книги из ГПНТБ / Нечаев Ю.Н. Входные устройства сверхзвуковых самолетов

ГЛАВА III

МНОГОСКАЧКОВЫЕ ДИФФУЗОРЫ С ВНЕШНИМ И СМЕШАННЫМ СЖАТИЕМ

Торможение сверхзвукового потока в этих диффузорах осущест­ вляется в системе косых скачков уплотнения, создаваемых централь­

также образуется головная волна на входе. Однако отсутствие внеш­ них ограничивающих стенок позволяет дозвуковому потоку свободно растекаться вокруг обечайки. С увеличением числа /А полета голов­ ная волна передвигается по потоку и на расчетном режиме, достигнув входного отверстия, исчезает или превращается в замыкающий пря­ мой скачок.

Эти диффузоры, креме того, хорошо работают на нерасчетных режимах, просты в регулировании и надежны в эксплуатации. По­ этому они находят широкое применение на сверхзвуковых летатель­ ных аппаратах. Рассмотрим подробнее принцип их работы.

§!. ПРИНЦИП РАБОТЫ МНОГОСКАЧКОВОГО ДИФФУЗОРА

СЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ

Многоскачкозые диффузоры с центральным телом могут выпол­ няться как круглыми, так и плоскими.

Рассмотрим вначале работу плоского четырехскачкового диффу­ зора, схема которого изображена на фиг. 31. Его центральное тело представляет собой трехступенчатый клин. Углы клина обозначены Pi) ря» Р3. При обтекании сверхзвуковым потоком первого клина с углом при вершине, равным pj, образуется первый косой скачок уп­ лотнения. Он имеет угол наклона по отношению к направлению на­ бегающего потока, равный а ,. Пройдя через первый косой скачок, поток затормаживается от скорости с0 до скорости с\. При этом про­ исходит поворот потока на угол р, и повышение давления воздуха от р н до р\. За первым косым скачком поток направлен параллельно

грани первого клина 0— 1.

Скорость воздуха за косыми скачками остается сверхзвуковой. Сверхзвуковой поток, направленный параллельно грани клина 0— 1,

41

при своем дальнейшем движении встречает в точке 1 второй клин с углом (32 . От его вершины отходит второй ко.сой скачок, образую­ щий с набегающим на клин потоком угол а2. На этом скачке сверх­

а давление увеличивается от р\ до р2.

Фиг. 31. Схема плоского четырехскачкового диффузора с внешним ежа тием. Изменение скорости и давления по длине диффузора *

На третьем косом скачке поток воздуха поворачивается на угол Р3 , его скорость уменьшается от с2 до с3, а давление увеличивается от р2 до р,з- Так происходит ступенчатое торможение сверхзвукового по­ тока в косых скачках уплотнения. После прохождения через все три

косых скачка суммарный угол поворота потока Зс получается рав­ ным: pcr=3j + fj2 + р а.

Углы ступенчатого клина выбираются таким образом, чтобы на расчетном числе М полета все косые (конические) скачки фокусиро­ вались в точке А передней кромки обечайки. Этим обеспечивается максимально возможный расход воздуха и отсутствие вредного до-*

* На фиг. 31 ошибочно не показано снижение с и увеличение р в третьем косом скачке.

42

полнительного сопротивления. Другим требованием при выборе уг­ лов излома центрального тела является получение высокой эффек­ тивности диффузора в требуемом диапазоне режимов работы.

У круглых диффузоров, как указывалось, при обтекании первого конуса образуется скачок уплотнения, имеющий коническую поверх­ ность с прямолинейной образующей. Поворот проходящего через эту поверхность потока воздуха в различных местах получается неодина­ ковым: он уменьшается в направлении от точки 0 к точке А. Поэтому за.первым коническим скачком поток становится неравномерным. Последующие косые скачки за счет неравномерности набегающего потока искривляются. Характер течения в этом случае оказывается более сложным, чем у плоского диффузора.

Ф и г. 32. Схема осесимметричного диффузора с внеш­ ним сжатием

За последним косым скачком поток еще остается сверхзвуковым. Его дальнейшее торможение может быть осуществлено в замыкаю­ щем прямом скачке, расположенном перед входом; тогда скорость на входе в канал будет дозвуковой. Если канал спрофилировать так, чтобы по всей его длине до входа в двигатель скорость воздуха оста­ валась дозвуковой, то тогда колебания давления и расхода воздуха, которые всегда имеются при работе двигателя, будут передаваться

щимся. Это видно для случая плотного течения на фиг. 31, а для осе­ симметричного— на фиг. 32. Течение воздуха во внутреннем канале происходит, как в сопле Лаваля: в сужающейся части канала ско­ рость потока увеличивается, в горле достигает скорости звука, а в на­ чале расширяющейся части канала скорость становится сверхзвуко­ вой. Повышение противодавления в конце канала вызывает возник­ новение скачка уплотнения, близкого к прямому, который ограничи­ вает образовавшуюся сверхзвуковую зону. За этим скачком поток снова становится дозвуковым.

