TURBINOWE SILNIKI ODRZUTOWE - WLOTY

Klasyfikacja wlotów.

Wloty silników turbinowych stanowią czołową część kanału przepływowego. Mogą one być integralną częścią konstrukcji silnika lub stanowić część płatowca.

Zadaniem wlotu jest:

• wprowadzenie powietrza do kanału przepływowego silnika z możliwie małymi stratami;

• zapewnienie możliwie jednorodnego pola parametrów strumienia na wlocie do sprężarki (w silnikach strumieniowych - do komory spalania z zachowaniem warunków pełnej stateczności procesu spalania);

• wstępne podwyższenie ciśnienia powietrza w wyniku wykorzystania spiętrzenia strumienia przed wlotem.

Podstawowy podział uwzględnia zakres prędkości lotu. Rozróżniamy:

• wloty poddźwiękowe - wykorzystywane przy prędkościach lotu do 1,5 Ma;

• wloty naddźwiękowe - stosowane w samolotach o prędkościach wyższych.

Wloty poddźwiękowe są nieregulowane. We wlotach naddźwiękowych wymagane jest usytuowanie fali uderzeniowej w celu zmniejszenia strat przepływu. Usytuowanie to realizowane może być prze wykorzystaniu elementu stałego lub regulowanego.

Ze względu na usytuowanie wlotu w samolocie wloty dzielimy na:

• czołowe ( z ciałem centralnym lub bez);

• boczne (półkołowe, klinowe, płaskie z klinem poziomym lub pionowym);

• 
  podkadłubowe (nadkadłubowe).

Zagadnienie przepływowe wlotów;

Strukturę strumienia wlotowego stanowią:

• strumień swobodny kształtujący się w atmosferze przed wlotem;

• strumień ograniczony ścianami kanału przepływowego.

Geometria strumienia swobodnego oraz jego parametry zależą od prędkości lotu. Procesy w strumieniu ograniczonym zależą od prędkości i kształtu tunelu.

A) Wloty poddźwiękowe.

Ze względu na szeroki zakres prędkości (od V=0 do prędkości maksymalnej) przy jednoczesnym zapewnieniu minimalnych strat dobór przekroju i kształtu kanału wlotowego nie jest sprawą prostą. Świadczy o tym obraz przepływu przed wlotem poddźwiękowym.

W warunkach startowych (maksymalna prędkość obrotowa silnika) najkorzystniejszy byłby wlot o dużym przekroju z dużą lemniskatą. Ssące działanie sprężarki powoduje, że do kanału przepływowego zasysane jest powietrze z całej przestrzeni otaczającej a sam strumień swobodny jest zbieżny. Kanał dolotowy (najczęściej również zbieżny - 7-10%) kształtuje strumień ograniczony również jako zbieżny. Następuje więc przyspieszanie i lekki spadek ciśnienia.

Podczas wznoszenia (silnik pracuje z prędkością obrotową bliską maksymalnej) powstają możliwości wyrównania prędkości przepływu w kanale dolotowym. W obu strumieniach trwa nadal proces rozprężania.

W warunkach przelotowych (silnik zdławiony, V>c₁) wlot powoduje spiętrzenia strumienia swobodnego a zaburzenia (rozchodzące się z prędkością dźwięku) przygotowują cząsteczki ośrodka niezaburzonego na przyjęcie wlotu. Tory cząsteczek w strumieniu swobodnym tworzą kanał rozbieżny (maleje prędkość przepływu i rośnie ciśnienie). Wlot rozpoczyna działanie zgodnie ze swoim przeznaczeniem. Ograniczenie strat przepływu w kanale dolotowym wymaga aby wlot miał kształt odpowiadający skrajny liniom prądu strumienia swobodnego. Jednak następuje tu wyhamowanie strumienia przed wlotem, co wywołuje wzrost strat ciśnienia i oporu wlotu.

