Кольцевое реактивное сопло изменяемой геометрии

 

Изобретение предназначено для использования в двигателях летательных аппаратов, выполненных по схеме с дожиганием генераторного газа в тяговой камере. Сопло содержит расширяющуюся к выходу обечайку переменного контура с начальным коническим участком, угол раскрытия которого превышает угол на выходе сопла, и установленное по оси обечайки с возможностью перемещения центральное тело, образующие совместно сверхзвуковой канал изменяемого критического сечения, расположенного на упомянутом коническом участке, перпендикулярно ему. В начале сверхзвукового канала контур центрального тела эквидистантен упомянутому участку обечайки, так что расстояние между этими элементами сопла составляет высоту критического сечения. Техническим результатом является создание эффективного устройства кольцевого реактивного сопла изменяемой геометрии, в котором реализуются присущие этому типу сопел потенциальные достоинства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к реактивной технике, конкретно к устройству кольцевого реактивного сопла, преимущественно для использования в двигателе летательного аппарата (ЛА).

Известно кольцевое реактивное сопло изменяемой геометрии, содержащее расширяющуюся к выходу обечайку переменного контура с начальным коническим участком, угол раскрытия которого отличается от угла на выходе сопла, и установленное по оси обечайки с возможностью перемещения центральное тело, образующие совместно сверхзвуковой канал изменяемого критического сечения, расположенного на упомянутом коническом участке, перпендикулярно ему (см. пат. ФРГ 2258390, МПК F 02 K 9/02 - прототип).

Известное кольцевое реактивное сопло относят к типу сопел с внутренним расширением потока - подобно классическому соплу Лаваля. Но в отличие от этого - круглого - сопла кольцевое содержит центральное тело, расположенное внутри сопловой обечайки, и вместе они образуют сверхзвуковой газодинамический канал. Путем осевого перемещения центрального тела достигается изменение геометрических размеров (площади критического сечения) сопла, что является эффективным средством регулирования тяги для двигателей ЛА, составляющих главную область применения кольцевого сопла. По сравнению с классическим соплом Лаваля оно выигрывает в габаритах и массе, а также лучше приспособлено к работе в нерасчетных внешних условиях (обладает определенной степенью так называемой высотной компенсации).

Указанные достоинства кольцевого реактивного сопла могут быть реализованы, однако, лишь при его должном газодинамическом профилировании, то есть при надлежащем выборе и сочетании геометрических контуров обечайки и центрального тела. Этим условиям не удовлетворяет известное сопло - прототип изобретения. Центральное тело в нем имеет почти плоскую дозвуковую поверхность, расположенную перпендикулярно к оси сопла, а конический участок обечайки выполнен с небольшим углом раскрытия, существенно меньшим угла на выходе сопла. Ввиду этого критическое сечение, местоположение которого определяется максимальным поперечным размером центрального тела, характеризуется весьма большим наклоном к оси сопла (близким к 90^o), что в сочетании с протяженным, близким к конусу сверхзвуковым участком центрального тела не позволяет реализовать при выполнении сопла-прототипа потенциальные достоинства, присущие кольцевому реактивному соплу. В силу своего устройства кольцевое сопло-прототип в газодинамическом отношении практически не отличается от круглого сопла Лаваля, а регулирование сопла-прототипа в широких пределах связано с необходимостью большого перемещения центрального тела. Достижение высоких характеристик для сопла-прототипа осложняется тем обстоятельством, что перемещение центрального тела приводит к весьма существенному изменению картины течения газа в сопле.

Изобретение направлено на создание эффективного устройства кольцевого реактивного сопла изменяемой геометрии, в котором реализуются присущие этому типу сопел потенциальные достоинства.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном кольцевом реактивном сопле изменяемой геометрии, содержащем расширяющуюся к выходу обечайку переменного контура с начальным коническим участком, угол раскрытия которого отличается от угла на выходе сопла, и установленное по оси обечайки с возможностью перемещения центральное тело, образующие совместно сверхзвуковой канал изменяемого критического сечения, расположенного на упомянутом коническом участке, перпендикулярно ему, согласно изобретению угол раскрытия конического участка обечайки превышает угол на выходе сопла, и в начале сверхзвукового канала, непосредственно за критическим сечением, контур центрального тела эквидистантен упомянутому участку обечайки, так что расстояние между этими элементами сопла составляет высоту критического сечения.

В частных случаях выполнения изобретения: а) местоположение критического сечения сопла определяется началом конического участка обечайки во всем диапазоне перемещения центрального тела; б) в одном из крайних положений центральное тело рассчитано на контакт с коническим участком обечайки, обеспечивая полное перекрытие критического сечения.

При осуществлении изобретения ожидается технический результат, совпадающий с существом решаемой задачи (см. выше).

Изобретение поясняется при помощи фиг. 1, 2 и 3, на которых показано предлагаемое реактивное сопло (продольное сечение) в различном исполнении.

