Stareyshin

Поехали!

Газ движется через тракт авиационного двигателя и запасает энергию в компрессоре (скорость потока падает, давление возрастает). Далее этот газ смешивается с топливом и поджигается. Энергии в газе становится еще больше. Газ упираться в лопатки турбины и начинает раскручивать диск турбины. Скорость газа при этом падает, также  падает давление газа и накопленная энергия у газа уменьшается. Чем больше турбин (правильно колес турбин, но мы упростим) стоит после камеры сгорания тем больше энергии турбины заберут от газа. Скорость газа, температура и остаточная энергия газа падает.

И тут начинается магия, которую почему-то не все понимают. Здесь чуть подробнее.

Если мы заберем примерно 75-90% энергии газа турбиной, то никакого реактивного сопла не нужно! Ставим сужающийся канал (выхлопной патрубок) и получаем некую реакцию опоры или реактивную тягу. В зависимости от режима работы двигателя это не более 15-20% от максимальной тяги вентилятора, пропеллера, несущего винта (или что у вас там). Там цифры плавают и нам самое главное для понимаю всего остального, что большая часть энергии забрала турбина. Почему не 90% и более? Потому, что будут срывы и нестабильная работа последней ступени турбины. Нам надо, чтоб не было «перерасширения» (чтоб давление газа после турбины было выше атмосферного давления). Это надо чтоб воздух из атмосферы не пошел в двигатель из выхлопного патрубка и не пошел в турбину и далее в двигатель (не было падения КПД последних турбин). Кратко и упрощенно из гидравлики  – газ и/или жидкость течет по каналу, если давление на входе в канал больше давления на выходе. В другом случае или не течет или течет в другую сторону. Нам нужна энергия на турбине (много для чего, но сейчас не об этом) и чтоб газ выходил из сопла/выхлопного патрубка.

Вторая часть. Непосредственно про сопло Лаваля и его работу.

Дозвуковая часть (на рисунке от зеленой до красной линии).

Если у газа осталось больше 25% энергии (сколько именно вам точно не скажут или скажут, но не на всех режимах работы двигателя), то можно поставить регулируемое сопло. Пока не Лаваля, а только с дозвуковыми створками, так называемое дозвуковое сопло. Его ставили на старые двигатели (если ставят на современные, то нам это важно, так как мы разбираемся в работе сопла). Дозвуковое истечение газа – в сужающемся канале скорость газа возрастает и увеличивается скорость (это закон, спорить не надо и доказывать не буду). При этом давление, температура и внутренняя энергия газа по мере прохождения этого сужающегося канала (довуковые створки реактивного сопла) падает. Если давление упало до атмосферного, то можно считать конец – энергии у газа 0 (почти ноль, так как осталась еще скорость и температура), этот газ нельзя больше разгонять. Повторюсь: газ течет по каналу, если давление на входе в канал больше давления на выходе. Если давление газа на выходе из дозвуковой части реактивного упадет ниже атмосферного, то в Сопло двигателя будет засасывать воздух и тяги не будет. Зачем мы городили это сопло и тратили столько энергии на разгон? Не понятно. Если энергии в газе запасли так много, что даже на выходе из сопла газ разогнался до скорости звука, то поздравляем – вам нужно сопло Лаваля! Дальше будет интереснее, если вы еще здесь))).

Сверхзвуковая часть (на рисунке от красной до фиолетовой линии).

На сверхзвуковых скоростях газ ускоряется в расширяющемся канале. Все работает наоборот (относительно дозвукового, ну почти – мы же упрощаем). Надо чтоб газ ускорился до звуковой скорости на критическом сечении сопла (красная линия на рисунке). Мы меняем площадь критического сечения – это управляемый параметр. Раньше сверхзвуковые створки регулировали, чтоб получить на выходе (срезе сопла - фиолетовая линия) давление газа равное атмосферному. Отслеживать это было тяжело, быстро регулировать (особенно для истребителей) ещё сложнее. Гидравлика управления работает медленно и не успевает всегда ставить створки сопла, в нужное положение. На переходных режимах работы – много потерь тяги и нестабильная работа сопла. Всё это было сложно, но что делать. Чего-то нахватало, но люди летали, завоевывали господство в воздухе и не сильно жаловались. Или жаловались, но не громко, а если и громко, то где-то далеко в небе или чтоб не слышно остальным было.

