5-2 USISNICI MOTORA

5-2-1 Zahtjevi na konstrukciju usisnika turbomalznog motora

Svi tipovi usisnika mlaznih motora za zrakoplovnu propulziju trebaju osigurati:

maksimalni povrat tlaka (tj. pretvorbu kinetičke enrgije u tlak); stabilni tok zraka, neosjetljiv na promjenu smjera kretanja (tj. ulazni napadni kut) i

promjenu brzine; korektan i uniforman maseni tok po ulaznom presjeku kompresora motora; minimalni otpor; minimalnu buku od ventilatora i kompresora.

Ti zahtjevi trebaju se realizirati za cjelokupno područje brzina, visina letenja i položaje zrakoplova, te pri procesu ubrzavanja i usporavanja motora.

Primarni zahtjev je sadržan u difuziji brzine ili povećanju tlaka, iznad vrijednosti tlaka okolišnje slobodne struje. Usisnik motora, bilo podzvučni ili nadzvučni je u suštini ulazni difuzor (dfifuzija brzine podrazumjeva povećanje tlaka), jer je brzina na ulazu u kompresor najčešće manja od brzine letenja. U svim slučajevima uspješnost difuzije brzine u usisniku, pri čemu su ulazni gubitci minimalni, može se mjeriti gubicima zaustavnog tlaka p0 ili omjerom zaustavnog tlaka nakon kompresije u usisniku i zaustavnog tlaka slobodne struje:

. (5-1-11a)

za male Machove brojeve na izlazu iz usisnika

za velike Machove brojeve na izlazu iz usisnika kada se pr i por znatno razlikuju

1

Za izentropsku kompresiju bez gubitaka, zaustavni tlak slobodne struje isti je na ulazu i

izlazu iz usisnika. Općenitiji oblik jedn. (5-1-11a) uzima u obzir krajnje stanje

kod nekog proizvoljno visokog Machovog broja na izlazu. U tom će slučaju postojati velika razlika između izlaznog statičkog tlaka pr i izlaznog zaustavnog tlaka p0r, te

jednadžba .(5-1-11b) neće biti primjenjiva.

Ako ne postoje toplinski disipativni gubici, npr. zračenjem, provođenjem ili konvekcijom, proces kompresije u usisniku 1 - r je izoenergetski. Prema tome zaustavna temperatura uslijed kompresije u usisniku bit će uvijek dana vrijednošću zaustavne temperature slobodne struje T01 bez obzira postojali ili ne gubici zaustavnog tlaka:

T

TM01

1121

1

2

, (5-2-1)

gdje su: M1 - Machov broj slobodne struje odnosno letenja. U kontekstu predhodne slike, T01=Tr, dok ne postane Vr 0 (brzina leta je nula), kada T1 = T01 =Tr. Kod izentropske kompresije u usisniku, izlazni ili zaustavni tlak nakon kompresije u usisniku p0r ima istu vrijednost kao i slobodna struja p01, koji je dan s jednadžbom:

2

p

p

T

TM01

1

01

1

1

12 1

11

2

. (5-2-2)

Kod izentropske difuzija brzine u usisniku iskoristivost usisnika difuzora D = 1. Realni procesi kompresije u usisniku imaju iskoristivost difuzora manju od jedinice. Iskoristivost se može definirati kao omjer stvarnog zaustavnog tlaka nakon kompresije u usisniku p0r

i zaustavnog tlaka slobodne struje p01 (usporediti s jedn.(5-1-11a)):

Drp

p 0

01

. (5-2-3)

Konstrukcijom usisnika treba težiti iskoristivosti D što je moguće bliže jedinici, jasno zadovoljavajući ostale konstrukcijske i eksploatacijske zahtjeve.

Očuvanje masenog toka bit će u pravilu zadovoljeno. Izuzeci se mogu javiti zbog potreba za zrakom od strane pomoćnih sustava, ili kod jako niskih brzina letenja, kada ulazni presjek usisnika nije dovoljan za potrebne količine zraka. Također kod nadzvučnih i jako nadzvučnih brzina letenja su potrebni sekundarni tokovi zraka za stabiliziranje djelovanja udarnog vala i graničnog sloja u usisniku.

3

5-2-2 Podzvučni usisnici

Bez obzira dali konstrukcija zrakoplova zahtjeva slobodno ovješen motor ili njegovu integraciju u strukturu zrakoplova, u smislu ugradbe u krilo ili trup, usisnik treba zadovoljiti osnovna geometrijska obilježja kako je prikazano na sl.5-2-1. Ona su:

1. Konačni polumjer ruba ("usnice") osigurava određene pogodnosti u vanprojektnom režimu rada, kao na primjer pri promjeni pravca leta, i podržava s unutarnje strane ruba jaki potlak. S jedne strane to je bitno da bi se osiguralo nastajanja udarnog vala unutar kanala a s druge strane da se svede na minimum nizvodni prirast tlaka koji negativno djeluje na stabilnost graničnog sloja u kanalu.

2. Difuzija brzine povećanjem površine poprečnog presjeka od ulaza u kanal usisnika do ulaza u kompresor motora.

3. Kontrola graničnog sloja u kanalu pri nepovoljnom (pozitivnom) gradijentu tlaka, postavljanjem ograničenja na nagib stijenki kanala (kuta divergencije).

4. Vanjski profil oblikovan tako da sprečava nastajanje udarnih valova i ima minimalni otpor.

Sl. 5-2-1 Bitni zahtjevi na geometriju podzvučnih usisnika: 1 - polumjer ruba ("usnice"); 2 - ulaz u kompresor motora;3 - profil difuzora; 4 - vanjski oblik

Usisnik Pitot tipa kod slobodno ovješenog motora ili usisnik u nosu trupa mogu osigurati najviše vrijednosti iskoristivosti difuzora D, do 98 %. Ona će se smanjiti kod znatne promjene pravca leta ili napadnog kuta. Da bi imao istu vrijednost za čitavo normalno područje napadnih kuteva, usisnik mora biti postavljen tako da je gornji brid povrh donjeg brida naklonjen pod kutem obzirom na središte oboda. Sličan oblik ulaza je kod usisnika motora ugrađenog u u napadnom bridu krila. Taj oblik ulaza je dosta otežano

4

optimirati zbog jakog utjecaja polja tlaka samoga krila, a sam usisnik također čini kanal unutar geometrije i strukture krila.

