Waarom zijn verstuivers met verstelbare straalspuitmast meestal beperkt tot militair gebruik?

21

Het lijkt erop dat alleen straalmotoren met naverbranders gebruik maken van sproeiers met instelbaar gebied (dit betekent dat u de area van de nozzle maar niet noodzakelijkerwijs de richting ). Dit omvat de meeste straaljagers, evenals bommenwerpers zoals de B-1B en Tu-160. Buiten de militaire of naverbrandingsmotoren lijken ze niet te worden gebruikt, zelfs niet voor kleinere motoren.

Wat is de reden hiervoor? Is het concept van de Variable Area Fan Nozzle (VAFN) gerelateerd?

Wikipedia legt uit dat het gerelateerd is aan supersonische operaties; Ik zoek een meer gedetailleerde uitleg over de redenen hiervoor.

    
reeks fooot 13.11.2014 / 21:15

7 antwoord

20

Een sproeier met variabel oppervlak helpt om de uitlaatdruk van de verbrandingsgassen af te stellen op de omgevingsdruk. Wanneer ze de turbine verlaten, hebben de verbrandingsgassen nog steeds enige resterende druk die wordt omgezet in snelheid door een convergerende contour van de spuitmond.

Als de verbrandingsgassen voldoende druk hebben om te worden versneld tot supersonische snelheid, is het mondstuk eigenlijk eerst convergent en vervolgens divergerend om de beste versnelling van de stroom te bereiken. De convergente, subsonische stroom versnelt totdat in de sectie met het kleinste gebied, de keel genoemd, de snelheid van het geluid wordt bereikt, en de volgende divergerende sectie de nu supersonische stroming verder versnelt totdat de druk ervan daalt tot omgevingsdruk. Dit conische mondstuk moet zowel de dwarsdoorsnede van de keel als de dwarsdoorsnede van het uitgangsgebied aanpassen. Het niet juist krijgen van de keelhoek rechts betekent aanzienlijk stuwkrachtverlies tijdens de operatie.

Afterburning-motorenhebbenaanpasbarenozzlesnodigvanwegedeverschillendebedrijfsomstandighedenindedrogeennattemodus,duszeprofiterenhetmeestvanverstelbarenozzles.Hetopnieuwverwarmenvandeuitlaatgassenbetekentdathetvolumeervanwordtverhoogd,zodathetmondstukbredermoetwordenomopdejuistewijzetewordenaangepast.Inhetalgemeenis,alsdeuittredesnelheidvandeverbrandingsgassensupersonischis,eeninstelbaarmondstukvereist.Zelfssommigevroegejetszondernaverbrandershaddeneenverstelbaarmondstuk:decentralekegelvanhet Jumo-004 -mondstuk kon voor en achter worden verplaatst , die de locatie van het bolvormige achterschip veranderde, om de keel goed te krijgen. Merk op de onderstaande afbeelding op dat de dwarsdoorsnede zich in het laatste deel van de spuitmond nog verder verbreedt, wat aangeeft dat de uitlaatgasstroom van de Jumo-motor mild supersonisch was.

Airliner-motorenzoudenslechtsweinigbaathebbenbijeenverstelbaarmondstuk,engeziendemassaletoenamevaneenvollediginstelbaarmondstukzouditintotaaleenlagerrendementhebben.Hunuitgangssnelheidisnogsteedssubsonisch-houderrekeningmeedatdegeluidssnelheidinhetverwarmdeverbrandingsgasveelhogeris.Bij500°Cisdegeluidssnelheidbijna560m/s.

Hetventilatormondstukmetvariabeloppervlakprobeertvoordeventilatorstroomtedoenwathetnormalemondstukdoetvoordekernstroomvaneenstraal.Dusditisinderdaadeengerelateerdconcept.DeafbeeldinghieronderisgekopieerdvanhetAmerikaanseoctrooi2011/0302907A1entoonteeninstelbaareindgedeeltevandekap(gearceerd,54).Hoeweldeuitgangssnelheidvandeventilatorstroomsubsonischis,isdemassastroomveelhogerdandievandekerninvliegtuigmotoren.Doordeuitgangsdrukaantepassendoorhetuitgangsgebiedtevariëren,kanhetenkeleprestatiewinstenwegnemen.

    
antwoord gegeven 13.11.2014 / 21:44
16

Hoewel ik geen ingenieur ben, vlieg ik met regelbare nozzles in vliegtuigen en kan ik misschien enig licht werpen op hun basisprincipe van de bediening:

Doel

Het doel van het mondstuk, in subsone stroom, is om de luchtstroom te vernauwen, waardoor de stuwkracht aanzienlijk toeneemt als het de motor verlaat (technisch gezien, zet het het gas om in een stuwkracht, waardoor de gasgenerator een straalmotor wordt. ) Als er geen spuitmond was, zou het gas dat de turbine verlaat, niet bijna dezelfde stuwkracht hebben als uit de rug komt, net als wanneer de spuitmond het toelaat. Je kunt het zien als het plaatsen van je duim over het uiteinde van een slang, de stroom gaat veel sneller omdat je de waterstroom beperkt. Technisch gezien neemt de stroomsnelheid toe terwijl de werkelijke druk afneemt - het venturi-effect. Tijdens naverbrandingswerkzaamheden hebben de spuitmonden echter het omgekeerde effect en het sluiten ervan vermindert feitelijk de stroomsnelheid. Tijdens de supersonische stroom gaan dus de spuitkoppen open.

