Potkurisuutin - Propelling nozzle
Liikuttamiseen suutin on suutin , joka muuntaa sisäinen energia toimivaa kaasua työntövoiman; suutin, joka muodostaa suihkun, erottaa kaasuturbiinin , joka on kaasugeneraattori , suihkumoottorista .
Potkurisuuttimet kiihdyttävät käytettävissä olevan kaasun äänen- , trans- tai yliäänenopeuksille riippuen moottorin tehoasetuksesta, niiden sisäisestä muodosta ja paineista suuttimeen tullessa ja sieltä poistuttaessa. Sisäinen muoto voi olla konvergentti tai konvergentti-divergentti (CD). CD -suuttimet voivat kiihdyttää suihkun yliäänenopeuksille eri osassa, kun taas lähentyvä suutin ei voi nopeuttaa suihkua äänen nopeuden yli.
Potkurisuuttimilla voi olla kiinteä geometria, tai niillä voi olla vaihteleva geometria, jotka antavat erilaisia poistumisalueita moottorin toiminnan ohjaamiseksi, kun ne on varustettu jälkipolttimella tai uudelleenlämmitysjärjestelmällä. Kun jälkipolttomoottorit on varustettu CD -suuttimella, kurkun alue vaihtelee. Yliäänisen lentonopeuden suuttimissa, joilla syntyy korkeita suuttimien painesuhteita, on myös vaihtelevat pinta -alaerot. Turbofanimoottoreissa voi olla erillinen lisäsuihkusuutin, joka kiihdyttää edelleen ohitusilmaa.
Potkurisuuttimet toimivat myös loppupään rajoittimina, joiden seuraukset ovat tärkeä osa moottorin suunnittelua.
Toimintaperiaatteet
- Suutin toimii Venturi -ilmiön mukaisesti tuodakseen pakokaasut ympäristön paineeseen ja muodostaen niistä yhtenäisen suihkun; jos paine on riittävän korkea, virtaus voi tukehtua ja suihku voi olla yliääninen. Suuttimen rooli moottorin vastapaineessa on selitetty alla .
- Virta kiihdyttää energiaa kaasun lämpötilasta ja paineesta. Kaasu laajenee adiabaattisesti pienillä häviöillä ja siten korkealla hyötysuhteella . Kaasu kiihtyy lopulliseen poistumisnopeuteen, joka riippuu paineesta ja lämpötilasta suuttimeen tullessa, ympäröivästä paineesta, johon se poistuu (ellei virtaus tukahdu ), ja paisuntatehokkuudesta. Tehokkuus mittaa kitkan, ei-aksiaalisen hajonnan sekä CD-suuttimien vuotojen aiheuttamia tappioita.
- Ilmahengitysmoottorit luovat eteenpäin työntövoimaa lentokoneen runkoon antamalla ilmaa taaksepäin suuntautuvaa vauhtia ilmaan tuottamalla sen ympäristön vauhtia suurempaa pakokaasusuihkua. Niin kauan kuin työntövoima ylittää ilman läpi kulkevan lentokoneen aiheuttaman vastuksen, se kiihtyy niin, että lentokoneen nopeus voi ja usein ylittää suihkun poistumisnopeuden. Suihku voi olla laajennettu kokonaan tai ei .
- Joissakin moottoreissa, jotka on varustettu jälkipolttimella, suutinalue vaihtelee myös jälkipoltto- tai kuivan työntötilan aikana. Tyypillisesti suutin on täysin auki käynnistettäessä ja joutokäynnillä. Se voi sitten sulkeutua, kun työntövipu on edennyt ja saavuttaa minimialueensa ennen sotilaskäyttöä tai maksimikuivaa. Kaksi esimerkkiä tämä valvonta ovat General Electric J-79 ja Tumansky RD-33 on MIG-29 . Suuttimen alueen vaihtelun syyt on selitetty luvussa: Suutinalueen säätö kuivakäytön aikana .