Drugi oblici usisnika podrazumijevaju usisnik na spoju krilo - trup i usisnik na boku trupa, kada je smješten na vrhu, dnu ili sa strane trupa. Duljina i opstrujavana površina trupa ispred usisnika su značajni za karakteristike usisnika, budući je potrebno udaljiti granični sloj koji se razvija na trupu ispred usisnika, kao i položaj usisnika s obzirom na uzdužnu poziciju krila na trupu. Ispitivanja u zračnom tunelu su potrebna zbog određivanja D za uvjete čitavog radnog područja (Hawkins, 1976). Takvi usisnici mogu postići iskoristivost D oko 90 %.

Pretpostavljena iskoristivost usisnika D niža od 100 %, nije samo zbog gubitka zaustavnog tlaka p0 već tok može pokazivati nepoželjnu razdiobu tlaka i brzina po površini ulaznog presjeka u kompresor motora, kao što su kolebanja i odstupanja brzine struje zraka po iznosu i smjeru (Seddon i Goldsmith, 1985).

Zahtjevi masenog toka će uvjetovati, za čitavo područje brzina leta, od nule do maksimalne, različite oblike strujne cijevi. U projektnim uvjetima pri brzini krstarenja, bit će poželjno da strujna cijev ima gotovo konstantnu površinu poprečnog presjeka, pa će vanjski i unutarnji potlak kod ulaznog brida ("usnice"), bit minimalan. Za brzine leta veće od projektne brzine, strujna cijev ulaznog masenog toka se širi kako se približava usisniku, te se javlja dodatna vanjska kompresija ispred usisnika (sl. 5-2-2). Unutarnji potlak uz ulazni brid bit će niži zbog nižih brzina uz brid, dok vanjski potlak uz ulazni brid nastaje zbog ubrzavanja zraka. To može prouzrokovati vanjsko odvajanje ili nastajanje lokalnih područja nadzvučnog toka s pratećim problemima udarnih valova i graničnog sloja, koji imaju tendenciju povećanja otpora usisnika. Ispod projektnih brzina letenja, poprečni presjek zraka zahvaćen usisnikom veći je od presjek usisnika i povećava se sa smanjenjem brzine letenja. Sužavanje strujne cijevi, zbog povećanja brzine, uvjetuje niže tlakove pred usisnikom. To smanjenje tlaka raste s smanjenjem brzina leta i pridonosi pojavi odvajanja u usisniku što smanjuje D usisnika. Preporučljive vrijednosti za polovicu kuta divergencije kanala su (1-M2)50, gdje M je Machov broj.

Sl. 5-2-2 Oblik presjeka strujne cijevi kod podzvučnog usisnika

5-2-3 Nadzvučni usisnici

Glavi zadatak nadzvučnog usisnika, kao i kod podzvučnog, je povrat zaustavnog tlaka slobodne struje. To je također proces difuzije brzine pa se i ovdje usisnici nazivaju difuzorima. Potpuni izentropski tlak nakon kompresije u usisniku, pram, je dan jednadžbom:

5

p

p

p

pram

1

01

1

, (5-2-4)

gdje: p1 je statički tlak slobodne struje ili tlak okoliša; p01 je totalni ili zaustavni tlak slobodne struje, dan s jedn.(5-5-2). Iskoristivost difuzora D, dana jedn.(5-2-3), može tada biti 1,0. Kod nadzvučnih brzina letenja, ostvarivanje izentropske difuzije brzine, ipak nije moguće iz sljedećih razloga:

1. Svaki Machov broj letenja zahtjeva svoj vlastiti zasebni oblik difuzora. Zbog uloge usisnika kod promjenjivog Machovog broja zahtjeva se promjenjiva geometrija složenog konkavnog profila. Posljedice neadekvatnog oblika difuzora kod nekog Machovog broja su pojava udarnih valova i velik otpor, što sve utječe na iskoristivosti difuzora D.

2. Pored toga, odgovarajuće odstupanje od smjera toka uvjetuje neprihvatljivo visok otpor vanjskog udarnog vala kod vanjske difuzije brzine. To se može vidjeti na sl. 5-2-3b kod difuzora sa središnjim konusom (Oswatitsch, 1947), koji koristi vanjsku kompresiju na konusu.

3. Daljnja poteškoća se javlja u stabilnosti strujanja kroz nadzvučne difuzore, u kojima se nadzvučni tok usporava u konvergentnim dijelovima kanala pri čemu se postiže nadzvučna unutarnja kompresija. Mala odstupanja masenog toka, uvjetovana promjenama nizvodno zbog uvjeta motora, ili promjenama brzine letenja zbog određenih manevara, mogu destabilizirati željeni proces difuzije, što dovodi do naglog gubitka protoka zraka, naglog smanjenja prirasta tlaka, te velikog porasta otpora udarnog vala. To predstavlja ozbiljan nesimetrični problem kontrole zrakoplova s više motora.

4. Viskozni granični sloj na profiliranim kompresionim površinama predstavlja problem odcjepljenja graničnog sloja kod pozitivnog gradijenta tlaka. Ta se situacija još više komplicira uz prisutnost udarnih valova.

5. Značajna izobličenja, vrtlog i fluktuacije su ostale neujednačenosti koje su nepoželjne na ulazu u motor (Seddon i Goldsmith, 1985).

6

Sl. 5-2-3 Idealna izentropska nadzvučna kompresija: (a) izentropska nadzvučna kompresija kroz kosi udarni val; (b) difuzor sa središnjim konusom;(c) izentropska nadzvučna unutarnja kompresija

Praktički se usisnici mogu podijeliti na dva glavna tipa: Pitot usisnici za niže nadzvučne brzine, i usisnike sa višestrukim udarnim valovima za visoke nadzvučne brzine.

