Кіріспе

Жұмыс істейтін газдың ішкі энергиясын итеру күшіне айналдыратын сопло. Итеру соплосы – жұмыс істейтін газдың ішкі энергиясын итеру күшіне айналдыратын сопло; ол газ турбинасын немесе газ генераторын реактивті қозғалтқыштан бөліп тұратын, газ ағынын құрайтын сопло. Итеру соплосы қозғалтқыштың қуатына, соплоның ішкі пішініне және соплоға кіретін және шығатын қысымға байланысты газды дыбыс жылдамдығынан төмен, дыбыс жылдамдығына жуық немесе дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдыққа дейін үдетеді. Ішкі пішіні конвергентті немесе конвергентті-дивергентті (C D) болуы мүмкін. C D соплосы дивергентті бөлімінде газ ағынын дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдыққа дейін үдете алады, ал конвергентті сопло газ ағынын дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдыққа дейін үдетуге шамасы жетпейді. Итеру соплосы тұрақты геометрияға ие болуы мүмкін, немесе олар форсаждық камерасы немесе қайта қыздыру жүйесімен жабдықталғанда, қозғалтқыштың жұмысын басқару үшін әртүрлі шығу аудандарын беруге мүмкіндік беретін өзгермелі геометрияға ие болуы мүмкін. Форсаждық камерасы бар қозғалтқыштар C D соплосымен жабдықталғанда, таңғыш ауданы өзгертіледі. Жоғары сопло қысым коэффициенттері туындайтын, дыбыс жылдамдығынан жоғары ұшу жылдамдықтары үшін соплоларда да өзгермелі ауданы бар дивергентті бөлімдер болады. Түрбовентиляторлық қозғалтқыштарда айналма ағынды одан әрі үдетуге арналған қосымша және жеке итеру соплосы болуы мүмкін. Итеру соплосы сондай-ақ ағын шектегіш ретінде де әрекет етеді, оның салдары қозғалтқыш конструкциясының маңызды аспектісін құрайды.

Жұмыс істеу қағидаттары

Дюза Venturi эффектісі бойынша жұмыс істейді, шығарылатын газдарды сыртқы қысымға дейін жеткізеді және оларды жылдамдататын реактивті ағынға айналдырады; егер дюзаның кіреберіс жағындағы қысым жеткілікті болса, ағын дыбыстық жылдамдыққа жетеді (бұғу). Дюзаның қозғалтқышқа кері қысым түсірудегі рөлі төменде түсіндіріледі. Ағынды жылдамдатуға қажетті энергия газдың температурасы мен қысымынан алынады. Газ аз шығындармен, демек жоғары тиімділікпен адиабатикалық түрде кеңейеді. Газ дюзаға кірген кездегі қысым мен температураға, сыртқы қысымға (егер ағын бұғылмаса) және кеңеюдің тиімділігіне байланысты соңғы шығу жылдамдығына дейін үдеп жетеді. Тиімділік – бұл үйкеліс, осьтен бұрылған кеңею және CD дюзаларындағы утечка салдарынан болатын шығындардың өлшемі. Ауамен тыныстайтын қозғалтқыштар, шығарылатын газдарға кері импульс беру арқылы ұшақ корпусына итеру күшін жасайды. Егер итеру күші ұшақтың ауада қозғалу кезіндегі кедергісінен асып түсетін болса, ол үдеп жетеді. Реактивтік ағын толық кеңейген немесе кеңеймеген болуы мүмкін. Кейбір қозғалтқыштарда, оларға форсаждық камера қосылған болса, дюзаның ауданы форсажсыз немесе құрғақ итеру режимінде өзгертіледі. Әдетте дюза іске қосылғанда және бос жүрісте толық ашылады. Содан кейін, итеру тұтқасы жылжытылғанда, ол әскери немесе максималды құрғақ итеру деңгейіне жеткенге дейін жабылуы мүмкін. Бұл басқарудың екі мысалы – General Electric J 79 және MIG 29 ұшағындағы Klimov RD 33. Дюза ауданын өзгерту себептері «Құрғақ режимде дюза ауданын басқару» бөлімінде түсіндірілген.

