Файл: Нечаев Ю.Н. Входные устройства сверхзвуковых самолетов.pdf

медленней. Первый случай характерен для течения после замыкаю­ щего скачка на расчетном режиме работы диффузора с внешним сжа­ тием (см. фиг. 31). Такой характер течения является благоприят­ ным, так как приводит к выравниванию скоростей и давлений воз­ духа в пограничном слое и в ядре потока. На докритических режи­ мах за головной волной возникает резкое торможение потока, что способствует развитию срыва потока с поверхности центрального тела.

Схема образования отрыва пограничного слоя и возникновения неустойчивой работы представлена на фиг. 59.

Фиг. 59. К объяснению неустойчивой работы, вызываемой отрывом пограничного слоя от поверхности центрального тела

Условия течения в месте отрыва приводят обычно к образованию Х-скачка. Область отрыва за основанием X-скачка распространяется вниз по течению и уменьшает эффективную площадь горла. Сни­ жается также коэффициент восстановления давления. Это приводит к уменьшению расхода воздуха через диффузор и к перемещению го­ ловной волны против потока (фиг. 59,а).

При приближении головной волны к вершине конуса уменьшает­ ся толщина пограничного слоя и появляется возможность для при­ липания оторвавшегося пограничного слоя (фиг. 59,6). В силу этого увеличивается эффективная площадь горла и возрастает коэффици­ ент овх, что приводит к движению головной волны в обратном на­ правлении'— к плоскости входа. Далее цикл повторяется.

Процесс неустойчивой работы обычно сопровождается явления­ ми, связанными с возникновением и распространением по тракту

80

двигателя колебаний давления. Падение давления, вызванное отры вом потока, приводит к возникновению волны разрежения, которая распространяется по направлению к двигателю, доходит до выходно­ го сопла и, отразившись от него, движется в обратном направлении. Если на обратном пути волна разрежения встречает головную волну

риодический автоколебательный процесс, аналогичный соответствую­ щему процессу, наблюдающемуся при помпаже компрессора. Появ­ ляются значительные колебания давления и расхода воздуха по все­ му тракту двигателя.

Фи г. 60. К объяснению неустойчивой работы, вызываемой по­ паданием внутрь диффузора линии разрыва скоростей

Неустойчивая работа, вызываемая попаданием в канал диффузо­ ра линии разрыва скоростей. Другой причиной неустойчивой работы может явиться попадание во входной диффузор линии разрыва каса­ тельных составляющих скоростей, которая образуется в точке пересе­ чения косого скачка уплотнения с головной волной. Скорости терпят разрыв вдоль указанной линии из-за различной степени торможения потока по обе ее стороны.

Если линии разрыва (волнистая линия на фиг. 60) попадает во входной диффузор, она разделяет внутренний поток на две части. При этом вдоль линии разрыва статическое давление у смежных по­ токов должно стать одинаковым, хотя полное давление у них раз­ лично. Во внешнем потоке давление меньше, так как поток заторма­ живается в одном прямом скачке большой интенсивности.

Условие равенства статических давлений возможно лишь в том случае, если внешний поток, обладающий меньшим полным давле­ нием, будет тормозиться, а внутренний поток, имеющий большее полное давление,— разгоняться (или тормозиться менее интенсив­ но) . Однако инерционность внутреннего потока препятствует быстро­ му выравниванию статических давлений: статическое давление во внутреннем потоке оказывается выше, чем во внешнем. По этой при­

чине во внутреннем потоке возникает волна сжатия, двигающаяся против потока, а во внешнем — волна разрежения, распространяю­ щаяся по потоку.

ловной волны, притягивает ее к входному отверстию. Далее цикл по­ вторяется.

Описанный механизм возникновения и развития неустойчивой работы диффузора является сугубо схематичным. Он не отражает в полной мере существа происходящих процессов и требует дальней­ шего более пристального изучения.

Характер процессов, вызывающих неустойчивую работу входных сверхзвуковых диффузоров на сверхкритичеоких режимах, изучен еще недостаточно. Причиной срыва потока в этом случае является, по-видимому, взаимодействие с пограничным слоем скачка, образую­ щегося в канале за горлом. После этого скачка дозвуковой поток движется по расширяющемуся каналу, что способствует развитию образовавшихся срывных зон.

При испытании моделей диффузоров этот вид неустойчивой ра­ боты не всегда обнаруживается, поэтому граница появления зуда на характеристиках диффузора обычно не наносится.

§ 4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВХОДНЫХ СВЕРХЗВУКОВЫХ ДИФФУЗОРОВ

Для эффективной и устойчивой работы диффузора нужно, чтобы весь расход, воздуха, проходящий через систему косых скачков уп­ лотнения, мог быть пропущен горлом и двигателем. Если горло слишком мало, чтобы пропустить весь этот воздух, на входе возни­ кает головная волна; если оно слишком велико, появляются потери полного давления за счет перерасширения горла. Примерно то же можно сказать и относительно двигателя: если его пропускная спо­ собность недостаточна, появляется, как указывалось, головная вол­ на, либо даже неустойчивая работа; если же его пропускная способ­ ность излишне велика, возникают потери из-за снижения противодав­ ления.

