Введение

Сопло, преобразующее внутреннюю энергию рабочего газа в тяговую силу.

Двигательное сопло – это сопло, преобразующее внутреннюю энергию рабочего газа в тяговую силу; это сопло формирует реактивную струю, отделяющую газовую турбину или газогенератор от реактивного двигателя. Двигательные сопла ускоряют газ до дозвуковой, трансзвуковой или сверхзвуковой скорости в зависимости от режима работы двигателя, их внутренней формы и давления на входе и выходе из сопла. Внутренняя форма может быть сужающейся или сужающе-расширяющейся (C D). Сопла C D могут ускорять струю до сверхзвуковых скоростей в расширяющемся участке, в то время как сужающееся сопло не может ускорить струю выше скорости звука. Двигательные сопла могут иметь фиксированную геометрию или изменяемую геометрию для обеспечения различной площади выходного сечения, что позволяет управлять работой двигателя при оснащении форсажной камерой или системой дожигания. В двигателях с форсажной камерой, оснащенных соплом C D, изменяется площадь горла. Сопла для сверхзвуковых скоростей полета, при которых создаются высокие коэффициенты давления в сопле, также имеют изменяемую площадь расширяющегося участка. Турбовентиляторные двигатели могут иметь дополнительное и отдельное двигательное сопло, которое дополнительно ускоряет воздух обтекания. Двигательные сопла также выполняют функцию сужающих устройств в потоке, что является важным аспектом при проектировании двигателя.

Принципы работы

Сопло работает в соответствии с эффектом Вентури, чтобы привести выхлопные газы к атмосферному давлению, формируя их в реактивную струю; если давление перед соплом достаточно высоко, поток достигнет звуковой скорости (задушение). Роль сопла в создании встречного давления в двигателе объясняется ниже. Энергия для ускорения потока поступает от температуры и давления газа. Газ расширяется адиабатически с малыми потерями и, следовательно, с высокой эффективностью. Газ ускоряется до конечной выходной скорости, которая зависит от давления и температуры на входе в сопло, атмосферного давления, в которое он выбрасывается (если поток не задут), и эффективности расширения. Эффективность является мерой потерь, вызванных трением, неаксиальным расширением, а также утечками в соплах типа C-D. Воздушно-реактивные двигатели создают тягу на фюзеляже, сообщая выхлопным газам результирующий импульс в обратном направлении. Если тяга превышает сопротивление, возникающее при движении самолета в воздухе, он ускоряется. Реактивная струя может быть как полностью расширенной, так и нерасширенной. На некоторых двигателях, оснащенных форсажной камерой, площадь сопла изменяется в режимах работы без форсажа или на сухой тяге. Обычно сопло полностью открыто при запуске и на холостом ходу. Затем оно может сужаться по мере увеличения положения рычага управления тягой, достигая минимальной площади до или при установке максимальной сухой тяги или военной мощности. Два примера такой системы управления – General Electric J79 и Klimov RD-33, используемые в самолете МиГ-29. Причины изменения площади сопла объясняются в разделе: Управление площадью сопла в режиме работы без форсажа.

Конвергентная сопла

Конвергентные сопла используются во многих авиационных двигателях. Если отношение давлений в сопле превышает критическое значение (около 1,8:1), в конвергентном сопле возникает срыв потока, в результате чего часть расширения до атмосферного давления происходит за горлом (то есть, в сечении минимальной площади потока), в струе выхлопа. Хотя импульс струи по-прежнему создает значительную часть общей тяги, разность между статическим давлением в горле и атмосферным давлением все же генерирует некоторую тягу давления.

