Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1
.pdfРис. 6.10. Работа СВЗ при М < Мр
Увеличение угла α приводит к тому, что косые скачки отходят от передней кромки обечайки и их интенсивность возрастает.
Одновременно уменьшается Fн < F0 (↓ϕвх <1) , следова-
тельно, снижается расход воздуха, поступающего в СВЗ. Рост интенсивности косых скачков вызывает уменьшение скорости перед замыкающим прямым скачком и снижение его интенсивности. Вследствие этого уменьшается температура T0 за прямым скачком по сравнению с расчетным режимом. При неизменной степени расширения воздуха на участке от входа в СВЗ до горла (р0/рг)кр снижается температура в горле Тг, следовательно, уменьшается критическая скорость в горле
сг.кр = kR ↓Тг и уменьшается расход воздуха через горло
Мв.г =↓ cкрρFг . Пропускная способность горла снижается
энергичней, чем пропускная способность системы скачков на входе в СВЗ (вследствие уменьшения Fн). Горло не может пропустить весь воздух, поступающий через сечение 0–0, и давление между входом в СВЗ и горлом нарастает, «выдавливая» замыкающий прямой скачок из СВЗ (см. рис. 6.10).
Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна (ГВ), которая движется от передней кромки обечайки, изме-
161
няя конфигурацию системы скачков на входе СВЗ и уменьшая Fн, следовательно, уменьшая расход Мв0. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов через вход в СВЗ и горло (Мв0 = Мв.г), тогда ГВ остановится.
При уменьшении числа М уменьшается рвх , следова-
тельно, уменьшается расход воздуха через двигатель Мдв. Одновременно при уменьшении М увеличивается при-
веденная частота вращения ротора из-за падения полной температуры Твх на входе в ОК(↑ nпр ~ n ↓Твх ). Увеличи-
вается πк , что оказывает сдерживающее действие на снижение расхода воздуха через двигатель и вызывает нарушение баланса расходов: ↓↓ МСВЗ <↓ Мдв . Уменьшается давление
рвх, растет перепад давлений между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к входу в двигатель и его интенсивность возрастает (см. рис. 6.10).
Режим работы СВЗ остается закритическим. СВЗ устойчиво работает на данном нерасчетном режиме, но при этом возрастает внешнее сопротивление сх.вн, и уменьшается расход воздуха через СВЗ и двигатель, следовательно, снижается тяга двигателя. При дальнейшем уменьшении М полета может начаться неустойчивый режим работы СВЗ – «зуд».
Для получения «запаса по горлу» площадь горла рассчитывают на М < Мр. Из-за перерасширения горла скорость в нем при Мр – сверхзвуковая, что ведет к уменьшению σвх
на расчетном режиме.
Если при n = nр увеличивается М > Мр, уменьшаются углы наклона косых скачков α. Косые скачки входят внутрь канала СВЗ (рис. 6.11), где возникает сложная система отраженных скачков. При этом φвх = 1, так как Мн = М0. Из-за по-
162
терь в отраженных скачках и трения сверхзвукового потока о стенки канала СВЗ уменьшается σвх .
Рис. 6.11. Работа СВЗ при М > Мр
В горле устанавливается сверхзвуковое течение, что приводит к увеличению расхода воздуха через горло Мв.г =↑сгρгFг , то есть горло перерасширено (Fг > Fг.опт). Торможение за горлом осуществляется в интенсивном S-скачке.
При увеличении числа М увеличивается рвх , следова-
тельно, увеличивается расход воздуха через двигатель. Одновременно при увеличении М уменьшается приве-
денная частота вращения ротора из-за роста полной температуры Твх на входе в ОК (↓ nпр ~ n ↑Твх ). Уменьшается πк ,
что оказывает сдерживающее действие на рост расхода воздуха через двигатель и вызывает нарушение баланса: ↑↑ МСВЗ >↑ Мдв . Увеличивается давление рвх, снижается
перепад давлений между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к горлу и его интенсивность снижается. При дальнейшем росте числа М полета S-скачок минует горло и превращается в прямой скачок на входе СВЗ.
Давление рвх «выдавливает» замыкающий прямой скачок. Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна, которая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигурацию системы скачков на входе в СВЗ. В результате
163
уменьшения Fн ↓ϕвх уменьшается расход воздуха через
СВЗ. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов (МСВЗ = Мдв).
Режим работы СВЗ становится докритическим, но он устойчиво работает на данном нерасчетном режиме при увели-
ченных потерях полного давления (↓σвх ) и увеличенном внешнем сопротивлении (↑ cх.вн ).
Если М полета продолжает расти может начаться неустойчивый режим работы СВЗ «помпаж».
6.4.5. Неустойчивые режимы работы СВЗ
Значительные отличия параметров полета и режима работы двигателя от расчетных значений могут привести к неустойчивой работе СВЗ в виде низкочастотных («помпаж») или высокочастотных («зуд») автоколебаний расхода воздуха
Мв.вх и давления рвх.
