных самолетов.

Этот недостаток в некоторой степени может быть устранен применением уже упоминавшегося ранее «автофлюгирования » створок расширяющейся части сопла. В этом случае в системе управления створками устанавливаются зазоры, обеспечивающие створкам некоторый свободный ход под действием разности давлений на внутренней и внешней частях сопла.

Таким образом при недорасширении изнутри давление больше, чем снаружи и створки, выбирая зазор, приоткрываются и снижают потери от недорасширения. На режиме перерасширения все происходит наоборот.

Работа системы управления соплом (как, впрочем, вся система управления двигателем) автоматизирована. Автоматика на основании параметров работы двигателя (в основном обороты, температура, сопло), параметров полета и положения РУД и специально разработанной программы регулирования формирует управляющий сигнал и выдает его на исполнительный механизм, осуществляющий необходимое закрытие сопла.

Исполнительным механизмом являются гидроцилиндры (ГЦ), кинематически контактирующие со створками. Раскрытие сопла осуществляется обычно под давлением газовых сил со стороны потока при уменьшении давления в одной из камер ГЦ.

Программа регулирования разрабатывается из соображений получения максимальной эффективности сопла с сохранением устойчивой работы всего двигателя в целом и минимумом потерь на различных режимах. Там же заложены, в частности, различные аварийные команды. Например, раскрытие сопла при росте температуры (выше определенного предела) или отказе регулятора температуры.

Немного о конструкции регулируемого сопла.

Конструктивные особенности реактивных сопел зависят от их параметров и условий функционирования. Если сопло дозвуковое, нерегулируемое, то чаще всего оно выполняется в виде дополнительного сужающегося по определенному закону насадка в задней части двигателя или удиннительной трубы. Пример – двигатель ВК-1 для самолета МиГ-15 , двигатель Р-95Ш — самолет Су-25 , Д-30КП , ПС-90А .

Двигатель ВК-1 (самолет УТИ МиГ-15). Хорошо виден сужающийся насадок на конце удлиннительной трубы (сопло).

Двигатель Р95Ш (самолет Су-25). Сопло сужающееся неуправляемое.

Двигатель Д-30КП на самолете Ил-76. Виден сужающийся сопловой насадок.

Схема двигателя ПС90А-76. Сопло дозвуковое сужающееся.

Однако, современные дозвуковые сопла для с большой степенью двухконтурности без смешения потоков чаще всего имеют несколько иной вид. Это так называемые кольцевые сопла .

Такое сопло может давать ту же тягу, что и простое круглое сопло с такой же площадью выходного сечения и контуром сужения, геометрически подобным контуру сужения кольцевого сопла. Но при этом оно имеет меньшие продольные размеры, а значит и массу, что очень важно для общей эффективности двигателя.

Один из примеров сопловой части двигателя CFM-56B.

Схема расположения сопел ТВРД.

ТВРД без смешения потоков. Сопла разных контуров расположены отдельно.

Управляемые сопла Лаваля имеют достаточно сложную конструкцию. Сужающаяся и расширяющаяся части состоят из специальных так называемых створок (проставок , надстворок и т.д.), связанных между собой, корпусом двигателя и с управляющей системой кинематически, шарнирно и с помощью тяг.

Если сопло по своим продольным габаритам больше размеров мотогондолы (МиГ-29, Су-27, F-16, F-15, F-18 и др.), то существует обычно третий ряд створок (внешние регулируемые ), один конец которых зажат в мотогондоле, второй шарнирно соединен с выходными створками. Когда выходные прикрываются, внешние изгибаются и образуют законцовочный контур оживальной формы, что уменьшает внешнее сопротивление выходного устройства (донное сопротивление).

Внешние створки управляемых сверхзвуковых сопел двигателей самолета F-18.

Иногда сверхзвуковые сопла еще называют двухрядными (сужающиеся — однорядные). Первый ряд створок (на сужении) служит для регулирования критического сечения сопла, второй ряд (на расширении) – для регулирования выходного сечения (степени понижения давления в сопле).