Конвергентті тұмсық

Конвергентті сораптар көптеген реактивті қозғалтқыштарда қолданылады. Егер сораптың қысым қатынасы сындық мәннен жоғары болса (шамамен 1,8:1), конвергентті сорап тұншығып, кеңеюдің бір бөлігі атмосфералық қысымға дейін тамақтан (яғни, ең кіші өтімдік бөлігінен) кейін, газ ағынының оянында жүзеге асады. Ұшқыш импульсі жалпы итермелеудің көп бөлігін қамтамасыз ете берсе де, тамақтың статикалық қысымы мен атмосфералық қысым арасындағы айырмашылық әлі де біршама (қысымдық) итермелеуді тудырады.

Конвергентті-дивергентті (C-D) тұмсығы

Үзіліссіз ұшуға қабілетті қозғалтқыштардағы үзіліссіз ағынды жасау үшін конвергентті-дивергентті шығару құбырлары қолданылады. Ракеталық қозғалтқыштар – ең жоғары дәрежедегі мысал – өте жоғары аудан қатынасына ие болғандықтан ерекше пішінге ие. Конвергентті сопақша арқылы қысым арақатынасы белгілі бір шекті мәннен асып кеткенде, ағын тоқталып, қозғалтқыштан шығатын газдардың қысымы қоршаған ауаның қысымынан жоғарылайды және дәстүрлі Вентури эффексісі арқылы төмендемейді. Бұл сопақшаның итергіш күшін тиімділігін азайтады, өйткені кеңеюдің көп бөлігі сопақшаның сыртында жүзеге асырылады. Сондықтан, ракеталық және дыбыстан жоғары ұшатын реактивтік қозғалтқыштарда C D сопақшасы қолданылады, ол сопақшаның ішкі бетіне қарсы одан әрі кеңеюге мүмкіндік береді. Дегенмен, дәстүрлі ракеталық қозғалтқыштарда қолданылатын бекітілген конвергентті-дивергентті сопақшадан айырмашылығы, турбореактивтік қозғалтқыштардағы сопақшаның қысым қатынасының үлкен өзгерісіне төтеп беру үшін ауыр және қымбат өзгермелі геометрия қажет. Бірақ, төмен аудан қатынасы бар сопақшалар субдық қолдануда да пайдалы.

Белгілі аймақты сорап

Кейінгі жануды қолданбайтын, субсоникалық жылдамдықта жұмыс істейтін қозғалтқыштардың соплолары өзгермейтін өлшемге ие, себебі биіктікке және субсоникалық ұшу жылдамдықтарына байланысты қозғалтқыш өнімділігінің өзгеруі тұрақты сопломен қабылданады. Бұл жағдай үнді жылдамдықтан асып түсетін жылдамдықтарда, Concorde мысалында төменде сипатталғандай, орын алмайды.

Жер көлеміне қатысты төмен

Басқа бір шегінде, кейбір жоғары айналым коэффициентіне ие азаматтық турбожетектер, айналым (немесе аралас шығару) ағынында өте төмен (1,01-ден кем) аудан қатынасы бар конвергентті-дивергентті соплоны пайдалану арқылы желдеткіштің жұмыс сызығын басқарады. Төмен ауа жылдамдықтарында, мұндай құрылым соплоның тұншығуын болдырмай, оның өзгермелі геометриясы бардай әрекет етуіне себеп болады, соның арқасында ол тамаққа және кеңейтілген бөлікке жақындаған шығару газын үдетуге және тежеуге мүмкіндік алады. Осының салдарынан, соплоның шығу ауданы желдеткіштің сәйкестігін анықтайды, ол тамақтан үлкен болғандықтан, желдеткіштің жұмыс сызығын сәл ғана толқудан алыстатады. Ұшу жылдамдығы жоғарылағанда, кіріс құбырындағы қысымның өсуі тамақты тұншықтырады және соплоның ауданы желдеткіштің сәйкестігін анықтайды; сопло шығудан кіші болғандықтан, тамақ желдеткіштің жұмыс сызығын сәл ғана толқуға қарай итереді. Алайда, бұл проблема тудырмайды, себебі желдеткіштің жоғары ұшу жылдамдықтарындағы толқудан сақтану мүмкіндігі әлдеқайда жоғары.