«Зуд» – неустойчивый процесс течения в канале СВЗ, проявляющийся в виде высокочастотных пульсаций расхода и давления в потоке, с частотой в сотни герц и амплитудой (∆рвх/рвх) = 0,05…0,08. «Зуд» может возникнуть при значительном увеличении n > np или уменьшении М << Мр, когда расход воздуха через двигатель становится значительно
больше расхода через СВЗ (Мдв >> МСВЗ). Это приводит к резкому снижению давления рвх и значительному увеличе-
нию перепада давлений рг/рвх.
Поток за горлом разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, S-скачок смещается к входу в ОК, и его интенсивность возрастает.
Взаимодействие интенсивного S-скачка с «толстым» пограничным слоем в канале приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок. В результате уменьшается скорость за
S-скачком cвх ↑ рвх ↓( рг ↑ рвх ). S-скачок смещается
164
к горлу и его интенсивность уменьшается. Отрыв ПС от сте-
нок СВЗ исчезает, скорость |
за S-скачком свх возрастает, |
|
а давление рвх уменьшается. |
Так как |
дисбаланс расходов |
(Мдв >> МСВЗ) не устранен, |
S-скачок |
снова перемещается |
к входу в ОК, и цикл повторяется.
Для устранения «зуда» необходимо либо уменьшить частоту вращения ротора двигателя n, либо увеличить М полета, либо регулировать СВЗ.
«Помпаж» – это неустойчивый процесс течения в СВЗ, проявляющийся в виде низкочастотных колебаний давления и расхода воздуха с частотой 5…15 Гц и амплиту-
дой ∆рвх/рвх = 0,3…0,5.
«Помпаж» может возникнуть при значительном уменьшении n << np или значительном увеличении M >> Mp, когда расход воздуха через двигатель становится существенно
меньше расхода через СВЗ (Мдв << МСВЗ).
В этом случае резко возрастает давление рвх, значительно уменьшается перепад давлений рг /рвх, S-скачок смещается к горлу, минует его и исчезает (сверхзвуковая зона ликвидируется). СВЗ переходит в «докритический» режим работы. Повышенное давление рвх, перемещаясь со скоростью звука навстречу дозвуковому потоку, воздействует на систему скачков на входе СВЗ.
Замыкающий прямой скачок отходит от плоскости входа и преобразуется в выбитую головную волну (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Работа СВЗ при «помпаже»
165
В результате уменьшается Fн < F0 ↓ϕвх <1, что при-
водит к снижению расхода воздуха через СВЗ МСВЗ. При дальнейшем росте рвх ГВ движется, удаляясь от входа в СВЗ, и, перемещаясь навстречу потоку, частично разрушает систему косых скачков. Поток разделяется на струи, которые тормозятся в различных системах скачков, то есть с различной интенсивностью и различным ∑ σск . Внешние (по отно-
шению к поверхности сжатия) струи тормозятся интенсивней (с большими потерями полного давления), и давление в них уменьшается больше, чем во внутренних струях. Через эту область пониженного давления за ГВ часть воздуха из более высоконапорных внутренних струй выбрасывается из СВЗ через образовавшуюся щель между ГВ и передней кромкой обечайки (см. рис. 6.12). Это приводит к резкому снижению рвх, выбитая УВ приближается к входу в СВЗ и превращается в замыкающий прямой скачок. Восстанавливается сверхзвуковая зона за горлом. Так как дисбаланс расходов МСВЗ >> Мдв не устранен, то начинает расти давление рвх и цикл повторяется.
Интенсивный «помпаж» может привести к остановке двигателя или разрушению элементов компрессора. Несимметричный «помпаж» боковых СВЗ может привести к скольжению ЛА с кренением и вращением. Для устранения «помпажа» необходимо либо увеличить n двигателя, либо уменьшить М полета, либо регулировать СВЗ.
6.4.6. Скоростные характеристики СВЗ
Скоростные характеристики (СХ) СВЗ – это зависимости параметров эффективности СВЗ ( σвх , φвх, сх.вн) от числа
М полета при n = const (рис. 6.13).
Точка 1 на рис. 6.13 соответствует расчетному режиму
работы СВЗ ( ϕ |
вх |
=1; σ |
≈ 0,7; c |
х.вн |
≈ 0,03 ). |
|
вх |
|
|
166
Рис. 6.13. Скоростные характеристики СВЗ
На участке 1–4 (М > Мр) сохраняется сверхкритический
режим работы СВЗ ( ϕ |
вх |
=1; c |
≈ const; ↓↓σ |
). Резкое |
|
х.вн |
вх |
|
снижение σвх происходит вследствие роста интенсивности
системы отраженных косых скачков, вошедших в СВЗ. Точка 4 соответствует критическому режиму работы
СВЗ, так как из-за увеличения М полета, нарушается баланс расходов ↑↑ МСВЗ >↑ Мдв , растет рвх, уменьшается перепад
давлений между сечением горла и входом в компрессор, S-скачок достигает горла.
На участке 4–5 режим работы СВЗ докритический, так как появляется выбитая головная волна, при этом:
↑↑cх.вн; ↓ϕвх; ↓↓σвх.
