Экспериментальное исследование аэродинамики сопла с отклоняемым вектором тяги

Том ХЬV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2014

№ 4

УДК 629.7.036.062.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ СОПЛА С ОТКЛОНЯЕМЫМ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

Г. Н. ЛАВРУХИН, Е. Б. СКВОРЦОВ, В. А. ТАЛЫЗИН, С. В. ШЕЛЕХОВА

Представлены результаты экспериментальных исследований физической картины обтекания и аэрогазодинамических характеристик сопла двухконтурного ТРДД с общим смешением потоков I и II контуров при отклонении вектора тяги.

Выявлены некоторые особенности обтекания и изменения характеристик сопла при отклонении струи.

Ключевые слова: двухконтурный двигатель, сопло, отклонение вектора тяги, дозвуковой поток, обтекание, потери тяги, угол отклонения.

Проблема отклонения вектора тяги сопл турбореактивных двигателей достаточно подробно рассмотрена в ряде работ отечественных и зарубежных авторов, что позволило реализовать отклонение вектора тяги на российских и американских боевых самолетах [1 — 7].

Исследуются также вопросы, сочетающие эффекты шумоглушения и отклонения оси струи двухконтурных ТРДД [8], однако эти исследования находятся на начальной стадии.

Двухконтурные двигатели отличаются небольшой скоростью истечения из сопла. При отсутствии практического опыта поворота таких реактивных струй на гражданских самолетах необходимы исследования с целью определения его реализуемости.

Задачей данных исследований стала демонстрация возможности поворота реактивной струи и выявление физической картины обтекания отклоненного сопла ТРДД с большой степенью двухконтурности в условиях обтекания внешним дозвуковым потоком. За основу модели выбрана хорошо исследованная ранее осесимметричная модель сопла ТРДД с общим смешением. Форма модели обеспечила практически безотрывное обтекание неотклоняемого сопла внешним

ВВЕДЕНИЕ

О*

ч,

ЛАВРУХИН Геннадий Николаевич

доктор технических наук, главный научный сотрудник ЦАГИ

СКВОРЦОВ Евгений Борисович

кандидат технических наук, заместитель начальника отделения ЦАГИ

ТАЛЫЗИН Вадим Алексеевич

инженер ЦАГИ

потоком при М« = 0.8 — 0.85. При этом потери тяги сопла на режиме крейсерского дозвукового полета минимальны.

МОДЕЛЬ ПОВОРОТНОГО СОПЛА

Исследованная модель (рис. 1) конструктивно включает три основные части: звуковое реактивное сопло 1; переходник 2, позволяющий отклонять сопло; основа модели 3, закрепляемая

Рис. 1. Модель осесимметричного сопла

на осевой державке 4. Основные геометрические параметры модели: диаметр миделя 100 мм, длина 210 мм, диаметр выходного сечения звукового сопла 55.2 мм. Внешний контур хвостовой части, обеспечивающий безотрывное обтекание неотклоненной модели, имеет угол сужения внешнего контура 20° у среза сопла. Сменные детали — переходники 2 обеспечивали отклонение оси сопла на 3.5°, 7° и 15° от общей оси устройства.

Форма внутреннего канала исследуемой модели не имеет особенностей, поскольку внутренние характеристики звукового сопла хорошо изучены и форма канала перед входом в сопло не является определяющим фактором при оценке тяги сопла.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования модели поворотного сопла проводились в аэродинамической трубе Т-58 ЦАГИ, которая имеет осесимметричное аэродинамическое сопло диаметром рабочей части 400 мм с центральной осевой державкой, на которой закрепляется исследуемая модель. Для имитации реактивной струи к модели подводился сжатый холодный воздух. Рабочий диапазон чисел Маха внешнего потока при исследованиях модели составлял М« = 0 — 0.8, число Рейнольдса — Re£,м «106, относительная толщина турбулентного пограничного слоя перед моделью сопла

5/Дм « 0.1.