43-

Созданная между горлом и скачком сверхзвуковая зона задер­ живает возмущения, идущие со стороны двигателя, что играет важ­ ную роль в обеспечении устойчивой работы диффузора.

С изменением режима работы диффузора размеры сверхзвуко­ вой зоны могут изменяться. Например, увеличение противодавления за диффузором, возникающее при уменьшении числа оборотов ТРД, будет приводить к уменьшению размеров этой зоны. Поэтому разме­ ры сверхзвуковой зоны должны выбираться из условия обеспечения устойчивой работы диффузора в требуемом диапазоне изменения режимов работы двигателя. На расчетном режиме должен быть обе­ спечен соответствующий запас устойчивости, который тем выше, чем «иже по потоку образуется скачок уплотнения и соответственно чем значительнее его интенсивность.

в головную волну, распространяющуюся во внешнем потоке. Это при­ водит к значительному росту внешнего сопротивления диффузора на нерасчетных режимах.

Поэтому диффузоры для больших чисел М полета иногда дела­ ют иначе: внутренний канал профилируют таким образом, чтобы в его сужающейся части продолжалось торможение сверхзвукового потока. Оно может происходить в косом скачке уплотнения, образу­ ющемся у 'внутренней поверхности обечайки, либо в системе отражен­ ных скачков уплотнения. В таком случае канал будет работать как диффузор с внутренним сжатием, имеющим относительно небольшую сверхзвуковую скорость на входе, а сжатие в целом будет смешан­ ным: частично внешним и частично внутренним (фиг. 33).

В этом случае образуется только один прямой скачок уплотне­ ния, расположенный внутри канала за горлом в сечении, имеющем

44

площадь, меньшую, чем площадь на входе в канал. Следовательно, число М перед этим скачком получается меньшим, а коэффициентсохранения давления скачка повышается. Это может обеспечить не­ которое увеличение коэффициента апх.

Для внутреннего канала сохраняются в силе те же ограничения по запуску, которые имеют место для диффузоров с внутренним сжа­ тием. Но вследствие того, что перед каналом поток предварительно уже заторможен до низких значений чисел М, требуется относитель­ но небольшое перерасширение горла, которое не вызывает значитель­ ных потерь полного давления.

в этом скачке будут зависеть от степени перерасширения горла и от величины противодавления на выходе из диффузора.

Противодавление за диффузором определяется условиями сов­ местной работы диффузора и двигателя. Оно должно быть таким, чтобы при всех режимах работы двигателя за горлом диффузора су­ ществовала сверхзвуковая зона, необходимая для обеспечения его устойчивой работы. Как правило, это требует специального регули­ рования диффузора, сущность которого будет рассмотрена ниже.

Основными параметрами многоскачкового диффузора являются коэффициент сохранения полного давления звх, коэффициент рас­ хода воздуха cs и коэффициент лобового сопротивления сг . Рас­ смотрим эти величины н влияние на них различных факторов.

§ 2. КОЭФФИЦИЕНТ СОХРАНЕНИЯ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ МНОГОСКАЧКОВОГО ДИФФУЗОРА И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО

горлом. Кроме того, некоторое снижение полного давления обуслов­ лено трением воздуха о стенки. Исходя из этого, величину а8Х. мож­ но представить следующим образом:

45

Потери полного давления в системе скачков. От чего зависит ве­ личина коэффициента сохранения полного давления в системе скач­ ков уплотнения? Она может быть определена, если известны значе­ ния коэффициентов з(. для каждого скачка.

За последним косым скачком поток тормозится в замыкающем прямом скачке уплотнения. Поэтому коэффициент з,„ определяют как произведение коэффициентов всех косых скачков уплотнения и за­ мыкающего прямого скачка. В рассмотренном примере

- - - J 1 3 2 ° 3 З п •

Величина коэффициента зт зависит при заданном числе М по­ лета и при выбранном числе косых скачков пг от углов 3(. ступенча­

того клина или конуса. Эти углы должны быть подобраны таким об­ разом, чтобы обеспечивались высокие значения коэффициента зт .

Злияние углов клина на величину зт рассмотрим на примере диффузора, имеющего один косой и один прямой скачок. Его цент­ ральное тело представляет собой простой клин. У такого диффузора коэффициент сохранения полного давления системы скачков опреде­ ляется как произведение соответствующих коэффициентов для косо­ го и прямого скачков, т. е.