5-2-4 Nadzvučni Pitot usisnici

Kod njih će uvijek na ulaznom presjeku nastajati jaki udarni val, koji se može analizirati kao normalni udarni val kako je prikazano na sl. 5-2-4a. Da bi se ubrzao s podzvučnih na nadzvučne brzine (ili obrnuto), tok mora proći kroz grlo, ili minimalni poprečni

7

presjek, u kojem je lokalna brzina jednaka brzini zvuka. Stoga će se u takozvanom ekvivalentnom zračnom tunelu uočiti jedno grlo uzvodno i jedno grlo nizvodno s brzinama zvuka kod stanja *1 odnosno *2. Normalni udarni val može biti definiran pomoću uzvodnih i nizvodnih referentnih uvjeta, kako zaustavnih (01 i 02), kritičnih (*1 i *2) ili statičkih (1 i 2), sl. 5-2-4b. Slični referentni uvjeti postoje i kod nadzvučnih zračnih tunela. Uzvodno od udarnog vala kod usisnika pri letu, referentni uvjeti 01 i *1 bit će fiktivni.

Nadzvučni Pitot usisnici su uobičajeno nepromjenjive geometrije i postoje dva glavna tipa:

1. Usisnik konstruiran za let kod nadzvučnih Machovih brojeva neznatno veći od 1. Taj tip će podržavati normalni udarni val koji uvijek ostaje na ulazu, ili stoji ispred usisnika. Pošto je tok iza normalnog udarnog vala uvijek podzvučan kanal usisnika bit će podzvučni difuzor i stoga će se poprečni presjek širiti od ulaza usisnika kako bi se ostvarila difuzija podzvučnog toka iza udarnog vala (sl. 5-2-4d).

2. Pitot usisnik za brzine leta značajno više od brzine zvuka. Taj tip usisnika ima minimalni poprečni presjek (tj. grlo) nizvodno od ulaza i spada u klasu tzv. konvergentno divergentnih sapnica (Lavalovih sapnica) (sl. 5-2-4c), a omogućava da udarni val na ulazu bude progutan pri čemu se postiže znatno povećanje tlaka.

Karakteristike Pitot usisnika mogu se prikladno istražiti koristeći jednodimenzionalnu analizu normalnih udarnih valova. Dvije jednadžbe jedn.(5-2-5) i jedn.(5-2-8) koje su poznate iz jednodimenzionalne teorije dinamike plinova, su bitne za razumijevanje strujanja u Pitot usisniku. Te dvije jednadžbe bit će interpretirane pomoću sl. 5-2-4.b.

Zaustavni tlaka slobodne struje p01 prelazi u zaustavni tlak p02 iza jednostavnog normalnog udarnog vala poprečno na Pitot usisnik a može se dobiti iz Machovog broja M1 slobodne struje

p

p

MM

02

01

1

12 1

2

1

11

2

1 1

2

1

2

. (5-2-5)

Iz čega se može odrediti prirast entropije s kroz normalni udarni val pomoću jednadžbe

ili p

pe

s

R02

01

. (5-2-6)

8

Sl. 5-2-4 Nadzvučni Pitot usisnici: (a) normalni udarni val; (b) referentni uvjeti za normalni udarni val; (c) reverzna mlaznica usisnik; (d) jednostavni Pitot usisnik

Ako ne postoje neki drugi gubici u difuzoru, taj je omjer također i iskoristivost difuzora definirana s jedn.(5-2-3), zove se još i efikasnost kompresije kroz udarni val) za Pitot usisnik kada se udarni val javlja ispred usisnika (sl. 5-2-4d). Smanjenje vrijednosti tog parametra kod visokih Machovih brojeva su za praksu sasvim neprihvatljive, o savinsu

9

prihvatljive do vrijednosti M = 1,3, kada gubitak u udarnom valu iznosi do 2 %, sl.5-2-5. To je gornja granica za tip (1) usisnika.

Analizirat će se sljedeći tip (2) usisnika. Referentni uvjeti za normalni udarni val su prikazani dijagramski na sl. 5-2-4b, koja slijedi iz predodžbe o nadzvučnom zračnom tunelu. Usisnik u obliku konvergentno divergentne mlaznice, prikazan na sl.5-2-4c, predstavlja dio zračnog tunela nizvodno od normalnog udarnog vala. Oboje djeluju kao nadzvučni difuzori. Takav difuzor može poboljšati povrat tlaka p02, dan na sl. 5-2-5, a odgovarajući proces kompresije može se vezati na drugo grlu ekvivalentnog nadzvučnog zračnog tunela. To se postiže u zračnom tunelu pomicanjem udarnog vala u drugo grlo, ili u grlo konvergeno divergentnog difuzira nadzvučnog usisnika. Difuzor nadzvučnog usisnika motora, ili nadzvučnog zračnog tunela, počinje djelovati kada je udarni val ispred usisnika progutan ili propušten u područjr difuzora, no maksimalni povrat tlaka se postiže samo onda kad se udarni val javlja u grlu usisnika. Treba naglasiti da tip usisnika (1) je uvijek nestartan.

Sl. 5-2-5 Povrat zaustavnog tlaka kroz normalni udarni val; = 1,4

Prvo će biti analiziran nestartani nadzvučni usisni difuzor, uključujući tip (2). Razmatra se usisnik, ili zračni tunel, u nestartanim uvjetima s normalnim udarnim valom na ulazu , ili mjernoj sekciji zračnog tunela (sl. 5-2-4b i c). Postoji važna relacija iz teorije normalnih udarnih valova između zaustavnih tlakova i površina kritičnih presjeka na

10

obje strane normalnog udarnog vala. Relacija se lako izvodi iz jednadžbe kontinuiteta napisane za svako od grla zračnog tunela:

*1 *2

m AV AV , (5-2-7)

gdje indeks *1 označava uzvodni kritični presjek (grlo) a indeks *2 nizvodni kritični presjek obzirom na udarni val (sl. 5-2-4). Za adijabatski tok koji karakterizira udarni val, T0 i stoga T* se ne mjenjaju:

T

T

T

T*1 *2

01 02

2

1

.

