3.2.2. Диффузоры с внешним сжатием

В диффузорах с внешним сжатием торможение сверхзвукового потока и преобразование его в дозвуковой может происходить двумя путями. Во-первых оно может происходить перед плоскостью входа в диффузор в прямом скачке, также как и у диффузора с прямым скачком на входе, и во-вторых, в системе скачков, создаваемой специально спрофилированным и выдвинутым в направлении полета центральным телом у многоскачкового диффузора ( n косых + слабый прямой скачок). Центральное тело может быть спрофилировано таким образом, что будет обеспечивать изоэнтропическое внешнее сжатие потока.

У диффузоров с центральным телом, при наличии замыкающего прямого скачка на входе, внутренний канал за плоскостью входа профилируется из условия обеспечения устойчивой работы. Вначале до сечения 3 – 3 суживающимся, а затем расширяющимся (рис.27).

Рис. 27. Схема течения воздуха в диффузоре с замыкающим прямым скачком на входе

В суживающейся части канала дозвуковой поток разгоняется до скорости звука в сечении 3 – 3; в расширяющейся части поток становиться сверхзвуковым; при наличии противодавления за диффузором в этой части канала возникает скачок уплотнения близкий к прямому. Место его расположения за горлом зависит от величины противодавления: чем оно больше, тем ближе к горлу расположен скачок. За скачком поток будет дозвуковым. Наличие сверхзвуковой зоны в расширяющейся части канала исключает влияние колебаний давления и расхода воздуха в двигателе на систему скачков уплотнения перед входом в диффузор, обеспечивая устойчивость режима работы.

Диффузоры с внешним сжатием обеспечивают более высокие значения коэффициента восстановления давления и исключают трудности запуска, которые возникают у диффузоров с внутренним сжатием. Вместе с тем, диффузоры с внешним сжатием имеют недостатки.

Е сли все скачки в диффузорах с внешним сжатием пересекаются на кромке А обечайки, то система скачков не нарушает внешнего обтекания. При этом внутренняя стенка обечайки должна быть ориентирована по направлению потока в замыкающем прямом скачке, которое тем сильнее отклонено от направления набегающего невозмущенного потока, чем больше косых скачков имеется на центральном теле диффузора.

В многоскачковом диффузоре с внешним сжатием суммарный угол поворота потока может достаточно большим и скачок АВ на наружной обечайке (рис.22) может быть очень интенсивным. Возможны даже случаи, когда этот угол будет больше предельного угла поворота в плоском косом скачке уплотнения (определяется по рис.8). В этом случае вместо плоского скачка АВ образуется отошедшая криволинейная ударная волна, которая объединяется в одно целое с замыкающим прямым скачком системы (рис.28) и приводит к большому внешнему сопротивлению обечайки.

Как показывают расчеты, суммарный угол поворота в оптимальной системе из трех скачков приблизительно равен предельному углу поворота невозмущенного потока у обечайки, а в случае четырех скачков – больше предельного. То есть, при числе скачков больше трех (для воздуха) в оптимальном диффузоре с внешним сжатием обязательно образуется отошедшая ударная волна на наружной стороне обечайки.

В настоящее время на практике наибольшее применение находят многоскачковые диффузоры. У диффузоров с внешним сжатием, увеличение числа скачков ведет к уменьшению суммарных потерь полного давления в системе. При увеличении числа скачков до бесконечности потери в системе должны упасть до нуля, то есть осуществляется переход к изоэнтропическому торможению, при этом форма центрального тела будет криволинейной, выполненной по специальному закону.

На практике полное изоэнтропическое торможение потока газа не осуществимо, так как на поверхности центрального тела происходит увеличение давления, которое вызывает деформацию профиля скорости в пограничном слое, приводящую к его отрыву. В точке отрыва пограничного слоя возникает сильное возмущение сверхзвукового потока, вследствие чего образуется скачок уплотнения переходящий в ударную волну внешнего обтекания обечайки.

Тем не менее, выбор соответствующей формы центрального тела, особенно при осуществлении отсоса пограничного слоя, дает возможность частично использовать изоэнтропическое торможение потока в диффузоре внешнего сжатия и получить восстановление давления несколько более высокое, чем в трех или четырехскачковом диффузоре. Диффузоры с изоэнтропическим торможением будут рассмотрены далее.

Для уменьшения внешнего сопротивления применяют диффузоры с неполным (частичным) сжатием. Схема такого диффузора показана на рис.29.