Задача регулирования состоит в том, чтобы приводить в соот­ ветствие пропускные способности (производительности) системы ко­ сых скачков, горла и двигателя с целью недопущения появления го­ ловной волны, получения наибольших возможных значений коэффи­ циента авХ и устойчивой работы системы диффузор— двигатель во всем диапазоне чисел М полета и режимов двигателя.

82

Регулирование 'входного диффузора может быть осуществлено перемещением центрального тела, изменением площади горла и пе­ репуском воздуха из-за диффузора в окружающую атмосферу.

Принципиально возможны и другие средства регулирования, на­ пример, изменение угла клина (конуса), угла обечайки и т. п., одна­ ко они пока не находят практического применения и рассматривать­ ся нами не будут.

Фиг. 61. Изменение располагаемого расхода систе­

Регулирование диффузора перемещением центрального тела и изменением площади горла. Ранее уже указывалось, что нерегули­ руемый входной сверхзвуковой диффузор на больших числах М по­ лета может пропускать при течении без головной волны на входе вполне определенное количество воздуха. Располагаемый расход воз­ духа и соответствующий коэффициент расхода (?расп определяются пропускной способностью системы скачков. Изменить пропускную способность системы скачков можно за счет перемещения централь­ ного тела.

Если центральное тело вдвигать внутрь обечайки, расход возду­ ха через систему косых скачков будет возрастать. Если его выдви­ гать, расход воздуха будет снижаться. Это видно из фиг. 61, где по­ казано изменение формы струйки тока вследствие выдвигания и вдвигания центрального тела при неизменном числе М полета. Вы­ двигание конуса приводит к тому, что косые скачки уплотнения, не изменяя углов наклона и своего взаимного расположения, отодви­

гаются от плоскости входа. Это неизбежно приводит к уменьшению площади струйки тока и к снижению располагаемого значения коэф­

в том месте, где образуется горло, не является цилиндрической. Воз­ можны и специальные приспособления для независимого регулиро­ вания площади горла, хотя это связано с конструктивными трудно­ стями.

Итак), мы видим, что расход воздуха через систему скачков мож­ но регулировать перемещением ступенчатого конуса. Расход воздуха через горло можно регулировать изменением его проходного сечения.

Принцип регулирования входных сверхзвуковых диффузоров состоит в том, что расходы воздуха через систему скачков и горло по мере возможности подстраивают под потребный расход двигателя.

Чем определяется потребный расход двигателя? Он зависит от двух факторов: от приведенного расхода воздуха через компрессор и от величины коэффициента сохранения давления диффузора. Приве­ денный расход определяется по характеристике компрессора. Макси­ мально возможное значение коэффициента авх зависит от неизбеж­ ных потерь в системе скачков и от потерь трения: овхт„ = а т атр. Най­ денная таким образом величина должна быть снижена на 5 10% в целях обеспечения запаса устойчивости.

Определив для каждого режима полета величины С?пр и овх, можно найти потребную величину коэффициента расхода на каждом режиме работы двигателя t?nOTp,

По найденным потребным значениям расхода воздуха легко оп­ ределить необходимое перемещение центрального тела и изменение площади горла, при которых <рпотр = фрасп.

Таким образом определяют оптимальный закон регулирования диффузора перемещением центрального тела и изменением площади горла.

На фиг. 62 показан примерный характер потребного перемеще­ ния центрального тела и изменения площади горла по числу М по­ лета, числу оборотов двигателя и температуре окружающего воздуха. За параметр, характеризующий перемещение центрального тела,

здесь принята величина /, равная отношению длины той части цент­ рального тела, которая выступает за образ обечайки, к диаметру входа (фиг. 62).

Как видно, при уменьшении числа М полета ступенчатый конус требуется вдвигать, а площадь горла увеличивать. При уменьшении числа оборотов конус нужно выдвигать, а горло уменьшать. При уменьшении температуры воздуха в окружающей атмосфере требует­ ся вдвигать конус и увеличивать площадь горла.

Указанный характер потребного регулирования ступенчатого конуса и горла можно объяснить, если вспомнить особенности работы

84

в тех же условиях нерегулируемого диффузора. Рассмотрим все три случая последовательно.

При уменьшении числа М полета и при сохранении постоянного числа оборотов увеличивается пропускная способность двигателя вследствие возрастания приведенного расхода воздуха на вход в компрессор. Расход воздуха, пропускаемый системой скачков уп­ лотнения, оказывается меньшим потребного расхода двигателя. Уменьшение расхода воздуха через двигатель до значения расхода.

го сверхзвукового диффузора в зависимости от числа М полета, числа оборотов и температуры окружающей атмосферы

пропускаемого системой скачков, у нерегулируемого диффузора про­ исходит за счет повышения интенсивности скачка уплотнения в ка­ нале за горлом и снижения плотности воздуха перед двигателем. Требуемое согласование производительностей системы скачков и двигателя при уменьшении числа М полета у регулируемого диффу­ зора достигается за счет вдвигания ступенчатого конуса. Этим уве­ личивается пропускная способность системы скачков уплотнения.