W przypadku lotu z V>a, tzn. gdy wlot przemieszcza się z prędkością naddźwiękową Ma_H>1, przed wlotem pojawia się prosta fala uderzeniowa. Fala ta odsuwa się od wlotu wraz ze wzrostem prędkości. Na fali tej następuje skokowa zmiana parametrów: prędkości, ciśnienia i temperatury. Wyhamowanie strumienia na fali prostej jest na tyle intensywne, że za nią prędkość strumienia jest zawsze poddźwiękowa (Ma_i<1).

Kształtowanie dalszej części polega na wyborze jednego z trzech sposobów:

1. przyjęcie stałej powierzchni przekroju z ewentualnym przewężeniem bezpośrednio przed wlotem do sprężarki;

2. zaprojektowanie kanału o przekroju zmniejszającym się o 7 -10% na całej długości;

3. zastosowanie bezpośrednio za wlotem odcinka dyfuzorowego w celu zmniejszenia prędkości przepływu w dalszej części kanały, w szczególności przed odcinkiem krzywoliniowym.

Parametry wlotów poddźwiękowych.

Straty ciśnienia we wlocie określa współczynnik strat:

Sumę strat ciśnienia oblicza się posługując się ogólnym katalogiem współczynników przepływu dla poszczególnych odcinków prosto lub krzywoliniowych, zależnych od liczby Reynoldsa, kształtu przekroju i chropowatości ścian.

Miernikiem efektywności wlotu jest jego spręż:

Kolejnym ważnym parametrem wlotu jest jego opór, czyli siła działająca na przednią część wlotu. Zależy ona od powierzchni przekroju wlotowego i profilu krawędzi wlotu. Dla przepływu nieściśliwego składowa osiowa zewnętrznej siły przyłożonej do wlotu przyjmuje wartość:

Uzyskanie minimalnej wartości F_x wymaga aby wartość (...)² była minimalna, tzn. opływ zewnętrzny (reprezentowany przez V_H) jak najmniej przewyższał opływ wewnętrznego (V₁).

Uzyskuje się to poprzez odpowiednie ukształtowanie zewnętrznej powierzchni wlotu, tak by spełniony był warunek:

A_m - pole przekroju zewnętrznego wlotu;

V_zew - prędkość zewnętrznego opływu tunelu wlotowego.

Wloty poddźwiękowe mają kształty cylindryczne z dość dużym promieniem zaokrąglenia krawędzi natarcia. Ze względu na opór przy większych prędkościach, promień ten powinien być mały, jednak w warunkach startowych powoduje to znaczny spadek wartości współczynnika strat σ_wl.

B) Wloty naddźwiękowe.

Realizacja zadania wlotu podczas lotu ze średnimi i dużymi prędkościami naddźwiękowymi sprowadza się do ograniczenia strat towarzyszących przejściu prędkości naddźwiękowej strumienia do poddźwiękowej prędkości utrzymywanej w kale przepływowym sprężarki. Przejściu temu zawsze towarzyszy powstanie prostej fali uderzeniowej. Straty podczas jednorazowej redukcji prędkości na fali prostej (jak we wlocie poddźwiękowym) zależą od intensywności tej fali. Jest ona tym większa im większa jest prędkość strumienia. Obniżenie strat wymaga stopniowego zmniejszania prędkości na falach skośnych.

Fale skośne powstają podczas opływu ostrych profili (stożki, kliny) przez strumień naddźwiękowy. Fale takie tworzą się również podczas zmiany kierunku przepływu, np. na załamaniu tworzącej przepływu.

Intensywność oddziaływania fali skośnej jest niższa niż fali prostej a straty energii są na tyle małe, że za falą skośną prędkość pozostaje naddźwiękowa. Na fali następuje również zmiana kierunku na kierunek w przybliżeniu równoległy do opływanej powierzchni.

Wlot naddźwiękowy powinien być zbudowany tak aby utworzony przez niego układ fal uderzeniowych maksymalnie ograniczał straty.