Сопло, представленное на фиг. 1, содержит расширяющуюся к выходу обечайку 1 переменного контура с начальным коническим участком (A₁ - Б₁), характеризующимся углом раскрытия α₁, и профилированным концевым участком-раструбом (Б₁ - В₁) с углом раскрытия α₂ < α₁. По оси обечайки установлено с возможностью перемещения (вдоль оси) центральное тело 2, которое совместно с обечайкой образует сверхзвуковой канал изменяемого критического сечения текущей высоты h. К обечайке примыкает цилиндрическая оболочка 3, образуя приемную газовую камеру для сопла - в сочетании с цилиндрическим штоком 2а центрального тела. За штоком следует коническая часть (А₂ - Б₂) с углом раскрытия α₁; завершает центральное тело хвостовая (донная) часть (Б₂ - В₂). Вышеупомянутый размер h определяется как расстояние между коническими элементами (A₁ - Б₁) и (А₁ - Б₂).

На чертеже показаны одно текущее (Ц_Т) и два крайних положения центрального тела. В левом крайнем положении (Ц_Л) оно прилегает к обечайке, поскольку рассчитано на контакт с ее коническим участком, что обеспечивает полное перекрытие критического сечения (минимальная высота h_min = 0). Эта ситуация отражает частный случай выполнения изобретения, когда решаются отдельные специфические задачи (герметизация рабочих полостей двигателя при его хранении и т.д.). Правое крайнее положение центрального тела (Ц_П) соответствует максимальному расчетному значению площади критического сечения или высоте h_max. Это положение центрального тела определяет местонахождение точки Б₁ на обечайке: отрезок (а₁ - Б₁) предпочтительно равен или превышает размер (А₂ - Б₂).

Как явствует из фиг. 1, в начале сверхзвукового канала, непосредственно за критическим сечением (начиная с него), центральное тело имеет конический контур (А₂ - Б₂), эквидистантный участку (A₁ - Б₁) обечайки, так что расстояние между этими элементами сопла и составляет высоту критического сечения. Оно располагается на обоих этих элементах, перпендикулярно им, причем начальная точка А₂ центрального конуса определяет местоположение критического сечения, которое перемещается по обечайке вместе с центральным телом.

На фиг. 2 представлено другое конкретное устройство сопла - с более длинным центральным конусом (продленным в сторону приемной камеры сопла). За счет этого при перемещении центрального тела из положения Ц_Л в Ц_П местоположение критического сечения определяется вначале точкой А₁, затем точкой А₂ (ими совместно - в одном из текущих положений центрального тела). Наконец, на фиг. 3 представлен частный случай выполнения изобретения - устройство сопла, в котором местоположение критического сечения остается неизменным во всем диапазоне перемещения центрального тела, будучи определяемо началом конического участка обечайки A₁.

Представленные на фиг. 1, 2 и 3 конкретные сопла не исчерпывают все возможные устройства в рамках изобретения. Так, например, центральное тело может завершаться криволинейным профилированным хвостовиком (вместо затупленного, как на чертеже). Угол α₂ предпочтительно находится в диапазоне 15 - 25^o (меньшие значения увеличивают габариты и массу сопла, а большие приводят к заметным потерям энергии на рассеяние).

Работа заявленного сопла понятна из его описания.

Изобретение позволяет реализовать газодинамически выгодный контур для кольцевого сопла, точно рассчитать его параметры, обеспечить повторяемость картины течения в сопле на всех режимах (последнее в высшей степени присуще соплу на фиг. 3). Эти факторы обеспечивают получение ожидаемого технического результата.

Наибольшая эффективность изобретения проявляется в применении к двигателям ЛА, особенно к жидкостно-ракетным двигателям, выполненным по схеме с дожиганием генераторного газа в тяговой камере. В двигателях этого типа предлагаемое сопло может эффективно использоваться как в качестве составной части тяговой камеры, так и в подсистеме управления креном ЛА, включающей специальные сопла крена, питаемые генераторным газом. В последнем случае центральное тело органично совмещается с рабочим органом управляющего электромагнитного клапана: при обесточенном электромагните центральное тело контактирует с сопловой обечайкой, перекрывая подачу газа, а при подаче тока центральное тело смещается к выходу сопла, открывая в него подачу газа.

Формула изобретения

1. Кольцевое реактивное сопло изменяемой геометрии, содержащее расширяющуюся к выходу обечайку переменного контура с начальным коническим участком, угол раскрытия которого отличается от угла на выходе сопла, и установленное по оси обечайки с возможностью перемещения центральное тело, образующие совместно сверхзвуковой канал изменяемого критического сечения, расположенного на упомянутом коническом участке, перпендикулярно ему, отличающееся тем, что угол раскрытия конического участка обечайки превышает угол на выходе сопла и в начале сверхзвукового канала, непосредственно за критическим сечением контур центрального тела эквидистантен упомянутому участку обечайки, так что расстояние между этими элементами сопла составляет высоту критического сечения.

2. Кольцевое реактивное сопло по п.1, отличающееся тем, что местоположение критического сечения сопла определяется началом конического участка обечайки во всем диапазоне перемещения центрального тела.

3. Кольцевое реактивное сопло по пп.1 и/или 2, отличающееся тем, что в одном из крайних положений центральное тело рассчитано на контакт с коническим участком обечайки, обеспечивая полное перекрытие критического сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3