Почему сопла реактивных двигателей с регулируемой площадью в основном используются только в военных целях?

Форсунка с изменяемым сечением помогает регулировать выходное давление дымовых газов в соответствии с давлением окружающей среды. Когда они покидают турбину, продукты сгорания имеют еще некоторое остаточное давление, которое преобразуется в скорость сужающимся контуром сопла.

Если газы сгорания имеют достаточное давление, чтобы разогнаться до сверхзвуковой скорости, сопло фактически сначала сужается, а затем расширяется для достижения наилучшего ускорения потока. Сходящийся дозвуковой поток ускоряется до тех пор, пока на участке с наименьшей площадью, называемом горловиной, не будет достигнута скорость звука, а следующий расходящийся участок ускоряет уже сверхзвуковой поток, пока его давление не упадет до давления окружающей среды. Этот кон-ди-сопло должен регулировать как поперечное сечение горловины, так и поперечное сечение области выхода. Неспособность получить правильную область горловины будет означать значительную потерю тяги в работе.

Двигатели с форсажем нуждаются в адаптируемых форсунках из-за разных условий работы в сухом и влажном режимах, поэтому они получают наибольшую выгоду от регулируемых форсунок. Подогрев выхлопных газов означает увеличение их объема, поэтому сопло должно стать шире, чтобы его правильно согласовать. В общем, если скорость выхода дымовых газов сверхзвуковая, требуется регулируемое сопло. Даже некоторые ранние реактивные двигатели без форсажной камеры имели регулируемое сопло: центральный конус сопла Jumo-004 можно было перемещать вперед и назад, что меняло расположение выпуклой кормовой части, помогая правильно настроить горловину. Обратите внимание на изображение ниже, что поперечное сечение снова расширяется в последней части сопла, что показывает, что поток выхлопных газов двигателя Jumo был слегка сверхзвуковым.

Двигатели авиалайнеров мало что выиграют от регулируемого сопла, а с учетом увеличения массы полностью регулируемого сопла в целом их эффективность будет ниже. Самолеты малой дальности обычно имеют геометрию сопла, оптимизированную для работы в полевых условиях, в то время как самолеты дальней дальности предпочитают оптимизировать для наилучшей крейсерской эффективности. Их скорость на выходе из основного потока все еще дозвуковая или лишь слегка сверхзвуковая - обратите внимание, что скорость звука в нагретом дымовом газе намного выше. При 500°С скорость звука составляет почти 560 м/с.

Веерное сопло с переменным сечением пытается сделать для веерного потока то, что обычное сопло делает для основного потока струи. Так что это действительно родственная концепция, помогающая оптимизировать производительность как на низкой, так и на высокой скорости. Рисунок ниже скопирован из патента США 2011/0302907A1 и показывает регулируемую концевую часть капота (заштриховано, 54). Выходная скорость вентиляторного потока дозвуковая на взлете и слегка сверхзвуковая на крейсерском режиме, а поскольку его массовый расход намного выше, чем у сердечника в двигателях авиалайнера, регулируемое сопло окупается раньше. Регулируя давление на выходе путем изменения площади выхода, можно добиться некоторого прироста производительности.

Хотя я и не инженер, я летаю на самолетах с регулируемыми соплами и, возможно, смогу пролить свет на их основной принцип работы:

Цель

Назначение сопла в дозвуковом потоке состоит в том, чтобы сжать воздушный поток, тем самым значительно увеличивая тягу на выходе из двигателя (технически говоря, оно преобразует газ в тягу, тем самым превращая газогенератор в реактивный двигатель). Если бы не было сопла, то газ, выходящий из турбины, не имел бы почти такой же тяги, выходящей сзади, как при сужении сопла. Вы можете думать об этом, как о нажатии большого пальца на конец шланга, поток будет намного быстрее, если вы ограничите поток воды. С технической точки зрения, скорость потока увеличивается, а фактическое давление уменьшается — эффект Вентури. Однако при дожигании форсунки имеют обратный эффект, и их закрытие фактически снижает скорость потока. Таким образом, при сверхзвуковом течении сопла фактически открываются.