Kako je V* = a* i a* * RT , brzine zvuka (kritične brzine) su jednaka, V*1 = V*2. Slično, kako p = RT, omjer gustoća *2/*1 mora stoga ovisiti samo o p*2/p*1.Kako je kritični tlak p* fiksnim omjerom vezan s p0 (0,528 za poznati = 1,4 za zrak), to (vidjeti sl. 5-2-5):

A

A

p

p*1

*2

02

01

. (5-2-8)

Kada se referira na statički tlak slobodne struje, povrat zaustavnog tlaka iza normalnog udarnog vala je dan sljedećom Rayleigh - ovom jednažbom za pitot cijev:

p

pM

M

02

112

1

12

1

21

2

1

. (5-2-9)

Na sl. 5-2-6 dana je usporedba zaustavnog tlaka dostignutog kroz udarni val i izentropsku kompresiju jedn. (5-2-2). Za visoki M1 odgovarajući koeficijent tlaka (Cp)02, definiran pomoću slijedeće jednadžbe

Cp p

V

p

p

Mp 02

02 1

12

02

1

121

2

1

2

, (5-2-10)

ima graničnu vrijednost:

. (5-2-11)

Koja samo ovisi u fizikalnom svojstvu medija.

11

Za različite , odgovarajuće numeričke vrijednosti (Cp)02 za M1 dane su u tablici 5-2-1. Promjene (Cp)02 kako s obzirom na tako i M1 dane su na sl. 5-2-7.

Tablica 5-2-1 Granična vrijednost koeficijenta zaustavnog tlaka Cp u ovisnosti o Cp

1,67 1,761,4 1,841,3 1,871,2 1,911,1 1,951,0 2,0

Sl. 5-2-6 Zaustavni tlak normiran sa statičkim tlakom slobodne struje; = 1,4

Sl. 5-2-7 Koeficijent zaustavnog tlaka za normalne udarne valove

Sada se

mogu odrediti početni uvjeti za prolaz ("gutanje") normalnog udarnog vala ispred nadzvučnog difuzora usisnika. Relacija između površine usisnika A1 i svake od površina dva grla A*1 i A*2 je

A

A MM1

112

1

2 11 2

11

1

2*1

, (5-2-12)

12

a za jednodimenzionalni izentropski tok

A

A

A

A

A

A*2 *2

*1

*1

1 1

. (5-2-13a)

Prema Hermannn-u (1956), definira se bezdimenzioni omjer *, presjeka oba grla i presjaka A1, A*/A1 i omjer zaustavnih tlakova kroz normalni udarni val ns kako je dano s jedn.(5-2-5) i jedn.(5-2-8). Tada se jedn.(5-2-13a) može zapisatii kao

; (5-2-13b)

gdje suA

A*1

*11

i A

A*2

*21

, (5-2-14a,b)

i

nsp

p

A

A 02

01

*1

*2

. (5-2-15)

Pretpostavljajući da je normalni udarni val jedini izvor gubitaka zaustavnog tlaka, njegova iskoristivost, ns (M1), je istovremeno vrijednost od D, kada se udarni val javlja poprijeko na usisnik. Jednadžba (5-2-12) za *1 zadaje se tablično za izentropski tok plina i zove se Hermann -ova funkcija masenog toka. Cjelokupni jednadžba za *2

izražena pomoću Machovog broja slobodne struje M1 je

*2*2

A

A M M1

1

2

1

1

12

1

2

12

1

11

1

2

11

2

1

11

1

2

1 , (5-2-16)

i Hermann (1956) ju je nazvao funkcijom gutanja. Svaka od jednadžbi za *1, *2 i ns

mogu se izraziti pomoću M1* (= V1/a*) umjesto pomoću M1 (= V1/a), gdje je

1 2

1

1 1

112

12M M*

, (5-2-17)

pa slijedi:

*1 * **1

1

21

1

1

1

1

1 1

1

1

1

M MA

A; (5-2-18)

*2 * **2

1

21

1

1

1

1

1 1

1

1

1

M MA

A; (5-2-19)

ns

A

AM

M

M

*1

*2

*1

*2*

*

*

12

12

12

1

11

1

1

11

1

1 . (5-2-20)

M* se kreće u području između 0 i M*,max za 0M u jedn.(5-2-17) i između 1 i M*,max za 1M u jednadžbama (5-2-18), (5-2-19) i (5-2-20), gdje M* = V/a*1, M = V/a1, i iz jedn.(5-2-17) uz M = , M*,max je dan jednadžbom:

13

M*,max

1

1. (5-2-21)

Uz = 1,4 za zrak, M*,max = 6 = 2,45. Sl. 5-2-8 pokazuje način na koji se omjer površina * i povrat zaustavnog tlaka ns iza normalnog udarnog vala mijenjaju s M1* = V1/a*1 i također s M1 = V1/a1. Iz jedn.(5-2-16) se vidi da za M1 > 1 i normalni udarni val u presjeku A1: (1) A*2 je uvijek veći od A*1 pošto je ns uvijek < 1, i (2) postoji donja granica na veličinu A*2 s obzirom na ulaznu površinu A1, koji slijedi iz jedn.(5-2-16) i iznosi:

. (5-2-22)

Za = 1,4 donja granična vrijednost veličine *2 je 0,6002. Tako je površina A*2min 60 % od površine A1 ili A1 A*20,60A1. To je značajno ograničenje na veličinu drugog grla.