Конвергентно-дивергентная (C-D) сопла

Двигатели, способные к сверхзвуковому полету, имеют конвергентно-дивергентные выхлопные каналы для создания сверхзвукового потока. Ракетные двигатели – являясь крайним примером – обязаны своей характерной формой очень высоким отношениям площадей их сопел. Когда отношение давления в конвергентном сопле превышает критическое значение, поток становится заторможенным, и, следовательно, давление выхлопных газов, покидающих двигатель, превышает давление окружающего воздуха и не может уменьшаться посредством обычного эффекта Вентури. Это снижает эффективность создания тяги сопла, поскольку большая часть расширения происходит за пределами самого сопла. Следовательно, ракетные двигатели и реактивные двигатели для сверхзвуковых полетов оснащаются соплом К-Д, которое обеспечивает дальнейшее расширение внутри сопла. Однако, в отличие от фиксированного конвергентно-дивергентного сопла, используемого в обычном ракетном двигателе, сопла турбореактивных двигателей должны иметь сложную и дорогую изменяемую геометрию, чтобы справляться с большими изменениями отношения давления в сопле, возникающими при переходе от дозвуковых к сверхзвуковым скоростям, превышающим число Маха 3. Тем не менее, сопла с малым отношением площадей находят применение в дозвуковой области.

Насадка с фиксированной площадью

Подзвуковые двигатели без форсажной камеры имеют сопла фиксированного размера, так как изменения в характеристиках двигателя с изменением высоты и скоростей полета в подзвуковом диапазоне допустимы при использовании фиксированного сопла. Это не так при сверхзвуковых скоростях, как описано ниже на примере Concorde.

С низким соотношением площади

В противоположном случае, некоторые гражданские турбовентиляторные двигатели с высоким коэффициентом двухконтурности регулируют рабочую характеристику вентилятора, используя конвергентно-дивергентное сопло с крайне низким (менее 1,01) отношением площадей на обточном (или смешанном выхлопном) потоке. На низких скоростях такая конструкция заставляет сопло вести себя как сопло с переменной геометрией, предотвращая его захлебывание и позволяя ускорять и замедлять выхлопные газы при приближении к горловине и расходящейся части соответственно. Следовательно, площадь выходного сечения сопла определяет согласование работы вентилятора, которое, будучи больше площади горловины, незначительно отодвигает рабочую характеристику вентилятора от зоны помпажа. На более высоких скоростях полета увеличение давления в воздухозаборнике вызывает захлебывание горловины, и площадь сопла начинает определять согласование работы вентилятора; сопло, будучи меньше площади выходного сечения, заставляет горловину незначительно приближать рабочую характеристику вентилятора к зоне помпажа. Однако это не является проблемой, поскольку запас по помпажу у вентилятора значительно выше на высоких скоростях полета.

В ракетах (с высоким коэффициентом площади)

Ракетные двигатели также используют конвергентно-дивергентные сопла, но обычно они имеют фиксированную геометрию для минимизации веса. Из-за высоких отношений давлений, возникающих при ракетном полете, у ракетных двигателей конвергентно-дивергентные сопла имеют гораздо большее отношение площади (сечения на выходе к сечению в горловине), чем у сопел реактивных двигателей.

Переменная площадь для послегорания

Послезагорательные устройства на боевых самолетах требуют сопла большего сечения, чтобы не ухудшить работу двигателя. Сопло с переменной площадью, состоящее из ирисовой диафрагмы, включает в себя серию подвижных, перекрывающихся лепестков с почти круговым поперечным сечением и имеет сужающуюся форму для управления работой двигателя. Если самолет должен летать на сверхзвуковых скоростях, за послезагорательным соплом может следовать отдельное расширяющееся сопло в конфигурации эжектора, как показано ниже, или расширяющаяся геометрия может быть интегрирована с послезагорательным соплом в конфигурации сопла с переменной геометрией, сужающегося и расширяющегося типа, как показано ниже. Первые послезагорательные устройства были либо включены, либо выключены и использовали двухпозиционное раскрывающееся сопло (типа "створка" или "веко"), которое обеспечивало только одну площадь для работы в режиме форсажа.

