МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 2 • 2014
УДК 533.697.4
© 2014 г. С. В. ВОРОБЬЕВ, Е. В. МЫШЕНКОВ, Е. В. МЫШЕНКОВА, Е. Ю. ШЕЛГУНОВ
ПОВОРОТ ВЕКТОРА ТЯГИ ПЛОСКОГО СОПЛА ПОСРЕДСТВОМ СМЕЩЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Расчетно и экспериментально исследован метод отклонения вектора тяги путем смещения критической поверхности сопла. Смещение происходит за счет выдвижения в поток поворотных створок-дефлекторов, причем один из краев критической поверхности переходит из минимального сечения на поверхность дефлектора. Изучены две конфигурации сопла: с короткими и длинными створками. Получены углы отклонения вектора тяги и коэффициенты тяги сопла на режиме отклонения вектора тяги. Для конфигурации с длинными створками угол поворота вектора тяги достигает 30° и определяется эффектом подсасывания струи к противоположной стенке, родственным эффекту Коанда.
Ключевые слова: плоское сопло, критическая поверхность, поворот вектора тяги.
В настоящее время управление вектором тяги становится необходимой характеристикой двигателя маневренного самолета. В России и США разработаны и доведены до серийного производства двигатели, в которых реализован механический способ управления вектором тяги. В этих соплах достигнут угол поворота вектора тяги 15°. Дальнейшее развитие сопел с механическим управлением возможно по пути увеличения углов вектора тяги, однако это может быть достигнуто за счет повышения сложности и массы конструкции [1—3].
С целью облегчения конструкции сопла исследуются и другие методы отклонения вектором тяги, использующие газодинамические средства управлением вектором потока. В эжекторном сопле поворот вектора тяги происходит при частичном перекрытии эжекторных щелей за счет эффекта Коанда присоединения струи к стенке сопла. При инжекции газа в сверхзвуковую часть сопла основной поток поворачивается в возникающей ударной волне. При некоторых условиях поворот основного потока происходит не в ударной волне, а в дозвуковой области, при этом критическое сечение смещается на границу инжектируемой струи. Возможны комбинации этих методов с механическим поворотом створок или интерцепторов [3—16].
Конструкции сопел, в которых газодинамические управление вектором тяги осуществляется путем инжекции газа через двухрядную систему щелей в сверхзвуковой части сопла со смещением критической поверхности, описаны в [17]. Управление расходом газа и вектора сопла осуществляется инжекцией газа через два ряда щелей, что позволяет отказаться от подвижных частей сопла. Первый ряд щелей расположен в окрестности минимального сечения, второй ряд — ниже минимального сечения в сверхзвуковой его части. Вдув газа через щели первого ряда регулирует площадь критического сечения сопла и расход основного потока. Назначение второго ряда щелей — управление вектором тяги сопла.
Если щель для инжекции находится достаточно далеко от минимального сечения, основной сверхзвуковой поток при взаимодействии с инжектированной струей отклоняется в направлении вдува газа, проходя через косую ударную волну. Наличие ударной волны в потоке приводит к существенным потерям полной тяги. При расположении щели ближе к минимальному сечению поток газа разворачивается в том же на-
правлении, но структура течения существенно иная — край критической поверхности смещается ниже по течению на поверхность раздела с инжектированной струей. Развороту потока способствует дополнительное инжектирование потока через щели первого ряда в противоположном направлении. При этом и второй край критической поверхности отсоединяется от стенки сопла, фиксируясь на поверхности раздела с инжектируемой струей.
Хотя смещение критической поверхности в данной конструкции достигается путем вдува струй на противоположных стенках сопла, такое же смещение можно осуществить путем замены жидких препятствий (струй) соответствующими твердыми поверхностями. Именно, для отклонения потока требуется на одной стенке выдвинуть в поток отклоняющий интерцептор рядом с минимальным сечением, чтобы он отклонял поток в сторону противоположной стенки, а на другой стенке выдвинуть дефлектор для обратного поворота. В целях предотвращения потерь на отрывных зонах и плавности регулировки угла поворота потока эти дефлекторы можно реализовать в виде поворотных створок, шарнирно прикрепленных к стенкам сопла. Простейшая возможная схема — плоское сопло с многозвенными поворотными створками, звенья которых шарнирно соединены друг с другом. Хотя такая конструкция сопла подразумевает применение створок, управляемых механическим приводом, она может оказаться проще в реализации, чем сопло с газодинамическим отклонением вектора тяги, вследствие использования отработанных конструктивных решений.
В настоящей работе исследуются как методами численного моделирования, так и экспериментально несколько возможных вариантов сопел со смещением критической поверхности посредством выдвижения в поток поворотных створок-дефлекторов. Изучается сопло с управлением только за счет смещения критической поверхности, а также сопло, в котором к смещению критической поверхности прибавляется эффект Коанда, что усиливает угол отклонения вектора тяги.