14

Sl. 5-2-8 Omjer površina i povrat zaustavnog tlaka kod normalnih udarnih valova. *1-funkcija masenog toka; *2-funkcija prolaza; ns-omjer tlakova normalnog udarnog vala; = 1,4

Sustav nizvodno od površine A1 na sl. 5-2-4, uključujući drugo grlo A*2, predstavlja jednostavni pitot usisnik difuzor motora tipa konvergentno-divergentne mlaznice, koji se ponekad naziva Eggink-Kantrowitz-Donaldson (EKD) difuzor (Eggink, 1943; Kantrowitz i Donaldson, 1945; Foa, 1960; Henderson, 1967) ili Kantrowitz-Donaldson (KD) difuzor. Drugo grlo na sl. 5-2-4 ima primarni značaj kod EKD difuzora, ali djelovanje usisnika se može razumijeti samo uvažavajući grlo difuzora kao drugo grlo koje djeluje u skladu sa sada fiktivnim uzvodnim prvim grlom. Takav usisnik difuzor motora može se zadovoljavajuće opisati s prethodno prikazanom jednodimenzionalnom teorijom, pod uvjetom da nisu prisutni dvodimenzionalni efekti, kao što su slabi kosi ili konični udarni valovi ili mali polumjer zakrivljenja geometrijskih profila. Jaki kosi udarni valovi su po ponašanju blizu normalnih i mogu se tretirati kao normalni udarni valovi (Hermann, 1956; Henderson, 1967).

Relacija između A*2 prema stvarnoj veličini grla At u danom EKD tipu usisniku motora određivat će njegov režim rada:

1. Ako je At < A*2 maseni tok slobodne struje nominalno obuhvaćen usisnikom neće moći proći kroz motor i dio masenog protoka mora biti odbačen. To će prouzrokovati da udarni val stoji izvan usisnika kako prikazuje sl. 5.2.9.a. To je stabilan režim rada ali uz smanjeni maseni protok i uz niži povrat tlaka koji bi odgovarao normalnom udarnom valu. Takav režim je prihvatljiv samo kod nižih nadzvučnih Machovih brojeva (tip (1) usisnika) ili gdje je samo važna jednostavnost rada (Campbell, 1974).

2. Ako At A*2 tada je maseni tok koji ulazi u usisnik motora obuhvaćen čitavom površinom usisnika A1 (sl 5-2-9.a). Analizirat će se sljedeće tri pozicije udarnog vala, koje zavise o tlaku nizvodno, određenom zahtjevom motora:

(a) Normalni udarni val na ulazu (sl. 5-2-9b) s prirastom tlaka koji odgovara prirastu kod normalnog udarnog vala iz Machovog broja slobodne struje;

(b) Normalni udarni val je propušten i smješten u jednakom poprečnom presjeku kanala koji odgovara poziciji 1 (sl. 5-2-9c), s istom jakost normalnog udarnog vala i prirastom tlaka kao u slučaju (a). Ta se situacija očekuje jedini ako At A*2. Za At se tada može reći da je propusno grlo, a za usisnik (zračni tunel) da je započeo s radom.

(c) Normalni udarni val je propušten i pomaknut u drugo grlo (Sl. 5-2-9d). Ovdje je jakost udarnog vala smanjena, pošto je Machov broj u grlu najmanji u cijelom usisniku. Povrat tlaka u tom slučaju je efikasniji nego u prethodnom slučaju pošto je udarni val slabiji. To je stoga željeni radni uvjet za EKD difuzor (ili za zračni tunel) i osigurava optimalni povrat tlaka kod sustava usisnika motora nepromjenjive geometrije.

15

Sl. 5-2-9 Položaji udarnog vala kod pitot usisnika (EKD difuzor): (a) grlo odviše malo; (b - d) pozicije udarnih valova kod "propusnih" grla fiksne geometrije

16

17

Proračun novog (EKD) omjera zaustavnog tlaka EKD za udarni val kada je propušten i smješten u grlu obuhvaća:

1. Korištenje i poznate vrijednost *1 i vrijednost A*1/A*2 = *1/*2 (= ns) određene pomoću jedn.(5-2-20) za dani M1 za određivanje *2 i otuda nadzvučne vrijednosti Mt kod A*2 u startnim uvjetima iz jedn.(5-2-12). To je implicitni proračun, dok je direktno očitanje moguće iz tablica kao što su NACA TR 1135 (Ames Research Staff, 1953) ili dijagrama nacrtanih na sl. 5-2-10 i sl. 5-2-11.

2. Jedn. (5-2-5) ili tablice, daju željeni D ns t EKDM p p 02 01/ prikazan na sl.5-2-10.

Sl. 5-2-10 Povrat zaustavnog tlaka kod EKD difuzora

18

Sl. 5-2-11 Grafičko rješenje za startane EKD difuzore; = 1,4

Dalje, omjer optimalnog povrata tlaka startanog pitot usisnika ns(Mt) uspoređen s onim kod nestartanog usisnika ns(M1) može se odrediti na sljedeći način:

n M

M

MA

A

M

M Mns t

ns

ns t ns t

t t1

1

*2

*1

* * . (5-2-23)

Kako M1 , također Mt i iz jedn.(5-2-22) *2(Mt) 0,6002. U skladu s tim, iz jedn.(5-2-23), dostiže maksimalnu vrijednost od (1/0,6002) = 1,6661. Grafičko rješenje za optimalni povrat tlaka startanog EKD usisnika difuzora je prikazano na sl. 5-2-11, koja također prikazuje promjenu s M1.

19

Promjenjiva geometrija, koja koristi drugo grlo promjenjive površine, nije pogodna za pitot usisnike motora ali se koristi ponekad kod nadzvučnih i jako nadzvučnih difuzora zračnih tunela. Ovdje, nakon startanja, površina grla se smanjuje mehaničkim putom. Idealno, trebalo bi biti moguće smanjiti At na A*1 i postići zaustavni tlak slobodne struje p01 u radnom režimu čisto konvergentno divergentne mlaznice. Kod uobičajenih naizmjenično prostrujavanih zračnih tunela prilagođenih za visoke nadzvučne brzine, najvažniji doprinos te karakteristike (sl. 5-2-12) se sastoji u produljenju vremena rada.

