Схема и принцип действия входного устройства авиационного ГТД.

Входным устройством ГТДназывают часть газотурбинной силовой установки воздушного судна, включающую воздухозаборник, средства его регулирования и защитные устройства.

ВоздухозаборникГТД представляет собой устройство для забора атмосферного воздуха и подвода его к компрессору двигателя. Различают дозвуковые и сверхзвуковыевоздухозаборники.

На рис.3.11 показана схема входного устройства с дозвуковым воздухозаборником и изменение параметров потока по тракту воздухозаборника. Расчётным режимом для этого элемента ГТД является высота ( ) и скорость крейсерского полета ( или число Маха ).

Воздухозаборник включает в себя обечайку (1), обтекатель (2) и корпус (на рис.3.11 не показан).

Назначение обечайки ВЗ состоит, с одной стороны, в торможении воздушной струи на входе в двигатель, а с другой, в формировании внутреннего канала ВЗ в виде диффузора, где также происходит уменьшение скорости и увеличение давления. Скорость во входном отверстии ВЗ

принимают на расчётном режиме равной , что обеспечивает примерно 75…80 % увеличения давления перед входом ВЗ (где силы трения практически отсутствуют) и высокую эффективность входного устройства (коэффициент восстановления полного давления коэффициент расхода, определяемый отношением действительного расхода воздуха перед компрессором к максимально возможному во входном отверстии воздухозаборника

). Форма воздушной струи перед входом в ВЗ имеет диффузорный вид (струя растекается в данном сечении). Действующие на каждую струйку тока силы давления (возрастающие к входу в ВЗ) вызывают

Рис.3.11. Схема входного устройства для дозвуковых скоростей полёта

воздушного судна:

1 – обечайка; 2 – обтекатель перед компрессором; - давление больше

атмосферного ( ); Æ - давление меньше атмосферного ( );

- «подсасывающая» сила воздухозаборника; температура

и давление атмосферного воздуха; температура и давление

заторможенного потока воздуха; скорость полёта

так называемое дополнительное сопротивление ,которое являетсясоставной частьювнешнего сопротивления . Причём, чем меньше скорость потока во входном отверстии ВЗ , тем больше .Кроме того, с уменьшением нарушается картина обтекания наружной части обечайки ВЗ, увеличиваются силы трения, возможен отрыв потока. На практике угол наклона обечайки составляет 4…5^о и находится по формуле:

где .

Относительный диаметр отверстия ВЗ определяется формулой:

где наружный диаметр на выходе из ВЗ. При и - степень повышения давления во входном устройстве.

Радиус окружности, описывающий обечайку в её передней части, находится по формуле:

где площадь проходного сечения на входе в ВЗ.

Уменьшение скорости воздушного потока перед входом ВЗ и внутри него (вследствие диффузорного канала) вызывает повышенное (по сравнению с атмосферным) давление на внутренней поверхности обечайки. При этом давление, возникающее при обтекании потоком наружной поверхности обечайки ВЗ, оказывается несколько меньше атмосферного (рис.3.11). Под действием разности давлений на внутренней и наружной поверхностях обечайки возникает аэродинамическая сила входного устройства , горизонтальная составляющая которой называется «подсасывающей» силой , по направлению совпадающей с направлением силы тяги двигателя . На расчетном режиме величина в значительной степени компенсирует дополнительное сопротивление и снижает внешнее сопротивление входного устройства.

На нерасчетных режимах, в том числе и на старте воздушного судна ( ) картина обтекания потоком воздуха обечайки ВЗ резко изменяется. Воздух поступает на вход ВЗ из полусферы (рис.3.12), диаметр которой равен примерно 3…4 и более наибольшего (миделевого) диаметра двигателя.

Рис.3.12. Схема течения воздуха во входном устройстве в условиях старта

воздушного судна

Это приводит к изменению направления подсасывающей силы (на компенсацию её тратится часть силы тяги двигателя) и взаимодействию воздушного потока с землёй.

В результате этого взаимодействия образуется под работающим двигателем естественный вихрь, который вовлекается в общий поток воз­духа, поступающего в ВЗ. Площадь поперечного сечения вихря по мере его подъема резко уменьшается. А поскольку циркуляция вихря остается постоянной , то уменьшение площади поперечного сечения вихря соп­ровождается увеличением угловой скорости его вращения. Очень быстро практически у поверхности земли вихрь перерождается в концентрированный с пониженным давлением внутри его. Таким образом, вихрь заса­сывает предметы, находящиеся на поверхности, и поднимает их вверх на некоторую высоту. Дальнейшее их движение определяется потоком входящего в двигатель воздуха.

