книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2

На расчетном режиме СВЗ и двигатель работают согласо­ ванно. Расход воздуха через СВЗ равен расходу воздуха через двигатель ( М сю = А/дв), при этом СВЗ работает с минимальны­

ми потерями полного давления ( ствх тах).

Нерасчетные режимы работы СВЗ возникают при отклоне­ нии скорости полета ЛА и частоты вращения ротора п от рас­ четных значений.

Расширение диапазона устойчивой работы СВЗ при введе­ нии сверхзвуковой зоны внутри диффузора достигается за счет более высоких потерь полного давления и ухудшения пульсационных характеристик потока. Увеличение потерь вызвано, в ос­ новном, потерями в дополнительном 5-скачке за горлом. Ухуд­ шение пульсационных характеристик обусловлено возникнове­ нием местных зон отрыва потока, образующихся при взаимо­ действии 5-скачка с ПС.

В зависимости от положения 6-скачка различают три ре­ жима течения в СВЗ:

-закритический (наличие сверхзвуковой зоны за горлом);

-критический (5-скачок находится в горле);

-докритнческий (наличие выбитой ударной волны при от­ сутствии сверхзвуковой зоны за горлом).

Отклонение числа М и п от расчетных значений приводит к нарушению баланса (равенства) расходов через СВЗ и двига­ тель ( Мсвз ФА/дв), следовательно, к изменению «противодавле­

ния» р ах на выходе из СВЗ.

При небольших отклонениях p DX от расчетного значения изменяется положение 5-скачка на закритическом режиме вследствие изменения перепада давлений р г/ р лх Баланс рас­

ходов в этом случае восстанавливается за счет изменения сг*к при изменении интенсивности 5-скачка.

При значительном росте р вх, когда трА — = 1, 5-скачок ТТ Рт

доходит до горла и исчезает, возросшее давление рах «выдав-

ливает» замыкающий прямой скачок, и на входе в СВЗ появля­ ется выбитая ударная волна, а затем начинается неустойчивый режим работы —«помпаж» СВЗ.

При значительном снижении р ах =^ТТ (рг / р ЙХ) 5-ска­ чок смещается близко к входу в ОК, и его интенсивность резко возрастает, что приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок СВЗ с возникновением неустойчивого режима работы - «зу­ да» СВЗ.

При уменьшении М <М расч увеличиваются углы наклона косых скачков Z a (рис. 5.17).

Увеличение Z a приводит к тому, что косые скачки отхо­ дят от передней кромки обечайки, и их интенсивность растет.

Одновременно уменьшается Fu < F0 (4- (pBX< 1), следова­

тельно, снижается расход воздуха, поступающего в СВЗ. Рост интенсивности косых скачков вызывает уменьшение скорости перед замыкающим прямым скачком и снижение его интенсив­ ности. Вследствие этого уменьшается температура Т0 за пря­ мым скачком по сравнению с расчетным режимом. При неиз­

гнчней, чем пропускная способность системы скачков на входе в СВЗ (вследствие уменьшения <1 Fn). Горло не может пропус­ тить весь воздух, поступающий через сечение 0-0, и давление между входом в СВЗ и горлом нарастает, «выдавливая» замы­ кающий прямой скачок из СВЗ (см. рис. 5.17).

Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна (ГВ), которая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигурацию системы скачков на входе СВЗ и уменьшая Fu,

следовательно, уменьшая расход М п0. Этот процесс продолжа­

ется до тех пор, пока не восстановится баланс расходов через вход в СВЗ и горло ( М Вт0= М вг), тогда ГВ остановится.

Режим работы СВЗ остается закритическим. СВЗ устойчиво работает на данном нерасчетном режиме, но при этом возраста­ ет внешнее сопротивление ( Т сХВ1|), и уменьшается расход воз­

духа через СВЗ М сю < М ай, следовательно, снижается тяга.

Вследствие роста перепада давлений (pr/ i /?вх) поток за горлом

разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, и S-скачок смещается к входу в ОК (см. рис. 5.17).