Ako se promjenjiva geometrija primjenjuje za pitot usisnike motora, grla promjenjive geometrije su mehanički složena i teška. Takvi usisnici motora se već startaju s udarnim valom smještenim u grlu, mada isto tako karakterizira ih nestabilni rad (Hermann, 1956; Henderson, 1967). Svaka fluktuacije masenog toka dovodi do stanja nestartanog usisnika izbacivanjem udarnog vala ispred usisnika. Tok može biti uspostavljen samo otvaranjem grla ponovno na njegovu propusnu vrijednost. Čak da je tako otvoreno grlo lijevo, udarni val ostaje nestabilan sve dok se ne postigne položaj u grlu i izmjenjivat će se brzi ciklusi startanja i njegova prekidanja ( 300 Hz). Ta pojava, koja se naziva šum ("buzzing") ne smije se dozvoliti kod usisnika pri radu motora pošto su pulzacije tlaka jako velikog iznosa te mogu utjecati na integritet i stabilnost zrakoplova.

Sl. 5-2-12 Nadzvučni difuzor promjenjive geometrije u zračnom tunelu: (a) startanje; (b) tijekom rada

Šum se očekuje kada je grlo difuzora dovoljno veliko da prihvati ili propusti udarni val, ali je tok nizvodno u difuzoru usisnika pod utjecajem ili zagušen uslijed djelovanja motora ili ispušne mlaznice. To se zove podkritični radni režim. Kada grlo usisnika propušta maksimalni maseni protok i zagušeno je, radni režim se naziva kritičnim. Šum se ne očekuje ako su uvjeti u motora nizvodno ili u ispušnoj mlaznici nezagušeni. Taj se radni režim naziva nadkritični i on je zahtjevani radni režim za nadzvučne usisnike. Ipak, taj uvjet povlači za sobom da propušteni udarni val mora biti nizvodno od grla usisnika, kada će povrat tlaka nužno biti manji od optimalnog, dan s , mada istovremeno će biti propušten maksimalni maseni tok (vidjeti poglavlje 5-2-5 i sl. 5-2-20).

Stabilni (bez šuma) rad usisnika moguć je kod podkritičnog toka (zagušena ispušna mlaznica) pod uvjetom da je grlo usisnika manje nego propusno grlo, imajući za posljedicu da udarni val ne može uvijek biti propušten kroz usisnik i tako sprečava nastajanje mehanizma nestabilnog šuma (Hermann, 1956; vidjeti također poglavlje 5-2-5 i sl. 5-2-21).

Pitot usisnici će stoga izbjegavati nesabilni rad u nadzvučnom području mnogo lakše s uvijek zagušenim ulaznim presjekom, čak uz gubitak na iskoristivosti povrata tlaka.

20

Promjenjiva geometrija nije karakteristika takovih pitot usisnika motora, koji se normalno koriste kod okolozvučnih ili slabo nadzvučnih brzina.

Ostali značajni konstrukcijski faktori usisnika su vanprojektni radni režim ili rad pri niskim brzinama, utjecaj promjene smjera i napadni kut, iskoristivost podzvučne difuzije između usisnika i ulaza u kompresor, otpor vanjskihobloga, i ugradnja usisnika u krilo ili trup (Hawkins, 1976; Seddon i Goldsmith, 1985).

Grla s promjenjivom geometrijom su pogodna za široko područje nadzvučnih radnih brzina za usisnike od kojih se traži da rade kod visokih nadzvučnih brzina leta. Takovi usisnici obično koriste češće sustav višestrukog neko jednostrukog kompresionog udarnog vala. Mnogi drugi mogući oblici promjenive geometrije mogu se također primijeniti u takovim difuzorima s visokim brzinama. Ako se koristi promjenjiv presjek grla, osnovna zadaća je povećanje povrata zaustavnog tlaka kako je upravo opisano. Također će bit bitno za maseni tok na startu, prilagođavajući veličinu grla na korektnu propusnu vrijednost te će bit će bitni element sveukupne kontrole potiska u smislu osiguranju od pojava šuma držeći nadkritični ili bar stabilni podkritični radni režim usisnika.

5-2-5 Usisnici s višestrukim udarnim valovima

Usisnici s višestrukim udarnim valom pokušavaju dostići granični koncept idealne izentropske kompresije, ili djelovanje izentropske konvergentno divergentne mlaznice i time pridonijeti značajnom povećanju povrata zaustavnog tlaka u usporedbi s prethodno opisanim pitot usisnikom. To je značajno za visoke nadzvučne brzine (M>1,5), Takva konvergentno divergentne mlaznica treba također imati kontinuirano promjenjivi oblik kako se mijenja Machov broj letenja, kao potreba za grlom promjenjive geometrije koja omogućava startanje usisnika.Praktični kompromis je potreban pri stvarnom radu nadzvučnog usisnika motora preko područja nadzvučnih Machovih brojeva leta. Tako umjesto beskonačnog broja infinitezimalnih skokova tlaka kroz Machov konus, koristi se konačni broj diskretnih skokova tlaka kroz kose udarne valove, sa ili bez Machovih valova, (sl. 5-2-13). Čak "jedan ili dva kosa udarna vala uvedena ispred normalnog udarnog vala postići će značajan porast tlaka" (Oswatitsch, 1947), s obzirom na onu koju ostvaruje jedan normalni udarni val. Skok tlaka kroz neki kosi udarni val, i stoga njegova jakost, može se smatrati ekvivalentnim normalnom udarnom valu komponente Mn1 slobodne struje okomito na smjer kosog udarnog vala. Tako Mn1 može se koristiti ili kao mjera za snagu udarnog vala, ili kao omjer statičkih odnosno zaustavnih tlakova.