Periaategeometria
Yhdistyvä suutin
Monissa suihkumoottoreissa käytetään lähentymissuuttimia. Jos suuttimen painesuhde on kriittisen arvon yläpuolella (noin 1,8: 1), suppeneva suutin tukehtuu , minkä seurauksena osa paisumisesta ilmakehän paineeseen tapahtuu kurkun alapuolella (eli pienin virtausalue) suihkun jälkeen. Vaikka suihkumomentti tuottaa edelleen suuren osan bruttovoimasta, kurkun staattisen paineen ja ilmakehän paineen välinen epätasapaino tuottaa edelleen jonkin verran (paine) työntövoimaa.
Erilainen suutin
Scramjetiin virtaavan ilman yliääninen nopeus mahdollistaa yksinkertaisen poikkeavan suuttimen käytön
Convergent-divergent (CD) -suutin
Yliäänisen lennon kykenevissä moottoreissa on konvergentti-divergentti poistokanavaominaisuudet, jotka tuottavat yliäänivirtauksen. Rakettimoottorit - äärimmäisessä tapauksessa - ovat erottuvan muodonsa ansiosta suuttimiensa erittäin korkeiden pinta -alan suhteiden vuoksi.
Kun puristussuuttimen painesuhde ylittää kriittisen arvon, virtaus kuristuu ja siten moottorista poistuvan pakokaasun paine ylittää ympäröivän ilman paineen eikä voi laskea tavanomaisen Venturi -vaikutuksen kautta . Tämä vähentää suuttimen työntövoimaa tuottamalla aiheuttamalla suuren osan laajentumisesta itse suuttimen jälkeen. Näin ollen raketti- ja suihkumoottorit ylikorkeaa lentoa varten sisältävät CD -suuttimen, joka mahdollistaa laajentumisen edelleen suutinta vasten. Kuitenkin toisin kuin tavanomaisessa rakettimoottorissa käytettävä kiinteä konvergentti-divergentti suutin , turboreaktoreilla varustetuilla suuttimilla on oltava raskas ja kallis muuttuva geometria selviytyäkseen suuresta vaihtelusta suuttimien painesuhteessa, joka esiintyy nopeuksilla aliäänestä yli 3 Machiin .
Siitä huolimatta pienen pinta -alan suuttimilla on alleäänisovelluksia.
Suuttimien tyypit
Kiinteän alueen suutin
Ei- jälkipoltto subsonic moottoreissa on suuttimia kiinteän koon, koska muutoksia moottorin suorituskykyä korkeuden ja subsonic lentonopeuksilla ovat hyväksyttäviä kiinteällä suuttimella. Tämä ei päde yliäänenopeuksilla, kuten alla on kuvattu Concordelle .
Alhaisella pinta -alalla
Toisessa ääripäässä jotkut korkean ohitussuhteen siviiliturbiinipuhaltimet ohjaavat tuulettimen työlinjaa käyttämällä konvergenssi-divergentti-suutinta, jonka pinta-ala on erittäin pieni (alle 1,01) ohitus- (tai sekoitettu pakokaasuvirta). Alhaisilla nopeuksilla tällainen asetus saa suuttimen toimimaan ikään kuin sillä olisi vaihteleva geometria estämällä sen tukehtuminen ja sallien sen kiihdyttää ja hidastaa kurkkua ja poikkeavaa osaa lähestyvää pakokaasua. Näin ollen suuttimien poistumisalue ohjaa tuulettimen ottelua, joka on kurkkua suurempi ja vetää tuulettimen työlinjan hieman pois aallosta. Suuremmilla lentonopeuksilla imuaukon nousu kuristaa kurkun ja saa suuttimen alueen sanomaan tuulettimen ottelun; suutin, joka on pienempi kuin ulostulo, saa kurkun työntämään tuulettimen työviivaa hieman kohti aaltoa. Tämä ei kuitenkaan ole ongelma, sillä tuulettimen aallonmarginaali on paljon suurempi suurilla lennonopeuksilla.
Raketeissa (suurella pinta -alalla)
Rakettimoottoreissa käytetään myös konvergenssi-divergenttejä suuttimia, mutta ne ovat yleensä kiinteää geometriaa painon minimoimiseksi. Rakettien lentämiseen liittyvien korkeapainesuhteiden vuoksi rakettimoottorin konvergentti-divergenttisuuttimilla on paljon suurempi pinta-ala (poistuminen/kurkku) kuin suihkumoottoreihin asennetuilla.