1. Сопло со смещением критической поверхности. Сопло, реализующее эффект, состоит из следующих частей: дозвуковой сужающейся части сопла и сверхзвуковой части, образованной двумя створками, состоящими из трех последовательно соединенных плоских звеньев. Первое и второе звенья сверхзвуковой створки шарнирно присоединены в минимальном сечении сопла к его дозвуковой створке, причем второе звено имеет эжекторную щель, которую открывает или закрывает первое звено. Третье звено шарнирно присоединено ко второму и, выдвигаясь в поток, образует дефлектор, отклоняющий вектор тяги. На фиг. 1, а сопло показано на режиме отклонения вектора тяги вверх. Здесь ЛБ — срез дозвуковой части и минимальное сечение сопла на режиме прямой тяги, шарниры, которыми 1-е и 2-е звенья верхней и нижней створок крепятся к дозвуковой части, находятся в точках Л и Б Первое звено ЛВ верхней створки выдвинуто в поток, открывая эжекторную щель АС во 2-м звене ЛБ, а 2-е и 3-е звенья (ЛБ и БЕ) образуют единую прямую стенку сопла. На нижней створке 1-е звено перекрывает эжекторную щель 2-го звена БО, образуя с ним единую прямую стенку, а 3-е звено ОН выдвинуто в поток. Углы между продольной плоскостью сопла и 2-м и 3-м звеном обозначены на фиг. 1, а как в и ф. Длины створок составили ^ = 0.19^шЬ, ^ = 0.56^шЬ, 13 = 0.46^шЬ, общая длина сверхзвуковой створки 0.97dmin, где dmin — ширина минимального сечения сопла ЛБ в режиме прямой тяги.
При сверхзвуковом перепаде давления, начиная с некоторых углов поворота 1-го и 3-го звеньев, критическая поверхность перемещается из своего обычного положения между точками Л и В минимального сечения на линию, соединяющую концы В и Н 2-го и 3-го звеньев противоположных створок.
Расчеты течения в сопле со смещением критической поверхности были проведены в рамках уравнений Рейнольдса и модели турбулентности Спэларта—Аллмараса [18] с помощью программы расчета вязкого турбулентного течения. Система уравнений ре-
Фиг. 1. Контур модели сопла (а) и поле чисел Маха (б) при у = 1.4, в = 4° и ф = 20°, п = 4.6: 1—3 — до-, транс- и сверхзвуковая области течения, 4 — затопленное пространство
Фиг. 2. Зависимости угла вектора тяги а (1—4) и коэффициента тяги Сг (5, 6) от перепада давления п: 1, 2, 5, 6 - в = 4°, 0 при ф = 20°, 3, 4, 7, 8 - в = 4°, 0 при ф = 14°
шалась методом установления с использованием конечно-разностной схемы типа ЕКО второго порядка точности.
На фиг. 1, б приведены поля чисел Маха и давления рассматриваемого течения при углах установки створок БО и ОН в = 4° и ф = 20° соответственно при сверхзвуковом перепаде давления п = 4.6.
Влияние перепада давления п было изучено в диапазоне от 2 до 10 при углах установки 2-го и 3-го звеньев в = 0 и 4° и ф = 14 и 20°. На фиг. 2 показаны зависимости угла поворота вектора тяги а и коэффициента тяги Сг при ф = 14°, 20° и в = 0, 4°. Все зависимости имеют сходный характер. Так, при ф = 20° угол а с ростом п увеличивается с 15 и 12° при в = 0 и 4 на дозвуковых п до максимума 21 и 19.5° при п « 4-5, при даль-
Фиг. 3. Зависимости от угла установки 3-го звена ф (а) угла вектора тяги а (1—3) и коэффициента тяги Сг (4—6) и угла а от среднего угла наклона критической поверхности 0 (б): I, II- в = 4°, 0; 1-3, 4-6- у = 1.25, 1.4, 1.33
нейшем увеличении п постепенно уменьшается до 19 и 18° при п = 10. В то же время коэффициент тяги Сг растет от 0.96 на дозвуковых п до 0.99 при п = 3, а далее снижается до 0.95 при п = 10. Уменьшение как а, так и Сг с ростом п при п > 5 объясняется тем, что верхняя граница струи примыкает к стенке сопла, сопло становится недорасши-ренным. При этом в точке касания от верхней стенки отходит ударная волна, при прохождении которой уменьшается как угол отклонения выхлопной струи от оси, так и ее энергетические характеристики.
2. Влияние положения 2-го и 3-го звеньев сверхзвуковой створки и показателя адиабаты газа струи у. Положение 2-го и 3-го звеньев сверхзвуковой створки определяется углами в и ф поворота этих звеньев в месте шарнирного крепления их к предыдущей створке. Их влияние на тяговые характеристики исследовалось в диапазоне ф = 0-20° при двух положениях 2-го звена в = 0, 4°, п = 4.6 и у = 1.25, 1.33, 1.4.
На фиг. 3, а в графическом виде представлены зависимости тяговых характеристик сопла от угла поворота ф 3-го звена при в = 0, 4° и п = 4.6. Угол а при обоих в линейно растет с увеличением угла ф: а = 0.65ф + а0, но проходит примерно на 2° выше при в = 0, чем при в = 4°, что объясняется большим выдвижением звена в поток. Характер зависимости угла а от углов установки звеньев при различных показателях адиабаты не меняется, однако а выше при меньших у, что объясняется ростом угла разворота в волне Прандтля-Майера с уменьшением у.
В целом, угол а зависит от того, насколько далеко в поток, изначально направленный вдоль оси симметрии сопла, выдвинуто 3-е звено сверхзвуковой створки. Его положение определяется углами поворота 1-го и 2-го звеньев в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.