Waarom heeft de J58-motor van de SR-71 een diffuser na de inlaatspike?

Ik heb gehoord dat de diffusor de perslucht toestaat nadat de inlaatspike "uitgespreid" is. Wat betekent dit? Als dit expansie betekent, zou het dan niet nuttig zijn om het te laten comprimeren voordat het in de compressiekamer komt, dus waarom zou het zich verspreiden?

9
Precies voor wat u denkt dat voordelig is: om de druk te verhogen en, als gevolg daarvan, de meerderheid van de stuwkracht te creëren bij Mach 3.2. Het mondstuk telt minder dan de helft van de totale stuwkracht op.
toegevoegd de auteur Peter Kämpf, de bron

2 antwoord

Over het algemeen kan een compressor niet efficiënt werken op supersonische snelheid vanwege de schokgolven, de rol van de inlaatconus en diffuser is om de lucht onder Mach 1 te vertragen. Er is een soortgelijke behoefte aan een ramjet, zodat de verbranding kan optreden in de motor en stuwkracht produceren.

De conuspositie en de geometrie van de diffuser worden aangepast aan de luchtsnelheid. De algemene vorm van de diffuser divergeert.

From Bernoulli's principle, the diffuser decreases velocity and increases pressure according to:

$ \ frac 1 \ rho \; dp = - \ mathrm V \; d \ mathrm V $ waar $ \ rho $ de luchtdichtheid is.

Bekijk deze video: Converging Diverging Nozzles voor meer informatie over hoe druk en snelheid worden aangetast in een mondstuk/een diffuser. Hier is een samenvatting:

enter image description here

De J58 is een turbojet in een ramjet. Het voorste gedeelte van de motor heeft een complexe rol. Hij past zich aan aan een groot bereik van snelheid (0 tot Mach 3.2) en hoogte (0 tot 85.000 ft), en past de luchtstroom aan als een turbojet of als een straalmotor, afhankelijk van de vliegsnelheid.

enter image description here
Simplified adjustment of the airflow (source).

Actual mechanism used at different airspeed ranges in the J58: enter image description here (Source)

13
toegevoegd

Eigenlijk was de taak van de diffusor om stuwkracht te creëren. Klinkt raar? Lees dan verder!

Bij supersonische snelheid zal de piek voor de inlaat een cascade van steeds steilere schokken creëren om de lucht te vertragen en comprimeren. Binnenin versmalt de dwarsdoorsnede verder totdat de stroming wordt vertraagd tot onder Mach 1 in een definitieve, rechte schok. Dit is het punt van de kleinste doorsnede, de keel genoemd. Door te vallen op subsonische snelheid wordt het gedrag van de stroom fundamenteel veranderd: wanneer eerder, bij supersonische snelheid, zou het vertragen in een smaller wordend dwarsdoorsnedeprofiel, heeft het nu een breder dwarsdoorsnedeprofiel nodig om verder te vertragen. Naarmate het vertraagt, wordt de kinetische energie van de stroom omgezet in druk, dus aan de zijde van de compressor is de stroming slechts Mach 0,4 snel, maar heeft bijna 40 keer de omgevingsdruk. Merk op dat dit gaat over de drukverhouding van moderne straalmotoren zoals de F120 of de GE90 en ver boven de drukverhoudingen van turbocompressoren uit de jaren 50.

Door de kegel te bewegen, wordt de positie van de keel zodanig ingesteld dat de inlaat over het volledige snelheidsbereik werkt. Van subsonisch tot Mach 3.2 neemt het opnamegebied met 112% toe, terwijl de breedte van de keel wordt verkleind tot 54% van de subsonische waarde.

De diffusor is nodig om het subsonische gebied van de inlaatstroom te vertragen. Tegelijkertijd is het gevuld met hogedruklucht die tegen zijn wanden duwt. De druk op het projectieoppervlak in de vliegrichting draagt ​​het grootste deel van de totale stuwkracht van de J58 bij. De taak van de motor is om de lucht in de diffusor weg te zuigen en deze uiteindelijk te versnellen naar vliegsnelheid en hoger.

Ik denk dat de claim van 80% stuwkracht op deze pagina niet helemaal waar is, maar het illustreert het punt.

Bij Mach 3.2 cruise heeft het inlaatsysteem zelf eigenlijk 80 geleverd   procent van de stuwkracht en de motor slechts 20 procent, waardoor de J58   in werkelijkheid een turbo-ramjet motor.

Een beetje naar beneden, het presenteert ons met meer geloofwaardige cijfers:

Bij Mach 3 produceert de inlaat zelf 54% van de totale doorvoer   drukherstel, de motor draagt ​​slechts 17% bij en de uitwerper   systeem 29%. De compressieverhouding bij cruise is 40 tot 1.

Ook de reden om het een turbo-ramjet te noemen is eigenlijk een andere, zoals gegeven op deze pagina :

The SR-71's Pratt & Whitney J58 engines were rather unusual. They could convert in flight from being largely a turbojet to being largely a compressor-assisted ramjet. At high speeds (above Mach 2.4), the engine used variable geometry vanes to direct excess air through 6 bypass pipes from downstream of the fourth compressor stage into the afterburner. 80% of the SR-71's thrust at high speed was generated in this way, giving much higher thrust, improving specific impulse by 10-15%, and permitting continuous operation at Mach 3.2. The name coined for this configuration is turbo-ramjet.

Het intake ontwerp van de SR-71 was niet de enige: Zie hieronder voor een overzicht van de stuwkrachtbijdragen binnen de Concorde's Olympus 593 motor en gondel:

Concorde nacelle cross section

Concorde nacelle doorsnede en stuwkrachtafbraak (foto bron )

5
toegevoegd
@JanHudec: Ja, absoluut. Alleen wanneer u de druk binnenin integreert, zal de diffusor de hoofdbron van de stuwkracht zijn, en dit kan alleen maar zijn omdat de motor de druk aan het eind van de diffusor verlaagt door al die lucht weg te pompen. Wanneer u de momentumverandering bekijkt, zal de diffusor de inlaatstroom vertragen, waardoor de stuwkracht wordt verminderd. Alleen omdat de motor die trage doorstroming weer kan versnellen, krijgen we een positieve stuwkracht.
toegevoegd de auteur Peter Kämpf, de bron
Zeggen dat de inlaat 80 procent stuwkracht levert en de motor slechts 20 klinkt mij vreemd. Omdat de diffuser het belangrijkste actiepunt van de kracht is (in subsonische motor, de compressor is), bestaat de kracht nog steeds alleen vanwege het warme deel erachter. Er kan geen stuwkracht zijn zonder de energie die door de verbranding wordt geleverd. Dus het is nog steeds de engine die de stuwkracht produceert; het werkt alleen in het compressiesegment, want dat is degene met een aanzienlijk naar achteren gericht oppervlak voor de druk om op in te werken.
toegevoegd de auteur Jan Hudec, de bron