Тяговая эффективность эжектора со сверхзвуковым соплом Текст научной статьи по специальности «Физика»

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И

Том XVII 1986

№ 3

УДК 533.607.11 629.735.33.03

ТЯГОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЖЕКТОРА СО СВЕРХЗВУКОВЫМ СОПЛОМ

Н. В. Самойлова, Е. А. Шумилкина

Приведены расчетные характеристики эжекторного увеличителя тяги со сверхзвуковым соплом и проведено сравнение их с характеристиками эжекторного увеличителя тяги с сужающимся соплом. Показано, что в реальном диапазоне значений относительных площадей критических сечений сопл и отношений давлений выигрыш в тяге за счет применения сверхзвукового сопла может достигать 10%.

Эжекторные увеличители тяги подробно исследовались в качестве перспективных систем создания дополнительной тяги самолета (см. например, [1]). При этом рассматривались эжекторы с сужающимися соплами при значениях отношения полных давлений смешиваемых газов в эжекторе <т<3. В последнее время большое внимание уделяется использованию эжекторных увеличителей тяги в струйных системах управления самолетом. В связи с этим расширился исследуемый диапазон значений характерного параметра 4 < о ^ 8.

Известно, что с увеличением отношения давлений свыше а» 1,89 эжектор с сужающимся соплом становится, вообще говоря, менее эффективным, чем эжектор со сверхзвуковым соплом. Большой практический интерес представляет определение возможного выигрыша в тяге за счет использования сверхзвукового сопла, однако до настоящего времени в литературе отсутствуют данные по этому вопросу.

В данной работе проведен расчетный анализ характеристик сверхзвукового эжекторного увеличителя тяги. Дано сравнение его с эжекторным увеличителем тяги с сужающимися соплами [2], а также с реальными, экспериментально исследованными устройствами. Получены оценки возможного выигрыша в тяге. Следует отметить, что сравнение проведено по основному параметру, характеризующему эффективность эжекторного увеличителя тяги, — по приросту относительной тяги. На реальные конструкции накладывается целый ряд ограничений, которые обусловливают возможность использования и других критериев сравнения, подробно рассмотренных в работе [3].

1. Расчет сверхзвукового эжекторного увеличителя тяги проводился на примере эжектора классической схемы (рис. 1) по методу [4]. Остановимся на целесообразности выбора такой схемы и метода ее расчета.

Реальные эжекторные системы увеличения тяги могут иметь более сложную схему вследствие необходимости размещения йх на самолете. Однако при разработке таких систем стремятся для повышения эффективности обеспечить наиболее полное смешение потоков, характерное для классического эжектора. Поэтому схема, показанная на рис. 1, является предельным случаем для разнообразных эжекторных систем, позволяет обобщить их при расчете и выявить общие тенденции поведения характеристик. Метод расчета эжектора в одномерной постановке с учетом сжимаемости среды [4], наиболее широко используемый до настоящего времени (см. например, [5]), охватывает все основные процессы в эжекторе с дозвуковыми и сверхзвуковыми режимами истечения из сопла и хорошо описывает классический эжектор, что подтверждается

СтлИ зал и ре нал .!..

г к" ; 0

у . ,™ д ГХ'Р

—^ \

\ «I

Сберхзбукобое Входной Камера Диффузор р ,

сопло коллектор смешения

многочисленными опытами. Более точные методы расчета сложных, существенно вязких течений в эжекторе в настоящее время находятся в стадии разработки. Таким образом, принятый подход представляется закономерным и полезным для практических оценок. ■

2. При расчете, согласно работе [4], предполагалось, что смешиваются одинаковые идеальные газы при равных температурах, в камере смешения газы полностью перемешиваются. Как показано в работе [2] для эжектора с сужающимся соплом, равные по величине потери полного давления в разных элементах эжекторного канала оказывают равноценное воздействие на тяговые характеристики. По этой причине в данной работе уровень потерь на трение в канале эжектора характеризуется только коэффициентом восстановления полного давления в диффузоре — гд. Система уравнений эжекции, приведенная в работе [4], дополняется соотношением, описывающим течение в диффузоре:

?(^> = >дЛ?М-

Здесь }я — отношение площадей в диффузоре, Я3, Хь — приведенные скорости во входном и выходном сечениях диффузора, д(Х) — приведенный расход.

В эжекторных увеличителях тяги эжектируемый поток подсасывается из атмосферы, и смесь газов выбрасывается также в атмосферу, поэтому система уравнений, описывающих течение в эжекторе, замыкается условием равенства статического давления на выходе из диффузора атмосферному давлению:

Р4.=Ра или »^/>(Ха) = 1,

где 8 — степень сжатия эжектора — отношение полного давления смеси на выходе из камеры смешения к полному давлению эжектируемого потока, р(к)—газодинамическая функция.

