Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

Толстая, с большим радиусом закругления передняя кромка ДВЗ позволяет снизить

отрицательный эффект, возни- Рис. 6.5. Работа ДВЗ при М >1 кающий при косом обдуве ВЗ.

При полете с трансзвуковой скоростью (0,8 < M < 1) происходит доразгон потока в сужающейся струе и на внешних поверхностях ДВЗ образуются местные зоны со сверхзвуковым течением потока, который тормозится в скачках уплотнения, что приводит к увеличению внешнего сопротив-

ления Хвн (↑ сх.вн ). Возрастает доля тяги двигателя R, по-

требная на преодоление Хвн.

При полете со сверхзвуковой скоростью (M > 1) (рис. 6.5) перед ДВЗ образуется ударная головная волна (прямой скачок уплотнения), в которой скорость гасится до дозвуковой со зна-

чительными потерями полного давления (↓↓ σвх ) . При этом резко возрастает внешнее сопротивление ДВЗ (↑ сх.вн ).

Уменьшить отрицательный эффект от возникновения головной волны можно, уменьшив толщину кромок, однако при этом ухудшаются условия работы ДВЗ при дозвуковых скоростях полета.

ДВЗ с умеренной толщиной передних кромок позволяют применять его на ЛА со скоростями полета до M = 1,4…1,5.

151

Каналы дозвуковых диффузоров могут быть с прямолинейными и криволинейными стенками. От правильного выбора формы канала зависит величина потерь, габариты

имасса ДВЗ, стоимость его изготовления. При выборе формы диффузора также учитывают тип летательного аппарата

иместо размещения на нем двигателей.

6.4.Сверхзвуковые воздухозаборники

6.4.1.Типы сверхзвуковых воздухозаборников

иих характеристика

Из газовой динамики известно, что плавный переход сверхзвукового потока в дозвуковой невозможен.

Для уменьшения потерь полного давления торможение потока осуществляют в системе косых скачков уплотнения малой интенсивности и в завершающем прямом скачке уплотнения, после которого скорость становится дозвуковой. При этом σск = σ1σ2σ3 …σi σп.ск .

Организовать заданную систему скачков уплотнения можно с помощью специального профилирования входной части сверхзвуковых воздухозаборников (СВЗ). Поверхность, при помощи которой организуется система скачков уплотнения, называется поверхностью сжатия. Количество изломов этой поверхности равно количеству косых скачков. Поверхность сжатия, которая может быть плоской (рис. 6.6, а) или конической (рис. 6.6, б), располагается по отношению к вектору скорости под углом α < 90°.

Рис. 6.6. Типы поверхностей сжатия: а – плоская; б – коническая

152

Классификация СВЗ:

–по форме: плоские, осесимметричные;

–по расположению на ЛА: лобовые, подкрыльевые, надкрыльевые, подфюзеляжные, боковые;

–по организации процесса сжатия: внешнего, внутреннего, смешанного сжатия.

В осесимметричных СВЗ используется ступенчатый ко-

нус (см. рис. 6.6, б).

В плоских СВЗ скачки создаются с помощью ступенчатого клина (см. рис. 6.6, а). Переход от прямоугольной формы канала к закругленной осуществляется на дозвуковом участке.

Преимущества плоского СВЗ:

–менее чувствителен к изменению углов атаки и скольжения;

–легче регулируется;

–удобней компонуется на ЛА.

Лобовые СВЗ чаще всего выполняются осесимметричными. Они вынесены вперед, влияние элементов ЛА на течение газа в СВЗ отсутствует, что обеспечивает более равномерное распределение параметров по сечению потока как на входе в СВЗ, так и по тракту удлинительного канала. Недостатком лобовых СВЗ являются высокая чувствительность к срыву потока с входных кромок и большие потери от трения о стенки удлинительного канала.

Подкрыльевые (подфюзеляжные) СВЗ отличаются малыми изменениями угла набегания потока на СВЗ при изменении угла атаки ЛА, так как крыло (фюзеляж) спрямляет поток.

Скачок от передней кромки крыла уменьшает число М на входе в СВЗ, что приводит к росту σск .

Недостатком подкрыльевых СВЗ является то, что из-за малой длины канала СВЗ поток не успевает выровняться, и на входе в ОК имеют место значительные пульсации и неравномерность потока.

153

Боковые СВЗ имеют меньшую, чем лобовые, длину воздухоподводящих каналов, что снижает потери от трения. При этом носовая часть ЛА освобождается для размещения оборудования (радиолокационной станции переднего обзора). Боковые СВЗ менее чувствительны к изменению углов атаки и скольжения, так как фюзеляж спрямляет поток. Скачок уплотнения от носовой части ЛА снижает число М на входе в СВЗ(↑σск ).