В конце 60-х – начале 70-х на одном ленинградском заводе предложили, обосновали, разработали и внедрили в серию «неуправляемое» сверхзвуковое сопло. Дозвуковая часть – так и регулировалось критическое сечение, а сверхзвуковые створки не регулировались и самоориентировались в потоке.

Как этого добились? Простое допущение, понимание гидравлики и расчет сил действующих на сверхзвуковые створки. В любой точке сопла и при любом истечении газа из двигателя – газ движется от точки с большим давлением к точке с меньшим давлением. В сверхзвуковой зоне у газа есть давление, которое выталкивает газ из сопла наружу (к меньшему давлению) и начинает раздвигать расширять сверхзвуковые створки. Расширяет до тех пор, пока силы на створках не будут сбалансированы – давление газа и атмосферное давление. Но чем больше расширяется сверхзвуковой канал, тем быстрее разгоняется газ и тем быстрее падает давление, которое стремится выровняться с атмосферным. Итого саморегулируемая система. С одной стороны давление газа, а с другой стороны давление атмосферы. Газ в сверхзвуковом сопле самоорганизовывает свое расширение и разгон.  Створки сами встают в нужное положение. При этом давление не может упасть ниже атмосферного в сопле.

Всё работает хорошо, но есть нюанс! Газ истекает не равномерно и не на все створки идет одинаковое воздействие. Из-за этого вектор тяги «плавает», а самолет почему-то летит не вперед. Для борьбы с этим установили систему синхронизации сверхзвуковых створок – все сверхзвуковые створки, двигаясь на  увеличение или уменьшение площади среза реактивного сопла, оставались параллельны вектору тяги (если точнее, то площадь сечения реактивного сопла была всегда перпендикулярна вектору тяги). Теперь сверхзвуковое створки моментально встают и успеют за изменением работы двигателя и нет «недорсширения» или «перерасщирения» газа в сопле. Нет потерь, летчики довольны.

Примерно в это же время появилась идея: управление вектором тяги. Система синхронизации створок – это некоторое кольцо, которое замыкает все створки в круг. А что если мы этот круг будет двигать в разные стороны – у нас будет изменение вектора тяги. Это очень просто и это очень дорого, так как при этом створки будут больше истираться друг от друга, но это было начало, дальше система совершенствовалась. Вот так явился МиГ-29ОВТ.

Наработки по флюгерным сверхзвуковым створкам (по приказу сверху, СССР и мы все делаем общее дело) были переданы на другие заводы для улучшения других двигателей. Сопло и управляемый вектор тяги на Су-27 и его модификациях – спасибо нашему заводу.

Это всё максимально упрощенно, так как на каждом этапе ещё много тонкостей.

По просьбе трудящихся приведу несколько рисунков. Специально выделил одним и тем же цветом сечения Сопла Лаваля.

Воркута — 67°30′00″ с. ш. 64°02′00″ в. д.

66 северная широта:

Салехард — 66°32′00″ с. ш. 66°38′00″ в. д.

Новый Уренгой — 66°05′05″ с. ш. 76°40′44″ в. д.

65 северная широта:

Надым — 65°32′00″ с. ш. 72°31′00″ в. д.

64 северная широта:

Архангельск — 64°33′00″ с. ш. 40°32′00″ в. д.

63 северная широта:

Ухта — 63°34′00″ с. ш. 53°42′00″ в. д.

62 северная широта:

Мирный — 62°32′29″ с. ш. 113°58′39″ в. д.

Якутск — 62°01′38″ с. ш. 129°43′55″ в. д.

61 северная широта:

Петрозаводск — 61°47′00″ с. ш. 34°21′00″ в. д.

Сыктывкар — 61°40′00″ с. ш. 50°49′00″ в. д.

Югорск — 61°19′00″ с. ш. 63°21′00″ в. д.

Сургут — 61°15′00″ с. ш. 73°26′00″ в. д.

Нефтеюганск — 61°06′00″ с. ш. 72°36′00″ в. д.

Ханты-Мансийск — 61°00′02″ с. ш. 69°00′22″ в. д.

60 северная широта:

Нижневартовск — 60°55′00″ с. ш. 76°34′00″ в. д.

Кронштадт (Санкт-Петербург, стоящий на Нильском меридиане) — 60°00′00″ с. ш. 29°46′00″ в. д.

59 северная широта:

Санкт-Петербург — 59°57′00″ с. ш. 30°19′00″ в. д.