При экспериментальных исследованиях проводилась специально разработанная процедура измерения характеристик отклоняемого сопла при наличии и отсутствии внешнего потока. При этом проводилось измерение расхода воздуха через сопло с помощью специального дросселя-расходомера. Измерение сил, действующих на отклоняемое сопло (сопротивление, тяга, эффективная тяга, горизонтальная и вертикальная составляющие сил), производилось с помощью специальных тензовесов.

В ходе измерений определялись:

а) относительное донное давление на срезе сопла при отсутствии реактивной струи

рд = Рд/ р«;

при наличии реактивнои струи:

б) величина вертикальной составляющей силы, действующей на отклоненное сопло, с учетом его внешнего сопротивления

Pn

Pn

ny eff

ny eff

p

1 n id

Рп ^ — идеальная тяга сопла;

в) суммарные потери эффективной тяги отклоненного сопла

Pn

APn eff - 1 p-- 1 -1ijPn2x eff + Pny eff

n id

Pnx eff и Pny eff — соответственно осевая и вертикальная составляющие эффективной тяги;

г) эффективный угол отклонения струи ô f - arctg

Pn

n y eff

Pn

n x eff

Характеристики б) — г) определялись в зависимости от степени понижения давления в ре-

активном сопле nc - p0 j! p х .

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ОБТЕКАНИЯ

Экспериментальные исследования физической картины обтекания отклоненного сопла с использованием метода сажемасляного покрытия позволяют, с одной стороны, выявить особенности обтекания сопла турбулентным дозвуковым потоком, а с другой — объяснить полученные результаты весовых измерений сил, действующих на сопло.

Хвостовая часть модели неотклоненного сопла с углом сужения на срезе 20° обтекается без отрыва внешнего потока. Отклонение оси сопла на 15° приводит к несимметричному обтеканию, когда с «наветренной» стороны внешний поток обтекает поверхность сопла под углом ~ 5°, а с «подветренной» — под углом ~ 35°.

Фотографии обтекания внешней поверхности отклоненного сопла, полученные с использованием сажемасляного покрытия, дают представление о характере обтекания сопла, о форме и размерах отрывной зоны, возникающей на «подветренной» стороне отклоненного сопла. В частности, рис. 2 свидетельствует о безотрывности обтекания отклоненного на 15° сопла без реактивной струи в условиях дозвукового турбулентного потока при Мм = 0.8.

Наличие реактивной струи приводит к возникновению локальной отрывной зоны на «подветренной» стороне у среза отклоненного сопла (рис. 3, 0п = 15°, Мм = 0.8, пс = 2). Размеры этой отрывной зоны зависят от угла отклонения оси сопла 0п, числа Мм набегающего потока и степени понижения давления пс. Увеличение угла 0п,

Рис. 2. Обтекание отклоненного сопла без реактивной струи

Рис. 3. Обтекание отклоненного сопла с реактивной струей

Рис. 4. Донное давление на срезе сопла без реактивной струи

числа М« и пс, как показали исследования, приводит к увеличению размеров отрывной зоны, что сказывается на величине эффективного угла отклонения реактивной струи 5у eff и составляющих тяги сопла (осевой и вертикальной).

СОПЛО БЕЗ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ

Относительное донное давление рд для всех вариантов поворотного сопла несколько возрастает с увеличением М« (рис. 4), что отражает основное свойство безотрывного обтекания

плавно сужающихся частей дозвуковым турбулентным потоком. При отклонении сопла до 5п = 7° донное давление слабо отличается от донного давления неотклоненного сопла, а по своей величине оно больше статического давления в набегающем потоке (рд > 1 ), что также характерно для плавно сужающихся хвостовых частей. Увеличение угла 5п до 15° изменяет обтекание сужающегося сопла и донное давление снижается до уровня рд = 1 ± 0.01. Очевидно,

что это приводит одновременно к увеличению внешнего сопротивления и величины вертикальной составляющей силы, действующей на отклоненное сопло вследствие несимметричности его обтекания внешним потоком. Это коррели-руется с увеличением угла 5п и должно отразиться в изменении эффективного угла отклонения реактивной струи.