Например, управляемое сопло Лаваля ТРДФ АЛ-21Ф-3 состоит из 24-х створок, 24-х подстворок, 24-х проставок-створок и 24-х проставок-надстворок. Все эти элементы имеют специальные ребра и профили, шарниры и ограничители движения, демпферные пружины и т.д. Кроме того здесь же есть 24 корпуса шарниров крепления створок, 48 тяг надстворок.

Осесимметричное регулируемое сопло Лаваля на двигателе АЛ-21ф-3.

Управляемые сопла Лаваля двигателей АЛ-21Ф-3 на самолете Су-24М. Внешних створок нет.

Всей системой створок управляет силовое кольцо со специальными кронштейнами и роликами (24 штуки), опоясывающее сопло снаружи и передвигающееся в осевом (для двигателя) направлении. Ролики при этом воздействуют на профили створок, меняя тем самым их положение, а значит и диаметр сопла.

Кольцо приводится в движение силовыми гидроцилиндрами по сигналу от системы автоматического управления. Корпус цилиндров зафиксирован в корпусе форсажной камеры, конец штока – на силовом кольце.

Рабочее тело в ГЦ – керосин (как и в самой гидромеханической системе управления двигателем). Гидроцилиндров в этом двигателе шесть штук. Три из них (расположены под 120°) синхронизированы специальным гибким валиком. Это и есть вышеупомянутый исполнительный механизм .

Подобная же система, кстати, применялась еще на сужающихся управляемых соплах. Так, например, управляются сопла на АЛ-7Ф, Р-11, Р-13 и все вышеупомянутые. Программы управления конечно у них попроще и число цилиндров иное, но смысл тот же.

Сопло двигателя Р-13-300.

По аналогичным принципам (с некоторыми особенностями) сконструированы универсальные эжекторные сопла типа Д30Ф-6.

Немного о других функциях современных реактивных сопел.

Все вышеописанные реактивные сопла принадлежат к одному компоновочному типу, определяемому формой поперечного сечения. Они осесимметричные или, попросту говоря, круглые. Но кроме них известны сопла еще двух типов: прямоугольные (плоские) и так называемые пространственные , то есть с сечением произвольной формы (например, овал или многоугольник).

Наибольший интерес инженеров-экспериментаторов еще с начала 70-х привлекли к себе плоские сопла (в английском 2D nozzles). Интерес этот касался исключительной военной области, потому что сопло с такой формой сечения могло принести определенную выгоду именно для военных самолетов.

В этом плане были реальны и возможны к исполнению два варианта: изменение направления вектора тяги, что могло существенно повлиять на улучшение маневренности и ВПХ самолета и уменьшение его радиолокационной и инфракрасной заметности.

РЛ заметность снижается за счет максимально возможного согласования обводов сопла с другими элементами конструкции самолета, что крайне сложно сделать при использовании осесимметричного сопла. Кроме того в конструкции элементов реактивного сопла применяют специальные радиопоглощающие материалы (на самолете F-22, в частности).

ИК-заметность уменьшается путем правильного формирования соотношения ширины к высоте сопла и выходящей струи с целью понижения ее температуры. Управление вектором тяги на таком сопле производится по конструктивным возможностям только в вертикальной плоскости.

Первый образец самолета F-15 STOL/MTD. Двигатели с плоскими соплами.

Первым самолетом поднявшимся в воздух (конец 1988 г.) с такими соплами стал экспериментальный F-15 STOL/MTD (Short Take-off and Landing/Maneuvering Technology Demonstrator – модификация предсерийного TF-15A(F-15B)) с двигателями F100, оборудованными соплами 2D. Изначально он использовался для тестирования возможностей взлета с укороченных (подразумевается разрушенных) ВПП.

Кинематическая схема такого сопла также позволяла легко реализовать систему реверса тяги. Для опытного F-15 это было сделано, причем направление реверсивной

Схема работы плоского сопла (F-22).

струи, так же как и тяги, можно было менять.

В дальнейшем на основании полученных результатов плоское сопло практически такой же схемы было установлено на двигателях Pratt & Whitney F119-PW-100 самолета F-22 Raptor . Это сопло позволяет менять направление вектора тяги на +/- 20° от нейтрали со скоростью 30°/сек. Основной принцип этой конструкции виден на схеме.

