Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Afterburner (значения) .
F / A-18 Hornet ВМС США запускается с катапульты на максимальной мощности

Форсажная камера (или подогреватель в Великобритании) - это дополнительный компонент сгорания, используемый в некоторых реактивных двигателях , в основном на военных сверхзвуковых самолетах . Его цель - увеличить тягу , как правило, для сверхзвукового полета , взлета и боя . Дожигание приводит к впрыскиванию дополнительного топлива в камеру сгорания в струйной трубе за ( то есть «после») турбины , «подогревая» выхлопной газ. Форсаж значительно увеличивает тягу в качестве альтернативы использованию более мощного двигателя с сопутствующим уменьшением веса, но за счет очень высокого расхода топлива (уменьшенотопливная эффективность ), что ограничивает его использование короткими периодами. Такое применение повторного нагрева в самолетах контрастирует со значением и реализацией повторного нагрева, применимым к газовым турбинам, приводящим в действие электрические генераторы, и которое снижает потребление топлива. [1]

Реактивные двигатели относятся к мокрым, когда используется дожигание, и сухим, когда нет. [2] Двигатель, производящий максимальную тягу в сухом состоянии, работает на максимальной мощности, в то время как двигатель, обеспечивающий максимальную тягу в сухом состоянии, имеет военную мощность . [3]

Принцип [ править ]

Основной принцип работы форсажной камеры
Задняя часть секционного Rolls-Royce Turbomeca Adour . В центре отчетливо видна форсажная камера с четырьмя кольцами сгорания.
SR-71 Blackbird в полете с двигателями J58 на полном форсажном режиме, с многочисленными алмазами от удара, видимыми в выхлопе.

Тяга реактивного двигателя - это применение принципа реакции Ньютона, при котором двигатель генерирует тягу, потому что увеличивает импульс воздуха, проходящего через него. [4] Тяга зависит от двух вещей: скорости выхлопных газов и массы газа. Реактивный двигатель может создавать большую тягу либо за счет ускорения газа до более высокой скорости, либо за счет выброса большей массы газа из двигателя. [5] При проектировании базового турбореактивного двигателя на основе второго принципа получается турбовентиляторный двигатель.двигатель, который создает меньше газа, но его больше. Турбовентиляторные двигатели обладают высокой топливной экономичностью и могут обеспечивать высокую тягу в течение длительных периодов времени, но конструктивный компромисс заключается в большом размере по сравнению с выходной мощностью. Выработка повышенной мощности с более компактным двигателем в течение коротких периодов времени может быть достигнута с помощью форсажной камеры. Форсажная камера увеличивает тягу в основном за счет ускорения выхлопных газов до более высокой скорости. [6]

Приведенные ниже значения относятся к более раннему реактивному двигателю Pratt & Whitney J57 , неподвижному на взлетно-посадочной полосе [7], и иллюстрируют высокие значения расхода топлива на форсажной камере, температуры газа и тяги по сравнению с показателями двигателя, работающего при температуре ограничения для своей турбины.