Пушкин / Царское Село — 59°43′00″ с. ш. 30°25′00″ в. д.

58 северная широта:

Тобольск — 58°11′43″ с. ш. 68°15′29″ в. д.

Пермь — 58°00′50″ с. ш. 56°14′56″ в. д.

57 северная широта:

Псков — 57°49′00″ с. ш. 28°20′00″ в. д.

Кострома — 57°46′00″ с. ш. 40°56′00″ в. д.

Тюмень — 57°09′00″ с. ш. 65°32′00″ в. д.

56 северная широта:

Рига — 56°56′51″ с. ш. 24°06′25″ в. д.

Тверь — 56°51′28″ с. ш. 35°55′18″ в. д.

Ижевск — 56°51′00″ с. ш. 53°13′00″ в. д.

Екатеринбург — 56°50′00″ с. ш. 60°35′00″ в. д.

Клин (город) — 56°20′02″ с. ш. 36°42′45″ в. д.

Нижний Новгород — 56°18′40″ с. ш. 43°55′50″ в. д.

Владимир — 56°08′00″ с. ш. 40°25′00″ в. д.

Красноярск — 56°00′00″ с. ш. 92°50′00″ в. д.

55 северная широта:

Казань — 55°47′27″ с. ш. 49°06′52″ в. д.

Москва — 55°45′06″ с. ш. 37°37′04″ в. д.

Челябинск — 55°09′44″ с. ш. 61°24′11″ в. д.

Новосибирск — 55°01′00″ с. ш. 82°55′00″ в. д.

54 северная широта:

Смоленск — 54°46′58″ с. ш. 32°02′43″ в. д.

Калининград — 54°43′00″ с. ш. 20°30′00″ в. д.

Рязань — 54°37′00″ с. ш. 39°43′00″ в. д.

Ульяновск — 54°19′00″ с. ш. 48°22′00″ в. д.

Тула — 54°12′00″ с. ш. 37°37′00″ в. д.

53 северная широта:

Минск — 53°55′00″ с. ш. 27°33′00″ в. д.

Петропавловск-Камчатский 53°01′ с. ш. 158°39′ в. д.

52 северная широта:

Тамбов — 52°43′00″ с. ш. 41°26′00″ в. д.

Липецк — 52°37′00″ с. ш. 39°36′00″ в. д..

Иркутск — 52°17′00″ с. ш. 104°18′00″ в. д.

Чита — 52°02′00″ с. ш. 113°30′00″ в. д.

51 северная широта:

Улан-Удэ — 51°50′00″ с. ш. 107°37′00″ в. д.

Курск — 51°43′00″ с. ш. 36°11′00″ в. д.

Воронеж — 51°40′18″ с. ш. 39°12′38″ в. д.

Саратов — 51°32′00″ с. ш. 46°00′00″ в. д.

Астана — 51°11′00″ с. ш. 71°24′00″ в. д.

Дрезден — 51°02′00″ с. ш. 13°44′00″ в. д.

50 северная широта:

Комсомольск-на-Амуре — 50°33′00″ с. ш. 137°00′00″ в. д.

Прага — 50°05′19″ с. ш. 14°25′17″ в. д.

49 северная широта:

Хайлар — 49°12′00″ с. ш. 119°42′00″ в. д.

48 северная широта:

Волгоград — 48°41′57″ с. ш. 44°28′24″ в. д.

Хабаровск — 48°29′00″ с. ш. 135°04′00″ в. д.

Вена — 48°13′00″ с. ш. 16°22′24″ в. д.

47 северная широта:

Будапешт — 47°31′00″ с. ш. 19°05′00″ в. д.

Новочеркасск — 47°26′09″ с. ш. 40°05′55″ в. д.

Ростов-на-Дону — 47°14′26″ с. ш. 39°42′38″ в. д.

46 северная широта:

Астрахань — 46°20′00″ с. ш. 48°02′00″ в. д.

45 северная широта:

Харбин — 45°45′00″ с. ш. 126°38′00″ в. д.

Саки — 45°08′01″ с. ш. 33°34′38″ в. д.

Ставрополь — 45°02′00″ с. ш. 41°58′00″ в. д.

Краснодар — 45°02′00″ с. ш. 38°59′00″ в. д.

44 северная широта:

Симферополь — 44°56′53″ с. ш. 34°06′15″ в. д.

