Почему двигатель J58 SR-71 имеет диффузор после впускного шипа?

Как правило, компрессор не может эффективно работать на сверхзвуковой скорости из-за ударных волн, роль входного конуса и диффузора заключается в замедлении воздуха ниже 1 Маха. Аналогичная потребность в ПВРД, чтобы сгорание могло происходить внутри двигателя. и производить тягу.

Положение конуса и геометрия диффузора регулируются в зависимости от скорости воздуха. Общая форма диффузора расходящаяся.

По принципу Бернулли диффузор уменьшает скорость и увеличивает давление в соответствии с:

$\frac 1 \rho \; dp = - \mathrm V\;d \mathrm V$куда$\rho$это плотность воздуха.

Посмотрите это видео: Сходящиеся, расходящиеся сопла, чтобы узнать больше о влиянии давления и скорости в сопле/диффузоре. Вот краткое изложение:

J58 — это турбореактивный двигатель внутри прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Передняя часть двигателя играет сложную роль. Он адаптируется к большому диапазону скоростей (от 0 до 3,2 Маха) и высоты (от 0 до 85 000 футов) и изменяет воздушный поток, чтобы работать либо как турбореактивный, либо как прямоточный воздушно-реактивный двигатель, в зависимости от скорости полета.

^{Упрощенная регулировка воздушного потока ( источник ).}

Фактический механизм, используемый в различных диапазонах скорости полета в J58: ^{( Источник )}

Собственно, задачей диффузора было создание тяги. Звучит странно? Тогда читайте дальше!

На сверхзвуковой скорости шип перед входным отверстием создаст каскад все более крутых толчков, чтобы замедлить и сжать воздух. Внутри поперечное сечение сужается еще больше, пока поток не замедлится до скорости ниже 1 Маха в последнем прямом толчке. Это точка наименьшего поперечного сечения, называемая горлом. Падение до дозвуковой скорости принципиально меняет поведение потока: Если раньше на сверхзвуковой скорости он замедлялся в сужающемся профиле поперечного сечения, то теперь для дальнейшего замедления ему требуется расширяющийся профиль поперечного сечения. По мере замедления кинетическая энергия потока преобразуется в давление, поэтому на стороне компрессора скорость потока составляет всего 0,4 Маха, но его давление почти в 40 раз превышает давление окружающей среды. Обратите внимание, что речь идет о степени сжатия современных реактивных двигателей, таких как F120 или GE90, и намного выше степени давления турбокомпрессоров 1950-х годов.

Перемещая конус, положение горловины регулируется таким образом, чтобы воздухозаборник работал во всем диапазоне скоростей полета. От дозвукового до 3,2 Маха площадь захвата увеличивается на 112%, а ширина горловины сужается до 54% ​​от дозвукового значения.

Диффузор нужен для замедления дозвуковой области всасываемого потока. В то же время он наполнен воздухом под высоким давлением, который давит на его стенки. Давление, действующее на площадь выступа в направлении полета, составляет большую часть общей тяги J58. Работа двигателя состоит в том, чтобы всасывать воздух в диффузор и в конечном итоге разгонять его до скорости полета и выше. Без двигателя такое же давление действовало бы на заднюю стенку диффузора и вызывало бы сильное сопротивление — двигатель должен был откачать весь этот воздух, чтобы этого не произошло.

Я думаю, что заявление о 80% напора, сделанное на этой странице , не совсем верно, но оно иллюстрирует суть.

При крейсерской скорости 3,2 Маха сама система впуска фактически обеспечивала 80 процентов тяги, а двигатель - только 20 процентов, что делало J58 фактически турбопрямоточным двигателем.

Чуть ниже он представляет нам более достоверные цифры:

На скорости 3 Маха сам воздухозаборник создает 54% общей тяги за счет восстановления давления, вклад двигателя - только 17%, а эжекторной системы - 29%. Степень сжатия на круизе 40 к 1.

Кроме того, причина называть его турбореактивным двигателем на самом деле другая, как указано на этой странице :

Двигатели Pratt & Whitney J58 на SR-71 были довольно необычными. В полете они могли превращаться из турбореактивных двигателей в прямоточные воздушно-реактивные двигатели с компрессором. На высоких скоростях (выше 2,4 Маха) в двигателе использовались лопатки с изменяемой геометрией для направления избыточного воздуха через 6 перепускных трубок после четвертой ступени компрессора в камеру дожигания. Таким образом создавалось 80% тяги SR-71 на высокой скорости, что давало гораздо большую тягу, улучшало удельный импульс на 10-15% и позволяло непрерывно работать на скорости 3,2 Маха. Название, придуманное для этой конфигурации, - турбореактивный двигатель.

Обратите внимание, что все схемы, показывающие поток воздуха из диффузора непосредственно в камеру дожигания, не совсем точны: немного воздуха требовалось для охлаждения, но также были задействованы первые четыре ступени компрессора , а остальные турбомашины также должны были работать на скорости 3,2 Маха, чтобы обеспечить компрессор крутящим моментом. J-58 забирал сжатый воздух из компрессора на четвертой ступени и направлял его прямо в поток позади турбины. Это охлаждало выхлопной поток, который поступал на форсажную камеру, поэтому стартовая температура там была ниже, а плотность выше, что увеличивает КПД и тягу. Посмотрите на толстые черные трубки на изображении J58 ниже ( источник ) — они направляли сжатый воздух в камеру дожигания.

Все сверхзвуковые воздухозаборники используют этот принцип: см. ниже разбивку тяги внутри двигателя Concorde Olympus 593 и гондолы:

Поперечное сечение гондолы Concorde и разбивка тяги ( источник изображения )

Причина использования диффузора в том, что шип замедляет воздух до дозвуковых скоростей около 0,8 Маха. Диффузор дополнительно замедляет воздух примерно до 0,4 Маха перед попаданием во впускное отверстие двигателя. Это та же концепция, что и шланг для воды под давлением, размер которого меняется от 1/2 дюйма до 2 дюймов. Позволяя воздуху расширяться, он замедляется, но поддерживает давление за счет одного лишь объема. Я был механиком реактивных двигателей в течение 10 лет (не на SR) и люблю обсуждать эту невероятную систему двигателя. Я рад поделиться любой информацией, которую я узнал об этом.