Regulisanje uvodnika nadzvučnih aviona

Šema nadzvučnog uvodnika sa tri udarna talasa prikazana je na slici 1. Slika 1a prikazuje rad uvodnika sa protokom vazduha koji odgovara proračunskom protoku. Kosi udarni talasi, koji nastaju pri opticanju pokretnog konusa nadzvučnom strujom, udaraju na ivicu usne uvodnika. Pri ovakvom strujanju površina strujnog toka je jednaka površini na ulazu u uvodnik.

Slika 1. - Protok vazduha kroz neregulisani uvodnik za proračunski režim za razne brojeve obrtaja TMM

Iza kosih udarnih talasa nastaje normalni udarni talas, koji se javlja na usni uvodnika. Nadzvučno vazdušno strujanje pri prolasku kroz ovaj udarni talas postaje podzvučno. Unutrašnji prstenasti kanal uvodnika obično ima promenljiv poprečni presek po dužini - u početku se sužava, a zatim širi. U suženom delu kanala brzina vazduha raste, da bi u najužem preseku (grlu) dostigla brzinu zvuka. Iza grla brzina vazdušne struje je veća od brzine zvuka, pa je iza grla strujanje nadzvučno. Ova oblast nadzvučnog strujanja završava se normalnim udarnim talasom A (slika 1a). Ova nadzvučna zona povećava stabilnost rada uvodnika.

Veličina nadzvučne zone zavisi od protivpritiska na izlazu iz uvodnika, koji se menja u zavisnosti od prigušenja u motoru. Povećanje protivpritiska dovodi do pomeranja normalnog talasa A (slika 1a), koji nastaje iza grla uvodnika i ograničava nadzvučnu zonu. Povećanje protivpritiska na izlazu iz uvodnika do neke određene veličine dovešće do pomeranja normalnog udarnog talasa A u grlo uvodnika, pa će nadzvučna zona nestati (slika 1b). Dalje prigušenje motora, tj. povećanje protivpritiska na izlazu iz uvodnika, dovešće do pomeranja udarnog talasa van uvodnika (slika 1c). Ovaj udarni talas se naziva istureni udarni talas.

Uzrok pojave isturenog udarnog talasa je u sledećem. Pri prigušenju u motoru smanjuje se brzina vazduha na ulazu u kompresor i propusna moć kompresora. U početku u uvodnik ulazi veća količina vazduha od one koju motor može da primi. Ulazni kanal se prepunjava. Usled ovoga počinje pomeranje udarnog talasa A prema grlu. Pri ovome se intenzitet talasa A smanjuje (radi manje razlike pritiska), pa su gubici kroz talas manji, što dovodi do porasta pritiska ispred kompresora. U ovom slučaju nema promene težišnog protoka vazduha. Ovo traje sve dok se iza grla održava nadzvučna zona. Dolaskom talasa A u grlo, nadzvučna zona nestaje, nestaje i povećanje pritiska koje je do sada ostvarivano na račun manjih gubitaka u talasu A. Dalje prigušenje mora se provoditi smanjenjem protoka vazduha.

Kod neregulisanog uvodnika pojava isturenog udarnog talasa dovodi do smanjenja površine strujnog toka, a time i do smanjenja protoka vazduha kroz uvodnik (slika 1c). Položaj isturenog udarnog talasa, u odnosu na ravan ulaznog otvora pri zadatoj brzini leta, zavisi od stepena prigušenja u motoru, tj. od broja obrtaja motora. Što je manji broj obrtaja, talas je dalje od ulaza, pa je i protok vazduha kroz uvodnik i motor manji.

Stvaranje isturenog udarnog talasa dovodi do povećanja spoljašnjih otpora uvodnika, a u nekom momentu može doći i do nestabilnog rada pumpanja. Pojava nestabilnog rada je uslovljena periodičnim otcepljenjem vazdušne struje od pokretnog konusa na mestima dodira isturenog udarnog talasa sa graničnim slojem. Ova pojava je moguća u slučaju kada je propusna moć motora znatno manja od propusne moći uvodnika a istureni udarni talas se nalazi daleko od ravni ulaza u uvodnik. Kada je propusna moć motora veća od propusne moći uvodnika, pritisak iza uvodnika opada, što će dovesti do pomeranja isturenog talasa po struji, porasta nadzvučne zone i porasta intenziteta talasa. Posledica ovoga biće povećani gubici u uvodniku, pad pritiska iza uvodnika i povećanje specifične potrošnje goriva. Jak udarni talas može izazvati otcepljenje struje u uvodnom kanalu, što dovodi do nestabilnog rada uvodnika. Otcepljenje struje, u ovom slučaju, nastaje na mestu dodira talasa A sa graničnim slojem. Ovakav rad uvodnika manifestuje se pojavom neprijatnih zvučnih efekata. Ta pojava je manje opasna od pumpanja, ali je ipak nepoželjna.