Operation

De gashendel op een jet naar voren schuiven doet een paar dingen, het verhoogt de brandstof, creëert meer gas en beperkt ook de nozzles. Tijdens taxibedrijven, zou ik veronderstellen dat de mondstukken die beperkend zijn, terwijl u van de stationaire stops afkomt, meer effect hebben op de jetbeweging dan de werkelijke toename in N2. Sterker nog, als de sproeiers niet goed zouden worden beperkt en plotseling zouden openen tijdens de vlucht, zou de straal uit de lucht vallen. Het is een echte noodsituatie die we in de praktijk brengen, omdat er soms sproeiers zullen werken die in het ergste geval twee nutteloze motoren kunnen achterlaten. Echter, zoals bij de meeste dingen, is er een voorbehoud. Bij gebruik in de naverbrander gaan de spuitmonden weer open. Sproeiers die vastzitten gesloten in AB hebben hetzelfde effect als sproeiers die in mil zijn opengestoken - je wordt een baksteen. Dus in wezen zijn spuitmonden alleen nodig als uw motor in staat is om te verbranden en een supersone stroom te genereren. U kunt geen stuwkracht genereren met open spuitmonden onder de brander en u kunt geen stuwkracht genereren met gesloten spuitmonden in de brander. Het is gewoon meer complexiteit dat niet-AB-motoren niet nodig hebben, en meer dat tijdens de vlucht kan falen.

Efficiency

Als er een reden was waarom commerciële vliegtuigen niet dezelfde motoren hebben als wij, zou dit het zijn. Met uitzondering van zeer inefficiënte turbojetmotoren, zijn bijna alle commerciële vliegtuigen uitgerust met turbofanmotoren, high-bypass turbofans om precies te zijn. Zonder in het onkruid te kruipen, laat de high-bypass-stroom die wordt gebruikt in moderne motoren hen toe om veel efficiënter te werken dan onze motoren. Met een high-bypass-motor blijft alle flow subsonisch en een vaste uitlaat is niet alleen zuiniger, maar ook veiliger omdat hij de stuwkracht niet kan openen en verminderen. Jachtvliegtuigen gebruiken ook turbofans, maar die van ons zijn low-bypass en verbruiken veel meer brandstof dan onze civiele tegenhangers. Het voordeel is dat we ook in een veel diversere omgeving kunnen werken: hoge AoA's, supersonische flow, snelle stroomfluctuaties, enz ... Gezien onze missie is de afweging tussen verloren efficiëntie en prestatiewinst logisch. Ter referentie, op de Super Hornet branden onze motoren meer dan 38.000pph bij MAX. Dit soort inefficiëntie zou een luchtvaartmaatschappij snel failliet laten gaan, omdat ze gewoon niet dezelfde operationele vereisten hebben. Toegegeven, we vliegen niet altijd MAX rond, maar je snapt het wel.

    
antwoord gegeven 14.11.2014 / 01:58
4

Peter Kämpf gaf al een goed lang antwoord met mooie diagrammen. tl; dr, het ding komt neer op subsonische en supersonische flow anders gedraagt. Het doel is om de uitlaatsnelheid te verhogen. Voor subsonische flow bereik je dat door het te beperken, maar voor supersonische stream moet je het uitbreiden. Dus supersonische motoren (en supersonische uitlaatsnelheid wordt zelden bereikt zonder naverbrander) hebben mondstuk met variabel oppervlak nodig, subsonische motoren (alle motoren voor vliegtuigmotoren behalve Concorde) niet.

    
antwoord gegeven 14.11.2014 / 11:22
2

Lijkt me dat je eigen link het antwoord geeft:

Non-afterburning subsonic engines have nozzles of a fixed size because the changes in engine performance with altitude and subsonic flight speeds are acceptable with a fixed nozzle. This is not the case at supersonic speeds as described for the Concorde in section "Nozzle area control during dry operation".

    
antwoord gegeven 13.11.2014 / 21:41
1

Dat verstelbare mondstuk biedt stuwkrachtvectoring . Dit is het meest effectief aan de achterkant van het vliegtuig, ver van het massamiddelpunt, waar ze assistentie bieden bij stapelen en gieren.

Dus met de motoren onder de vleugel zou het alleen maar helpen met rollen. Pitch en yaw worden niet geholpen in die configuratie en de bestaande rolroeren zijn daarvoor meer dan voldoende.