Недостатком боковых СВЗ является то, что поток, возмущенный фюзеляжем и крылом, попадая в СВЗ, ухудшает организацию процесса сжатия.

ВСВЗ внешнего сжатия процесс сжатия осуществляется

всистеме скачков, расположенной перед плоскостью входа

вСВЗ (рис. 6.7, а).

Потери минимальны, так как отсутствует трение о стенки СВЗ сверхзвукового потока. Снижаются динамические нагрузки на стенки канала СВЗ.

В СВЗ смешанного сжатия процесс сжатия осуществляется как перед, так и за плоскостью входа в СВЗ (рис. 6.7, б).

в

Рис. 6.7. СВЗ внешнего (а), смешанного (б), внутреннего (в) сжатия

154

В СВЗ внутреннего сжатия процесс сжатия происходит за плоскостью входа в СВЗ (рис. 6.7, в). СВЗ внутреннего сжатия представляют собой «обращенное» сопло Лаваля. При плавно спрофилированном канале торможение (сжатие) потока осуществляется в волнах сжатия (скачках малой интенсивности) и на расчетном режиме, скорость достигает скорости звука в горле (критическом сечении).

Однако в реальном СВЗ возникает пограничный слой, быстро нарастающий по длине канала. Если бы профиль поверхности торможения был с резкими изломами (для образования скачков), то при взаимодействии с пограничным слоем этих скачков происходил бы отрыв потока от стенок СВЗ.

Условиями сохранения расчетного режима работы СВЗ внутреннего сжатия являются:

– плавный контур поверхности торможения (сложен

визготовлении);

–перфорированные стенки для отвода пограничного слоя (большие потери воздуха).

Еще одна проблема – сложность вывода СВЗ на расчетный режим (запуск СВЗ) при отклонении параметров полета от расчетных значений. Это объясняется тем, что оптималь-

М < Mр уменьшается πV , следовательно, уменьшается плотность воздуха ρ в СВЗ. Снижается расход воздуха через горло Мв.г =↓ρгcгFг , то есть площадь горла Fг становится недостаточной для того, чтобы пропустить весь воздух, вошедший в СВЗ (↑ Fг.опт ). Давление между входом в СВЗ

и горлом возрастает, и перед СВЗ образуется выбитая головная волна, за которой скорость потока становится дозвуковой. Потери полного давления в скачке резко возраста-

ют (↓↓ σск ).

155

Если теперь даже увеличится М до Мр, выбитая головная волна (ГВ) не исчезает, так как из-за значительных потерь полного давления в ГВ плотность воздуха в горле будет меньше, чем на расчетном режиме, и пропускная способность горла не сможет восстановиться (СВЗ «не запустится»). СВЗ будет вести себя как дозвуковой ВЗ при сверхзвуковой скорости полета.

Для «запуска» СВЗ необходимо увеличивать Fг > Fг.опт на расчетном режиме (перерасширять горло) до тех пор, пока не восстановится расчетный расход через горло с учетом уменьшенной, из-за потерь в ГВ, плотности воздуха в горле. При этом ГВ на входе исчезнет, а в горле, из-за его перерасширения, установится сверхзвуковое течение. Торможение потока до скорости меньше, чем скорость звука, будет происходить в прямом S-скачке за горлом (см. рис. 6.7, в). Если теперь уменьшать Fг до значения Fг.опт на расчетном режиме, S-скачок сместится в горло и исчезнет, в горле скорость станет звуковой, и СВЗ вернется на расчетный режим («запустится»).

Из-за перечисленных трудностей СВЗ внутреннего сжатия практически не применяются на ЛА.

6.4.2. Схема и работа СВЗ внешнего торможения на расчетном режиме

В СВЗ внешнего сжатия углы β1 и β2 выбираются такими, чтобы при расчетной скорости полета скачки фокусировались на передней кромке обечайки или в непосредственной близости от нее (рис. 6.8), а также обеспечивалось максимальное значение σск max .

Если скачки уплотнения фокусируются на передней кромке обечайки, то обеспечивается Мв max при данной скорости полета и минимальное внешнее сопротивление, так как Fн = F0, что соответствует φвх = 1.

