Почему регулируемые сопла реактивного двигателя зоны главным образом ограничены к военной пользе?

Сопло переменной площади помогает регулировать выходное давление газов сгорания до давления окружающей среды. Когда они покидают турбину, газообразные продукты сгорания имеют еще некоторое остаточное давление, которое преобразуется в скорость сходящимся контуром сопла.

Если газообразные продукты сгорания имеют достаточное давление для ускорения до сверхзвуковой скорости, сопло сначала сходится, а затем расходится для достижения наилучшего ускорения потока. Сходящийся, дозвуковой поток ускоряется до тех пор, пока в секции с наименьшей площадью, называемой горлом, не будет достигнута скорость звука, а следующая расходящаяся секция ускоряет теперь сверхзвуковой поток дальше, пока его давление не упадет до давления окружающей среды. Это кон-Ди-сопло нужно отрегулировать и поперечное сечение горла и поперечное сечение зоны выхода. Отказ получить специально право зоны горла значит существенную потерю тяги в деятельности.

Двигатели дожигания нуждаются в адаптируемых соплах из-за различных условий работы в сухом и влажном режиме, поэтому они больше всего выигрывают от регулируемых сопел. Повторный нагрев выхлопного газа означает увеличение его объема, поэтому сопло должно стать шире, чтобы быть правильно подобранным. В общем, если скорость выхода газов сгорания сверхзвуковая, требуется регулируемое сопло. Даже некоторые ранние двигатели без форсунок имели регулируемое сопло: центральный конус Jumo-004 сопло можно было перемещать вперед и назад, что меняло расположение луковичной кормовой части, помогая правильно получить область горла. Обратите внимание, что на рисунке ниже поперечное сечение снова расширяется в последней части сопла, что показывает, что поток выхлопных газов двигателя Jumo был слегка сверхзвуковым.

Двигатели авиалайнера только получили бы немного от регулируемого сопла, и, учитывая увеличение массы полностью регулируемого сопла, в общей сложности имели бы более низкую эффективность. Ближнемагистральные самолеты обычно имеют геометрию сопла, оптимизированную для работы в полевых условиях, в то время как дальнемагистральные самолеты предпочитают оптимизировать для лучшей эффективности круиза. Их скорость выхода потока ядра все еще дозвуковая или только слегка сверхзвуковая — обратите внимание, что скорость звука в нагретом газе сгорания намного выше. При 500°C скорость звука составляет почти 560 м/с.

Сопло вентилятора переменной площади пытается сделать для потока вентилятора то, что обычное сопло делает для основного потока струи. Таким образом, это действительно связанная концепция и помогает оптимизировать производительность как на низкой, так и на высокой скорости. Изображение ниже скопировано от патента США 2011 / 0302907A1 и показывает регулируемую часть конца капота (crosshatched, 54). Скорость выхода потока вентилятора дозвуковая на взлете и слегка сверхзвуковая в круизе, и поскольку ее массовый поток намного выше, чем у ядра в двигателях авиалайнера, что делает переменную сопло окупается раньше. Путем регулировать давление выхода путем изменять выходную область он может сжать вне некоторые увеличения представления.

Хотя я не инженер, я летаю на самолетах с регулируемыми соплами, и я могу пролить свет на их основной принцип работы:

Цель

Цель сопла, в дозвуковом потоке, состоит в том, чтобы сжать воздушный поток, таким образом значительно увеличивая тягу, поскольку это оставляет двигатель (технически говоря, это преобразовывает газ в тягу, таким образом делая газогенератор реактивным двигателем.) Если бы не было сопла, то газ, выходящий из турбины, не имел бы почти такой же тяги, выходящей из спины, как при ограничении сопла. Вы можете думать об этом, как положить большой палец на конец шланга, поток намного быстрее, как вы ограничить поток воды. Более технически, скорость подачи увеличивает пока фактическое давление уменьшает—влияние venturi. Однако во время операций дожигания форсунки имеют обратный эффект, и их закрытие фактически снижает скорость потока. Таким образом, во время сверхзвукового потока сопла фактически открываются.