Rodzaje wlotów naddźwiękowych:

1. 
   Wlot z zewnętrznym sprężaniem - układ fal tworzy się poza wlotem.

2. 
   Wlot z wewnętrznym sprężaniem - układ fal tworzy się wewnątrz wlotu.

3. Wlot ze sprężaniem mieszanym - układ fal tworzy się przed i wewnątrz wlotu.

Praca wlotu w warunkach nieobliczeniowych.

Zmiana liczby Macha lotu powoduje zmianę kąta nachylenia fali uderzeniowej. Każdej zmianie prędkości towarzyszyć będzie zmiana położenia układu fal. Wpłynie to na warunki pracy wlotu.

Wpływ stopnia zdławienia silnika objawia się zwiększeniem oporów przepływu w kanale dolotowym przy większym zdławieniu (mniejsza prędkość obrotowa silnika - mniejsze zapotrzebowanie na powietrze).

Oba te zjawiska prowadzą do zmniejszenia rzeczywistego przekroju wlotowego (A_H<A_wl) oraz pojawienia się warstwy strumienia wyhamowywanego na krawędzi wlotu. Pojawia się dodatkowy opór oraz zmniejsza ciąg silnika.

Parametry wlotów naddźwiękowych.

Straty ciśnienia we wlocie określa współczynnik strat:

Straty ciśnienia składają się ze strat na falach oraz strat w kanale przepływowym:

Współczynnik σ_f uwzględniający opory falowe zależny jest od liczby Macha i układu fal. Dla prędkości poddźwiękowych σ_f  1

Miernikiem efektywności wlotu jest jego spręż, definiowany jak dla wlotów poddźwiękowych:

Inną wielkością charakteryzującą pracę wlotu naddźwiękowego jest współczynnik natężenia przepływu, który określa stosunek natężenia przepływu w warunkach lotu do natężenia przepływu w warunkach obliczeniowych.

Na zakresie obliczeniowym wszystkie fale powinny przechodzić przez krawędzie wlotu tak aby spełniony był warunek

wówczas:
oraz

Konstrukcja wlotu naddźwiękowego.

1 - stożek wierzchołkowy;

2 - wręga usztywniająca;

3 - wręga czołowa osłony wlotu;

4 - konstrukcja nośna osłony;

5 - pokrycie;

6 - żebro łączące stożek z osłoną.

Krawędź osłony ma profil klina oraz wykonana jest jako pełny przekrój o dużej sztywności (wytworzenie fali skośnej oraz odporność na obciążenia cieplno - mechaniczne). ciało centralne ukształtowane jest w ten sposób aby powstał układ fal skośnych o małej energii.

Wloty nieregulowane charakteryzują się prostą konstrukcją ale działają efektywnie w małym zakresie prędkości.

Wloty regulowane (o zmiennej geometrii).

Możliwość regulacji wlotu umożliwia dostosowanie się geometrii wlotu do aktualnych warunków lotu i zakresu pracy silnika. Stosuje się:

a) ruchome ciało centralne (stożek) we wlotach osiowo symetrycznych;

b) ruchomy półstożek we wlotach bocznych półkołowych;

c) odkształcalny klin we wlotach płaskich;

d) dodatkowe boczne klapy wpustowo - upustowe umożliwiające dopływ dodatkowego powietrza w czasie pracy silnika na ziemi lub umożliwiające upuszczenie nadmiaru powietrza podczas dławienia silnika;

e) elementy i rozwiązania zapobiegające rozprzestrzenianiu się zaburzeń strumienia powstałych w warstwie przyściennej takie jak: odsysanie warstwy przyściennej i odsunięcie wlotu od kadłuba.

0

6

σ_f

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1

2

3

4

Ma

1

2

3

4

1 - jedna prosta fala uderzeniowa;

2 - jedna prosta i jedna skośna fala uderzeniowa;

3 - jedna prosta i dwie skośne fale uderzeniowe;

4 - jedna prosta i trzy skośne fale uderzeniowe;

1

2

4

5

3

6

odkształcalny klin

stożek

siłownik sterowania stożkiem

osłona

---