156

Сверхзвуковая зона течения ограничивается замыкающим прямым S-скачком. Сверхзвуковая зона от горла до S-скачка изолирует внешнюю систему скачков на входе в СВЗ от двигателя. Небольшие изменения давления рвх на входе в ОК, вызванные изменением режима работы двигателя (n = var), распространяющиеся со скоростью звука, не могут преодолеть эту зону и разрушить расчетную систему скачков на входе в СВЗ, вызвав его неустойчивую работу. Однако наличие сверхзвуковой зоны за горлом приводит

к росту потерь полного давления (↓σвх ) .

6.4.3. Изменение параметров по тракту СВЗ

Температура Т и давление р ступенчато возрастают в скачках уплотнения из-за перехода части кинетической энергии в энтальпию (см. рис. 6.8).

Полное давление p ступенчато уменьшается в скачках

из-за перехода части кинетической энергии в тепло («обесценивание» энергии в скачках) и плавно уменьшается по тракту СВЗ из-за потерь на трение.

Полная температура T = const, так как отсутствует энергообмен с внешней средой (при допущении, что отсутствуют тепловые потери).

Негативные факторы, влияющие на работу реального СВЗ:

–образуется пограничный слой (ПС), толщина которого растет по мере движения потока вдоль стенок канала СВЗ;

–скачки уплотнения взаимодействуют с ПС, способствуя возрастанию его толщины и отрыву потока от стенок, что ведет к росту потерь полного давления и уменьшению площади поперечного сечения СВЗ;

–попадание в СВЗ ПС с крыла и фюзеляжа (в примыкающих СВЗ) ведет к нарушению устойчивой работы СВЗ.

158

Меры по устранению влияния негативных факторов:

– удаление СВЗ от поверхности ЛА с образованием каналов (рис. 6.9);

Рис. 6.9. Расположение СВЗ на ЛА

–отсос (слив) ПС через отверстия (перфорацию) на поверхности сжатия и щель в горле (см. рис. 6.8);

–установка за горлом турбулизаторов (см. рис. 6.8) для перемешивания основного потока с ПС и выравнивания параметров потока по сечению канала;

–площадь горла заведомо делают больше расчетной

(перерасширенной) Fг = kгFг.р, где kг = 1,05…1,15 – коэффициент, учитывающий уменьшение Fг из-за образования ПС.

6.4.4. Нерасчетные режимы работы СВЗ

На расчетном режиме СВЗ и двигатель работают согласованно. Расход воздуха через СВЗ равен расходу воздуха через двигатель (МСВЗ = Мдв), при этом рвх = рвх.р, СВЗ работает с минимальными потерями полного давления (σвх max ) .

Нерасчетные режимы работы СВЗ возникают при отклонении режима полета ЛА и частоты вращения ротора от расчетных значений.

Расширение диапазона устойчивой работы СВЗ при введении сверхзвуковой зоны внутри диффузора достигается за счет более высоких потерь полного давления и ухудшения пульсационных характеристик потока. Увеличение потерь вызвано, в основном, потерями в дополнительном S-скачке за горлом. Ухудшение пульсационных характеристик обуслов-

159

лено возникновением местных зон отрыва потока, образующихся при взаимодействии S-скачка с ПС.

В зависимости от положения S-скачка различают три режима течения в СВЗ:

–закритический (наличие сверхзвуковой зоны за горлом);

–критический (S-скачок находится в горле);

–докритический (наличие выбитой ударной волны при отсутствии сверхзвуковой зоны за горлом).

Отклонение числа М и n от расчетных значений приводит к нарушению баланса (равенства) расходов через СВЗ

идвигатель (МСВЗ ≠ Мдв), следовательно, к изменению «противодавления» рвх на выходе из СВЗ.

При небольших отклонениях рвх от расчетного значения изменяется положение S-скачка на закритическом режиме вследствие изменения перепада давлений рг/рвх. Баланс рас-

ходов в этом случае восстанавливается за счет изменения σск при изменении интенсивности S-скачка.

При значительном росте рвх, когда ↑↑ргрвх ≈1, S-скачок

доходит до горла и исчезает, возросшее давление рвх «выдавливает» замыкающий прямой скачок, и на входе в СВЗ появляется выбитая ударная волна, что может привести к неустойчивому режиму работы – «помпажу» СВЗ.

При значительном снижении рвх, следовательно, увеличении перепада давлений рг/рвх, S-cкачок смещается близко к входу в ОК, и его интенсивность резко возрастает, что может привести к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок СВЗ с возникновением неустойчивого режима работы – «зуда» СВЗ.

Если при n = np уменьшается число М < Мр, увеличиваются углы наклона косых скачков α (рис. 6.10).

160