Анапа — 44°53′40″ с. ш. 37°19′00″ в. д.

Севастополь — 44°36′00″ с. ш. 33°32′00″ в. д.

Балаклава — 44°30′ с. ш. 33°36′ в. д.

Бухарест — 44°24′00″ с. ш. 26°05′00″ в. д.

Пятигорск — 44°03′00″ с. ш. 43°03′36″ в. д.

43 северная широта:

Сочи — 43°35′07″ с. ш. 39°43′13″ в. д.

Нальчик — 43°29′00″ с. ш. 43°37′00″ в. д.

Алма-Ата — 43°15′00″ с. ш. 76°54′00″ в. д.

Владивосток — 43°07′00″ с. ш. 131°54′00″ в. д.

42 северная широта:

Махачкала — 42°59′00″ с. ш. 47°30′00″ в. д.

Подгорица — 42°15′36″ с. ш. 19°09′36″ в. д.

41 северная широта:

Ташкент — 41°18′00″ с. ш. 69°16′00″ в. д.

Стамбул — 41°00′36″ с. ш. 28°57′37″ в. д.

39 северная широта:

Пекин — 39°56′00″ с. ш. 116°24′00″ в. д.

Анкара — 39°52′00″ с. ш. 32°52′00″ в. д.

38 северная широта:

Душанбе — 38°34′23″ с. ш. 68°47′11″ в. д.

37 северная широта:

Сеул — 37°35′ с. ш. 127°00′ в. д.

36 северная широта:

Алжир — 36°47′ с. ш. 3°04′ в. д.

35 северная широта:

Айн-Усера — 35°26′55″ с. ш. 2°54′20″ в. д.

34 северная широта:

Кабул — 34°31′58″ с. ш. 69°09′57″ в. д.

Рабат — 34°01′31′′ с. ш. 06°50′10′′ з. д

31 северная широта:

Кандагар — 31°36′28″ с. ш. 65°42′19″ в. д.

Шанхай — 31°10′00″ с. ш. 121°28′00″ в. д.

30 северная широта:

Каир — 30°03′22″ с. ш. 31°14′22″ в. д.

Чэнду — 30°39′31″ с. ш. 104°45′18″ в. д.

28 северная широта:

Дели — 28°40′00″ с. ш. 77°13′00″ в. д.

27 северная широта:

Эль-Аюн — 27°08′30″ с. ш. 13°11′16″ з.д

26 северная широта:

Джайпур — 26°55′00″ с. ш. 75°52′00″ в. д.

25 северная широта:

Доха — 25°16 ′46″ с. ш. 51°31′21″ в. д.

24 северная широта:

Далянь (порт Артур) — 24°37′52″ с. ш. 116°54′31″ в. д.

23 северная широта:

Дакка — 23°42′37″ с. ш 90°24′26″ в. д

Гуанчжоу — 23°07′48″ с. ш. 113°15′36″ в. д.

18 северная широта:

Мумбаи — 18°58′00″ с. ш. 72°50′00″ в. д.

17 северная широта:

Вьентьян — 17°58′00″ с. ш 102°35′59″ в. д.

15 северная широта:

Хартум — 15°34′ с. ш. 32°36′ в. д.

Васко-да-Гама — 15°23′45″ с. ш 73°48′57″ в. д.

13 северная широта:

Эль-Фашир — 13°37′35″ с. ш 25°21′ 07″ в. д.

12 северная широта:

Нджамены (Нждамена) — 12°06′24″ с.ш. 15°02′39″ в. д

8 северная широта:

Аддис-Абеба — 8°59′36″ с. ш. 38°43′37″ в. д.

4 северная широта:

Джуба — 4°50′55″ с. ш. 31°34′58″ в. д.

0 северная широта

Кампала — 0 °19′ с. ш. 32 °35′ в. д.

Всего 2 города на южном полушарии:

4 южная широта:

Киншаса 4°19′39″ ю.ш 15°18′48″ в.д

12 южная широта:

Лима  12°02′06″ ю. ш. 77°01′07″ з. д.

В планах «закрыть» все широты северного полушария. Пост возник из-за спора что южнее Якутск или Санкт-Петербург. Правильный ответ - Питер, но разница в широтах не большая.

Особенно нравятся горда с "круглыми" широтами, например Красноярск — 56°00′00″ с. ш., Шанхай — 31°10′00″ с. ш.