Плоские сопла двигателей самолета F-22.

Работа двигателя Pratt & Whitney F119-PW-100 на стенде.

Кроме того сопла 2D были установлены на двигателях GE F404-GE-F102 – для самолета Lockheed F-117 Night Hawk и GE F118-GE-100 – для самолета Northrop B-2 Spirit.

Подобного рода работы велись и в России. В 1990 году серийный самолет Су-27УБ был переделан в летающую лабораторию ЛЛ-УВ(ПС) или Су-27ПС. На левом двигателе (АЛ-31Ф ) было установлено плоское сопло разработки уфимского НПО «Мотор» с возможностью изменения направления вектора тяги и реверса.

Тогда было выполнено всего 20 полетов. Однако, результаты были получены хорошие, в частности значительное (в несколько раз) уменьшение ИК-заметности. Но отсутствие финансирования в 90-е годы помешало продолжить работы и довести их до логического конца.

Кроме описанных преимуществ плоские сопла имеют и характерные недостатки. Один из основных – это отсутствие всеракурсности . То есть изменено может быть положение только горизонтальных створок сопла, и, соответственно, направление вектора тяги может меняться только в вертикальной плоскости.

Однако, на двухдвигательном самолете в принципе есть возможность решения до некоторой степени этой проблемы путем использования в комплексе с разноразмерным перемещением створок сопел соседних двигателей. Такого типа эксперименты проводились на F-15 STOL/MTD. Были проверены возможности управления креном, тангажом и рысканием, а также торможением в полете. Результаты в целом оказались положительными.

Использование реверса на плоском сопле

Еще один недостаток – потери давления. Во-первых, за счет перехода от круглого сечения двигателя за турбиной и в ФК к прямоугольному в сопле, во-вторых, из-за интенсивного образования скачков уплотнения в сверхзвуковой части сопла (практически отсутствующего в идеальном сопле Лаваля).

Во время незавершенных испытаний плоского сопла для АЛ-31Ф потери составили от 14% до 17%. Однако согласно некоторым источникам, по результатам современных исследований российскихспециалистов при правильном проектировании эта цифра может составить только 5%.

Компоновка круглых и плоских сопел.

При этом, если учесть, что плоские сопла несмотря на свое большее собственное внешнее сопротивление по сравнению с осесимметричными соплами хорошо компонуются в хвостовой части фюзеляжа и тем самым ощутимо уменьшают это сопротивление, то и эти 5% могут быть снижены.

Но, пожалуй, главный недостаток плоского сопла – это масса . Такие сопла кроме растягивающих нагрузок (как осесимметричные) испытывают еще и изгибающие нагрузки. При этом обеспечение необходимой прочности и жесткости влечет за собой неизбежное увеличение массы всей конструкции. На самолете F-15 STOL/MTD оно составило 180 кг на каждый двигатель.

Единственным конкурентом плоского реактивного сопла в области управления вектором тяги и снижением заметности является все то же осесимметричное сопло , но только с опцией УВТ (управление вектором тяги).

При этом, если принять во внимание, что низкая радиолокационная и ИК-заметность может терять свою привлекательность по мере достаточно быстрого развития средств обнаружения в системах ПВО, то можно сказать, что оно остается в выигрыше, потому что с управлением вектором тяги справляется не хуже, и даже лучше, чем плоское сопло.

В общем-то, экспериментальные работы по УВТ начались именно с круглыми соплами еще в первой половине 80-х. Позже в США (совместно с Германией) был построен самолета Rockwell-Messerschmitt-Bölkow-Blohm X-31 по программе Enhanced Fighter Maneuverability, у которого направление тяги менялось при помощи трех специальных дефлекторов, устанавливаемых за круглым соплом ТРДФ General Electric F404-GE-400

Такая же конструкция была применена на самолете F-18, преобразованном в экспериментальный F-18HARV (High Alpha Research Vehicle). Это было действительно всеракурсное управление вектором тяги , но далекое от совершенства из-за большого сопротивления и чрезмерной массы. F-18HARV, например, получил перевес в 925 кг с необходимостью размещения балансировочных грузов в носовой части фюзеляжа.