Зависимость величины ат системы скачков косой прямой от угла клина |3 при заданном числе М полета приведена на фиг. 34 (сплош­

чением 3 угол наклона и интенсивность косого скачка увеличивают­ ся, поэтому зк снижается (пунктирная линия на фиг. 34). Но одно­ временно уменьшается число М за косым скачком, что приводит к снижению интенсивности и к уменьшению потерь в прямом скачке, т, е. к возрастанию з„ (штрихпунктирная линия на фиг. 34). В ре­ зультате указанного характера изменения величин зк и з., их произ­ ведение достигает максимума при (30пт. При возрастании угла (3 до некоторого значения |Зпред скорость за косым скачком становится до­ звуковой, поэтому прямой скачок за ним уже возникнуть не может. Происходит вырождение системы скачков в один сильный косой ска­ чок, потери в котором близки к потерям в прямом скачке.

На фиг. 35 приведены аналогичные зависимости коэффициентов ат системы скачков косой + прямой от угла клина (3 для различных чисел М полета. Как видно, при каждом числе М полета имеется свой оптимальный угол клина, при котором зп достигает максимума.

46

С ростом числа М полета угол fi0I1T повышается. Аналогичные зави­ симости могут быть построены и для круглых диффузоров.

Абсолютные величины коэффициентов з.,,, как видно из фиг. 35, с ростом числа М полета снижаются. Это объясняется тем, что с ро­

снижаются значения коэффициентов сохранения давления как для косого, так и для прямого скачка.

дить сложнее, так как здесь можно варьировать каждым углом в от­

ность всех скачков получалась одинаковой. Если рассматривать та­ кие системы, у которых все углы ^ выбраны из условия получения скачкоз одинаковой интенсивности, то для этого случая при задан­ ном числе скачков величины коэффициентов ат могут быть рассчи­ таны и представлены в виде зависимостей от одного параметра: угла Вс . Такие графики были получены для плоских и осесимметричных

47

диффузоров С. Л. Вишневецким. На фиг. 36 приведена зависимость коэффициента ат от угла Зс при различных числах М полета для осесимметричных диффузоров, имеющих три косых скачка и один прямой.

Как видно из фиг. 36, для каждого числа М полета и в этом слу­ чае существует оптимальное значение суммарного угла [4С0ПХ, при ко­ тором обеспечивается максимальная величина коэффициента от . Значения отдельных углов рд при этом определяются таким образом, чтобы все скачки имели одинаковую интенсивность.

симметричного диффузора о тремя косыми и прямым скачками

в том, что они обладают весьма значительным лобовым сопротивле­ нием. Торможение сверхзвукового потока в этом случае, как видно, связано1со значительным его отклонением от исходного направления. Каждый дополнительный скачок уплотнения увеличивает не только сжатие воздуха, но и поворот потока. Поэтому поток воздуха перед входом в диффузор направлен под значительным углом к его оси. Отклоненный центральным телом поток должен войти в диффузор таким образом, чтобы обтекание передней кромки обечайки осущест­ влялось без появления головной волны.

Головная волна может появиться в том случае, если угол между направлением потока за системой косых скачков и направлением обе­

48

чайки будет слишком велик, как и при обтекании клина или конуса (см. фиг. 16). Для уменьшения этого угла переднюю кромку обечай­ ки диффузора необходимо устанавливать наклонно к оси диффузо­ ра с таким расчетом, чтобы угол встречи отклоненного центральным телом потока с направлением обечайки был бы меньшим угла, соот­ ветствующего образованию головной волны. Для дальнейшего плав­ ного поворота потока, вошедшего в канал диффузора, к его оси обе­ чайка должна быть продлена под этим же углом на некоторое рас­ стояние (см. фиг. 31). Наружная поверхность обечайки в силу ука­ занных причин также оказывается направленной под углом к набе­ гающему потоку. Вследствие этого при ее обтекании образуются скачки уплотнения во внешнем потоке, являющиеся источником зна­ чительного волнового сопротивления. Увеличение волнового сопро­ тивления на гондоле при больших числах М полета, как видно из формулы (9), приводит к снижению эффективной тяги, создаваемой силовой установкой. Итак, наклоном обечайки удается устранить по­ явление головной волны, ко при этом все же возрастает внешнее со­ противление диффузора.

Для многоскачковых диффузоров величины углов рсопт получа­ ются, как видно из фиг. 36, очень большими. Например, при Мо = 3,0 угол Эсопт равен 45°. Чтобы при таком значительном повороте пото­ ка избежать появления головной волны у передней кромки обечайки, нужно располагать ее под весьма большим углом ( 6об) к оси >зигателя.

На фиг. 37 показаны зависимости , коэффициента ат и угла 8об от рс . До величин (3С<Д0Р еще не требуется наклон передней кромки

косой скачок уплотнения, как показано на фиг. 38. Давление за этим скачком становится большим атмосферного. Избыточное давление, действуя на внешнюю поверхность обечайки, создает силу волнового сопротивления Х 0б . Эта сила будет, очевидно, тем большей, чем выше избыточное давление на наружной поверхности обечайки и чем сильнее наклонена эта поверхность к направлению оси диффу­

Но давление р\ тем выше, чем значительнее интенсивность косого скачка во внешнем потоке, т. е. чем больше угол ооб и число М полета.