Slika 2. - Protok vazduha kroz uvodnik za brzinu leta manju od proračunske

Pri brzinama leta manjim od proračunske, kosi udarni talasi ne dodiruju usne uvodnika (slika 2). Uglovi talasa rastu, što dovodi do smanjenja protoka vazduha kroz uvodnik i do povećanja talasnih otpora. Da bi se i na ovim režimima leta izbegla pojava stvaranja isturenog udarnog talasa i obezbedio stabilan rad motora, potrebno je vršiti pomeranje pokretnog konusa, odnosno primeniti regulisani nadzvučni uvodnik vazduha.

Regulisanje rada uvodnika

Osnovni zadatak regulisanja je usklađivanje propusne moći sistema udarnih talasa, grla i motora. Ako je propusna moć grla nedovoljna da primi sav vazduh koji je prošao kroz sistem udarnih talasa, na ulazu u uvodnik doći će do stvaranja normalnog udarnog talasa. Posledica ovoga su povećani otpori. Ako je propusna moć grla velika, doći će do pada pritiska i uvlačenja udarnog talasa.

Ovo se odnosi i na motor. Ako je propusna moć motora mala, stvara se normalni udarni talas na ulazu u uvodnik, što dovodi do pojave pumpanja u uvodniku. U slučaju veće propusne moći motora, nastaje pad pritiska i narušavanje stabilnog rada motora.

Regulisanje rada nadzvučnih uvodnika obično se vrši pomeranjem pokretnog konusa. Ovo pomeranje dovodi do promene površine grla, a time i protoka vazduha kroz uvodnik. Pomeranjem pokretnog konusa vrši se regulisanje rada uvodnika i propuštanje suvišnog dela vazduha iz ulaznog kanala u atmosferu. Svako pomeranje pokretnog konusa dovodi do promene protoka vazduha kroz sistem udarnih talasa, tako da se istureni talas uvek nalazi u blizini ulaza u uvodnik ili na samom ulazu.

Pri uvlačenju pokretnog konusa nastaje povećanje protoka vazduha kroz uvodnik, a pri izvlačenju smanjenje protoka vazduha. Na slici 3 prikazana je promena strujnog toka pri pomeranju pokretnog konusa za nepromenjenu brzinu leta. Izvlačenjem pokretnog konusa nastaje odvajanje kosih udarnih talasa od ulaza u uvodnik. Pri ovome se ne menja ugao i raspored talasa. Posledica ovoga je smanjenje protoka vazduha kroz uvodnik (slika 3a). Pri uvlačenju pokretnog konusa protok vazduha raste.

Slika 3. - Promena protoka vazduha kroz uvodnik
(a pri izvlačenju konusa; b pri uvlačenju konusa)

Položaj pokretnog konusa karakteriše dužina dela koji izlazi van grla uvodnika. Regulisanje protoka vazduha pomeranjem pokretnog konusa efikasno je samo ako se istovremeno menja i propusna moć grla. Propusna moć grla reguliše se promenom površine grla. Da bi se obezbedila promena površine grla, unutrašnja površina usne uvodnika, na mestu gde nastaje grlo, izrađuje se konično, tako da pri izlaženju pokretnog konusa nastaje smanjenje površine grla. Pri uvlačenju pokretnog konusa i ulazna površina i površina grla rastu. Osim pomeranjem pokretnog konusa, protok vazduha kroz uvodnik reguliše se i ispuštanjem vazduha u atmosferu pomoću protivpumpnih vratanaca, koja su postavljena na bočnim površinama trupa, na mestu uvodnika vazduha.

Ako je pokretni konus potpuno izvučen, a kroz uvodnik prolazi veća količina vazduha od one koju može primiti kompresor motora, doći će do nestabilnog rada uvodnika, usled velikog udaljenja isturenog udarnog talasa od ravni ulaza u uvodnik. Da bi se izbegao nestabilan rad, moraju se otvoriti protivpumpna vratanca. Položaj protivpumpnih vratanaca karakteriše ugao otklona B (slika 2). Otvaranje vratanaca dovodi do povećanja spoljnih otpora zbog pojave udarnih talasa na njima i zbog povećanja pritiska na njihovim površinama. Međutim, pri otvaranju vratanaca raste protok vazduha i smanjuju se unutrašnji otpori u uvodniku, što će dovesti do delimične kompenzacije gubitaka nastalih otvaranjem vratanaca.