Выбросчик

Выбросчик – это принцип работы, при котором струя горячих, высокоскоростных выхлопных газов двигателя захватывает (выбрасывает) окружающий воздушный поток, который, вместе с внутренней геометрией вторичного, или расширяющегося, сопла, управляет расширением выхлопных газов. На дозвуковых скоростях воздушный поток сужает выхлопную струю до конвергентной формы. Когда включается форсажная камера и самолет ускоряется, оба сопла расширяются, позволяя выхлопным газам принять конвергентно-дивергентную форму и разогнаться до скорости, превышающей Мах 1. В более сложных двигателях используется дополнительный (третичный) воздушный поток для уменьшения площади выходного сечения на малых скоростях. Преимуществами сопла с выбросом являются относительная простота и надежность, особенно в тех случаях, когда створки вторичного сопла позиционируются под действием сил давления. Сопло с выбросом также способно использовать воздух, который был забран во входное устройство, но не требуется двигателем. Количество этого воздуха значительно меняется в зависимости от условий полета, и сопла с выбросом хорошо подходят для согласования воздушного потока между системой воздухозаборника и двигателем. Эффективное использование этого воздуха в сопле было ключевым требованием для самолетов, которым необходимо было длительное время эффективно крейсировать на высоких сверхзвуковых скоростях, поэтому оно использовалось в SR 71, Concorde и XB 70 Valkyrie. Простым примером сопла с выбросом является цилиндрическая неподвижная оболочка вокруг форсажного сопла в установке J85 на T 38 Talon. Более сложными были конструкции, использованные в установках J58 (SR 71) и TF 30 (F 111). Обе использовали дефлекторы третичного потока (открытые на меньших скоростях) и свободно плавающие перекрывающиеся створки для формирования конечного сопла. И дефлекторы третичного потока, и створки конечного сопла позиционируются за счет баланса внутреннего давления от выхлопных газов двигателя и внешнего давления от воздушного потока вокруг самолета. В ранних установках J79 (F 104, F 4, A 5 Vigilante) управление вторичным соплом было механически связано с форсажным соплом. В более поздних установках управление конечным соплом осуществлялось механически независимо от форсажного сопла. Это обеспечило повышение эффективности (лучшее согласование площади выходного сечения первичного и вторичного контуров с требованиями к высокой скорости) на скорости 2 Маха (B 58 Hustler) и 3 Маха (XB 70).

Переменная геометрия конвергент-дивергент

В турбовентиляторных установках, не требующих подкачки вторичного воздушного потока отработанными газами двигателя, используется сопло с переменной геометрией типа C-D. Эти двигатели не нуждаются во внешнем охлаждающем воздухе, необходимом для турбореактивных двигателей (оболочки горячей зоны форсажной камеры). Расширяющая часть сопла может быть интегрирована в лопатку форсажной камеры или представлять собой угловое расширение за критическим сечением. Лопатки перемещаются по изогнутым направляющим, а их осевое перемещение и одновременное вращение увеличивают площадь критического сечения для работы форсажной камеры, в то время как задняя часть формирует расширяющуюся часть с большей площадью выходного сечения для более полного расширения на высоких скоростях. Примером является TF30 (F-14). Первичные и вторичные лопатки могут быть соединены шарнирно и приводиться в действие общим механизмом для управления форсажной камерой и обеспечения расширения с высоким давлением, как в EJ200 (Eurofighter). Другие примеры можно найти в двигателях F-15, F-16, B-1B.

Векторирование тяги

Дюзы для управления вектором тяги включают дюзы с фиксированной геометрией Bristol Siddeley Pegasus и дюзы с изменяемой геометрией F119 (F 22).

Обратная тяга

Реверсоры тяги на некоторых двигателях интегрированы непосредственно в сопло и называются сопловыми реверсорами тяги. Сопло раскрывается на две половины, которые сходятся, чтобы перенаправить выхлопные газы частично вперед. Поскольку площадь сопла влияет на работу двигателя (см. ниже), выпущенный реверсор тяги должен располагаться на определенном расстоянии от выхлопной трубы, чтобы избежать изменения рабочих характеристик двигателя. Примеры сопловых реверсеров тяги можно найти на самолетах Fokker 100, Gulfstream IV и Dassault F7X.