СОПЛО БЕЗ ВНЕШНЕГО ПОТОКА

Основные внутренние характеристики сопла, отклоняемого до угла 5п = 15°, без внешнего обтекания определялись при относительном полном давлении (или степени понижения давления) в диапазоне пс = 1.2 4.5. Следует отметить, что исследуемое сопло — звуковое и имеет плавный внутренний контур при отклоненной оси сопла. Поэтому коэффициент расхода сопла, равный 5п = 0.985, в диапазоне 5п = 0 15° практически не изменяется (в пределах 1%). Величина потерь тяги APn (или APnx) исследуемого сопла при пс > 1.89 возрастает с увеличением пс, как у обычного звукового сопла при недорасширении реактивной струи.

С увеличением угла отклонения оси сопла 5п возрастают потери осевой составляющей тяги APn x (соответственно уменьшается коэффициент тяги Pn x), увеличивается вертикальная составляющая Pny и эффективный угол отклонения реактивной струи 5У eff.

Потери тяги сопла APn в диапазоне исследуемых углов отклонения его оси 5п = 0 15° изменяются в диапазоне менее 1% идеальной тяги сопла.

Эффективный угол отклонения вектора тяги 5У eff и вертикальная составляющая тяги практически не зависят от величины пс в исследованном диапазоне до- и сверхзвуковых перепадов в реактивной струе. Кроме того, без внешнего потока эффективный угол отклонения струи 5у eff близок по величине к геометрическому углу отклонения оси 5п, величина вертикальной составляющей тяги Pn y практически пропорциональна sin 5п, а потери осевой составляющей тяги

сопла APnx возрастают в соответствии с величиной (1 - cos 5п).

СОПЛО ПРИ ВНЕШНЕМ ОБТЕКАНИИ

Результаты измерений показали, что внешний поток, как и следовало ожидать, при пс > 1.89 не влияет на коэффициент расхода сопла [3, 4], и он при M« = 0.4 — 0.8 остается практически таким же (fn = 0.985), что и при M« = 0.

Рис. 5. Схема сил, действующих на отклоненное сопло

Весьма интересным результатом является увеличение эффективного угла отклонения струи 5j eff и вертикальной составляющей суммарной силы Pn у eff, действующей на отклоненное сопло

как со стороны реактивной струи, так и от набегающего потока, при увеличении числа М«. Этот эффект наблюдается при всех исследованных значениях угла отклонения оси сопла 5п. Он усиливается с увеличением 5п и связан с рассмотренным выше явлением несимметричного обтекания отклоненного сопла внешним набегающим потоком с образованием отрывных зон на «подветренной» стороне сопла, которое сопровождается появлением дополнительной составляющей вертикальной силы от взаимодействия внешнего потока с реактивной струей в районе отклоненного сопла (рис. 5).

Особенности поворотного сопла при внешнем обтекании состоят в следующем: во-первых, отмечается относительно небольшое увеличение потерь тяги сопла APn eff с увеличением числа

М« набегающего потока (в пределах 1 — 1.5% идеальной тяги сопла); во-вторых, влияние степени понижения давления (при пс > 2) на уровень потерь тяги APn eff невелико.

Следует отметить, что при сверхзвуковых перепадах давления в реактивной струе пс > 2 — 2.5, величины 5j eff и Pn у eff слабо зависят от пс. Увеличение эффективности отклоняемого сопла (т. е. увеличение 5jeff и Pnу eff) при пс < 2

связано с отмеченным выше возрастанием роли сопротивления отклоненного сопла по сравнению с его уменьшающейся идеальной тягой.