Regulisanje rada uvodnika u letu zavisi od brzine leta, broja obrtaja motora, temperature okolnog vazduha i napadnog ugla. Razmotrimo ukratko uticaj svakog od ovih faktora na rad uvodnika.

Promena brzine leta

Pri smanjenju brzine leta i održavanju nepromenjenog broja obrtaja motora, brzina vazduha na ulazu u kompresor raste. Protok vazduha kroz motor se smanjuje usled smanjenja protoka vazduha kroz sistem udarnih talasa i grlo. Kao rezultat ovoga, kod neregulisanog uvodnika smanjila bi se sila potiska.

Kod regulisanog uvodnika, regulisanje protoka i sistema udarnih talasa, pri smanjenju brzine leta, vrši se uvlačenjem pokretnog konusa. Uvlačenje pokretnog konusa dovodi do povećanja površine grla. Povećanje površine grla dovodi do povećanja protoka vazduha kroz sistem udarnih talasa i grlo, pa se protok vazduha ne smanjuje pri smanjenju brzine leta.

Pri povećanju brzine leta, protok vazduha kroz uvodnik je veći od protoka vazduha koji može primiti motor, tako da brzina vazduha na ulazu u kompresor opada. Kod neregulisanog uvodnika ovo bi dovelo do stvaranja isturenog udarnog talasa, povećanja otpora i nestabilnog rada pumpanja. Kod regulisanog uvodnika odgovarajućim izvlačenjem pokretnog konusa nastaje smanjenje površine grla. Posledica ovoga je smanjenje protoka vazduha i kroz uvodnik će proći onoliko vazduha koliko je potrebno za normalan rad motora. Grafički prikaz pomeranja pokretnog konusa, promene površine grla i otvaranja vratanaca u zavisnosti od brzine leta pri nepromenjenom broju obrtaja i nepromenjenoj okolnoj temperaturi dat je na slici 4.

Slika 4. - Regulisanje uvodnika u zavisnosti od brzine leta

Na slici 4 broj leta označen sa M₁ odgovara početku automatskog regulisanja pokretnog konusa. Za broj leta M₂ pokretni konus je potpuno izvučen, pa se za brzine leta veće od M₂ regulisanje rada uvodnika ne može vršiti izvlačenjem pokretnog konusa. Regulisanje rada uvodnika za brzine leta veće od M₂ vrši se otvaranjem protivpumpnih vratanaca, pri čemu se višak vazduha propušta u atmosferu.

Promena broja obrtaja

Pri smanjenju broja obrtaja motora, protok vazduha kroz motor opada. Kod neregulisanog uvodnika smanjenje broja obrtaja uz nepromenjenu brzinu leta dovodi do pojave nestabilnog rada - pumpanja. Da bi se obezbedio stabilan rad motora, mora se smanjiti protok vazduha kroz uvodnik. Ovo je potrebno radi usklađenja protoka koji motor može da primi na smanjenim obrtajima. Smanjenje protoka vrši se izvlačenjem pokretnog konusa. Izvlačenje pokretnog konusa dovodi do smanjenja površine grla. Posledica ovoga je smanjenje protoka vazduha kroz uvodnik. Za veće brzine leta potrebno je veće izvlačenje pokretnog konusa (slika 4). Kako je pokretni konus za broj leta M₂ potpuno izvučen, pri većim brzinama od M₂ vrši se otvaranje protivpumpnih vratanaca. Ovo otvaranje vratanaca dovodi do usklađenja propusnih moći uvodnika i motora i obezbeđuje stabilan rad motora pri promeni broja obrtaja.

Grafički prikaz potrebnog pomeranja pokretnog konusa, promene površine grla i otvaranja vratanaca pri promeni broja obrtaja motora, uz nepromenjenu brzinu leta i okolnu temperaturu, dat je na slici 5.

Slika 5. - Regulisanje uvodnika u zavisnosti od broja obrtaja

Ako se u uvodniku pojavilo pumpanje, smanjenje broja obrtaja motora ili prestanak njegovog rada pospešuje pojavu pumpanja. Da bi se ova pojava izbegla, vrši se otvaranje protivpumpnih vratanaca, koja se otvaraju automatski ili, u slučaju otkaza automatike, ručno.