Относительная тяга эжекторного увеличителя тяги определяется как отношение тяги эжектора к тяге идеального расчетного сверхзвукового сопла при заданном а и истечении в атмосферу:

Я=(Н1)-г-

Лид

где к— й/С — коэффициент эжекции (отношение расходов смешиваемых газов); Яид — приведенная на срезе идеального сопла скорость р(ЛИд) = 1/о\

В эжекторном увеличителе тяги со сверхзвуковым соплом могут реализоваться различные режимы работы [4] (критический или докритические с расчетным или нерасчетным' истечением; из сопла). Очевидно, что при оценке возможного прироста тяги представляют интерес только наиболее выгодные из них. Поэтому при расчете рассматривались только такие критические и докритические режимы работы эжектора, когда сопло является расчетным или недорасширенным, а режимы перерасширения сопла, как явно невыгодные, не рассматривались. Для заданных параметров ст и а всегда можно выбрать такое сопло, которое обеспечивало бы указанный режим. При этом сопла выбираются такими, чтобы приведенная скорость на срезе сопла кр изменялась от максимального значения (при расчетном истечении) до минимального (при нулевом коэффициенте эжекции), определяемых из соотношений:

-сР (1)

<р&)'

а 1

’""=■<<&„,.)>м-*-*;>1, ,К)“

Здесь — геометрический параметр эжектора — отношение площадей

поперечного сечения пассивного и активного потоков на входе в камеру смешения; г (Я)—газодинамическая функция, Я/ — скорость эжектирующего потока в критиче-

ском сечении, \с и 'Ус — коэффициенты восстановления полного давления в активном

и пассивном соплах соответственно.

Среди указанных режимов наиболее выгодным является критический [4]. Однако, если на критическом режиме в диффузоре располагается скачок уплотнения, то тяговые характеристики резко падают из-за значительных потерь в скачке. Аналогичное снижение относительной тяги при увеличении гидравлических потерь в диффузоре было показано на примере расчета эжекторного увеличителя тяги с сужающимся соплом в работе [2.] Поэтому в данной работе для оценки предельных характеристик в основном рассматриваются эжекторы с таким отношением площадей диффузора, чтобы скачок располагался в горле диффузора. '

3. Результаты расчета приведены на рис. 2—4. На рис. 2 показаны зависимости относительной тяги Р от отношения давлений сг для эжектора с сужающимся соплом (Лр=1) и со сверхзвуковыми соплами (Ар>1) при фиксированном значении параметра а*. Параметр а* — отношение площадей потоков, определенное по кри-

р _ р*

тическому сечению сопла: а* = к ^—, где ^ — площадь поперечного сечения камеры смешения, А11* — площадь критического сечения сопла.

Очевидно, что значения геометрического параметра а*, определенного по критическому сечению, и а, определённого по выходному сечению сопла, совпадают для эжектора с сужающимся соплом, тогда как дЛя сверхзвукового эжектора они различны: величина о* определяется значениями а и Обычно при исследовании эжекторов геометрия, эжектора характеризуется параметрами а и ~кр, однако сравнение эффективности эжекторных увеличителей тяги правомерно проводить при равных

Рис. 2

— докритические решимы

критические

е+ = 12;/й =/,/;ух-0,94-0,96 =2\\>д -9,98

Рис. 4

значениях а* (так как при проектировании эжекторных увеличителей тяги для самолета всегда задаются расход высоконапорного газа, отводимого от двигателя в сопла, определяемый критическим сечением, и габариты). Поэтому в данной работе используется параметр а*. Исключение составляет приведенная для сравнения зависимость Р{а) при постоянном значении а=10 на рис. 2 (штрихпунктирная линия). На рис. 2 показаны предельно достижимые характеристики, т. е. без учета потерь на трение.

Из приведенных результатов расчета видно, что при сверхкритических отношениях давлений о (больше некоторого значения з1<51,89) более эффективным является сверхзвуковой эжекторный увеличитель тяги (значение 01 зависит от параметра д*). Для каждого значения о>01 наибольший прирост тяги обеспечивает такое сверхзвуковое сопло (>.р = Хр), которое работает на расчетном режиме при заданном геометрическом параметре а* эжектора. При о<01 расчетным является сужающееся сопло. Если сверхзвуковое сопло в эжекторном увеличителе тяги недорасширено (1<Х^<Х*), то относительная тяга всегда выше, чем при сужающемся сопле (Хр/=1); если сверхзвуковое сопло перерасширено (Хр^>Хр), то относительная тяга может быть и ниже, чем при \р = 1. Вообще относительная тяга, определенная по соотношению (1) для любого конкретного эжектора с сужающимся или сверхзвуковым соплом фиксированной геометрии, снижается до значений, меньших единицы (Р<1) при достаточно больших а. Лишь огибающая зависимость Р*(о), соответствующая некоторому эжектору с регулируемым соплом, работающим на расчетных режимах, всегда располагается выше прямой Р= 1, и в пределе Р*->1 при 0->-оо.