Muuttuva alue jälkipolttoa varten
Taistelulentokoneiden jälkipolttimet vaativat suuremman suuttimen estääkseen haitallisen vaikutuksen moottorin toimintaan. Vaihtelevan alueen iiris-suutin koostuu sarjasta liikkuvia, päällekkäisiä terälehtiä, joiden poikkileikkaus on lähes pyöreä, ja se ohjaa moottorin toimintaa. Jos lentokone lentää yliäänenopeuksilla, jälkipolttoainesuuttimen jälkeen voi olla erillinen divergentti suutin ejektorisuuttimessa, kuten alla on esitetty, tai erilainen geometria voidaan sisällyttää jälkipolttimen suuttimeen muuttuvan geometrian konvergentti-divergenttisuuttimessa , kuten alla.
Varhaiset jälkipoltimet olivat joko päällä tai pois päältä ja käyttivät 2-asentoista simpukankuorta tai silmäluomen suutinta, joka antoi vain yhden alueen jälkipolttoa varten.
Ejektori
Ejektorilla tarkoitetaan erittäin kuuman, nopean moottorin pakokaasun pumppaustoimintaa, joka vie ympäröivän ilmavirran, joka yhdessä toissijaisen tai poikkeavan suuttimen sisäisen geometrian kanssa ohjaa moottorin pakokaasun laajentumista. Alanäänen nopeudella ilmavirta supistaa pakokaasun lähentyvään muotoon. Kun jälkipoltto valitaan ja lentokone kiihtyy, kaksi suutinta laajenevat, mikä mahdollistaa pakokaasun muodostavan toisistaan poikkeavan muodon, mikä nopeuttaa pakokaasuja 1 Machin ohi . Monimutkaisemmat moottoriasennukset käyttävät tertiääristä ilmavirtaa poistoaukon pienentämiseksi pienillä nopeuksilla . Ejektorisuuttimen etuja ovat suhteellinen yksinkertaisuus ja luotettavuus tapauksissa, joissa toissijaiset suuttimen läpät on sijoitettu painevoimien avulla. Ejektorin suutin pystyy myös käyttämään ilmaa, jonka imu on nauttinut, mutta jota moottori ei vaadi. Tämän ilman määrä vaihtelee merkittävästi lentovaipan välillä, ja ejektorin suuttimet sopivat hyvin imujärjestelmän ja moottorin väliseen ilmavirtaan. Tämän ilman tehokas käyttö suuttimessa oli ensisijainen vaatimus lentokoneille, joiden täytyi risteillä tehokkaasti suurilla yliäänenopeuksilla pitkiä aikoja, joten sitä käytettiin SR-71: ssä , Concordessa ja XB-70 Valkyriessä .
Yksinkertainen esimerkki ejektorisuuttimesta on kiinteän geometrian lieriömäinen suojus, joka ympäröi jälkipoltosuuttimen T-38 Talonin J85-asennuksessa . Monimutkaisempia olivat järjestelyt, joita käytettiin J58 ( SR-71 ) -ja TF-30 ( F-111 ) -asennuksissa. Molemmat käyttivät tertiäärisiä puhallusovia (auki pienemmillä nopeuksilla) ja vapaasti kelluvia päällekkäisiä luukkuja viimeiseen suuttimeen. Sekä puhallusovet että viimeiset suutinläpät on sijoitettu tasapainoon moottorin pakokaasun sisäisen paineen ja lentokoneen virtauskentän ulkoisen paineen välillä.
Varhaisissa J79- asennuksissa ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ) toissijaisen suuttimen käyttö kytkettiin mekaanisesti jälkipolttoainesuuttimeen. Myöhemmissä asennuksissa lopullinen suutin käytettiin mekaanisesti erillään jälkipoltinsuuttimesta. Tämä lisäsi tehokkuutta (parempi ensisijaisen/toissijaisen poistumisalueen vastaavuus ja suuri Mach-numerovaatimus) Mach 2: ssa ( B-58 Hustler ) ja Mach 3 (XB-70).