Uticaj okolne temperature

Smanjenje temperature pri nepromenjenoj brzini leta i nepromenjenom broju obrtaja motora dovodi do povećanja protoka vazduha kroz kompresor. Na povećanje protoka vazduha kroz kompresor utiču dva faktora: povećanje gustine vazduha nastalo zbog pada temperature i povećanje brzine vazduha na ulazu u kompresor.

Usled povećanja protoka vazduha kroz kompresor, a nepromenjenog protoka vazduha kroz sistem udarnih talasa i grlo, da ne bi došlo do nestabilnog rada motora, vrši se uvlačenje pokretnog konusa. Uvlačenje pokretnog konusa dovodi do povećanja površine grla, a time i do povećanja protoka vazduha kroz uvodnik. Pri povećanju temperature okolnog vazduha smanjuje se brzina vazduha na ulazu u kompresor. Kod neregulisanog uvodnika ovo bi dovelo do pojave isturenog udarnog talasa i do nestabilnog rada. Kod regulisanja uvodnika izvlačenjem pokretnog konusa ovo se izbegava na taj način što se smanjuje površina grla i protok vazduha kroz uvodnik.

Pomeranje pokretnog konusa i površine grla u zavisnosti od okolne temperature vezano je i sa M brojem leta. Pri većim M brojevima leta pokretni konus je bliže krajnjem izvučenom položaju. U slučaju da je pokretni konus potpuno izvučen, dalje regulisanje pri povećanju okolne temperature vrši se otvaranjem protivpumpnih vratanaca.

Uticaj napadnog ugla

Šema opstrujavanja uvodnika pri pozitivnom napadnom uglu prikazana je na slici 6. U ovom slučaju strujanje je nesimetrično. Iznad pokretnog konusa uglovi između pokretnog konusa i pravca struje se smanjuju. Ovo smanjenje uglova dovodi do smanjenja nagiba kosih udarnih talasa i njihovog uvlačenja u uvodnik. Na donjem delu pokretnog konusa uglovi između vazdušne struje i pokretnog konusa rastu, što dovodi do izbacivanja kosih udarnih talasa od ravni ulaza u uvodnik.

Slika 6. - Šematski prikaz opticanja uvodnika pri penjanju

Usled uvlačenja kosih udarnih talasa u uvodnik, sa gornje strane pokretnog konusa nastaje smanjenje protočne površine, a usled izbacivanja kosih udarnih talasa na donjoj strani pokretnog konusa nastaje povećanje protočne površine u odnosu na njihove vrednosti pri proračunskom režimu rada. U ovom slučaju, površina grla ostaje nepromenjena, pa je propusna moć u donjem delu nedovoljna, što ima za posledicu stvaranje isturenog udarnog talasa (Slika 6).

U gornjem delu grlo je veće od potrebnog, pa će nastati pad totalnog pritiska. Sve ovo će dovesti do smanjenja protoka kroz uvodnik, povećanja spoljnih otpora i pada totalnog pritiska u odnosu na rad uvodnika pri nultom napadnom uglu. Smanjenje protoka vazduha može dovesti do nestabilnog rada motora. Da bi se obezbedio stabilan rad motora pri promeni napadnog ugla leta, potrebno je dodatno izvlačenje pokretnog konusa ili dodatno otvaranje protivpumpnih vratanaca u odnosu na njihov rad pri nultom napadnom uglu. Ovo dodatno pomeranje pokretnog konusa ili protivpumpnih vratanaca vrši se postavljanjem davača pritiska na usnama uvodnika (tačka a i b, slika 6).

Načini regulisanja

Regulisanje uvodnika je automatsko. Automatika mora obezbediti položaj pokretnog konusa koji odgovara maksimalnom potisku i stabilnom radu motora za sve režime rada. Najveći uticaj na rad uvodnika ima promena broja obrtaja motora, pa se regulisanje rada uvodnika vrši u zavisnosti od svedenog broja obrtaja (n_sv) ili od stepena povećanja pritiska vazduha u kompresoru (π_k) koji zavisi od svedenog broja obrtaja. Ovaj način regulisanja rada uvodnika ne uzima u obzir promenu napadnog ugla i promenu brzine leta, pa se vrši kombinacija ovog načina regulisanja sa sistemima koji uzimaju u obzir promene brzine leta, napadnog ugla i promenu okolne temperature.