Защита авиационных ГТД от попадания в них предметов, находя­щихся на земле, происходит в двух направлениях. Первое направление охватывает устройства, предотвращающие попадание предметов в ВЗ. К ним относятся защитные щетки на колесах передней стойки ВС, задерживающие предметы, летящие из-под колес в направлении входа в двигатель, а также устройства, предотвращающие образование вихря на входе в ВЗ или разрушающие уже образовавшийся вихрь. Например, воздух, отбираемый от компрессора ГТД, направляется вниз под ВЗ или под некоторым углом к оси двигателя.

Для защиты вертолетных двигателей от мелких частиц используются пылезащитные устройства (П3У).

ПЗУ работает следующим образом. Поступив на вход устройства (рис.3.13, сечение А-А), загрязненный воздух проходит по искривленному каналу к выходу (сечение Б-Б), меняя направление движения пример­но на 70°. Под действием центробежных сил взвешенные частицы концентрируются у внешней или внутренней стенки канала и вместе с частью воздуха (примерно 15 %) поступают в канал пылевого концентрата.

Основная часть воздуха (примерно 85 %), очищенная от частиц, поступает в выходной канал ПЗУ. Загрязненный воздух, двигаясь по каналу пылевого

концентрата, поступает в сепаратор первой ступени очистки, в котором поток делится на две части. Одна часть совершает поворот на 90°, за счет чего очищается от частиц и присоединяется к основному потоку очищенного воздуха.

Другая загрязненная часть воздуха проходит в следующую ступень очистки и т.д. Пылевой концентрат через приемную щель поступает в канал и выбрасывается за борт судна эжектором, использующим сжатый воздух из

компрессора.

Рис.3.13. Схемы пылезащитных устройств со сбором пылевого

концентрата в центральной зоне (а), в кольцевой периферийной зоне (б);

ПЗУ в виде искривленного канала со сбором пылевого концентрата

только с нижней стороны (в);

1 – входной канала ПЗУ; 2 – приемная щель; 3 – эжектор;

4 – канал отвода пылевого концентрата

3.10. Рабочий процесс и устройство воздухозаборников для сверхзвуковых скоростей полёта.

Торможение воздушного потока во входных устройствах для трансзвуковых скоростей полёта ( ) осуществляется в прямом скачке уплотнения, возникающем на входе в ВЗ (рис.3.14). Прямой скачок уплотнения представляет собой ударную волну давления, отличающуюся резким (скачкообразным) изменением скорости и давления потока.

Из газовой динамики известно, что движение потока в прямом скачке уплотнения описывается формулой: где приведенная скорость перед скачком уплотнения;

то же за скачком уплотнения.

Из этой формулы следует, что скорость потока за прямым скачком уплотнения всегда дозвуковая ( ), причём, чем больше , тем меньше .

Принимая процесс торможения в прямом скачке уплотнения адиабатическим, можно определить коэффициент восстановления полного давления в этом скачке (так называемое волновое сопротивление скачка):

Рис.3.14. Схема входного устройства для трансзвуковых скоростей

полёта и изменение параметров потока по тракту ВЗ:

1 – обечайка; 2 – обтекатель; 3 – прямой скачок уплотнения

Эффективность данного ВЗ резко снижается при . Это обстоятельство обусловливает применение данной схемы ВЗ для

Торможение сверхзвукового потока при осуществляется в системе скачков уплотнения, которая включает в себя один или несколько косых скачков уплотнения, заканчивающихся прямым скачком уплотнения. В зависимости от расположения системы скачков уплотнения относительно плоскости отверстия ВЗ различают воздухозаборники с внешним сжатием (система скачков располагается до входа в ВЗ), с внутренним сжатием (система скачков находится внутри ВЗ) и со смешанным сжатием.

На рис.3.15 показана схема воздухозаборника со смешанным сжатием. Система скачков уплотнения включает три косых и один прямой скачок уплотнения, которые располагаются до входа в ВЗ. Поток воздуха ускоряется после прямого скачка уплотнения до появления так называемого образного скачка уплотнения. Форма этого скачка обусловливается

наличием пограничного слоя на внутренней поверхности обечайки и на поверхности конуса. Наличие образного скачка уплотнения делает внешнюю систему скачков более независимой от режима работы двигателя.

Рис.3.15. Схема течения во входном устройстве внешнего сжатия со

сверхзвуковым втеканием во внутренний канал:

- количество косых скачков уплотнения – 3; - количество прямых скачков

– 2 (один имеет образный вид);

Изменение параметров потока показано вдоль струйки тока