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

то называть «горлом». Принцип работы идеального диффузора

свнутренним сжатием, «ак указывалось ранее, состоит в следующем.

Всужающейся части канала сверхзвуковой поток затормаживается до скорости звука. Дальнейшее торможение потока, уже ставшего дозвуковым, осуществляется в расширяющейся части канала. Пере­ ход через скорость звука происходит в горле. Участок диффузора до

Такой идеальный диффузор, у которого скачки уплотнения и по­

скачков уплотнения. Наличие вязкости приводит к образованию по­ граничного слоя. Повышение давления в диффузоре в направлении движения потока способствует увеличению толщины пограничного слоя. Если профиль сверхзвуковой части внутреннего канала имеет изломы для образования косых скачков уплотнения, то в этих местах взаимодействие скачков с пограничным слоем может приводить к возникновению Х-скачков и местных зон отрыва. Пересечение косых скачков уплотнения с пограничным слоем на противоположной стенке вызывает утолщение и отрыв пограничного слоя.

По указанным причинам у диффузоров с внутренним сжатием предполагается иметь плавное профилирование внутренних стенок канала с целью осуществления торможения потоков в волнах сжатия

пенно снижается, а давление возрастает. Температура газа вследст­ вие его сжатия увеличивается. Полное давление и полная температу­

торое обозначают FT и называют относительной площадью горла.

Относительная площадь горла характеризует степень сужения канала в сверхзвуковой части диффузора: чем меньше эта величина, тем больше его сужение. Потребная степень сужения канала в сверх­ звуковой части диффузора зависит от числа М полета. Чем больше число М полета, тем требуется меньшая относительная площадь гор.- ла для того, чтобы затормозить поток до скорости звука. Физически это вполне очевидно: с увеличением числа М полета возрастает сте­

30

пень повышения давления воздуха в диффузоре и повышается плот­ ность воздуха в горле, что и приводит к необходимости уменьшения его площади.

Помимо трудностей, связанных с влиянием пограничного слоя, которые нами подробно не рассматриваются, основным препятствием на пути применения диффузоров этой схемы является сложность вы­ вода их на расчетный режим или, как говорят, трудность запуска.

Почему трудно произвести запуск диффузора с внутренним сжа­ тием? Это объясняется следующими причинами. Если диффузор рас­ считан на большое число М полета, то, как указывалось, площадь горла должна быть сделана у него значительно меньшей площади входа, исходя из того, что плотность в процессе торможения потока должна значительно возрасти. При числах М полета, меньших рас­ четного, плотность в горле получается также меньшей, чем на рас­ четном режиме полета, и площадь горла оказывается недостаточной для того, чтобы пропустить весь воздух, входящий в диффузор.

Но в таком случае впереди диффузора появляется головная вол­ на, за которой поток становится дозвуковым. Следовательно, диффу­ зор начинает работать как входное устройство с прямым скачком на входе.

При достижении расчетного числа М полета головная волна не исчезает, так как возникающие в ней значительные потери полного давления и в этом случае продолжают снижать плотность в горле, поэтому его пропускная способность не достигает расчетного зна­ чения.

Для осуществления расчетной схемы течения (запуска) таких диффузоров нужно сделать регулируемой площадь горла и увеличи­ вать ее при запуске. Это один путь. Он очень усложнит конструкцию входного устройства. Другой путь — вывести предварительно лета­ тельный аппарат на число М полета, большее расчетного. Наконец, третий путь состоит в перерасширении горла.

Для того чтобы лучше понять сущность этих мероприятий и вы­ яснить меры, необходимые для обеспечения устойчивой работы диф­ фузоров с внутренним сжатием, рассмотрим подробнее их работу на нерасчетных режимах.

§ 2. РАБОТА ДИФФУЗОРА С ВНУТРЕННИМ СЖАТИЕМ НА НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ

На режим работы диффузора при нулевом угле атаки могут влиять два фактора: число М полета и режим работы двигателя.