Операция

Перемещение дроссельной заслонки вперед на реактивном самолете делает несколько вещей: увеличивает подачу топлива, создает больше газа, а также сужает форсунки. Я предполагаю, что во время рулежных операций сужение форсунок при выходе из режима холостого хода оказывает большее влияние на движение струи, чем фактическое увеличение N2. Фактически, если бы сопла не были должным образом закрыты и внезапно открылись во время полета, реактивный самолет упал бы с неба. Это реальная чрезвычайная ситуация, которую мы практикуем, потому что иногда форсунки выходят из строя, что в худшем случае может оставить вас с двумя бесполезными двигателями. Однако, как и в большинстве случаев, здесь есть одна оговорка. При работе на форсаже сопла снова открываются. Форсунки, которые застряли закрытыми в AB, имеют тот же эффект, что и форсунки, которые застряли открытыми в mil — вы становитесь кирпичом. Итак, по существу, сопла требуются только в том случае, если ваш двигатель способен дожигать и генерировать сверхзвуковой поток. Вы не можете создать тягу с открытыми соплами под горелкой, и вы не можете создать тягу с закрытыми соплами в горелке. Это просто большая сложность, которая не нужна двигателям без АВ, и больше того, что может выйти из строя в полете.

Эффективность

Если бы была какая-то причина, по которой у коммерческих самолетов нет тех же двигателей, что и у нас, то это была бы она. За исключением очень неэффективных турбореактивных двигателей, почти все коммерческие самолеты оснащены ТРДД, а точнее ТРДД с большой степенью двухконтурности. Не залезая в бурьян, высокая двухконтурность, используемая в современных двигателях, позволяет им работать намного эффективнее наших двигателей. С двигателем с большим байпасом весь поток останется дозвуковым, а фиксированный выхлоп не только экономичнее, но и безопаснее, потому что он не может открываться и уменьшать тягу. Истребители тоже используют ТРДД, правда, наши малоконтурные, и потребляют намного больше топлива, чем наши гражданские аналоги. Преимущество заключается в том, что мы также можем работать в гораздо более разнообразной среде: высокий угол атаки, сверхзвуковой поток, быстрые колебания мощности и т. д. Учитывая нашу миссию, компромисс между потерей эффективности и приростом производительности имеет смысл. Для справки, на Super Hornet наши двигатели сжигают более 38 000 частей в час при МАКС. Подобная неэффективность быстро разорила бы авиакомпанию, потому что у них просто другие эксплуатационные требования. Конечно, мы не летаем на MAX все время, но вы поняли идею.

Peter Kämpf уже дал хороший подробный ответ с красивыми диаграммами. Вкратце, дело сводится к тому, что дозвуковой и сверхзвуковой поток ведут себя по-разному. Цель состоит в том, чтобы увеличить скорость выхлопа. Для дозвукового потока вы достигаете этого, ограничивая его, но для сверхзвукового потока вы должны его расширять. Таким образом, сверхзвуковые двигатели (а сверхзвуковая скорость выхлопа редко достигается без форсажной камеры) нуждаются в сопле с изменяемым сечением, а дозвуковые (все авиалайнерные двигатели, кроме Concorde) - нет.

Мне кажется, ваша собственная ссылка дает ответ:

Дозвуковые двигатели без форсажа имеют сопла фиксированного размера, потому что изменения характеристик двигателя с высотой и дозвуковой скоростью полета допустимы с фиксированным соплом. Это не так на сверхзвуковых скоростях, как описано для Concorde в разделе «Контроль площади сопла при работе всухую».

Это регулируемое сопло обеспечивает изменение вектора тяги . Это наиболее эффективно в задней части самолета вдали от центра масс, где они обеспечивают помощь при тангаже и рыскании.

Так что с подкрыльевыми двигателями это помогло бы только с креном. Тангаж и рыскание в этой конфигурации не помогают, и существующих элеронов для этого более чем достаточно.