Дефлекторы за соплом двигателя опытного самолета Х-31.

Экспериментальный самолет Х-31.

Экспериментальный самолет F-18HARV.

В дальнейшем проводились практические эксперименты по созданию цельноповоротного управляемого сопла. В такого типа реактивных соплах поворотный узел (шарообразный шарнир ) размещался между корпусом форсажной камеры и самим соплом. В этом случае отклонение сопла осуществлялось только в одной плоскости. Ставка делалась на возможность модернизации таким образом обычного серийного двигателя.

В США это были двигатели P&W F100MPJM/BBN и GE F110GEATRV , оставшиеся, однако, экспериментальными. В начале 90-х они устанавливались на тот же самолет F-15 STOL/MTD, переоборудованный и получивший наименование NF-15B .

В России экспериментальный вариант сопла (НПО «Сатурн») устанавливался на серийный двигатель АЛ-31Ф (Су-27). Испытания начались с весны 1989 года на специально оборудованной летающей лаборатории ЛЛ-УВ(КС) на базе самолета Су-27 (Т10-26). В дальнейшем был разработан серийный вариант двигателя АЛ-31ФП с поворотным соплом.

Конструкция обуславливает поворот сопла только в одной плоскости (вертикальной) на углы +/- 15° со скоростью 15°/с и состоит из двух модулей: собственно сопла и поворотного узла. Гидроцилиндры привода узла поворота питаются от системы топливной автоматики двигателя (керосин).

В нейтральном положении ось сопла наклонена вниз на 5° для обеспечения прохождения вектора суммарной тяги через центр масс самолета. Двигатели АЛ-31ФП устанавливались на самолет Су-37 (до закрытия программы) и управлялись в параллельных вертикальных плоскостях в одном направлении или дифференциально.

Поворотный узел сопла двигателя АЛ-31ФП.

Сопла двигшателя АЛ-31ФП развернуты друг к другу.

А на Су-30МКИ и Су-30СМ эти плоскости развернуты от продольной на 16° (общий угол 32°), что позволяет иметь еще и поперечную составляющую тяги и реализовать управляемость по всем трем осям (тангаж, крен и рыскание). Причем повернуты сопла именно друг к другу (а не наружу) для уменьшения донного сопротивления.

АЛ-31ФП – фактически первый отработанный двигатель с УВТ вышеописанного принципа в мире, доведенный до серийного выпуска. В дальнейшем были разработаны следующие двигатели, использующие аналогичный принцип УВТ: АЛ-41Ф для самолета МиГ 1.44 — не пошел в серию из-за закрытия проекта самолета; АЛ-41Ф1 (изделие 117) — для ПАК ФА Т-50 ; АЛ-41Ф1С (изделие 117С) — для серийных Су-35С .

Следующий этап в развитии реактивных сопел с УВТ – это сопла, в которых направление потока газа меняется отклонением только сверхзвуковой части . Такая система требует для своей работы меньше усилий, обладает меньшей массой и имеет больше возможностей для обеспечения всеракурсности отклонения сопла. Но при этом потери тяги из-за поворота потока могут быть выше, чем в цельноповоротном сопле.

У американцев этим вопросом уже традиционно занимались фирмы GE и P&W. GE разработала сопло AVEN (Axis-symmetric Vectoring Exhaust Nozzle) для серийного двигателя F-110-GE-100. В этой конструкции положение дозвуковых створок менялось силовым кольцом, приводимым в действие специальными приводами (силовыми цилиндрами).

Для сверхзвуковых створок имелось свое управляющее кольцо, приводимое от своих гидроцилиндров. Наклон этого кольца мог меняться за счет разной длины выдвигаемых штоков этих ГЦ. Таким образом менялось положение створок, а значит наклон всей сверхзвуковой части и ее выходной диаметр.

Сопло AVEN.

Экспериментальный самолет NF-16VISTA.

Самолет NF-15ACTIVE с поворотными осесимметричными соплами двигателей.