Самая высокая температура в двигателе (около 3700 ° F (2040 ° C) [8] ) возникает в камере сгорания, где топливо (8,520 фунтов / ч (3860 кг / ч)) полностью сгорает в относительно небольшой части поступающего воздуха. двигатель. Продукты сгорания должны быть разбавлены воздухом из компрессора, чтобы снизить температуру газа до значения, называемого входной температурой турбины (ТЕТ) (1570 ° F (850 ° C)), что обеспечивает приемлемый срок службы турбины. [9] Имея , чтобы снизить температуру продуктов сгорания с большим количеством является одним из основных ограничений на сколько тяги может быть сгенерирован (10200 фунтов е(45000 Н)). Сжигание всего кислорода, подаваемого компрессором, приведет к созданию температуры (3700 ° F (2040 ° C)), достаточно высокой, чтобы разрушить все на своем пути, но путем смешивания продуктов сгорания с несгоревшим воздухом из компрессора при 600 ° F (316 ° C). ) значительное количество кислорода (соотношение топливо / воздух 0,014 по сравнению со значением 0,0687 без остатка кислорода) все еще доступно для сжигания больших количеств топлива (25000 фунтов / час (11000 кг / час)) на дожигателе. Температура газа падает, когда он проходит через турбину, до 1013 ° F (545 ° C). Камера сгорания дожигателя повторно нагревает газ, но до гораздо более высокой температуры (2540 ° F (1390 ° C)), чем TET (1570 ° F (850 ° C)). В результате повышения температуры в камере сгорания дожигателя газ ускоряется, во-первых, за счет добавления тепла, известного как поток Рэлея., затем соплом до более высокой выходной скорости, чем это происходит без форсажной камеры. Массовый расход также немного увеличивается за счет добавления топлива дожигателя. Тяга с форсажем составляет 16000 фунтов силы (71000 Н).

На видимом выхлопе могут быть видны алмазы от удара , вызванные ударными волнами, образованными из-за небольшой разницы между давлением окружающей среды и давлением выхлопа. Это взаимодействие вызывает колебания диаметра выхлопной струи на коротком расстоянии и приводит к появлению видимых полос там, где давление и температура самые высокие.

Увеличение тяги за счет обогрева байпасного воздуха [ править ]

Приточная камера горения Bristol Siddeley BS100 . В этом двигателе с управляемой тягой повторный нагрев применялся только к двум передним соплам.

Тяга может быть увеличена за счет сжигания топлива в холодном перепускном воздухе турбовентиляторного двигателя вместо смешанных холодного и горячего потоков, как в большинстве турбовентиляторных двигателей с дожиганием.

В одном из первых турбовентиляторных двигателей Pratt & Whitney TF30 с расширенными возможностями использовались отдельные зоны горения для байпасного и основного потоков с тремя из семи концентрических распылительных колец в байпасном потоке. [10] Для сравнения, Rolls-Royce Spey с дожиганием использовал мешалку с двадцатью желобами перед топливными коллекторами.

Камера нагнетания (PCB) была разработана для двигателя Bristol Siddeley BS100 с векторной тягой для двигателя Hawker Siddeley P.1154 . Воздушные потоки холодного байпаса и горячего сердечника разделялись между двумя парами сопел, передней и задней, так же, как в Rolls-Royce Pegasus , а дополнительное топливо и дожигание подавались только на передние сопла. Он обеспечил бы большую взлетную тягу и сверхзвуковые характеристики в самолете, подобном, но большем, чем Hawker Siddeley Harrier . [11]

Канальное отопление использовалось компанией Pratt & Whitney для их предложения с ТРДД JTF17 для сверхзвуковой транспортной программы США в 1964 году, и был запущен демонстрационный двигатель. [12] В канальном нагревателе использовалась кольцевая камера сгорания, и он будет использоваться для взлета, набора высоты и крейсерского полета на скорости 2,7 Маха с различным увеличением в зависимости от веса самолета. [13]

Дизайн [ править ]

Форсаж на британском Eurofighter Typhoon .

Форсажная камера реактивного двигателя - это удлиненная выхлопная секция, содержащая дополнительные топливные форсунки. Поскольку реактивный двигатель, расположенный выше по потоку (то есть перед турбиной), будет использовать мало кислорода, который он получает, дополнительное топливо может быть сожжено после того, как поток газа покинет турбины. При включении форсажной камеры впрыскивается топливо и зажигаются запальники. Результирующий процесс сгорания значительно увеличивает температуру на выходе из форсажной камеры (на входе в сопло ), что приводит к резкому увеличению полезной тяги двигателя. Помимо увеличения температуры торможения на выходе из форсажной камеры , также увеличивается массовый расход сопла (т. Е. Массовый расход на входе в форсажную камеру плюс эффективный расход топлива в форсажной камере), но снижается давление торможения на выходе из форсажной камеры.(из-за фундаментальных потерь из-за нагрева плюс потери на трение и турбулентность). [ необходима цитата ]

