Глава 16 ДИФФУЗОРЫ

Диффузоры служат для торможения жидкости. Несжимаемая

жидкость тормозится только в расширяющихся каналах (И72= -IPiSi/S*). При этом кинетическая энергия жидкости, в соответ­

ствии с уравнением Бернулли (4.83), превращается в энергию давления и частично затрачивается на преодоление сопротивления диффузора. Как было установлено (11.59), торможение газа мож­ но осуществить за счет геометрического, расходного, теплового и механического воздействий, а при сверхзвуковом течении — даже за счет трения. Комбинация этих воздействий может усилить или ослабить диффузорный эффект.

В этой главе мы рассмотрим торможение газовых потоков за счет геометрического воздействия. Такое торможение газа находит широкое применение во входных устройствах ВРД, межлопаточных каналах компрессоров, в камерах сгорания, в аэродинамических трубах и т. д.

Рассмотрим диффузоры ВРД, которые подразделяются, по чис­ лу Маха полета М„, на дозвуковые Мн-<1, малых сверхзвуковых скоростей М0<1,5 и сверхзвуковые М„>1,5. Все эти диффузоры должны иметь минимальные габариты, массу и потери.

16.1. Д О З В У К О В Ы Е Д И Ф Ф У З О Р Ы В Р Д

Дозвуковые диффузоры представляют собой расширяющиеся каналы с плавно очерченными входными кромками для предотвра­ щения отрыва потока на входе (рис. 16.1). Чем значительнее уве­ личение площади сечения диффузора на единицу его длины d S /d x тем больше d p /d x > 0 и тем меньше длина и масса диффузора. На практике приходится ограничивать величину d p /d x для того, чтобы избежать отрыва пограничного слоя — источника наиболее сущест­ венных потерь полного давления в дозвуковых диффузорах (п. 15.6). Вторым источником потерь является трение в погранич­ ном слое.

Температура торможения воздуха при энергетически изолиро­ ванном течении в диффузорах, в соответствии с (11.8), остается постоянной Tj*=7*1*=7"в*. Полное давление из-за гидравлических потерь, в соответствии с (4.97) и (11.38), уменьшается, что при-

здесь ^ — 1 = Суд — коэффициент потерь на удар Борда— Карно

при внезапном расширении канала с Si до S2; ф — эксперименталь­ ный коэффициент смягчения удара, зависящий только от угла рас­ твора диффузора а (рис. 16.2).

При а=0 ф=0, т. е. потери на отрыв пограничного слоя отсутст­ вуют. С увеличением а возрастает dp/dx, возникает отрыв погра­ ничного слоя, вихревые зоны перемещаются от выходного сечения диффузора к входному, ф увеличивается, а а уменьшается — поте­ ри возрастают. В пределах углов раствора диффузоров 4 0 < а < <150° коэффициент смягчения удара становится больше единицы и достигает максимального значения ф=1,2 при о=60°. Следова­ тельно, в этом диапазоне углов вихревые потери при постепенном расширении канала больше, чем при внезапном, когда а=180°и ф= 1,0. Объясняется это тем, что вихревая зона при внезапном рас­ ширении устойчива, а при 40<а<150° неустойчива и периодиче­ ски смывается потоком. На непрерывное возобновление вихревой зоны и затрачивается дополнительная энергия потока. Коэффици­ ент сохранения давления торможения в дозвуковых диффузорах может быть определен по формуле, аналогичной (16.1)

*

(16.2)

где £д — коэффициент сопротивления диффузора, учитывающий как потери на отрыв пограничного слоя, так и на трение.

Минимальные потери соответствуют а «6 °. При увеличении уг­ ла а>6р потери на трение уменьшаются, так как при заданном S2/S,1 диффузор становится короче, зато потери на вихреобразование резко возрастают. При уменьшении а< 6 ° потери на вихреобразование слегка уменьшаются (при этих углах они малы), но воз­ растают потери на трение из-за увеличения длины диффузора. На практике для уменьшения длины диффузора углы раскрытия де­ лают а=8 ... 12°. При таких углах видимый отрыв пограничного слоя от стенок диффузора обычно еще не наблюдается. Для умень­ шения габаритов и массы желательно делать диффузоры возмож­ но короче. При а>15° целесообразно выполнять стенки диффузора криволинейными с постепенно возрастающим углом а так, чтобы градиент давления вдоль оси х был бы постоянным dp/dx=const. Течение в таком диффузоре обладает большой устойчивостью, пог­ раничный слой нарастает медленнее и снижение потерь может дос­ тигать 40%. Хороший результат дает также ступенчатыйдиффузор с организованным срывом потока. Передняя часть такого диффузо­ ра имеет а<10... 12° и заканчивается внезапным расширением до S2. В этом случае внезапное расширение стабилизирует течение за диффузором и не вносит заметных потерь, так как скорость потока перед ним уже невелика.

Формулы (16.1) и (16.2) показывают, что потери полного дав­ ления возрастают при увеличении приведенной скорости Х2 на вЫ-

ходе из диффузора, что при заданном S2 /S,i соответствует увеличе­ нию Хь

Уменьшение потерь в диффузоре при больших а может быть достигнуто отсосом или сдувом пограничного слоя.

Пропускная способность диффузора оценивается коэффициен­ том расхода ф (см. рис. 16.1):

I. Режим без преобразования скорости и давления воздуха до диффузора Wi = WB и Pi~pB. Струя воздуха попадает в диффузор из бесконечности без изменения сечения 5H=5j. Коэффициент рас­ хода ф= 1.

II. Режим с внешним расширением потока IV\>WB\ р\<.ря,

С1<ен и I|)=SHII/5I>1. Этот режим возникает при снижении дав­ ления р2 за счет увеличения частоты вращения компрессора. Ре­ жим II не желателен, так как сопровождается повышенными поте­ рями полного давления on<oi за счет увеличения Аа и Х2, а также возникновения отрыва пограничного слоя на входе в диффузор изза увеличения угла притекания струй к передней кромке диффу­ зора.

III. Режим с внешним сжатием газа 5i>5„, \j)= 5H/5i<l, Wi<. <№„, pi>pn, Pi* = Pn* Получается при уменьшении частоты вра­

щения компрессора и увеличении р2. Как показывают опыты, опти­ мальным режимом работы дозвукового воздухозаборника является

приводит к чрезмерному увеличению углов притекания воздуха к передней кромке диффузора и может вызвать отрыв пограничного слоя от наружной поверхности диффузора, что приведет к увели­ чению лобового сопротивления. Если диффузор задросселировать полностью на выходе, то воздух будет тормозиться вне диффузора изоэнтропно и Р2 =Рв*, с=1 и ф=0. При открытии дросселя появ­ ляется расход воздуха (ф>0) и потери в диффузоре (а<1).