Одновременно при уменьшении числа М полета увеличи­ вается приведенная частота вращения ротора из-за уменьшения

полной температуры на входе в ОК Т*х ( Т ппр ~ л Д Д 7^ ).

Прокачивающая способность компрессора увеличивается, это приводит к увеличению приведенного расхода воздуха через двигатель и ещё большему нарушению баланса: i М свз <Т М дв.

Еще больше уменьшается давление р их, растет перепад давле­ ний между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к входу в двигатель и его интенсивность растет.

Для получения «запаса по горлу» площадь горла рассчиты­ вают на М < М Из-за нерерасширения горла скорость в нем

при М - сверхзвуковая, что ведет к уменьшению о 0К на рас­ четном режиме.

с криволинейным фронтом (головная волна) (рис. 5.18). При этом резко возрастает схви.

При М >М расч уменьшаются углы наклона косых скачков

Z a . Косые скачки входят внутрь канала СВЗ (рис. 5.19), где возникает сложная система отраженных скачков. При этом Фах = 1, так как М и = М0. Из-за потерь в отраженных скачках и трения сверхзвукового потока о стенки канала СВЗ уменьша­ ется а “х

Рис. 5.19. Работа СВЗ при М > Мрасч

В горле устанавливается сверхзвуковое течение, что приво­ дит к увеличению расхода воздуха через горло М лг =Т crp rFr , то есть горло - перерасширено ( Fr > F10nr).

Одновременно увеличение числа М полета ведет к росту температуры Т*х, следовательно, к уменьшению ипр ~ п /-JT Т*х

в результате уменьшается приведенный расход воздуха через двигатель.

Из-за снижения приведенного расхода через двигатель и роста расхода через горло нарушается баланс (равенство) рас­ ходов (Т Мсвз >-1 Мю ), что приводит к энергичному росту дав-

Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна, кото­ рая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигу­ рацию системы скачков на входе в СВЗ. В результате уменьше­ ния F„ фвх уменьшается расход воздуха через СВЗ. Этот

процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов ( Л/свз = М т )•

Режим работы СВЗ становится докритическим, но он ус­ тойчиво работает на данном нерасчетном режиме при увеличен­

ных потерях полного давления ( i ствх) и увеличенном внешнем сопротивлении ( ? с х 1Ш).

5.5.6. Неустойчивые режимы работы СВЗ

Значительные отличия параметров полета и режима работы двигателя от расчетных значений могут привести к неустойчи­ вой работе СВЗ в виде низкочастотных («помпаж») иля высоко­ частотных («зуд») автоколебаний расхода воздуха Л/ввх и дав­ ления /;вх

«Зуд» - неустойчивый процесс течения в канале СВЗ, про­ являющийся в виде высокочастотных пульсаций расхода и дав­

гда расход воздуха через двигатель становится значительно больше расхода через СВЗ ( А/лв » М свз). Это приводит к рез­

кому снижению давления рвх и значительному увеличению пе­ репада давлений ( р г / а р вх).

Поток за горлом разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, 5-скачок смещается к входу в ОК и его интенсив­ ность возрастает.

Взаимодействие интенсивного 5-скачка с пограничным слоем в канале приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок

5-скачок смещается к горлу и его интенсивность уменьшается.

ся к входу в ОК, и цикл повторяется.

Для устранения «зуда» необходимо либо уменьшить часто­ ту вращения ротора двигателя п, либо увеличить М полета, либо регулировать СВЗ.

«Помпаж» - это неустойчивый процесс течения в СВЗ, про­ являющийся в виде низкочастотных колебаний давления и рас­ хода воздуха с частотой 5... 15 Гц и амплитудой ДpBXi p B% =

= 0 ,3 ...0 ,5.

«Помпаж» может возникнуть при значительном уменьше­ нии п « п или значительном увеличении М » М расч, когда

расход воздуха через двигатель становится существенно меньше расхода через СВЗ ( Мав « Л/Свз).