Muuttuvan geometrian konvergentti-divergentti
Turbofan -asennuksissa, jotka eivät vaadi toissijaista ilmavirtaa pumppaamaan moottorin pakokaasua, käytetään muuttuvan geometrian CD -suutinta. Nämä moottorit eivät vaadi ulkoista jäähdytysilmaa, jota turbojetit tarvitsevat (kuuma jälkipoltinkotelo).
Eroava suutin voi olla erottamaton osa jälkipolttimen suuttimen terälehteä, kulmikas jatke kurkun jälkeen. Terälehdet kulkevat kaarevia raitoja pitkin, ja aksiaalinen käännös ja samanaikainen kiertäminen lisää kurkun aluetta jälkipolttoa varten, kun taas takaosasta tulee poikkeama suuremmalla poistumisalueella, mikä laajentaa täydellisemmin suuremmilla nopeuksilla. Esimerkki on TF-30 ( F-14 ).
Ensisijaiset ja toissijaiset terälehdet voidaan saranoida yhteen ja käyttää samalla mekanismilla jälkipoltinohjauksen ja suuren suuttimen painesuhteen laajentamisen aikaansaamiseksi kuten EJ200: ssa ( Eurofighter ). Muita esimerkkejä löytyy malleista F-15 , F-16 , B-1B .
Lisäominaisuuksia
Työntövoimaus
Vektoroidun työntövoiman suuttimet sisältävät kiinteän geometrian Bristol Siddeley Pegasuksen ja muuttuvan geometrian F119 ( F-22 ).
Työntövoiman peruutus
Joidenkin moottoreiden työntövoiman suunnanvaihtimet on liitetty itse suuttimeen, ja niitä kutsutaan kohdevoiman suunnanvaihtimiksi. Suutin aukeaa kahteen osaan, jotka tulevat yhteen ohjaamaan pakokaasua osittain eteenpäin. Koska suutinalueella on vaikutusta moottorin toimintaan (katso alla ), käytössä oleva työntövoiman suunnanvaihdin on sijoitettava oikealle etäisyydelle suihkuputkesta, jotta moottorin käyttörajat eivät muutu. Esimerkkejä työntövoiman suunnanmuuttajista löytyy Fokker 100: sta, Gulfstream IV: stä ja Dassault F7X: stä.
Melua vähentävä
Suihkumelua voidaan vähentää lisäämällä suuttimen ulostuloon ominaisuuksia, jotka lisäävät lieriömäisen suihkun pinta -alaa. Kaupalliset turbojetit ja varhaiset ohitusmoottorit jakavat tyypillisesti suihkun useisiin lohkoihin. Nykyaikaisilla ohivirtauspuhaltimilla on kolmion muotoiset hammastimet, nimeltään chevronit, jotka työntyvät hieman ulos potkurista.
Lisää aiheita
Kulkusuuttimen toinen tarkoitus
Suutin, koska se asettaa vastapaineen, toimii kompressorin alavirran rajoittimena ja määrittää siten, mitä moottorin etuosaan menee. Se jakaa tämän toiminnon toisen alavirran rajoittimen, turbiinisuuttimen kanssa. Sekä potkurisuuttimen että turbiinisuuttimen alueet asettavat moottorin läpi kulkevan massavirran ja suurimman paineen. Molemmat alueet ovat kiinteitä monissa moottoreissa (eli niissä, joissa on yksinkertainen kiinteä potkurisuutin), mutta toisissa, etenkin jälkipolttoaineissa, on vaihtelevan alueen potkurisuutin. Tämä aluevaihtelu on välttämätön suihkuputken korkeiden palamislämpötilojen häiritsevän vaikutuksen hillitsemiseksi moottoriin, vaikka aluetta voidaan muuttaa myös jälkipolttokäytön aikana kompressorin pumppaustehon muuttamiseksi pienemmillä työntövoima-asetuksilla.
Jos esimerkiksi potkurisuutin poistettaisiin turbojetin muuttamiseksi turboakseliksi , suutinalueen rooli otetaan nyt tehoturbiinin suuttimen ohjainsiipien tai staattorien alueella.