Схема действия сопла F100PYBBN. 1 - привод дозвуковых створок, 2 - привод сверхзвуковых створок.

Сопло AVEN было испытано на экспериментальном самолете NF-16VISTA (Variable-stability In-flight Simulator Test Aircraft), переоборудованном из серийного F-16D по программе MATV ( Multi-Axis Thrust-Vectoring) в 1993-94 годах. Отклонение сопла составило 17° во всех плоскостях. Скорость отклонения 45°/с. При этом масса самолета увеличилась на 430 кг.

Сопло фирмы P&W с названием PYBBN (Pitch/Yaw Balance Beam Nozzles) было разработано так же для серийного двигателя PW F-100-229. Принцип отклонения сверхзвуковой части в нем в общем-то аналогичен соплу AVEN, различия чисто конструктивные.

В 1996 году это сопло было испытано на самолете NF-15ACTIVE (Advanced Control Technology for integrated Vehicles) в том числе и на сверхзвуковых скоростях (до 1,96М), а в дальнейшем и на NF-16D VISTA. Величина всеракурсного отклонения этого сопла составила 20°, скорость отклонения – до 50°/с. Сопло оказалось достаточно удачным, с хорошей системой управления и существенно не увеличивающим массу самолета по сравнению с серийным двигателем.

Примерно в это же время в России было создано свое реактивное сопло с УВТ с поворотной сверхзвуковой частью. Оно разрабатывалось в НПО им. Климова (ныне ОАО «Климов») на базе обычного сверхзвукового сопла серийного двигателя РД-33 (МиГ-29). Первый образец нового сопла был изготовлен в 1997 году. Двигатель с УВТ получил название РД-133 и был использован на самолете МиГ-29ОВТ .

Двигатель РД-133 (сопло КЛИВТ).

Истребитель МиГ-29ОВТ.

Сопло КЛИВТ.

Сопло имеет наименование «КЛИВТ» , аббревиатура с понятным смыслом — Климовский вектор тяги. Принцип изменения положения сверхзвуковой части такой же, как и у его зарубежных аналогов (в частности PYBBN), хотя конструктивное исполнение, конечно, свое.

Главное управляющее воздействие на сверхзвуковые створки реактивного сопла поступает со стороны силового кольца, отклоняемого тремя гидроцилиндрами, закрепленными на корпусе форсажной камеры под углами 120° друг к другу. Различная длина штоков как раз и формирует пространственное положение кольца относительно оси двигателя.

Сопло может отклоняться всеракурсно на углы в 15° со скоростью 60°/с. Стоит сказать, что масса двигателя РД-133 по сравнению с серийным РД-33 существенно не увеличилась. Конструкция сопла «КЛИВТ» практически без изменений была использована на двигателях разработки НПО «Салют» АЛ-31ФМ1/М2/М3 при исполнении их в варианте с УВТ.

Перспективный двигатель производства фирмы "Салют" АЛ-31ФМ1 с установленным всеракурсным поворотным соплом (типа КЛИВТ).

Для всех реактивных сопел с управлением вектором тяги характерен повышенный уровень утечек газа в местах сочленения подвижных частей. Для сопла двигателя типа АЛ-31ФП – это место сферического шарнира, для сопла типа «КЛИВТ» — место соединения дозвуковых и сверхзвуковых створок.

Эта проблема наряду с увеличением массы сопла с УВТ постоянно находится в разработке у конструкторов. Однако, даже при ее наличии внушительные положительные качества такого типа сопел неоспоримы.

Еще об одном типе устройств с УВТ.

Несколько слов об устройствах несколько иного назначения, однако напрямую связанных с изменением направления вектора тяги двигателя . Это выходные устройства подъемно-маршевых двигателей для самолетов с укороченной дистанцией взлета либо полностью вертикального взлета и посадки.

Если главное предназначение сопла с УВТ – повышение маневренности самолета, то выходные устройства двигателей самолетов УВВП помимо главной тяги в обязательном порядке создают подъемную силу (или дополнительную подъемную силу) для вертикального взлета или уменьшения длины разбега.