В этом случае резко возрастает давление р вх, значительно

к горлу, минует его и исчезает (сверхзвуковая зона ликвидиру­ ется). СВЗ переходит в «докритический» режим работы. Повы­ шенное рвх передаваясь навстречу дозвуковому потоку, воз­ действует на систему скачков на входе СВЗ.

Замыкающий прямой скачок отходит от плоскости входа и преобразуется в выбитую головную волну. В результате - уменьшается Fu < F0 =>! cpex < 1, что приводит к снижению рас­ хода воздуха через СВЗ Мсвз. При дальнейшем росте р вх, ГВ движется, удаляясь от входа в СВЗ и, перемещаясь навстречу потоку, частично разрушает систему косых скачков (рис. 5.20).

Поток разделяется на струи, которые тормозятся в различных системах скачков, то есть с различной интенсивностью и раз­

личным £сг*к

Рис. 5.20. Работа СВЗ при «ломпаже»

Внешние струи тормозятся интенсивней (с большими поте­ рями полного давления), и давление в них уменьшается больше, чем во внутренних струях. Через эту область пониженного дав­ ления за ГВ часть воздуха из более высоконапорных внутренних струй выбрасывается из СВЗ через образовавшуюся щель между ГВ и передней кромкой обечайки. Это приводит к резкому сни­ жению /;вх, выбитая УВ приближается к входу в СВЗ и превра­ щается в замыкающий прямой скачок. Восстанавливается сверх­ звуковая зона за горлом. Из-за разности расходов М сзз » М ла

начинает расти давление р ах, и цикл повторяется.

Интенсивный «помпаж» может привести к остановке дви­ гателя или разрушению элементов компрессора. Несимметрич­ ный «помпаж» боковых СВЗ может привести к скольжению ЛА с кренением и вращением. Для устранения «помпажа» необхо­ димо либо увеличить п двигателя, либо уменьшить М полета, либо регулировать СВЗ.

5.5.7. Скоростные характеристики СВЗ (СХ)

СХ СВЗ - это зависимости параметров эффективности СВЗ ( а вх, срвх, схЯ||) от числа М полета при п = const

Точка 1 на рис. 5.21, соответствует расчетному режиму ра­ боты СВЗ ( ф„х = 1; ствх * 0,7; сх В11« 0,03 ).

При уменьшении скорости полета (> 1 м < М расч) режим ра­ боты СВЗ сохраняется сверхкритическим, но при этом из-за уменьшения М вг и роста лпр баланс расходов нарушается:

Мсвз < М йп. Из-за уменьшения р вх перепад давлений возраста-

ет ^ , 5-скачок движется к входу в ОК, и сверхзвуковая

U . ' о х У

зона за горлом увеличивается.

На участке 1-2 этот процесс сдерживается тем, что горло

при М = М было заведомо «перерасширено» (F r >F**™).

На этом участке из-за отхода ГВ от входа в СВЗ (см. рис. 5.16)

уменьшается фох и растут схви, ствх Рост а*х происходит из-за уменьшения потерь полного давления вследствие снижения скорости потока на участке от входа в СВЗ до горла,

В точке 2 площадь Fr становится оптимальной ( Frопт).

На участке 2-3 перемещение ГВ от входа в СВЗ способст­ вует дальнейшему снижению срвх и росту скли. Рост с*х из-за

снижения скорости потока в СВЗ замедляется вследствие увели­ чения потерь полного давления в более интенсивном 5-скачке, который после прохождения точки 2 ( Fr = Fronr) быстро дви­ жется к входу в ОК.

В точке 3 за 5-скачком происходит отрыв ПС от стенок СВЗ и начинается «зуд» СВЗ.

5.5.8. Дроссельные характеристики СВЗ (ДХ)

ДХ СВЗ называются зависимости параметров эффективно­

чок находится в горле, то есть скорость потока в горле равна скорости звука, а за горлом - скорость дозвуковая.

При увеличении япр > лпр кр прокачивающая способность ОК возрастает (А/дв >Л /СВЗ), при этом уменьшается р йХ, увели-