Рассмотренная схема течения (фиг. 24) соответствовала рас­ четному числу М полета, а расход воздуха, проходящий через диф­ фузор, принимался равным расходу через двигатель.

При числе М полета, большем расчетного, горло оказывается ве­ лико, а степень сужения канала недостаточной для того, чтобы за­ тормозить поток до скорости звука. Скорость в горле остается еще сверхзвуковой. В этом случае, попадая в расширяющийся канал, сверхзвуковой поток начинает в нем разгоняться. Давление при этом

31

несколько снижается. После предварительного разгона сверхзвуко­ вой поток переходит в дозвуковой в скачке уплотнения, близком к прямому, который устанавливается в расширяющейся части канала за горлом (фиг. 25).

Статическое давление в скачке повышается, но полное давление в нем падает, что приводит к снижению коэффициента оВ1.

Аналогичная картина нарушения расчетной схемы течения (с по­ явлением скачка уплотнения в расширяющейся части канала) на­ блюдается также при изменении режима работы двигателя, приво­ дящего к снижению противодавления за диффузором, т. е., например, при увеличении числа оборотов. При испытании диффузора такие ус­ ловия воспроизводятся открытием дроссельной заслонки, устанавли­ ваемой на выходе из диффузора. В этом случае уменьшается давле­ ние за диффузором и поток воздуха, имеющий в горле скорость зву­ ка, попадая в расширяющийся канал, также начинает в «ем разго­ няться. И здесь процесс разгона потока завершается скачком уплот­ нения, за которым скорость становится дозвуковой. Дозвуковой поток при дальнейшем движении по расширяющемуся каналу тормозится. В рассмотренном случае расход воздуха через диффузор не изме­ няется, а коэффициент расхода остается равным единице. Снижение же давления и плотности воздуха на входе в двигатель компенси­ руется увеличением его скорости.

Рассмотрим теперь изменение режима работы диффузора с внут­ ренним сжатием при уменьшении числа М полета.

32

При числе М полета, меньшем расчетного, площадь горла, как уже указывалось, оказывается недостаточной, чтобы пропустить струю воздуха, имеющую площадь, равную площади входа. В таком случае должна уменьшиться площадь струи воздуха, входящей в диффузор: она-должна стать меньше площади входа. Это возможно только за счет возникновения перед входом в диффузор головной волны (фиг., 26). В дозвуковом потоке между головной волной и плоскостью входа поверхность струйки тока искривляется, благодаря чему площадь F0 становится меньшей площади /д,х , происходит сни­ жение коэффициента расхода.

ны на входе

Потери полного давления в образовавшемся на входе скачке уп­ лотнения приводят к дополнительному снижению плотности воздуха в горле и его пропускной способности и к еще большему уменьшению коэффициента расхода. При увеличении числа М полета до расчет­ ного прямой скачок перед диффузором сохраняется: относительные потери в нем имеют большую величину по сравнению с расчетными и площадь горла оказывается недостаточной для восстановления рас­ четной схемы течения.

Аналогичным образом будет изменяться режим работы диффу­ зора с внутренним сжатием при снижении числа оборотов (дроссели­ ровании) двигателя. В этом случае расход воздуха будет уменьшать­ ся за счет изменения формы поверхности тока в дозвуковом потоке за головной волной. Что будет происходить, если прекратить дроссе-

3. Ю. Н. Нечаев

33

лирование, т. е. перейти к исходному режиму работы двигателя? Го­ ловная волна и в этом случае не исчезнет.

Рассмотрим, каким будет характер течения за головной волной. Скорость за головной волной в передней части, через которую прохо­

волны и на характер течения влевоот горла. За горлом будет появ­ ляться сверхзвуковая зона, завершающаяся скачком уплотнения.