Ракеталарда (көбіне ауданы жоғары)

Ракеталық қозғалтқыштар да конвергентті-дивергентті соплоны қолданады, бірақ олар әдетте салмақты азайту мақсатында өзгермейтін геометриялы болады. Ракеталық ұшуға байланысты жоғары қысым көрсеткіштерінің болуына байланысты, ракеталық қозғалтқыштардың конвергентті-дивергентті соплоларының аудан қатынасы (шығу/тамақ) реактивтік қозғалтқыштардағыдан әлдеқайда үлкен болады.

Қозғалмалы ауданы

Ұрыс ұшақтарындағы артқы жанғыштар қозғалтқыштың жұмысына кері әсер етпеу үшін үлкен сорығыны қажет етеді. Айнымалы ауданы бар ирис сорығы, қозғалатын, бірін-бірі жабатын жапырақшалардан тұрады, сорығының қимасы дерлік дөңгелек пішіндес және қозғалтқышты басқару үшін жиырылғыш болып келеді. Егер ұшақ дыбыс жылдамдығынан асып өтуі керек болса, артқы жанғыш сорығынан кейін, төмендегідей, эжекторлық сорық конфигурациясындағы жеке таралатын сорық орналасуы мүмкін, немесе таралатын геометрияны өзгермелі геометриялы жиырылғыш-таралатын сорық конфигурациясындағы артқы жанғыш сорығымен біріктіруге болады. Алғашқы артқы жанғыштар тек қосылып немесе өшіріліп, 2 позициялық қабықша немесе қабақша тәрізді сорықты пайдаланды, ол артқы жанғышқа қолдану үшін тек бір ғана аймақ берді.

Экзектор

Экзектор – өте ыстық, жоғары жылдамдықты қозғалтқыш газының айналадағы ауа ағынын тартып (экзекциялап), сорғылау әрекетіне және екіншілік немесе кеңейтілген соплоның ішкі геометриясымен бірге қозғалтқыш газының кеңеюін басқаруға қатысты. Ұшу жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан төмен болғанда, ауа ағыны газдарды конвергенттік пішінге дейін тарылтады. Кейіннен оттық қосылғанда және ұшақ жылдамдығы артқанда, екі сопло да кеңейеді, бұл газдарға конвергентті-дивергенттік пішін қалыптасуына мүмкіндік береді, соның арқасында газдардың жылдамдығы Мах1-ден асып кетеді. Күрделірек қозғалтқыш жүйелері төмен жылдамдықтарда шығу ауданын азайту үшін үшіншік ауа ағынын пайдаланады. Экзектор соплосының артықшылығы – екінші сопло қақпақтары қысым күштерімен басқарылатын жағдайларда салыстырмалы қарапайымдылық және сенімділік. Экзектор соплосы сонымен қатар сорғы арқылы сіңірілген, бірақ қозғалтқышқа қажет емес ауаны да пайдалана алады. Бұл ауаның мөлшері ұшу диапазоны бойынша айтарлықтай өзгереді, ал экзектор соплолары сору жүйесі мен қозғалтқыш арасындағы ауа ағынын сәйкестендіруге өте ыңғайлы. Бұл ауаны соплода тиімді пайдалану ұшақтар үшін маңызды талап болды, олар ұзақ уақыт бойы жоғары дыбыс жылдамдығында тиімді ұшуы керек еді, сондықтан ол SR 71, Concorde және XB 70 Valkyrie ұшақтарында қолданылды. Экзектор соплосының қарапайым мысалы – T 38 Talon ұшағындағы J85 қозғалтқышындағы кейіннен оттық соплоның айналасындағы тұрақты геометриялық цилиндрлік қаптама. J58 (SR 71) және TF 30 (F 111) қозғалтқыштарында қолданылған жүйелер күрделірек болды. Екеуі де үшіншік ауа соққыларын (төмен жылдамдықтарда ашылады) және соңғы сопло үшін еркін қозғалатын жабысатын қақпақтарды пайдаланды. Ауа соққылары мен соңғы сопло қақпақтары қозғалтқыш газының ішкі қысымы мен ұшақ ағынынан келетін сыртқы қысымның тепе-теңдігімен орналастырылады. J79 қозғалтқыштарының алғашқы нұсқаларында (F 104, F 4, A 5 Vigilante) екінші соплоны іске қосу механикалық түрде кейіннен оттық соплосына байланысты болды. Кейінгі нұсқаларда соңғы сопло кейіннен оттық соплосынан бөлек механикалық түрде іске қосылды. Бұл тиімділікті арттырды (жоғары Мах сандарымен қажетті негізгі/екіншілік шығу ауданының жақсы сәйкестігі) Мах 2 (B 58 Hustler) және Мах 3 (XB 70) жылдамдықтарында.