Увеличение потребной площади горла при уменьшении числа М полета (фиг. 62,а) обусловлено снижением плотности воздуха в гор­ ле из-за уменьшения степени повышения давления воздуха в системе скачков уплотнения. С другой стороны, у регулируемого диффузора

уменьшение / приводит к относительному увеличению расхода возду­ ха через систему скачков уплотнения и требует дополнительного уве­ личения площади проходного сечения горла.

Снижение числа оборотов, как видно из фиг. 62,6, требует выд­ вижения конуса и уменьшения площади горла. Это объясняется тем,

85

что .при уменьшении числа оборотов и при постоянстве числа М поле­ та пропускная способность двигателя снижается. У нерегулируемого диффузора возникает вначале повышение давления перед двига­ телем. Но это приводит к снижению запаса устойчивости, а затем к переходу диффузора на докритические режимы работы и к возник­ новению помпажа. Следовательно, регулирование в этом случае должно обеспечивать уменьшение расхода воздуха через диффузор в соответствии со снижением расхода через двигатель. Снижение рас­ хода воздуха через систему скачков достигается выдвижением сту­ пенчатого конуса. Для того чтобы не возникало перерасширения гор­ ла, которое также приводит к потерям полного давления, его пло­ щадь нужно уменьшать.

Перейдем теперь к рассмотрению влияния температуры воздуха в окружающей атмосфере на потребное регулирование входного сверхзвукового диффузора (фиг. 62,в). Изменение температуры Тн влияет на расход воздуха через двигатель. Уменьшение, например, температуры Тн приводит к возрастанию приведенного числа оборо­ тов и к увеличению приведенного расхода воздуха через компрессор (см. фиг. 50). Следует заметить, что это возрастание потребного рас­ хода воздуха через двигатель обусловлено двумя причинами: пони­ жением плотности воздуха вследствие снижения его температуры и увеличением скорости воздуха на вход в компрессор (объемного рас­ хода воздуха). Расход воздуха через диффузор (располагаемый рас­ ход) , в этом случае тоже увеличивается, но его увеличение вызвано только повышением плотности воздуха и происходит медленнее. Про­ пускная способность двигателя становится большей пропускных спо­ собностей системы скачков и горла. Требуется, следовательно, умень­

шение / и увеличение FT.

Высота полета при постоянном числе М0влияет на совместную работу диффузора и двигателя только за счет изменения темпера­ туры Тн . Этот вопрос ясен и не требует специального рассмотрения.

Следует заметить, что влияние температуры воздуха и числа обо­ ротов могут быть сведены к одному параметру — приведенному числу оборотов. Следовательно, всережимное регулирование входных диф­ фузоров должно осуществляться по специальной программе в зави­ симости от двух параметров, например, числа М полета и приведен­ ного числа оборотов двигателя.

Потребный диапазон изменения / и Fr для оптимального регу-. лирования, как показывают расчеты, очень велик и конструктивно не всегда может быть обеспечен. Особенно большие трудности пред­ ставляет регулирование площади горла. По мере возможности изме­ нение площади горла стараются сочетать с перемещением конуса пу­ тем применения обечайки с наклонной внутренней поверхностью, но

обеспечить потребное изменение Fr в полной мере не удается. Прихо­ дится допускать некоторое отклонение от оптимального регулиро­ вания.

Возможны Случаи использования ступенчатого регулирования центрального тела. В этом случае центральное тело имеет несколько фиксированных положений и переводится из одного положения в дру-

86

гое при достижении определенного значения числа М полета или приведенного числа оборотов. Схема ступенчатого перемещения ко­ нуса по числу М полета приведена на фиг. 63. На взлете конус нахо­

дится в полностью убранном положении /о. Это положение конуса сохраняется до достижения числа М полета, равного М а п после чего

происходит его перестановка в положение 1Х. Оно сохраняется до до­ стижения числа М полета, равного /И02, и т. д. Число перестановок

•конуса, а также величины его .потребного перемещения определяются диапазоном чисел М полета, а также шириной области устойчивой работы, которая, как видно из фиг. 63, ограничена сверху появлени­ ем зуда, а снизу — неустойчивой работой диффузора на докритических режимах. Пунктиром на фиг. 63 показана линия оптимального регулирования.

Сры£ 6 кама/и

в какое-либо крайнее положение.

Вдвигание конуса внутрь обечайки при регулируемом или перерасширенном горле приводит к увеличению расхода воздуха через диффузор. При неизменном режиме двигателя вначале это вызывает увеличение противодавления за диффузором, но затем приводит к выбиванию головной волны и к неустойчивой работе. Если горло не в состоянии пропустить весь расход воздуха, пропускаемый системой скачков, неизбежно возникнет головная волна на входе, хотя неустой­ чивость может и не появиться.

При сильном выдвижении ступенчатого конуса из-за уменьшения расхода воздуха через диффузор противодавление за ним падает. Скачок, образующийся за горлом, перемещается по потоку (по на­ правлению к компрессору). Может возникнуть зуд.

87