Иногда они бывают внешне мало похожи на сопла, хотя по своему предназначению таковыми являются. Реактивные сопла с УВТ обычно сверхзвуковые и регулируемые с углом отклонения вектора тяги 15°-16°. В выходных же устройствах самолетов ВВП он отклоняется на углы до 90° (и даже более до получения обратной тяги).

Что касается характеристик, то на самолетах старших поколений (типа Harrier и Як-38 (двигатель Р27В-300 )) поворотные сопла дозвуковые и неуправляемые. Пространственное профилирование канала такого сопла может быть различным, обычно в соответствии с взаимной конфигурацией двигателя и самолета, от круглой до овальной или приближенной к прямоугольнику. Внутри канала для направления потока и уменьшения потерь из-за резкой смены направления могут устанавливаться дефлекторы .

Подъемно-маршевый двигатель Р27В-300.

СВВП Як-38. Сопла подъемно-маршевого двигателя отклонены "на подъем".

Количество таких сопел на двигателе может быть различным, все зависит от конструкции, параметров и назначения двигателя и самолета. При использовании на самолете могут быть отдельные сопла для первого и второго контуров, как это сделано на двигателе Rolls-Royce Pegasus , различные модели которого используются в качестве подъемно-маршевого двигателя для семейства самолетов Harrier .

Подъемно-маршевый двигатель. Четыре сопла с дефлекторными вставками.

Поворотное сопло (переднее) самолета семейства Sea Harrier.

На самолетах, появившихся относительно недавно, (типа Як-141 и F-35В ) это уже управляемые осесимметричные сопла . На Як-141 устанавливался двигатель Р79В-300 . Двухконтурный, с форсажем и сужающимся поворотным соплом с регулируемой площадью критического сечения. Максимальный угол поворота сопла 95°. Имеет возможность использования форсажа не только на горизонтальном, но и вертикальном режиме полета.

На самолете F-35В STOVL (Short Take-Off and Vertical Landing) установлен двигатель F135-PW-600 с отклоняемым до 95° регулируемым сужающееся-расширяющимся (сверхзвуковым) соплом.

На таких двигателях обычно тяга синхронизируется с углом поворота выходных устройств, для них регламентируется скорость поворота (не более 2 с — поворот на 90°) и предусматривается особая устойчивость двигателя при попадании горячих газов на вход в компрессор, что может вызвать как быстрый перегрев двигателя, так и нарушение его устойчивой работы.

————————

Все… На этом, пожалуй, закончим. Надеюсь, что общее знакомство с темой «реактивное сопло » состоялось:-). Статья получилась длинная, и тем не менее это всего лишь знакомство. Уж больно обширна эта тема… Впрочем, наверное, как и любая, относящаяся к авиации.

Спасибо, что дочитали до конца. До новых встреч.

В конце помещаю фото, не поместившиеся в тексте.

Самолет семейства Harrier AV-8. Сопла во взлетно-посадочном положении.

Подъемномаршевый двигатель Р79В-300. Сопло отклонено на угол 95 гр.

СВВП Як-141. Сопло двигателя отклонено на максимальный угол.

Сопло двигателя Р79В-300. Видны сочленения поворотного узла.

Укороченный взлет F-35В. Сопло отклонено.

Як-38. Сопла двигателя в полетном положении.

Управляемые сужающиеся сопла самолета Panavia Tornado.

Плоское сопло. Экспериментальный Су-27ПС.

Форсажная камера с реактивным соплом двигателя Р-29-300.

Эжекторные сопла двигателей на истребителе Rafale.

Сопла эжекторных двигателей Р15Б-300 самолета МиГ-25.

Старт самолета МиГ-31

Сопло двигателя АЛ-7Ф (самолет Су-7Б). Осматривает летчик-испытатель Пугачев В.Г.

Поворотное сопло двигателя на самолете F-35B.

Сопло Лаваля

Сопло́ Лава́ля - техническое приспособление, разгоняющее проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей .

Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамических расчётов.

Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин .

Приоритет Годдарда на применение сопла Лаваля для ракет подтверждается рисунком в описании изобретения в патенте США U.S. Patent 1 102 653 от 7 июля 1914 г., на двухступенчатую твердотопливную ракету, заявленном в октябре 1913 г.