Өзгермелі геометриядағы конвергентті-дивергентті

Қосалқы ауа ағынын қозғалтқыш түтінінен сорғылауды қажет етпейтін турбовентиляторлық қондырғылар өзгермелі геометриялы C D соқпасын қолданады. Бұл қозғалтқыштарға турбоұшқыштарға (қыздырылған соңғы камера қабырғасы) қажетті сыртқы салқындату ауасы қажет емес. Дивергенттік соқпақ соқпақ жапырақтарының бір бөлігі болуы мүмкін, немесе тамадан кейінгі бұрыштық кеңейтім. Жапырақшалар қисық жолдармен қозғалады, ал осьтік жылжу және бір мезгілде айналу арқылы қыздырылғандағы тамақ ауданы ұлғаяды, ал артқы бөлігі жоғары жылдамдықтарда толық кеңею үшін үлкен шығу ауданына ие дивергенцияға айналады. Мысалы, TF 30 (F 14). Бастапқы және қосымша жапырақшалар бір-бірімен біріктіріліп, бір механизммен оперирленуі мүмкін, бұл қыздырылған соңғы камераны басқаруға және EJ200 (Eurofighter) сияқты жоғары соқпақ қысымын кеңейтуге мүмкіндік береді. Басқа мысалдар F 15, F 16, B 1B ұшақтарында кездеседі.

Тіреу векторы

Векторлық итермелеуге арналған соплолар тұрақты геометриялы Bristol Siddeley Pegasus және өзгермелі геометриялы F119 (F 22) модельдерін қамтиды.

Тіреуді кері қайтару

Кейбір қозғалтқыштардағы итермелеуді терістеушілер соплоның өзіне енгізілген және "мақсатты итермелеуді терістеушілер" деп аталады. Сопло екі бөлікке бөлініп ашылады, олар бірігіп, шығарынды газдың бір бөлігін алға қайтарады. Соплоның ауданы қозғалтқыш жұмысына әсер ететіндіктен (төменде қараңыз), ашылған итермелеуді терістеушінің реактивтік құбырдан дұрыс қашықтықта орналасуы керек, бұл қозғалтқыш жұмыс шектерінің өзгеруін болдырмайды. Мақсатты итермелеуді терістеушілерге Fokker 100, Gulfstream IV және Dassault F7X мысалдар келтіруге болады.

Шуды азайту

Жеткізу шуын сопақтың шығуына цилиндрлі ағынның бетін ұлғайтатын құрылымдар қосу арқылы азайтуға болады. Коммерциялық турбореактивтік және алғашқы байпасс қозғалтқыштары ағынды бірнеше бөлікке бөледі. Қазіргі заманғы жоғары байпасс турбоқозғалтқыштарында үшбұрышты тікұшақтар болады, олар шеврон деп аталады және ағынға сәл кіріп тұрады.

Қозғалтқыш тұмсықтың басқа мақсаты

Сопло, кері қысымды реттеу арқылы, компрессордың төменгі ағысындағы шектеуші ретінде әрекет етеді, осылайша қозғалтқыштың алдыңғы бөлігіне не енетінін анықтайды. Ол бұл функцияны басқа төменгі ағыстағы шектеуші – турбиналық сопломен бөліседі. Соплоның және турбиналық соплоның аудандары қозғалтқыш арқылы массалық ағынды және ең жоғары қысымды анықтайды. Көптеген қозғалтқыштарда (яғни, қарапайым бекітілген соплосы барларда) бұл екі аудан да бекітілген болса, ал басқалары, әсіресе, қосымша күйдіруі бар қозғалтқыштарда, өзгермелі ауданды соплоға ие. Бұл ауданның өзгеруі реактивтік құбырдағы жоғары жану температурасының қозғалтқышқа тигізетін зиянды әсерін басу үшін қажет, бірақ ауданды төмендетілген итермелі күйде компрессордың сору қабілетін өзгерту үшін де өзгертуге болады.