Het mechanisme is een complex en zwaar mechanisme dat onderhoud en extra brandstof nodig heeft om mee te nemen.

De meeste (allemaal sinds de concorde) commerciële vliegtuigen zijn subsonische vliegers waarbij de verandering in atmosferische omstandigheden het effect van het mondstukgebied niet genoeg verandert om de extra complexiteit te rechtvaardigen.

    
antwoord gegeven 13.11.2014 / 21:27
0

Een ding dat tot nu toe niet genoemd of overwogen is, is dat wanneer de straalbuismondstuk van gebied verandert de statische druk erin zal veranderen. Dientengevolge zal ook het drukverschil over de L.P.-turbine (uitgaande van een dubbele of drievoudige spoelmotor) veranderen. Dit versnelt of vertraagt de L.P.-compressor.

    
antwoord gegeven 23.10.2015 / 18:35
0

Dus u vraagt: "Waarom gebruiken straalmotoren met naverbranders sproeikoppen met een variabel oppervlak?"

Dergelijke motoren kunnen voor militair of commercieel gebruik zijn, maar worden gebruikt om het vliegtuig supersonisch voort te stuwen. De Concorde was een voorbeeld van een niet-militair supersonisch vliegtuig waarvan de motoren naverbrand waren.

Er is één basisreden waarom het spuitmondgebied verandert en het is "om de luchtstroom van de motor te handhaven."

Spuitkanaalprestaties voor convergerende spuitmond:

Een nozzleprestatiecodering toont de stroomparameter - Wg · Sqrt (Tt) / [Pt · A] - versus mondstukdrukverhouding - Pt8 / Ps8 waarbij:
    Wg = luchtstroom, plus verbranding door producten, vandaar aangetaste lucht
    Tt = totale temperatuur
    Pt = totale druk
    A = gebied bij mondstuk keel
    Pt8 = totale druk bij het mondstuk keel
    Ps8 = statische druk bij de hals van het mondstuk

bereikt een maximum bij M = 1 (nozzle-keel Mach-nummer = 1).

De waarde van de stroomparameter is ongeveer 0,5318. Wg Sqrt (Tt) / [Pt A] = f (M, k, R), waar | k = specifieke warmteverhouding,
R = gasconstante

Zonder naverbrander

Tijdens droog bedrijf op 'militair vermogen' staat de motor op het ontwerppunt, op 100% compressorsnelheid, & turbine ontwerppunt als de compressor & turbine zijn ontworpen om een goed matchpunt te hebben (thermodynamisch en aerodynamisch).

Op dit punt is de stroomparameter bij de mond van het mondstuk op zijn maximum ~ = 0.5318.

Met Afterburner

Als de naverbrander wordt gestart, neemt de totale temperatuur in het mondstuk, Tt8, sterk toe. Stel dat de temp verdubbelt?
dan Sqrt (2 · Tt8) = 1,4 · Sqrt (Tt8), en je hebt 1,4 keer de gesmoorde stroomparameter bij de keel.

Maar de stroomparameter kan niet toenemen, dus wat er gebeurt, is dat de luchtstroom met een factor 1,4 afneemt. En waar komt deze luchtstroming vandaan? Vanaf de turbine-uitgang, die afkomstig is van de branderuitgang, die afkomstig is van de compressoruitgang, die afkomstig is van de compressorinlaat.

Wat gebeurt er daarna? Een motorstoot als de FADEC (volledige elektronische elektronische regeling van de autoriteit) probeert de rotorsnelheid van de compressor te behouden door de brandstofstroom naar de brander te verhogen om de turbineproductie te vergroten. Eigenlijk kan dit resulteren in een oververhitting van de turbine, dus moet de FADEC de vraag verminderen.

Naast verlichting van de naverbrander waardoor Tt8 toeneemt, veroorzaakt dit een afname van Pt8 ... er is een drukdaling die het gevolg is van de verwarming. Dit is een Rayleigh-proces en verklaart de 'hete verliezen'. In een A / B (naverbrander) zijn er wrijvings- of koudeverliezen, maar deze zijn minimaal in vergelijking met de hete verliezen. Deze totale drukverliezen zorgen er ook voor dat de stroomparameter toeneemt, omdat Pt in de noemer flowparameter staat en bijdraagt aan het verlies van luchtstroom.

De oplossing voor het probleem van een hogere Tt en lagere Pt die de straalpijpstroom beperkt, is om het mondstukoppervlak te vergroten - dan zijn alle andere componenten van de motor gelukkig. Ook blij is de piloot die jaagt of wordt achtervolgd door een tegenstander, en die niet wil dat een raket zijn uitlaat afvuurt omdat zijn motor op hem is afgestaan.

Over het divergerende deel van het mondstuk - het is om de gassen uit te breiden tot bijna omgevingstemperatuur en meer stuwkracht te verkrijgen.

    
antwoord gegeven 07.07.2016 / 22:58