Возникающее в результате увеличение объемного расхода на выходе из форсажной камеры компенсируется увеличением площади сечения сопла движителя. В противном случае произойдет повторное согласование вышестоящего турбомашинного оборудования (вероятно, это вызовет остановку компрессора или помпаж вентилятора в турбовентиляторном двигателе ). Первые конструкции, например форсажные камеры Solar, используемые на F7U Cutlass, F-94 Starfire и F-89 Scorpion, имели двухпозиционные сопла для век. [14] Современные конструкции включают не только форсунки VG, но и несколько этапов увеличения с помощью отдельных распылителей.

Для первого порядка отношение полной тяги (дожигание / осушение) прямо пропорционально корню отношения температур застоя по дожигателю (то есть выход / вход).

Ограничения [ править ]

Из-за высокого расхода топлива форсажные камеры используются только для кратковременных требований с высокой тягой. К ним относятся взлет с большой или короткой взлетно-посадочной полосы, помощь в запуске катапульты с авианосцев и во время воздушного боя . Заметным исключением является двигатель Pratt & Whitney J58, используемый в SR-71 Blackbird, который длительное время работал на форсажной камере и заправлялся в полете в рамках каждой разведывательной миссии.

У форсажной камеры ограниченный срок службы, чтобы соответствовать периодическому использованию. J58 был исключением с постоянным рейтингом. Это было достигнуто с помощью термобарьерных покрытий на футеровке и держателях пламени [15], а также путем охлаждения футеровки и сопла воздухом, отбираемым компрессором [16], вместо выхлопных газов турбины.

Эффективность [ править ]

Основная статья: Пропульсивная эффективность

В тепловых двигателях, таких как реактивные двигатели, эффективность наиболее высока, когда сгорание происходит при максимально возможном давлении и температуре и расширяется до давления окружающей среды (см. Цикл Карно ).

Поскольку выхлопной газ уже имеет пониженное содержание кислорода из-за предыдущего сгорания и поскольку топливо не горит в столбе с сильно сжатым воздухом, камера дожигания обычно неэффективна по сравнению с основной камерой сгорания. Эффективность форсажной камеры также значительно снижается, если, как это обычно бывает, давление на входе и в выхлопной трубе уменьшается с увеличением высоты. [ необходима цитата ]

Это ограничение распространяется только на турбореактивные двигатели. В военном боевом турбовентиляторном двигателе перепускной воздух добавляется в выхлоп, тем самым повышая эффективность активной зоны и форсажной камеры. В турбореактивных двигателях коэффициент усиления ограничен 50%, в то время как в турбореактивном двигателе он зависит от коэффициента двухконтурности и может достигать 70%. [17]

Однако, в качестве контрпримера, SR-71 имел приемлемую эффективность на большой высоте в режиме дожигания («мокрый») из-за его высокой скорости ( 3,2 Мах ) и, соответственно, высокого давления из-за забора поршня .

Влияние на выбор цикла [ править ]

Форсаж оказывает значительное влияние на выбор цикла двигателя .

Снижение степени сжатия вентилятора снижает удельную тягу (как сухой, так и мокрый дожиг), но приводит к более низкой температуре на входе в камеру дожигания. Поскольку температура на выходе дожигателя эффективно фиксируется, повышение температуры в установке увеличивается, увеличивая расход топлива дожигателя. Общий расход топлива имеет тенденцию увеличиваться быстрее, чем чистая тяга, что приводит к более высокому удельному расходу топлива (SFC). Однако соответствующая сухая мощность SFC улучшается (т.е. более низкая удельная тяга). Высокий температурный коэффициент форсажной камеры обеспечивает хороший прирост тяги.