CD-suuttimien liiallisen laajentumisen syitä ja esimerkkejä
Ylipaisuminen tapahtuu, kun poistumisalue on liian suuri jälkipolttajan tai ensisijaisen suuttimen kokoon nähden. Tämä tapahtui tietyissä olosuhteissa T-38: n J85-asennuksessa. Toissijainen tai viimeinen suutin oli kiinteä geometria, joka oli mitoitettu suurimmalle jälkipolttokotelolle. Ei-jälkipolttovoima-asetuksissa ulostuloalue oli liian suuri suljetulle moottorin suuttimelle, mikä lisäsi liikaa. Ejektoriin lisättiin vapaasti kelluvia ovia, jolloin toissijainen ilma hallitsi ensisijaisen suihkun laajentumista.
Syyt CD-suuttimen alipaisumiseen ja esimerkkejä
Täydellinen laajeneminen ympäristön paineeseen ja siten suuttimen suurin työntövoima tai hyötysuhde vaadittu pinta -ala kasvaa lennon Mach -luvun myötä. Jos ero on liian lyhyt ja antaa liian pienen poistumisalueen, pakokaasu ei laajene ympäristön paineeseen suuttimessa ja työntöpotentiaali häviää Kun Mach -numero kasvaa, voi tulla kohta, jossa suuttimien poistumisalue on yhtä suuri kuin moottori kynsien halkaisija tai lentokoneen runko -osan halkaisija. Tämän jälkeen suuttimen halkaisijasta tulee suurin halkaisija ja se alkaa lisätä vastusta. Suuttimet rajoittuvat siten asennuskokoon, ja aiheutuva työntövoiman menetys on kompromissi muiden näkökohtien kanssa, kuten pienempi vastus ja pienempi paino.
Esimerkkejä ovat F-16 koneella 2.0 ja XB-70 koneella 3.0.
Toinen näkökohta voi liittyä vaadittuun suuttimen jäähdytysvirtaukseen. Erilaiset läpät tai terälehdet on eristettävä jäähdytysilmakerroksella jälkipolttimen liekin lämpötilasta, joka voi olla luokkaa 3 600 ° F (1 980 ° C). Pidempi ero tarkoittaa enemmän jäähdytettävää aluetta. Epätäydellisestä laajentumisesta johtuva työntövoiman menetys vaihdetaan pienemmän jäähdytysvirtauksen etuihin. Tämä koski F-14A: n TF-30-suutinta, jossa ihanteellinen pinta-ala 2.4 Machissa rajoittui pienempään arvoon.
Mitä eroavan osan lisääminen todellisuudessa tarkoittaa?
Eroava osa lisää pakokaasun nopeutta ja siten työntövoimaa yliäänenopeuksilla.
Eroavan osan lisäämisen vaikutus osoitettiin Pratt & Whitneyn ensimmäisellä CD -suuttimella. Lähentyvä suutin korvattiin CD-suuttimella samalla moottorilla J57 samalla lentokoneella F-101 . Tämän moottorin CD-suuttimen (2000 lb, 910 kg merenpinnan nousussa) lisääntynyt työntövoima nosti nopeuden 1,6 Machista lähes 2,0: een, jolloin ilmavoimat pystyivät asettamaan maailman nopeusennätyksen 1 194,4 km/ h h) joka oli juuri alle 2 Machia päivän lämpötilan suhteen. CD-suuttimen todellista arvoa ei ymmärretty F-101: ssä, koska imua ei muutettu saavutettaville suuremmille nopeuksille.
Toinen esimerkki oli konvergentin korvaaminen CD-suuttimella YF-106/P & W J75 -laitteessa, kun se ei aivan saavuttanut Mach 2: a. Yhdessä CD-suuttimen käyttöönoton kanssa tuloaukko suunniteltiin uudelleen. USAF teki myöhemmin maailman nopeusennätyksen F-106: lla 1526 mph (Mach 2,43). Pohjimmiltaan eroava osa tulisi lisätä aina, kun virtaus tukahtuu lähentyvässä osassa.