21

(d)Sl. 5-2-13 Kompresija kroz višestruke udarne valove: (a) Machovi valovi; (b) dva kosa udarna vala plus jedan normalni udarni val; (c) s - kut kosog udarnog vala, r - kut kose ulazne rampe ili kut klina w , (d) jakost kosog udarnog vala

Oswatitsch (1947) je prvi pokazao da optimalni povrat tlaka za takvi sustav ravnih kosih udarnih valova, koji kao posljednji uključuje normalni udarni val u grlu, se postiže kada svi kosi udarni valovi imaju istu jaskost. Hermann (1956) je dao opširno objašnjenje Oswatitsch - ove analize. Henderson (1964) je proširio Oswatitsch - ev uvjet za povrat tlaka na jednakost jakosti svih udarnih valova, uključujući i posljednji normalni udarni val. Njegove analize tretiraju sustav diskretnih disipativnih procesa i stoga priznaju kao mjerodavni konačni Machov broj, ili podzvučne ili zvučne ili nadzvučne brzine. Dalje je Henderson uključio konična polja toka, procese realnog plina pri jako nadzvučnim brzinama i izgaranje pri nadzvučnim brzinama.

Preostali dio ovog poglavlja bavit će se s takvim nadzvučnim usisnicima koji će ostvariti podzvučnu difuziju ispred plinske turbine, ili podzvučno izgaranje. Za takve usisnike Henderson je pokazao dalje da za završni udarni val nije nužno da je normalan, mada mora biti blizu normalnog. Jedino se zahtjeva da nizvodna brzina bude manja ili jednaka brzini zvuka. Henderson je pokazao da takav povrat tlaka je značajno viši nego onaj postignut sa sustavom gdje je završni normalnim val (Oswatitsch) (sl. 5-2-14).

22

Sl. 5-2-14 Oswatitsch - Henderson povrat tlaka kroz višestruke udarne valove; = 1,4; konačni M1; n - broj udarnih valova; H-Henderson; O-Oswatitsch.

Usisnici motora s višestrukim udarnim valovima imaju ili potpuno vanjski ili mješoviti (vanjsko - unutarnji) sustav udarnih valova. Na sl. 5-2-15 prikazani su vanjski i mješoviti usisnici s tri udarna vala. Usisnici mogu biti ili dvodimenzionalni ili osnosimetrični, koriste kose ulazne rampe ili središnja tijela u obliku šiljka ispred ulaznog presjeka usisnika ("usta") ili opstrujivač (vidjeti, npr. Anon 1967a; Seddon i Goldsmith, 1985). Primjeri su dani u tablici 5-2-2.

23

Sl. 5-2-15 Usisnici s višestrukim udarnim valovima a)vanjski kosi udarni valovi, b) vanjski i unutarnji kosi udarni valovi

Mješoviti usisnici kod visokih projektnih Machovih brojeva imaju niži otpor nego čisti vanjski usisnici ali će biti osjetljiviji kod vanprojektnog režima i velikih h napadnih kuteva ili promjena pravaca pri manevru.

Da bi se optimirao zaustavni tlak na ulazu u kompresor motora, kod svih visoko nadzvučnih usisnika bitna je promjenjiva geometrija, za čitavo područje Machovih brojeva leta, za promjene pravca odnosno napadnog kuta, te zahtjeve motora s obzirom na maseni protok. Različiti oblici promjenjive geometrije su u uporabi, uključujući promjenjivi kut kosih ulaznih rampi, promjenjivi kut konusa, pomično središnje tijelo ili zakretni deflektor(sl. 5-2-16).

Sl. 5-2-16 Usisnici promjenjive geometrije: (a) zglobna rampa;

24

(b) zglobni deflektor; (c) pomično središnje tijelo

Tabilca 5-2-2 Usisnici s višestrukim udarnim valom2 D Osnosimetrični

Potpuno vanjski F4 Phantom 1/2 šiljka: MirageMješoviti B-70

Concorde, F14, F-15

1/4 šiljka: F - 111Potpuni šiljak:

ZF-12, U.S. SST

Svi nadzvuči usisnici trebaju zadovoljiti promjenjive zahtjeve motora i leta kod polijetanja i uz niske podzvučne brzine letenja. S druge strane, kod nadzvučnih brzina postojat će zahtjev za brzim by -pass - om ulaznog masenog toka ako usisnik nije moguće startat, što se kod Concorde -a ostvaruje uporabom procjepa za prostrujavanje u grlu usisnika (sl. 1-2-17b i sl. 5-2-17a). S druge strane kod niskih podzvučnih brzina postojat će otreba za povećanjem ulazne površine usisnika zbog potrebe za povećanim masenim protokom zraka, što se postiže r promjenom oblika ulazne rampe i veličine grla, zajedno s dodatnim ulaznim otvorom na deflektoru kod Concorda - u, sl. 5-2-17.b (Seddon i Goldsmith, 1985).

Sl. 5-2-17 Prilagodba na promjenjive zahtjeve motora: (a) nadzvučna brzina letenja (M=MD(projektni)); niske podzvučne brzine leta (M1)

Stabilizacija završnog normalnog udarnog vala, ili unutarnjeg sustava udarnih valova, zahtijeva odsisavanja graničnog sloja u području udarnog vala. To se postiže otvorima na stjenkama i u grlu usisnika. Kanali mogu imati različite oblike, sl. 5-2-18 (Wu, 1962; Seddon i Goldsmith, 1985). Također kod dvodimenzionalnih usisnika, kao kod Concorde -a, F-14 i F-15, vertikalne bočne stijenke mogu biti prorezane ili razmaknute, u svrhu stabilizacije masenog toka u grlu prostrujavanjem kod starta usisnika, sl. 5-2-19 (Henderson, 1967; Seddon i Goldsmith, 1985). Nepostojanje stabilizacije u najboljem slučaju prouzrokovat će minorne fluktuacije položaja udarnih valova i tlaka, i u najgorem do nemogućnosti starta i šuma, što nije prihvatljivo pri radu. Neke konstrukcije odabiru mjesto konačnog udarnog vala nizvodno od grla što je u korist sigurnosti, ali i gubitak na povrat tlaka. To povlači prinudan nadkritični rad (poglavlje 5-2-4). Kod sustava višestrukih udarnih valova Machov broj progresivno opada i tlak raste u nizvodnom smjeru. Djelovanje kosih udarnih valova izvan ulaznog presjeka ("usta") usisnika reducirat će ovdje Machov broj toka, tako da startanje unutarnjeg toka i kontrola šuma

25

bit će manje ozbiljan problem, nego u slučaju kada nema vanjskih kosih udarnih valova (Henderson, 1967).