Уменьшение шума

Шум реактивной струи может быть уменьшен за счет добавления элементов к выходному сечению сопла, увеличивающих площадь поверхности цилиндрической струи. Коммерческие турбореактивные двигатели и ранние турбовентиляторные двигатели с небольшой степенью двухконтурности обычно разделяют струю на несколько лепестков. Современные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности имеют треугольные зубчатые выступы, называемые шевронами, которые слегка выступают в поток выхлопных газов.

Другое назначение двигательной сопла

Сопло, благодаря созданию встречного давления, выступает в качестве ограничителя расхода для компрессора со стороны выходного потока и, таким образом, определяет, что поступает в переднюю часть двигателя. Оно разделяет эту функцию с другим ограничителем расхода со стороны выходного потока – соплом турбины. Площади как сопла тяги, так и сопла турбины определяют массовый расход через двигатель и максимальное давление. В то время как эти площади фиксированы во многих двигателях (то есть в двигателях с простым фиксированным соплом тяги), другие, особенно оснащенные форсажной камерой, имеют сопло тяги с переменной площадью. Это изменение площади необходимо для компенсации негативного влияния высоких температур сгорания в реактивной трубе на работу двигателя, хотя площадь может изменяться и в режиме работы без форсажа для изменения характеристик наддува компрессора при меньших значениях тяги.

Причины и примеры чрезмерного расширения сопла C-D

Перерасширение возникает, когда площадь выходного сечения слишком велика по отношению к размеру камеры сгорания или первичного сопла. Это наблюдалось в определенных условиях при установке J85 на Т-38. Вторичное или заключительное сопло имело фиксированную геометрию, рассчитанную на максимальный режим работы камеры сгорания. При тяге без использования камеры сгорания площадь выходного сечения оказывалась слишком большой для закрытого сопла двигателя, что приводило к перерасширению. Для управления расширением основной струи в эжектор были добавлены свободно плавающие створки, позволяющие вторичному воздуху регулировать процесс. С увеличением числа Маха может наступить момент, когда площадь выходного сечения сопла станет равна диаметру гондолы двигателя или диаметру хвостовой части самолета. После этой точки диаметр сопла становится наибольшим и начинает вызывать возрастающее сопротивление. Таким образом, размеры сопел ограничены габаритами установки, а потеря тяги является компромиссом с другими факторами, такими как снижение сопротивления и веса. Примерами служат F-16 на скорости Mach 2.0 и XB-70 на скорости Mach 3.0. Другим важным аспектом является требуемый расход охлаждающей жидкости для сопла. Раскрывающиеся створки или лепестки должны быть изолированы от температуры пламени камеры сгорания, которая может достигать , слоем охлаждающего воздуха. Увеличение угла раскрытия означает большую площадь, требующую охлаждения. Потеря тяги из-за неполного расширения компенсируется преимуществами снижения расхода охлаждающей жидкости. Это применимо к соплу TF-30 на F-14A, где идеальное отношение площадей при числе Маха 2.4 было ограничено меньшим значением.

Что добавляет разрозненный раздел стоимость в реальном выражении?