Вточке 5 при достаточно большом удалении ГВ от вхо-
да в СВЗ начинается «помпаж» СВЗ.
При уменьшении М < Мр режим работы СВЗ сохраняется сверхкритическим, но баланс расходов воздуха нарушается: ↓↓ МСВЗ <↓ Мдв . Из-за уменьшения рвх перепад давлений
167
между сечением горла и входом в компрессор возрастает, S-скачок движется к входу в ОК, и сверхзвуковая зона за горлом увеличивается.
На участке 1–2 сохраняется замыкающий прямой скачок на входе в СВЗ, так как горло при М = Мр было заведомо «пе-
рерасширено» (Fг.р > Fг.опт). На этом участке из-за отхода косых скачков от входа в СВЗ уменьшается φвх и растут сх.вн
и σвх . Рост σвх происходит из-за уменьшения потерь полно-
го давления вследствие снижения скорости потока на участке от входа в СВЗ до горла.
В точке 2 площадь Fг становится расчетной.
На участке 2–3 на входе в СВЗ появляется выбитая головная волна, ее перемещение от входа в СВЗ способствует дальнейшему снижению φвх и росту сх.вн. Рост σвх , из-за сни-
жения скорости потока в СВЗ, замедляется вследствие увеличения потерь полного давления в более интенсивном S-скачке, который после прохождения точки 2 быстро движется к входу в ОК.
В точке 3 за S-скачком происходит «вспухание» и отрыв ПС от стенок СВЗ и начинается «зуд» СВЗ.
6.4.7. Дроссельные характеристики СВЗ
Дроссельные характеристики (ДХ) СВЗ называются зависимости параметров эффективности СВЗ ( σвх , φвх, сх.вн) от
частоты вращения ротора двигателя n при M = const (рис. 6.14). При n = nкр давление рвх = рг, поэтому S-скачок находится в горле, то есть скорость потока в горле равна скорости
звука, а за горлом – скорость дозвуковая.
При росте n > nкр возрастает πк , следовательно, возрас-
тает Мдв > МСВЗ, при этом уменьшается рвх, увеличивается перепад давлений рг/рвх и поток за горлом разгоняется до сверхзвуковой скорости.
168
За |
горлом |
образуется |
|
|
сверхзвуковая зона, и СВЗ |
|
|||
переходит |
на |
сверхкрити- |
|
|
ческий режим. При даль- |
|
|||
нейшем увеличении n > nр |
|
|||
S-скачок смещается к входу |
|
|||
в ОК, при этом растет его |
|
|||
|
||||
интенсивность, и при n = nз |
|
|||
ПС «вспухает» и отрывается |
|
|||
от стенок |
СВЗ, |
начинается |
|
|
«зуд». |
|
|
|
|
При увеличении n > nкр |
|
|||
из-за увеличения потерь в S- |
|
|||
|
||||
скачке |
снижается σвх при |
Рис. 6.14. Дроссельные характе- |
||
φвх = 1, сх.вх = const (на входе |
ристики СВЗ |
в СВЗ сохраняется расчетная система скачков).
При уменьшении n < nкр сверхзвуковая зона в СВЗ пропадает и появляется выбитая головная волна, уменьшается φвх вследствие уменьшения Fн, что приводит к уменьшению расхода МСВЗ. Из-за появления выбитой ГВ внешнее сопро-
тивление СВЗ растет (↑ cх.вн ), так как возрастает диффузор-
ность струи перед входом в СВЗ (↓ϕвх ) .
В результате снижения скорости в канале СВЗ потери полного давления первоначально уменьшаются (↑σвх ) , но,
по мере отхода головной волны от входа в СВЗ, происходит трансформация системы косых скачков и суммарные потери
полного давления начинают расти(↓σвх ) . При nпр = nп начинается «помпаж» СВЗ.
169
6.4.8. Регулирование СВЗ
Задачи регулирования СВЗ:
1.Согласование расходов воздуха через СВЗ с расходом воздуха через двигатель при изменении условий полета (М, Н) и режима работы двигателя (n).
2.Предотвращение неустойчивых режимов работы СВЗ («помпаж», «зуд»).
3.Обеспечение максимальных значений σвх max и мини-
мальных сх.вн min.
4. Обеспечение максимальной эффективной тяги двигателя (R – Хвн) во всем диапазоне условий полета, при достаточном запасе устойчивости ВЗ и ОК.
Воснову регулирования СВЗ положен принцип «под-
страивания» его пропускной способности (МСВЗ) к прокачивающей способности ОК (Мдв).
Пропускная способность СВЗ определяется пропускной
способностью системы скачков на входе в СВЗ (Мв.н) и горла (Мв.г). Следовательно, при регулировании СВЗ необходимо изменять площадь горла Fг и углы наклона скачков α или их положение относительно обечайки СВЗ.
Конструктивно это реализовано для плоских и осесимметричных СВЗ по-разному.
Вплоском СВЗ (рис. 6.15) величину угла наклона скачков изменяют путем изменения наклона второго участка клиновидной поверхности сжатия 1.
Рис. 6.15. Регулирование плоского СВЗ при уменьшении М
170