Jedan od načina regulisanja je stepenasta regulacija pomeranja pokretnog konusa. Pri ovoj regulaciji, pokretni konus ima nekoliko fiksiranih položaja i iz jednog u drugi položaj prevodi se pri dostizanju određene brzine leta, ili pri ostvarenju određenog broja obrtaja motora. Šematski prikaz ovakvog načina regulisanja dat je na slici 7, gde je data zavisnost pomeranja pokretnog konusa od brzine leta. Pri poletanju pokretni konus je potpuno uvučen i u tom položaju ostaje do dostizanja brzine leta M₁. Kada je brzina leta dostigla vrednost M₁, pokretni konus se izvlači za dužinu l₁. Ovaj izvučeni položaj zadržava sve do dostizanja brzine leta M₂, kada se ponovo izvlači itd. Broj fiksiranih položaja pokretnog konusa i veličine potrebnog pomeranja konusa zavise od oblasti brzine leta i stabilnosti rada u toj oblasti, koja je ograničena sa donje strane pojavom pumpanja (slika 7). Na slici 7 isprekidana linija je linija optimalnog regulisanja. Vidi se da se nalazi u blizini granice pumpanja, pa ovakav način regulisanja stvara izvesne poteškoće pri regulisanju rada uvodnika.

Slika 7. - Pomeranje pokretnog konusa pri stepenastoj regulaciji

Objasnimo sada uticaj položaja pokretnog konusa na rad uvodnika pri zadanoj brzini leta i nepromenjenom režimu rada motora. (Ovo objašnjenje je interesantno i radi objašnjenja otkazivanja sistema regulisanja u bilo kom krajnjem položaju pokretnog konusa).

Uvlačenje pokretnog konusa dovodi do povećanja protoka vazduha kroz uvodnik. Usled nepromenjenog režima rada motora, u početku nastaje porast protivpritiska iza uvodnika, što će izazvati stvaranje isturenog talasa i dovesti do nestabilnog rada uvodnika. Ako grlo uvodnika nije u mogućnosti da propusti celokupnu količinu vazduha koja prođe kroz udarne talase, istureni talas će nastati u blizini ulaza u uvodnik ili na samom ulazu, pa u ovom slučaju ne mora doći do nestabilnog rada uvodnika.

Ako se pokretni konus izvuče previše, protok vazduha kroz uvodnik se smanjuje, što dovodi do pada protivpritiska iza uvodnika. Udarni talas koji se stvara iza grla premešta se po struji prema kompresoru. Ovakav rad je praćen stvaranjem neprijatnih šumova.

Uticaj pomeranja konusa na protok vazduha kroz uvodnik dat je na slici 8. Slika prikazuje zavisnost koeficijenta porasta pritiska od pomeranja pokretnog konusa.

Slika 8. Promena koeficijenta porasta pritiska u uvodniku za razne položaje konusa

Veliko pomeranje pokretnog konusa, u odnosu na optimalni položaj, dovodi do pada koeficijenta porasta pritiska, pada potiska i povećanja specifične potrošnje goriva. Za položaje pokretnog konusa koji su manji od l_min i veći od l_max nastaje nestabilan rad uvodnika. Nedostatak stepenastog regulisanja karakteriše pad potiska pri odstupanju od optimalnog položaja. Pad potiska se objašnjava padom koeficijenta porasta pritiska u uvodniku.

Pri otkazu ili neispravnosti sistema za regulisanje rada uvodnika može doći do nestabilnog rada uvodnika. Niz faktora koji dovode do prepunjavanja kanala uvodnika izazvaće pumpanje uvodnika, a pumpanje će nastati i u slučaju zakašnjenja izvlačenja pokretnog konusa ili pri zakašnjenju otvaranja protivpumpnih vrataoca i pri smanjenju broja obrtaja motora. Pojava pumpanja može nastati i pri ubrzanju aviona ako je pokretni konus nedovoljno izvučen ili previše izvučen, a takođe i u slučaju kada se pri smanjenju broja obrtaja zakašnjava sa izvlačenjem pokretnog konusa ili otvaranjem protivpumpnih vratanaca. Ovi faktori izazivaju pumpanje i pri letu sa većim napadnim uglovima (penjanje).

Da bi se obezbedio siguran rad motora nadzvučnih aviona, motori moraju biti snabdeveni uvodnicima vazduha kod kojih je moguća regulacija protoka vazduha u zavisnosti od brzine leta, broja obrtaja, okolne temperature i napadnog ugla.

LITERATURA

1. Pukovnik Zlatko Rendulić: Problemi nadzvučnih uvodnika vazduha Vazduhoplovni glasnik br. 6/64.

2. Pukovnik Zlatko Rendulić: Aerodinamika.

3. Avijacija i kosmonautika br. 1/63.

4. V. I. Polikovskij, D. N. Surnov: Silovije ustanovki letatelnih aparatov s vozdušno-reaktivnimi dvigateljami - Moskva 1965.