C-D тұмсығының шамадан тыс кеңейу себептері және мысалдар

Артық кеңею, шығу аймағы артқы немесе негізгі сопақшаның мөлшеріне қарағанда тым үлкен болған кезде пайда болады. Бұл T-38 ұшағында J85 қондырғысындағы белгілі бір жағдайларда орын алды. Екінші немесе соңғы сопақшаның геометриясы максималды күйдіру режиміне сәйкес белгіленген. Күйдіру режимі жоқ кезде шығу аймағы жабық қозғалтқыш сопақшасы үшін тым үлкен болып, артық кеңеюге себеп болды. Екінші ауаның негізгі газ ағынын бақылауға мүмкіндік беретін, итергіш құрылымға еркін қозғалатын қақпақтар қосылды. Мах санының артуымен, сопақшаның шығу ауданы қозғалтқыш корпусының немесе ұшақ артқы бөлігінің диаметріне тең болатын нүктеге жетеді. Осы нүктеден кейін сопақша диаметрі ең үлкен диаметрге айналып, кедергі күші арта бастайды. Сондықтан сопақшалардың мөлшері қондырғының көлемімен шектеледі, ал итермелі күштің жоғалуы төменгі кедергі күші, салмақтың азаюы сияқты басқа факторлармен теңгеріледі. Мысалы, F-16 ұшағы 2.0 Мах жылдамдықта, ал XB-70 ұшағы 3.0 Мах жылдамдықта ұшады. Тағы бір мәселе – қажетті сопақша салқындату ағынымен байланысты болуы мүмкін. Дивергентті жалақтар немесе қанатшалар, күйдіру камерасының температурасынан, шамамен , салқындату ауасының қабатымен оқшаулануы керек. Дивергенцияның ұзындығы – салқындатылатын аумақтың мөлшері. Толық емес кеңеюден туындаған итермелі күштің жоғалуы, салқындату ағынының азаюының артықшылықтарымен теңгеріледі. Бұл F-14A ұшағындағы TF-30 сопақшасына қатысты, онда 2.4 Мах жылдамдығындағы идеалды аудан қатынасы төменгі мәнмен шектелген.

Дивергентті бөлімді қосудың нақты мәніндегі құны қандай?