Если самолет сжигает большой процент своего топлива при включенной форсажной камере, стоит выбрать цикл двигателя с высокой удельной тягой (т.е. с высокой степенью давления вентилятора / низкой степенью двухконтурности ). Получающийся в результате двигатель относительно экономичен с дожиганием (т. Е. В режиме боевого / взлетного режима), но требует мощности на сухой дороге. Если, однако, использование форсажной камеры будет затруднено, предпочтение будет отдано циклу с низкой удельной силой тяги (низкая степень давления вентилятора / высокая степень перепуска). Такой двигатель имеет хорошее сухое SFC, но плохое SFC на форсаже в режиме боя / взлета.

Часто разработчик двигателя сталкивается с компромиссом между этими двумя крайностями.

История [ править ]

Форсаж МиГ-23

Caproni Campini СС2 мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель , разработанный итальянским инженером Secondo Campini , был первый самолет , чтобы включить дожигатель. Первый полет Caproni Campini CC2 с работающими форсажными камерами состоялся 11 апреля 1941 года. [18] [19]

Ранние британские работы по разогреву включали летные испытания Rolls-Royce W2 / B23 на Gloster Meteor I в конце 1944 года и наземные испытания двигателя Power Jets W2 / 700 в середине 1945 года. Этот двигатель предназначался для проекта сверхзвукового самолета Miles M.52 . [20]

Раннее исследование этой концепции в США было проведено NACA в Кливленде, штат Огайо, в результате чего в январе 1947 года была опубликована статья «Теоретическое исследование увеличения тяги турбореактивных двигателей за счет сжигания выхлопной трубы» [21].

Работа над форсажными двигателями в США в 1948 году привела к установке первых самолетов с прямым крылом, таких как Pirate , Starfire и Scorpion . [22]

Новый турбореактивный двигатель Pratt & Whitney J48 с тягой 8000 фунтов силы (36 кН) с форсажной камерой будет установлен на истребителе Grumman со стреловидным крылом F9F-6 , который должен был пойти в производство. Другие новые истребители ВМС с форсажной камерой включали Chance Vought F7U-3 Cutlass , оснащенный двумя двигателями Westinghouse J46 тягой 27 кН .

В 1950-х годах было разработано несколько крупных двигателей с подогревом, таких как Orenda Iroquois и британские варианты De Havilland Gyron и Rolls-Royce Avon RB.146. Rolls-Royce Avon RB.146 варианты питание на английском электроосвещение , первый сверхзвуковой самолет в службе RAF. Rolls-Royce Olympus Bristol-Siddeley был оборудован системой подогрева для TSR-2 . Эта система была спроектирована и разработана совместно компаниями Bristol Siddeley и Solar из Сан-Диего. [23] Система подогрева для Concorde была разработана Snecma .

Форсажные камеры обычно используются только в военных самолетах и ​​считаются стандартным оборудованием истребителей. Несколько гражданских самолетов, которые использовали их включают некоторые исследовательский самолет НАСА, Туполев Ту-144 , Согласия и Белый Рыцарь из Scaled Composites . Конкорд летал на большие расстояния со сверхзвуковой скоростью. Поддержание высоких скоростей было бы невозможным из-за большого расхода топлива на повторный нагрев, а самолет использовал форсажные камеры на взлете и минимизировал время нахождения в околозвуковом режиме полета с высоким лобовым сопротивлением . Сверхзвуковой полет без форсажных камер называют суперкруизом .

Турбореактивный двигатель оборудован форсажная камера, называется «дожигание турбореактивным», в то время как турбовентиляторный двигатель оборудован аналогичным образом иногда называют «дополненной турбовентиляторным». [ необходима цитата ]

« Выгрузить и сжечь » - это особенность показа авиашоу, где топливо выбрасывается за борт, а затем намеренно воспламеняется с помощью форсажной камеры. Эффектное пламя в сочетании с высокой скоростью делает его популярным для авиашоу или финалом фейерверков . Сброс топлива используется в первую очередь для уменьшения веса самолета, чтобы избежать тяжелой высокоскоростной посадки. За исключением соображений безопасности или чрезвычайных ситуаций, сброс топлива не имеет практического применения.