Suutinalueen ohjaus kuivakäytön aikana
Joissakin hyvin varhaisissa suihkumoottoreissa, joita ei ollut varustettu jälkipolttimella, kuten BMW 003 ja Jumo 004 (joiden muotoilu tunnettiin nimellä Zwiebel [villisipuli]), oli käännettävä tulppa suutinalueen vaihtamiseksi. Jumo 004: ssä oli suuri alue turbiinin ylikuumenemisen estämiseksi ja pienempi alue lentoonlähdölle ja lennolle, jotta pakokaasun nopeus ja työntövoima saataisiin suuremmaksi. 004: n Zwiebelillä oli 40 cm: n (16 tuuman) etäisyys eteen-/taaksepäin vaihtelemaan pakokaasusuuttimien vaihtelua, jota käytti sähkömoottorikäyttöinen mekanismi kehon eri alueella juuri poistoturbiinin takana.
Jälkipolttimella varustetut moottorit voivat myös avata suuttimen käynnistettäessä ja tyhjäkäynnillä. Tyhjäkäynnin työntövoima pienenee, mikä vähentää taksin nopeutta ja jarrun kulumista. Tämä F-106 : n J75- moottorin ominaisuus kutsuttiin "joutokäyntinopeuden säätöksi" ja vähensi tyhjäkäynnin työntövoimaa 40%. Lentotukialuksissa matalampi joutokäyntivoima vähentää suihkupuhdistuksen vaaroja.
Joissakin sovelluksissa, kuten J79 -asennuksessa eri lentokoneissa, suutinalue voidaan estää sulkeutumasta tietyn pisteen jälkeen, jotta kierrosluku kasvaa nopeammin ja siten nopeampi aika maksimaaliseen työntövoimaan.
Tapauksessa 2-puolan Suihkuturbiini-, kuten Olympus 593 on Concorde , suuttimen alue voidaan vaihdella, jotta samanaikaisesti saavuttamista alhaisin mahdollinen paineen kompressorin nopeutta ja maksimi turbiinin tulon lämpötilaan monenlaisia moottorin tulon lämpötiloissa, mikä tapahtuu lennonopeudella 2 Mach .
Joissakin laajennetuissa turbopuhaltimissa tuulettimen käyttölinjaa ohjataan suutinalueella sekä kuivalla että märällä käytöllä, jotta ylijäämämarginaali saadaan lisää työntövoimaa.
Suutinalueen säätö märkäkäytön aikana
Suutinpinta -alaa lisätään jälkipolttokäytön aikana, jotta rajoitetaan moottoriin kohdistuvia vaikutuksia. Turbopuhaltimen käyttämiseksi maksimaalisen ilmavirran (työntövoiman) aikaansaamiseksi suutinaluetta voidaan ohjata pitämään tuulettimen käyttölinja optimaalisessa asennossa. Jotta turbojetit saisivat maksimaalisen työntövoiman, aluetta voidaan ohjata pitämään turbiinin pakokaasun lämpötila rajalla.
Mitä tapahtuu, jos suutin ei avaudu, kun jälkipoltin on valittu?
Varhaisessa jälkipolttoasennuksessa lentäjän oli tarkistettava suuttimen asennon ilmaisin jälkipolttajan valinnan jälkeen. Jos suutin ei ole auki jostain syystä, ja ohjaaja ei reagoi peruuttamalla jälkipoltin valinta, tyypillinen valvonta tuon ajan (esim J47 F-86L), voi aiheuttaa turbiinin siipien ylikuumenemisen ja epäonnistua.
Muut sovellukset
Tietyt lentokoneet, kuten saksalaiset Bf-109 ja Macchi C.202/205, varustettiin "ejektorityyppisillä pakokaasuilla". Nämä pakokaasut muuttivat osan (polttomoottorimoottorien) pakokaasuvirran hukkalähteestä pieneen määrään eteenpäin suuntautuvaa työntövoimaa kiihdyttämällä kuumia kaasuja taaksepäin nopeuteen, joka on suurempi kuin lentokoneen nopeus. Kaikki pakokaasujärjestelmät tekevät tämän jossain määrin edellyttäen, että pakokaasun poistovektori on lentokoneen liikesuuntaa vastakkainen tai erilainen.
Ejektori pakoputket oli kaavailemat Rolls-Royce vuonna 1937. Sen 1944 De Havilland Hornet 's Rolls-Royce Merlin 130/131 moottoreiden työntövoima monen ejektorin pakoputkia vastasivat ylimääräistä 450bhp kohti moottoria täydellä kaasulla korkeudella .