Это сложный и тяжелый механизм, который требует обслуживания и дополнительного топлива.

Большинство (все, начиная с Concorde) коммерческих самолетов являются дозвуковыми летчиками, где изменение атмосферных условий не меняет влияние площади сопла в достаточной степени, чтобы оправдать дополнительную сложность.

Один момент, который до сих пор не упоминался и не рассматривался, заключается в том, что по мере изменения площади сопла струйной трубы статическое давление внутри него будет меняться. Следовательно, перепад давления на турбине низкого давления (при двух- или трехконтурном двигателе) также изменится. Это ускоряет или замедляет компрессор LP.

Итак, вы спросите: «Почему в реактивных двигателях с форсажной камерой используются сопла с изменяемым сечением?»

Такие двигатели могут использоваться в военных или коммерческих целях, но они используются для приведения самолета в сверхзвуковой режим. «Конкорд» был образцом невоенного сверхзвукового самолета, двигатели на котором были форсажными.

Есть одна основная причина, по которой площадь сопла изменяется, и она заключается в том, чтобы «поддерживать воздушный поток двигателя».

Производительность сопла для сужающегося сопла:

График производительности форсунки показывает параметр расхода -- Wg·Sqrt(Tt)/[Pt·A] -- в зависимости от коэффициента давления в форсунке -- Pt8/Ps8, где:
Wg = расход воздуха плюс побочные продукты сгорания, следовательно, загрязненный воздух
Tt = общее количество температура
Pt = общее давление
A = площадь в горловине сопла
Pt8 = общее давление в горловине сопла
Ps8 = статическое давление в горловине сопла

достигает максимума при М = 1 (число Маха критического сечения сопла = 1).

Значение параметра потока составляет около 0,5318. Wg Sqrt(Tt)/[Pt A] = f(M,k,R), где
k = коэффициент удельной теплоемкости,
R = газовая постоянная

Без форсажа

Во время работы всухую на «военной мощности» двигатель находится в расчетной точке, при 100% скорости компрессора и расчетной точке турбины, если компрессор и турбина спроектированы так, чтобы иметь хорошую точку согласования (термодинамическую и аэродинамическую).

В этот момент параметр потока на срезе сопла максимален ~= 0,5318.

С форсажем

Если включить форсажную камеру, то общая температура в сопле Tt8 резко возрастает. Предположим, температура удвоится?
тогда Sqrt(2·Tt8) = 1,4·Sqrt(Tt8), и у вас в 1,4 раза больше параметра дросселированного потока в горловине.

Но параметр потока увеличиться не может, так что получается, что расход воздуха уменьшается в 1,4 раза. И откуда берется этот воздушный поток? От выхода турбины, который идет от выхода горелки, который идет от выхода компрессора, который идет от входа компрессора.

Что будет дальше? Помпаж двигателя, если FADEC (полное цифровое электронное управление) пытается поддерживать скорость вращения ротора компрессора за счет увеличения подачи топлива в горелку для увеличения мощности турбины. На самом деле, это может привести к перегреву турбины, поэтому FADEC должен сократить потребление.

Помимо включения форсажной камеры, вызывающей увеличение Tt8, это приводит к уменьшению Pt8... происходит падение давления из-за нагрева. Это процесс Рэлея, и он учитывает «горячие потери». В А/В (форсаже) есть потери на трение или на холод, но они минимальны по сравнению с потерями на горячем. Эти общие потери давления также вызывают увеличение параметра потока, поскольку Pt находится в знаменателе параметра потока, и способствуют потерям в воздушном потоке.

Решение проблемы более высокого Tt и более низкого Pt, которые ограничивают поток в сопле, заключается в увеличении площади сопла — тогда все остальные компоненты двигателя будут довольны. Также счастлив пилот, который преследует или преследуется противником, и который не хочет, чтобы ракета выстрелила ему в выхлопную трубу, потому что у него отказал двигатель.

Что касается расширяющейся секции сопла - она ​​предназначена для расширения газов почти до окружающей среды и получения при этом большей тяги.