В России в ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 г.. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты. Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом. В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля , а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор.

Принцип действия

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Позже это явление нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики .

При следующем анализе течения газа в сопле Лаваля принимаются следующие допущения:

Отношение локальной скорости к локальной скорости звука обозначается числом Маха , которое также понимается местным, то есть зависимым от координаты :

Скорость газа на выходе из сопла, м/с,

- Абсолютная температура газа на входе,

- Универсальная газовая постоянная Дж/(киломоль·К),

- молярная масса газа, кг/киломоль,

Показатель адиабаты ,

- Удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(киломоль·К),

Удельная теплоёмкость при постоянном объеме, Дж/(киломоль·К),

Абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

Абсолютное давление газа на входе в сопло, Па

Функционирование в среде

При работе сопла Лаваля в непустой среде (чаще всего речь идет об атмосфере) сверхзвуковое течение может возникнуть только при достаточно большом избыточном давлении газа на входе в сопло по сравнению с давлением окружающей среды.

При возникновении сверхзвукового течения давление газа на выходном срезе сопла может оказаться даже меньше давления окружающей среды (вследствие перерасширения газа при движении по соплу). Такой поток может оставаться стабильным, поскольку давление окружающей среды (пока оно ненамного превышает давление газа на срезе сопла) не может распространяться против сверхзвукового потока.

Зависимость характеристик двигателя от давления газа на срезе сопла носит более сложный характер: как следует из уравнения (4), растёт с убыванием , а добавка - убывает, и при становится отрицательной.

При фиксированном расходе газа и давлении на входе в сопло величина зависит только от площади среза сопла, которую обычно характеризуют относительной величиной - степенью расширения сопла - отношением площади конечного среза к площади критического сечения. Чем больше степень расширения сопла, тем меньше давление , и тем больше скорость истечения газа .

Рассматривая соотношение давления на срезе сопла и давления окружающей среды, выделяют следующие случаи.

Регулирование степени расширения сопла с насадком.
1 - собственно сопло Лаваля;
2 - сопловой насадок;
А - положение насадка при работе в нижних, наиболее плотных, слоях атмосферы;
В - положение насадка на большой высоте.

Вышесказанное объясняет то обстоятельство, что ракетные двигатели, работающие в плотных слоях атмосферы, как правило, имеют степень расширения меньшую, чем двигатели, работающие в пустоте. Например, у двигателя F-1 первой ступени носителя Сатурн-5 степень расширения составляет 16:1, а RL 10B-2 - двигатель, используемый NASA на ускорителях межпланетных зондов, имеет степень расширения равную 250:1.

Стремление добиться эффективной работы двигателя как на Земле, так и на высоте заставляет конструкторов искать технические решения, позволяющие достигнуть эту цель. Одним из таких решений явился подвижный сопловой насадок - «продолжение» сопла, которое пристыковывается к нему по достижении ракетой разреженных слоёв атмосферы, увеличивая, таким образом, степень расширения сопла. Схема действия насадка изображена на рисунке справа. Эта схема была практически реализована, в частности, в конструкции двигателя НК-33-1 .

Проблема оптимизации степени расширения сопла очень актуальна и при разработке авиационных реактивных двигателей, поскольку самолёт предназначен для полётов в широком диапазоне высот, а от удельного импульса его двигателей в сильной мере зависит экономичность и, следовательно, дальность полёта. В современных турбореактивных двигателях применяются регулируемые сопла Лаваля. Такие сопла состоят из продольных пластин, имеющих возможность перемещения друг относительно друга, со специальным механизмом с гидравлическим или пневматическим приводом, позволяющим в полёте изменять площадь выходного и/или критического сечений, и, таким образом, добиваться оптимальной степени расширения сопла при полёте на любой высоте. Регулирование площади проходных сечений выполняется, как правило, автоматически специальной системой управления. Этот же механизм позволяет по команде пилота изменять в некоторых пределах и направление реактивной струи, а следовательно, направление вектора тяги , что существенно повышает маневренность самолёта.