Заметим, что-, как и у диффузоров с прямым скачком на входе, у рассматриваемых диффузоров режимы работы, при которых возни­ кает сверхзвуковая зона' и скачок уплотнения за горлом, принято на­ зывать сверхкритическими, независимо от того, образуется или нет при этом головная волна на входе. Докритическим называют режим,

может работать устойчиво и обеспечивать высокие значения коэффи­ циента овх.

Итак, мы видим, что при отклонении режима работы диффузора

ном режиме, но з.а горлом появляется скачок уплотнения. Интенсив­ ность этого скачка -возрастает постепенно в зависимости от степени отклонения от расчетного режима. При восстановлении расчетного числа М полета или расчетного противодавления за диффузором ре­ жим работы возвращается к исходному.

Второй случай соответствует уменьшению числа М полета или дросселированию диффузора. Здесь происходит мгновенное измене­ ние режима работы диффузора: любые малые возмущения, действу­ ющие в этом направлении, приводят к появлению головной волны, которая не исчезает после-восстановления исходных значений числа М полета и противодавления за диффузором. Следовательно, в отноше­ нии действия указанных возмущений исходный режим работы диф­ фузора с внутренним сжатием (фиг. 24) является -неустойчивым.

Если даже отвлечься от трудностей, связанных с запуском, сле­ дует признать, что указанная неустойчивость делает невозможной работу диффузора на режиме, -соответствующем фиг. 24, хотя теоре­ тически этот режим является для него наивыгоднейшим или, как го­

34

ворят, оптимальным. Это следует из того, что на расчетном числе М полета при расчетном противодавлении (даже у однорежимного ле­ тательного аппарата) в реальных условиях всегда возможны попут­ ные порывы ветра и колебания давления в двигателе. Действие ука­ занных возмущений сразу же приведет к выбиванию головной волны. Из-за этого произойдет резкое, практически мгновенное снижение тя­ ги и возможно нарушение нормальной работы двигателя.

Для предотвращения этих нежелательных явлений нужно зара­ нее производить расчет диффузора на значения числа М полета и противодавления, меньшие расчетных. Но тогда на расчетном числе М полета горло окажется большим, чем требуется на оптимальном режиме. Скорость в горле будет сверхзвуковой. За горлом будет про­ исходить разгон потока (из-за понижения противодавления по срав­ нению с оптимальным) и возникнет скачок уплотнения. Схема тече­ ния будет соответствовать фиг. 25. Это приведет к снижению коэффи­

•к некоторому изменению расположения й интенсивности скачка, об­ разовавшегося за горлом.

Перейдем теперь к рассмотрению способов запуска диффузоров с внутренним сжатием, т. е. создания течения без головной волны на входе.

§3. ЗАПУСК ДИФФУЗОРА ПУТЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ЧИСЛА М ПОЛЕТА ДО ВЕЛИЧИНЫ, БОЛЬШЕЙ, ЧЕМ РАСЧЕТНАЯ

Вэтом ^случае по мере роста числа М полета увеличивается плот­ ность воздуха в горле и повышается его пропускная способность.

навливается в его расширяющейся части. Течение получается таким же, как в случае, соответствующем фиг. 25. В сужающейся части диффузора происходит торможение сверхзвукового потока. Но по­ скольку сужение канала для рассматриваемого числа М полета, большего расчетного, оказывается недостаточным, а площадь горла слишком большой, скорость в горле остается сверхзвуковой, хотя и меньшей, чем скорость полета. За горлом после разгона потока полу­ чается скачок, близкий к прямому.

Если противодавление и число М полета в момент проскакивания скачка не изменяются, он располагается в том месте расширяю­ щейся части канала, в котором площадь поперечного сечения равца площади на входе в диффузор. При этом его интенсивность сохра­ няется той же, какой она была, когда скачок находился в плоскости входа. Только при этом условии в обоих случаях коэффициент рас­ хода может быть равным единице, а расходы воздуха одинаковыми.

Рарсмотрим причины, по которым скачок не может устойчиво располагаться в сужающейся части диффузора. Когда скачок нахо­