Получены также результаты исследования влияния угла отклонения оси сопла 5п на эффективность поворота струи при некотором характерном значении пс = 2.2, характеризующем осредненное значение пс для ТРДД с большой степенью двухконтурности. Эти результаты представлены на рис. 6 в виде зависимости эффективных углов отклонения оси струи 5j eff, вертикальной составляющей тяги Pn у eff и потерь

тяги сопла APn eff от геометрического угла отклонения оси сопла 5п в диапазоне чисел М« = 0 — 0.8.

Следует отметить, что измеренные характеристики поворотного сопла практически линейно возрастают с увеличением 5п.

Уровень потерь тяги сопла APn eff в исследованном диапазоне М« = 0 - 0.8 и углов отклонения Рис. 6. ^ультаты исследовав зависим°сти

эффективного угла поворота оси струи 5,- eff, верти-струи 5J eff несколько возрастает с увеличением М« и кальной составляющей тяги и потерь тяги от угла

отклонения оси сопла 5„

0.3 0.2 0.1 о

5, СП] 10

о

f л eff 0.2

0.8 0.6

м„=о 0.4

///

=2.2 М_-0 1 0.4 О 0.6О 0.8 о

-

10

15

8п, однако это увеличение не превышает 1 — 1.5% идеальной тяги сопла, что характеризует достаточно эффективный поворот струи в канале сопла и относительно небольшое сопротивление его внешнего контура.

Если при Moo = 0 значение Sj eff = 5п, т. е. при отсутствии внешнего потока ось реактивной струи практически совпадает с осью отклоняемого сопла, то при Mo > 0 эффективный угол Sj eff больше геометрического угла отклонения оси сопла 5п. Причем это отличие возрастает с увеличением числа Mo и геометрического угла отклонения оси сопла. Так, при Mo = 0.8 и Sn = 15° эффективный угол отклонения оси струи возрастает до 20°, что на 5° больше геометрического отклонения. При этом соответствующим образом возрастает величина эффективной вертикальной составляющей силы, действующей на поворотное сопло. Это весьма интересный и важный результат для использования в рассматриваемой системе ОВТ.

В связи с полученными ранее данными о безотрывности обтекания рассматриваемого сопла следует ожидать, что полученная эффективность поворотного сопла сохранится вплоть до Mo = 0.82 — 0.85. Рис. 6 качественно и количественно характеризует изменения основных характеристик поворотного сопла в диапазоне пс « 2 ^ 3.5, поскольку в этом исследованном диапазоне пс изменяется достаточно слабо.

ЛИТЕРАТУРА

1. Berrier B. L., Re J. R. A review of thrust vectoring schemes for fighter aircraft // AIAA Paper 78-1023, 1978.

2.Drevillion R. F. Vectored thrust nozzle for future combat aircraft // ISABE-83, 1983, p. 510 — 518.

3. Лаврухин Г. Н., Полищук Г. И. Сопла вертикально взлетающих самолетов и самолетов с коротким взлетом и посадкой (по материалам иностранной печати за 1970 — 1980 гг.) // Обзор ОНТИ ЦАГИ, 1982, № 608.

4. Лаврухин Г. Н., Плоцкий А. И. Сопла самолетов 90-х годов (по материалам открытой иностранной печати за 1978—1983 гг.) // Обзор ОНТИ ЦАГИ, 1985, № 655.

5. Павленко В. Ф. Силовые установки с поворотом вектора тяги в полете. — М.: Машиностроение, 1987.

6. Святогоров А. А., Попов К. Н., Хвостов Н. И. Устройства для отклонения реактивной струи турбореактивных двигателей. — М.: Машиностроение, 1968.

7. Лаврухин Г. Н. Аэрогазодинамика реактивных сопел. Т. I. Внутренние характеристики сопел. — М.: Физматлит, 2003.

8. Алексенцев А. А., Бекурин Д. Б., Власов Е. В., Иноземцев А. А., Лаврухин Г. Н., Падучев А. П., Умпелева О. А. Исследование характеристик сопла ТРДД с регулируемыми шевронами // Ученые записки ЦАГИ. 2009. Т. XL, № 6, с. 14 — 21.

Рукопись поступила 20/III2013 г.