См. Также [ править ]

  • Ramjet
  • Форсунка

Ссылки [ править ]

  1. ^ Проектирование газовой турбины, компоненты и интеграция системного проектирования, Мейнхард Т. Шобейри, ISBN  978 3 319 58376 1 , стр. 24 декабря
  2. ^ Рональд Д. Флэк (2005). Основы реактивного движения с приложениями . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-81983-0.
  3. ↑ Грэм, Ричард Х. (15 июля 2008 г.). Полеты на SR-71 Blackbird: в кабине на секретной оперативной миссии . Издательская компания МБИ. п. 56. ISBN 9781610600705.
  4. ^ "Общее уравнение тяги" . www.grc.nasa.gov . Проверено 19 марта 2018 года .
  5. ^ Ллойд Дингл; Майкл Х. Тули (23 сентября 2013 г.). Принципы авиастроения . Рутледж. С. 189–. ISBN 978-1-136-07278-9.
  6. ↑ Отис Э. Ланкастер (8 декабря 2015 г.). Реактивные двигатели . Издательство Принстонского университета. С. 176–. ISBN 978-1-4008-7791-1.
  7. ^ Авиационное газотурбинного двигателя и его эксплуатации, № P & W 182408, P & W Инструкцияэксплуатации 200, переработанное декабря 1982, United Technologies Pratt & Whitney, 6-4
  8. ^ AGARD-LS-183, прогнозирование устойчивых и переходных характеристик, май 1982 г., ISBN 92835 0674 X , раздел 2-3 
  9. ^ Зельман Warhaft (1997). Введение в теплогидравлическую инженерию: двигатель и атмосфера . Издательство Кембриджского университета. С. 97–. ISBN 978-0-521-58927-7.
  10. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19720019364.pdf , Схема дожигателя на рис.
  11. ^ "1962 | 2469 | Архив полета" . Flightglobal.com . Проверено 9 ноября 2018 .
  12. ^ Двигатели Пратта и Уитни: техническая история, Джек Коннорс, 2009, ISBN 978 1 60086711 8 . стр.380 
  13. ^ https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/378365.pdf
  14. ^ SAE 871354 «Первая разработка форсажной камеры в США»
  15. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19840004244.pdf , стр.5
  16. ^ http://roadrunnersinternationale.com/pw_tales.htm , стр.3
  17. ^ "Основное исследование форсажной камеры" Ёсиюки Охя, НАСА TT F-13,657
  18. ^ Бутлер, Тони (2019-09-19). Реактивные прототипы Второй мировой войны: программы реактивных самолетов Глостера, Хейнкеля и Капрони Кампини . Bloomsbury Publishing. ISBN  978-1-4728-3597-0.
  19. ^ Алеги, Грегори (2014-01-15). "Медленная горелка Секондо, Кампини Капрони и CC2". Авиационный историк . № 6. Соединенное Королевство. п. 76. ISSN 2051-1930 . 
  20. ^ "Fast Jets - история развития подогрева в Дерби" Сирил Эллиот ISBN 1 872922 20 1 стр. 14,16 
  21. ^ Боханон, Х. Р. "Теоретическое исследование увеличения тяги турбореактивных двигателей за счет сжигания выхлопной трубы" (PDF) . ntrs.nasa.gov .
  22. ^ "Форсаж: Обзор современной американской практики" Flight журнал 21 ноября 1952 p648
  23. ^ "Бристоль / Солнечный повторный нагрев" Летный журнал 20 сентября 1957, стр. 472

Внешние ссылки [ править ]

  • Фотография форсунок для подогрева топлива на Bristol Siddeley Olympus (рисунок внизу слева на странице)
  • "Разогрев выхлопной трубы", летная статья 1949 г.