Рис. 29. Сверхзвуковой диффузор с частичным внешним сжатием

В таком диффузоре обечайка составляет с направлением невозмущенного потока меньший угол, чем последняя грань центрального тела. Поэтому поток встречает внутреннюю поверхность обечайки под некоторым углом и вынужден отклониться с образованием косого скачка АС, идущего от кромки обечайки к той части центрального тела, которая расположена во внутреннем канале диффузора; замыкающий прямой скачок EF помещается около узкого сечения внутреннего канала. Обечайка диффузора с частичным внешним сжатием мое иметь малое внешнее сопротивление. Если обечайка направлена параллельно вектору скорости невозмущенного потока, то её внешнее волновое сопротивление близко к нулю.

В зависимости от формы центрального тела многоскачковые диффузоры разделяются на плоские (центральное тело – клин) и осесимметричные (центральное тело – конус). Число косых скачков уплотнения в системе скачков перед входом равно числу изломов ступенчатого центрального тела.

В расчетах характеристик диффузора и двигателя часто используют отношение площади сечения потока на входе в диффузор к площади сечения на входе в двигатель F_вх/F_дв. Выбор этого параметра является важным этапом проектирования воздухозаборника, поскольку от этого соотношения зависят потери полного давления в процесс торможения, внешнее сопротивление и расход воздуха, т.е. те параметры, которые в основном определяют эффективность воздухозаборника и двигателя в целом. Обычно геометрические параметры диффузоров выбирают так, чтобы при расчетной скорости полета косые скачки уплотнения сходились на передней кромке обечайки. В этом случае обеспечивается максимальный расход воздуха и отсутствие дополнительного волнового сопротивления. Такой режим работы сверхзвукового диффузора называется расчетным.

При заданных числе Маха и числе скачков суммарный угол поворота потока θ_Σ выбирается из условия обеспечения наибольшей эффективной тяги двигателя. Величина θ_Σ принимается несколько меньшей того значения, при котором достигается максимальная величина коэффициента восстановления давления в системе скачков. При этом проигрыш во внутренней тяге двигателя вследствие снижения коэффициента восстановления полного давления может быть полностью компенсирован снижением внешнего сопротивления за счет уменьшения угла наклона обечайки.

По теоретическим расчетам при выбранном или заданном

,

Наименьшие потери давления в системе скачков получаются в том случае, если значения отдельных углов ступенчатого конуса θ_i принимаются такими, при которых интенсивность всех скачков получается одинаковой.

При выбранных значениях углов θ_i и θ_Σ расстояние от вершины ступенчатого конуса до плоскости входа определяется по формуле

,

где d_вх – диаметр входного сечения; β₁ – угол наклона первого косого скачка уплотнения.

Кольцевая щель на входе во внутренний канал по нормали к захватываемому потоку F определяется как

,

где d_кон – диаметр центрального тела (конуса) в плоскости входа.

При проектировании обычно задаются площадью на входе в двигатель F_дв и скорость потока (λ_дв) на выходе из диффузора (на входе в эжектор или двигатель). По заданным F_дв и λ_дв из уравнения неразрывности для сечений в свободном потоке и входе в двигатель рассчитывается площадь входа диффузора.

Рассмотрим расчет коэффициента восстановления давления в системе скачков при заданном числе Маха полета и заданных значениях углов β_i. Рассмотрим четырех скачковый диффузор, у которого в качестве центрального тела используется клин.

Вначале для заданных числе Маха М_о и угле наклона первого скачка β₁определяется угол наклона первого скачка θ₁ и основные параметры потока (р₁, М₁) за первым скачком, отнесенные к соответствующим параметрам невозмущенного потока

Затем по М₁ и β₂ по формулам () определяются угол наклона второго скачка θ₂, р₂/р₁, М₂/М₁ за вторым скачком.

Угол наклона последнего косого скачка и основные параметры потока за ним рассчитывают по М₂ и θ₂. Отсюда давлением за последним скачком, отнесенного к давлению невозмущенного потока будет

Давление торможения за замыкающим прямым скачком при М₃ (λ₃) определяется выражением

.

Давление торможения за прямым скачком, отнесенное к статическому давлению невозмущенного потока, будет

.

Коэффициент восстановления давления в системе скачков определится как

.

Расчет коэффициента σ при обтекании конуса многоскачкового осесимметричного диффузора в первом приближении можно проводить, приняв допущение о том, что в таком диффузоре только за первым скачком течение является коническим, а за всеми последующими скачками оно становится близким к двумерному. За параметры перед вторым скачком приближенно можно брать значения параметров за первым коническим скачком у поверхности конуса, определяемые по зависимостям для конического течения. Параметры потока за вторым и последующими скачками в этом случае можно рассчитывать по приведенным выше зависимостям, определив предварительно углы наклона скачков β по заранее составленным таблицам или графикам зависимости θ от β и числа М из расчета конического течения.