Дивергентная секция обеспечивает повышенную скорость истечения газов и, следовательно, тягу на сверхзвуковых скоростях полета. Эффект добавления дивергентной секции был продемонстрирован на первом сопле C D от Pratt & Whitney. На том же самолете F 101 сходящееся сопло было заменено на сопло C D на двигателе J57. Увеличенная тяга от сопла C D (при взлете с уровня моря) позволила повысить скорость с 1,6 до почти 2,0, что дало ВВС возможность установить мировой рекорд скорости, который был лишь немного ниже 2 Маха при температуре в тот день. Истинная ценность сопла C D на F 101 не была полностью реализована, поскольку воздухозаборник не был модифицирован для достижения более высоких скоростей. Другим примером является замена сходящегося сопла на сопло C D на YF 106/P&W J75, который не мог достичь скорости 2 Маха. Одновременно с внедрением сопла C D был переработан воздухозаборник. Впоследствии ВВС США установили мировой рекорд скорости на F 106 – 1526 миль в час (2,43 Маха). Некоторые двигатели имели сопло переменной площади, образованное подвижным конусом, известным как Zwiebel («дикий лук») из-за его формы. Jumo 004 имел большую площадь для запуска, чтобы предотвратить перегрев турбины, и меньшую площадь для взлета и полета, обеспечивающую более высокую скорость истечения газов и тягу. Zwiebel 004 обладал диапазоном перемещения вперед и назад для изменения площади выхлопного сопла, приводимого в действие электромеханизмом, расположенным в дивергентной части корпуса сразу за турбиной. Двигатели с форсажной камерой также могут открывать сопло для запуска и на холостом ходу. Тяга на холостом ходу снижается, что уменьшает скорость руления и износ тормозов. Эта функция на двигателе J75 в F 106 называлась «Idle Thrust Control» и снижала тягу на 40%. На авианосцах снижение тяги на холостом ходу уменьшает опасность реактивной струи. В некоторых применениях, например, при установке J79 на различных самолетах, во время быстрого открытия дроссельной заслонки площадь сопла может быть ограничена от закрытия ниже определенного значения, чтобы обеспечить более быстрое увеличение оборотов и, следовательно, более быстрое достижение максимальной тяги. В случае двухконтурного турбореактивного двигателя, такого как Olympus 593 на Concorde, площадь сопла может изменяться для одновременного достижения максимальной скорости компрессора низкого давления и максимальной температуры газов на входе в турбину в широком диапазоне температур на входе в двигатель, возникающем при скоростях полета до 2 Маха. На некоторых турбовентиляторных двигателях с увеличенной тягой рабочая точка вентилятора контролируется площадью сопла как в сухом, так и во влажном режимах для обмена избыточным запасом устойчивости на большую тягу.

Контроль площади сопла при мокрой работе

Площадь сопла увеличивается при работе форсажной камеры для ограничения влияния на параметры двигателя выше по потоку. Для достижения максимального расхода воздуха (тяги) у турбовентиляторного двигателя площадь сопла может регулироваться для поддержания рабочей точки вентилятора в оптимальном положении. Для турбореактивного двигателя, работающего на максимальную тягу, площадь сопла может регулироваться для удержания температуры выхлопных газов турбины на её предельном значении.

Что произойдет, если сопла не откроется, когда будет выбрана послегорячка?

В ранних установках форсажной камеры пилот должен был проверять показания индикатора положения сопла после включения форсажа. Если сопло по какой-либо причине не открывалось, а пилот не отменил включение форсажа, типичные системы управления того времени (например, J47 в F 86L) могли привести к перегреву и разрушению лопаток турбины.

Другие применения

Некоторые самолеты, такие как немецкий Bf 109 и Macchi C.202/205, были оснащены выхлопными системами эжекторного типа. Эти выхлопные системы преобразовывали часть отработанной энергии выхлопного потока двигателей внутреннего сгорания в небольшую дополнительную тягу, ускоряя горячие газы в заднем направлении до скорости, превышающей скорость самолета. Все типы выхлопных систем в той или иной степени используют этот принцип, если выхлопные газы выбрасываются в обратном направлении. Устройство выхлопной системы, создающее тягу, было запатентовано компанией Rolls Royce Limited в 1937 году. На двигателях Rolls Royce Merlin 130/131 самолета de Havilland Hornet 1944 года тяга от многоэжекторных выхлопных систем эквивалентна дополнительным 70 л.с. на двигатель при полностью открытой дроссельной заслонке на расчетной высоте.