Операция

Перемещение дроссельной заслонки вперед на струе делает несколько вещей, увеличивает топливо, создает больше газа, а также ограничивает сопла. Во время операций такси я бы предположил, что сопла, ограничивающие, когда вы отрываетесь от холостых остановок, оказывают большее влияние на движение струи, чем фактическое увеличение N2. Фактически, если бы сопла не были ограничены должным образом и внезапно открыты во время полета, самолет упал бы с неба. Это настоящая чрезвычайная ситуация, которую мы практикуем, потому что иногда сопла будут работать неправильно, что в худшем случае может оставить вас с двумя бесполезными двигателями. Однако, как и в большинстве вещей, есть один нюанс. При работе в форсажной камере форсунки снова открываются. Сопла, которые застревают в AB, имеют тот же эффект, что и сопла, которые застревают в mil, — вы становитесь кирпичом. Таким образом, сопла необходимы только в том случае, если ваш двигатель способен дожигать и генерировать сверхзвуковой поток. Вы не можете произвести тягу с открытыми соплами под горелкой, и вы не можете произвести тягу с закрытыми соплами в горелке. Его просто больше сложности, что не-AB двигатели не нужны, и больше, что может потерпеть неудачу в полете.

Эффективность

Если бы была какая-то причина, почему коммерческие самолеты не имеют тех же двигателей, что и мы, это было бы так. За исключением крайне неэффективных турбореактивных двигателей, почти все коммерческие самолеты оснащены турбовентиляторными двигателями, точнее, турбовентиляторами с высоким байпасом. Без попадания в сорняки, высокий байпасный поток, используемый в современных двигателях, позволяет им работать намного эффективнее, чем наши двигатели. С двигателем с высоким байпасом весь поток останется дозвуковым, а фиксированный выхлоп не только более экономичен, но и безопаснее, потому что он не может открыть и уменьшить тягу. Истребители также используют турбореактивные двигатели, однако наши малообходные и потребляют гораздо больше топлива, чем наши гражданские аналоги. Преимущество в том, что мы также можем работать в гораздо более разнообразной среде: высокий AoA, сверхзвуковой поток, быстрые колебания мощности и т. д… Учитывая нашу миссию, компромисс между потерей эффективности и повышением производительности имеет смысл. Для справки, на Super Hornet наши двигатели горят более 38 000 pph при макс. Такая неэффективность быстро обанкротила бы авиакомпанию, потому что у них просто нет таких же эксплуатационных требований. Конечно, мы не летаем вокруг Макса все время, но вы поняли идею.

Петер Кэмпф уже дал хороший длинный ответ с хорошими диаграммами. tl; dr, дело сводится к дозвуковому и сверхзвуковому потоку, который ведет себя по-разному. Цель состоит в том, чтобы увеличить скорость выхлопа. Для дозвукового потока вы достигаете этого, ограничивая его, но для сверхзвукового потока вы должны его расширить. Таким образом, сверхзвуковые двигатели (и сверхзвуковая скорость выхлопа редко достигается без форсажа) нуждаются в сопле переменной площади, дозвуковые (все двигатели авиалайнера, кроме Concorde) нет.

Мне кажется, ваша собственная ссылка дает ответ:

Не дожигающие дозвуковые двигатели имеют сопла фиксированного размера, поскольку изменение характеристик двигателя при высотном и дозвуковом полете скорости приемлемы с фиксированным соплом. Это не тот случай сверхзвуковые скорости, как описано для Concorde в разделе » сопло контроль площади при сухой эксплуатации».

Это регулируемое сопло обеспечивает векторизацию тяги . Это наиболее эффективно в задней части самолета далеко от центра масс, где они обеспечивают помощь с тангажом и рысканием.

Таким образом, с двигателями под крылом это помогло бы только с рулоном. Шаг и рыскание не помогают в этой конфигурации, и существующих элеронов более чем достаточно для этого.

Механизм сложный и тяжелый механизм которому нужно обслуживание и дополнительное топливо принести вперед.

Большинство (все со времен concorde) коммерческих самолетов являются дозвуковыми летчиками, где изменение атмосферных условий не изменяет влияние площади сопла достаточно, чтобы гарантировать дополнительную сложность.