Для сравнения на рис. 2 штрихпунктирной линией обозначена огибающая зависимость Р(о) при значении геометрического параметра а=10, определенного по выходному сечению сопла. Видно, что сравнение эжектора с сужающимся соплом и эжектора со сверхзвуковым соплом при равных а дает завышенное значение прироста относительной тяги А Р. Так, при 0=5, а=10 это значение составляет АР=0,30-^0,35, тогда как истинный выигрыш, определенный при а*= 10, равен ДРэё0,1-ь0,15.

Предельные характеристики эжекторных увеличителей тяги при значениях геометрического параметра а#=5-н15 и отношениях давлений 0=2-5-10, охватывающих реальный диапазон параметров эжекторов, которые могут быть использованы в струйных органах управления, даны на рис. 3. Сравнение приведенных характеристик при Хр = 1 и Хр = показывает, что максимально возможный выигрыш в тяге за счет применения сверхзвукового сопла в указанном диапазоне параметров довольно значителен и составляет ДР= 10-^20%. На рис. 3 приведены также аналогичные зависимости Р(о) при умеренных потерях на трение (гд=0,96). Следует заметить, что хотя трение снижает характеристики эжекторного увеличителя тяги, однако абсолютная величина выигрыша в тяге остается примерно той же. Так, например, при а=15, 0=6 предельно достижимая относительная тяга составляет Ря=1,53 при X > 1; при наличии трения величина Р снижается до Р» 1,4, выигрыш же в тяге составляет ДР=0,15. Более высокая эффективность эжекторного увеличителя тяги со сверхзвуковым соплом, по сравнению с эжектором с сужающимся соплом, по-видимому, объясняется уменьшением потерь на выравнивание потоков при заданных а.

4. Расчет позволил оценить, насколько можно повысить эффективность реальных эжекторных увеличителей тяги с сужающимися соплами, если заменить сопла на сверхзвуковые. На рис. 4 приведены результаты экспериментального исследования нескольких эжекторных увеличителей тяги с сужающимися соплами в диапазоне отношений давлений 0=5-т-7 и результаты расчета при 0=4,5н-9,5. Расчетные зависи-

мости достаточно хорошо согласуются с опытными данными при = 1 и заданных значениях коэффициента тя = 0,94-5-0,96, характеризующего потери на трение в эжекторном канале. Естественно предположить, что при переходе к сверхзвуковому соплу уровень потерь на трение изменяется слабо, тогда расчет сверхзвуковых эжекторов при тех же значениях \’д определит ожидаемый прирост тяги. Так, например, прирост относительной тяги при !.р = 1, д* = 12, 0 = 6 составляет ДР= 10%, замена сопла на сверхзвуковое Хр=1,4 позволит повысить прирост тяги до ДР= 15-7-20% (при расчетном сопле, Ар = Хр , величина ДР достигнет 25% и более). В целом прирост тяги рассмотренных реальных эжекторных систем в указанном диапазоне параметров может быть увеличен с ДР« 10-5-20% до ДР«°20-5-30% за счет использования сверхзвукового сопла.

Авторы выражают благодарность Ю. А. Лашкову за помощь при выполнении работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Экспериментальное исследование эжекторных систем увеличения тяги. — Труды ЦАГИ, 1978, вып. 1958.

2. Г а ев ска я В. Н., Лашков Ю. А., Самойлова Н. В.,

Ш умилкина Е. А. Влияние гидравлических потерь в элементах эжектора на его характеристики. — Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2196.

3. Ж у л е в Ю. Г. К оценке эффективности эжекторных увеличителей тяги и подъемной силы. — Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2198.

4. Васильев Ю. Н. Теория сверхзвукового эжектора с цилиндрической камерой смешения. — В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты, вып. 2. — М.: Машиностроение, 1967.

5. Байков В. С., Васильев Ю. Н. Сравнение предельных теоретических характеристик сверхзвуковых газовых эжекторов с изобарической и цилиндрической камерами смешения. — Ученые записки ЦАГИ,

1983, т. XIV, № 5.

Рукопись поступила 29/ХИ 1984 г.