Sl. 5-2-18 Metode stabiliziranja udarnih valova: (a) provrti i procjepi za prostrujavanje; (b) kosa stepenica; (c) "lopatica"; (d) bočni otvori

Sl. 5-2-19 Smaknute bočne stijenke kod dvodimenzionalnog usisnika

Šum u usisnicima s višestrukim udarnim valovima, kao kod pitot usisnika, utvrđeno je da se javlja samo kod podkritičnog rada (sl. 5-2-20a), i obično se klasificira kao Ferri -eva nestabilnost ako usisnik usisava smiknuti sloj visokog intenziteta na presjecištima udarnih valova uzvodno, ili Dailey - eva nestabilnost ako je odvajanje toka na konusu ili klinu uvjetovano jakim normalnim udarnim valom, sl. 5-2-20c (Ferri i Nucci, 1951a,b; Dailey, 1955; Hermann, 1956; Stewart, 1962, 1964; Stewart i Fisher, 1970; Fisher, 1970, 1982, Fisher i ostali, 1972).

26

Sl. 5-2-20 Uvjeti podkritičnog toka i šuma: (a) projektna brzina leta (M1=MD);(b)Ispod projektne brzine leta (M1>MD); (c) podkritična nestabilnost

Kako prikazuje sl. 5-2-21, kritični uvjet odgovaraju jednakim veličinama ulaznog i izlaznog grla mlaznice (zagušenju) za hladni tok, i takođe će se slagati s kritičnim uvjetima kada se definiraju kao omjer površine zahvata i raspoložive površine slobodne struje kod projektnog Machovog broja (Seddon i Goldsmith, 1985). Za topli ispuh, uvjet kritičnosti bit će da površina grla mlaznice zagušuje topli ispušni plin dok ulazno grlo također zagušuje hladni ulazni tok.

27

Sl. 5-2-21 Nestabilnost slojeva i stabilni podkritični tok: (a) nestabilni slojevi (M1=MD);(b) stabilni podkritični uvjeti (An<At i At<Aswallowing)

Drugi stabilni podkritični radni režim (Hermann, 1956) je držati ulazno grlo zagušeno čitavo vrijeme, i dopustiti niži od optimalnog ulazni maseni tok te povrat tlaka u cilju sprečavanja šuma. Ostale kriterije i dinamiku teorije stabilnosti su analizirali Hermann (1956) i Sedon i Goldsmith (1958). U stvarnosti motori za let s visokim Machovima brojevima će ipak u pravilu pokušati uvijek izbjeći podkritični režim.

Na taj će način usisnici zahtijevati kontrolni sustav za uvažavanje promjena Machovog broja leta, zahtjeve motora, povrat tlaka, položaj zrakoplova i uvjete okolišnje atmosfere. Kako odziv by - pass-a i sustava prestrujavanja mora biti brz, razvijeni su brzodjelujući mehanički i kontrolni uređaji. Moraju biti u skladu s ostalim zahtjevima motora i kontrolom ispušne mlaznice. Kod osnosimetričnih mješovitih usisnika ti su sustavi dosta kompleksni.

5-2-6 Visoko nadzvučni usisnici

Iako su vezani na "ramjet" i "scramjet" propulzore (poglavlje 6) dat će se neki principi u cilju postizanja minimalnih gubitaka. Za Machove brojeve na izlazu iz difuzora koji su češće nadzvučni nego zvučni ili podzvučni, broj udarnih valova potrebnih za ostvarivanje danog povrata tlaka je približno Machov broj na ulazu u komoru izgaranja

28

(sl. 5-5-22). Ipak, postoji nekoliko dominantnih konstrukcijskih zahtjeva. Jako "plitki" kutevi udarnog vala pogodnog za jako nadzvučne brzine traže jako duge usisnike, koji će formirati debele granične , osobito na velikim visinama. Ako se ne udalje prije ulaza u grlo koje ima relativno malu površinu, takovi granični sloj će narušiti uniformnost toka, uvjetovati niži povrat tlaka i postati izvor Dailey - evog tipa nestabilnosti pri svakom međudjelovanju udarnih valova. Osim toga, povrat temperature (Eckert i Darke, 1959) plina uy stijenku unutar graničnog sloja je blizu zaustavne, dok je statička temperatura toka s visokim Machovim brojem (izvan graničnog sloja) puno niža. Hlađenje stijenke može se ostvariti kriogenim gorivima koja djeluju kao ponor topline ako se vode cjevovodima do komore izgaranja uzduž unutarnje strane stijenke (sl. 1-2-17b).

Sl. 5-2-22 Povrat tlaka visoko nadzvučnih usisnika; =1,4, idealni plin; ravninski kosi udarni valovi, n - broj kosih udarnih valova; Mf-konačni (izlazni) Machov broj; M-Macgov broj slobodne struje (ulazni); H-omjer optimalnog povrata tlaka po Hendersonu

Potrebno je naglasiti također da jako veliki omjeri kontrakcije površine su vezani za visoko nadzvučne difuzore. To ukazuje da A/A* je ogroman za visoki M. Npr., kod Minlet=9 i Moutlet=1, i za =1,4, Ainlet/A*=327. Čak i ako izlazni M poraste na Moutlet=3, omjer Minlet/Moutlet=77,3 (pogledati sl.5-2-33 za vrijednosti tih omjera preko područja Minlet i Moutlet

kod visoko nadzvučne difuzije). Tako visoki omjeri površina predstavljaju probleme pri konstrukciji u cilju minimiziranja otpora motora, iako se može postići bitna unutarnja kompresija.

29

Sl. 5-2-23 (a) Izentropski omjer površina kod idealne visoko nadzvučne difuzije, =1,4; (b) shematski prikaz

30