Дивергентті бөлім үдемелі жылдамдықтарда қосымша шығару жылдамдығын және демек, итермелеу күшін қамтамасыз етеді. Дивергентті бөлімді қосудың әсері Pratt & Whitney компаниясының алғашқы C D соқпағымен көрсетілді. Сол F 101 ұшағындағы J57 қозғалтқышындағы конвергентті соқпақ C D соқпағымен ауыстырылды. Бұл қозғалтқыштағы C D соқпағының (теңіз деңгейіндегі ұшып көтерілу кезінде) артқан итермелеу күші жылдамдықты 1,6 Махтан шамамен 2,0-ға дейін көтерді, бұл Әскери-әуе күштеріне сол күні температураға байланысты әлемдік жылдамдық рекордын орнатуға мүмкіндік берді. F 101 ұшағында C D соқпағының нақты құны толыққанды пайдаланылмады, себебі кіреберіс жоғары жылдамдықтарға сәйкес қайта жабдықталмады. Тағы бір мысал – YF 106/P&W J75 ұшағындағы конвергентті соқпақты C D соқпағымен ауыстыру, ол 2 Мах жылдамдығына жетпей жатқанда жасалды. C D соқпағымен бірге кіреберіс та қайта құрылды. Содан кейін АҚШ Әуе күштері F-106 ұшағымен 1526 миль/сағ (2,43 Мах) жылдамдықпен әлемдік жылдамдық рекордын орнатты. Кейбір конструкцияларда пішініне байланысты "Звибель" (жапайы пияз) деп аталатын жылғыш тығырықтан құралған өзгермелі ауданы бар соқпақ қолданылды. Jumo 004 турбинаның қызып кетуіне жол бермес үшін үлкен ауданымен, ал ұшып көтерілу және ұшу кезінде жоғары шығару жылдамдығы мен итермелеу күші үшін кішірек ауданымен жабдықталған. 004 Zwiebel турбинадан кейін орналасқан корпустың дивергенттік бөлігінде орналасқан электрмотормен басқарылатын механизм арқылы шығару соқпағының ауданын өзгертуге мүмкіндік беретін алға және артқа жылжу диапазонына ие болды. Қосалқы жанғыш камерасы бар қозғалтқыштарда соқпақ іске қосылу кезінде және бос жүріс кезінде ашылуы мүмкін. Бос жүріс күші төмендеді, бұл рульдеу жылдамдығын және тежегіштердің тозуын азайтады. F106 ұшағындағы J75 қозғалтқышындағы бұл мүмкіндік "Бос жүріс күшін басқару" деп аталды және бос жүріс күшін 40%-ға төмендетті. Ұшақ тасымалдауыштарында төмендетілген бос жүріс күші реактивті ағыннан туындайтын қауіпті азайтады. Кейбір жағдайларда, мысалы, әртүрлі ұшақтардағы J79 қондырғысында, газды жылдам арттыру кезінде соқпақтың ауданы белгілі бір шектен артық жабылуына жол берілмейді, бұл айналу жылдамдығының жылдамдауына және демек, максималды итермелеуге жету уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. Concorde ұшағындағы Olympus 593 сияқты екі шпулді турбореактивті қозғалтқыштарда соқпақтың ауданы төмен қысымды компрессордың максималды жылдамдығына және қозғалтқышқа кіретін газдардың максималды температурасына бір мезгілде жету үшін өзгеруі мүмкін, бұл ұшу жылдамдығы 2 Махқа дейін жеткенде қозғалтқышқа кіретін газдардың температурасының кең ауқымын қамтиды. Кейбір күшейтілген турбожелдеткіштерде желдеткіштің жұмыс сызығы құрғақ және ылғалды режимдерде соқпақтың ауданымен басқарылады, артық серпіліс маржасын итермелеу күшіне айырбастау үшін.

Ылғалды жұмыс кезінде соқпақ аумағын басқару

Қозғалтқыштың алдыңғы бөлігіне тиетін әсерді шектеу үшін, форсаждық режимде соплоның ауданы ұлғайтылады. Түрбовентиляторды максималды ауа ағыны (тартымды күш) беру үшін, вентилятордың жұмыс сызығын оңтайлы күйде ұстау мақсатында соплоның ауданы реттелуі мүмкін. Түрбореактивті қозғалтқыштың максималды тартымды күшін беру үшін, турбинаның газ шығару температурасын оның лимитінде ұстау үшін соплоның ауданы басқарылуы мүмкін.

Егер тұтқасы кейіннен жану кезінде ашылмаса не болады?

Алғашқы форсаждық қондырғыларда ұшқыш форсажды таңдағаннан кейін соплоның орналасу көрсеткішін тексеруі қажет болды. Егер сопло қандай да бір себеппен ашылмаса, ал ұшқыш форсажды тоқтату арқылы ден қоймаса, сол кездегі әдеттегі басқару жүйелері (мысалы, F-86L ұшағындағы J47) турбина қанаттарының қызып, бұзылуына әкелуі мүмкін.

Басқа қолданбалар

Кейбір ұшақтар, мысалы, неміс Bf 109 және Macchi C.202/205 "эжекторлық түрдегі құбырлармен" жабдықталған. Бұл құбырлар (ішкі жану) қозғалтқыштарының түтін ағынының пайдаланбаған энергиясын, ыстық газдарды ұшақтың жылдамдығынан артық жылдамдықпен артқа қарай жылдамдату арқылы аз ғана алға итеру күшіне айналдырды. Түтін газдары артқа шығарылса, барлық құбыр конфигурациялары осыны қандай да бір деңгейде жасайды. 1937 жылы Rolls Royce Limited компаниясы мұндай итеру күші тудыратын құрылғыға патент алған. 1944 жылғы de Havilland Hornet ұшағының Rolls Royce Merlin 130/131 қозғалтқыштарында көп эжекторлық құбырлардан алынған итеру күші, толық қуаттағы биіктікте әрбір қозғалтқышқа қосымша 70 ат күшіне тең болды.