Две основные особенности торможения сверхзвукового потока. Как известно из газовой динамики, главная особенность сверхзвукового потока заключается в том, что он "не чувствует" противодавления (пропускной способности) системы, в которую поступает, так как малые возмущения от такого противодавления, распространяющиеся со скоростью звука, не проникают навстречу потоку. Отсюда следуют два важных вывода. Во-первых, нельзя выполнить торможение сверхзвукового потока перед входным устройством аналогично торможению дозвукового потока. Сверхзвуковой поток может тормозиться (не считая прямого скачка уплотнения) только в результате обтекания какой-либо поверхности, например конуса осесимметричного входного устройства, которая называется поверхностью сжатия. Во-вторых, углы наклона косых скачков уплотнения и вся картина течения сверхзвукового потока, в том числе форма гидравлических стенок (которыми отделяется поток, проходящий через входное устройство, от потока, обтекающего его), а следовательно, отношение F н / F вх, площадь сечения F н, а при известных внешних условиях и расход воздуха через сечение F н (1.5а), определяются числом М п, геометрией поверхности сжатия и ее расположением относительно обечайки. Изменение режима работы двигателя (пропускной способности системы) не может изменить картину течения сверхзвукового потока, а может только разрушить ее, если не обеспечивается условие неразрывности потока между сечением F н и последующими характерными сечениями проточной части ВУ и двигателя, точнее, если расход воздуха через сечение Н оказывается больше расхода, который может пройти через двигатель или минимальное сечение входного устройства.
Другой особенностью сверхзвукового потока является то, что он тормозится в сужающемся канале (а дозвуковой – в расширяющемся). Поэтому поток или канал, в котором происходит торможение, имеет сужающе-расширяющуюся форму (площадь сечения вначале уменьшается, а затем увеличивается). Такое изменение площадей сечений сверхзвукового и дозвукового потоков объясняется особенностями изменения давления, а следовательно, плотности воздуха в процессе торможения этих потоков. В разд. 2.1.2 показано (табл. 2.1), что величина p V s вх с увеличением числа М п повышается незначительно в дозвуковом диапазоне скоростей полета, а в сверхзвуковом диапазоне – весьма значительно, и тем больше, чем больше число М п. Соответственно изменяются полное давление p *в и плотность воздуха. По этой причине плотность тока c i r i в процессе торможения сверхзвукового потока изменяется качественно так же, как и плотность воздуха, т.е. увеличивается несмотря на снижение скорости потока, а в процессе торможения дозвукового потока она изменяется качественно так же, как и скорость потока, т.е. снижается. (Напомним, что при малых скоростях движения воздушный поток ведет себя как несжимаемая жидкость, т.е. изменением плотности можно пренебречь.) Площадь сечения потока согласно уравнению расхода (1.5а) изменяется обратно пропорционально плотности тока F i = G i / c i r i – отсюда и сужающе-расширяющаяся форма.
Как и в случае дозвукового воздухозаборника, рассмотрим вначале торможение потока на участке Н-ВХ, а затем в канале ВХ-В, который будем называть внутренним.
Особенности торможения на участке Н - ВХ. На рис. 2.8 приведены схема течения воздушного потока через входное устройство в расчетных условиях (во многих случаях М п.р» М п max) и соответствующее изменение параметров. Для обеспечения высокого значения коэффициента восстановления давления сверхзвуковой поток тормозится в системе косых скачков, возникающих в местах поворота потока при обтекании поверхности сжатия, и в замыкающем прямом скачке (з.п.с), расположенном в сечении Е. При этом наружная поверхность потока не ограничивается геометрическими стенками, а внутренняя – образована поверхностью сжатия. Такие воздухозаборники называются входными устройствами внешнего сжатия.
Входные устройства проектируют таким образом, что при максимальной скорости полета косые скачки уплотнения фокусируются (в расчетной схеме) на входной кромке обечайки. В этом случае обеспечиваются цилиндрические стенки потока (осесимметрического ВУ), поступающего во внутренний канал, т.е. F н = F вх. В результате снижается до нуля главная составляющая внешнего сопротивления – дополнительная сила Х доп, а следовательно, до минимума снижается внешнее сопротивление в целом.
Из отмеченных выше особенностей течения сверхзвукового потока следует, что для входного устройства заданной геометрии картина течения потока на участие Н-ВХ, в том числе и дозвуковая приведенная скорость за замыкающим прямым скачком в сечении Е однозначно определяются числом М п. Постоянному числу М п = М п max соответствует и определенное значение l е. Если из условия неразрывности потока между сечением Е и последующими сечениями проточной части не будет обеспечиваться указанное постоянное значение l е, то картина сверхзвукового течения на участке Н-ВХ будет разрушена, что приведет к увеличению внешнего сопротивления.
Особенности рабочего процесса на участке ВХ-В. Внутренний канал ВХ-В бывает двух видов: с монотонным увеличением площади сечения или с минимальным сечением (типа сопла Лаваля). В первом варианте дозвуковая скорость потока монотонно убывает от сечения Е до сечения В. Во втором – скорость потока в канале вначале увеличивается, становится равной скорости звука в минимальном (критическом КР) сечении, которое называется также горлом, и далее увеличивается выше скорости звука. Переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую происходит во втором замыкающем прямом скачке уплотнения (з.п.с.2), после чего до сечения В поток тормозится с соответствующим повышением статического давления. Наличие двух замыкающих прямых скачков, хотя и сопровождается повышенными потерями полного давления, зато надежно изолирует сверхзвуковой поток на участке Н-ВХ от возмущающих воздействий компрессора. Далее будет рассмотрен рабочий процесс для второго варианта внутреннего канала (рис. 2.8).
Проанализируем уравнение неразрывности потока, составленное для сечений КР и В на основании формулы (1.5):
=,
где s з.с и s тр – коэффициенты восстановления давления, учитывающие потери полного давления соответственно во втором замыкающем прямом скачке и на преодоление трения.
Рис. 2.8. Схема работы сверхзвукового ВУ внешнего сжатия
в расчетных условиях и изменение параметров воздушного
потока в его проточной части при F кр < F е < F в
Пренебрегая трением на участке КР-В (s тр = 1), представим его в следующем виде:
F кр q (l кр) = s з.с F в q (l в). (2.9)
Откуда
|
Из последнего соотношения следует, что изменение пропускной способности компрессора q (l в) приводит к соответствующему изменению коэффициента восстановления давления (интенсивности) второго замыкающего скачка s з.с, а следовательно, скорости потока перед ним и его местоположения.
Увеличение q (l в) ведет к снижению s з.с, так как увеличение скорости потока перед компрессором сопровождается снижением статического давления, т.е. уменьшением противодавления системы, на которую работает ВУ, вследствие чего скачок смещается вниз по потоку к сечению В. Скорость потока перед ним повышается, что ведет к увеличению его интенсивности и, соответственно, потерь полного давления. Уменьшение q (l в), наоборот, сопровождается смещением скачка к критическому сечению.
При некотором значении q (l в) = q (l в) кр второй замыкающий прямой скачок находится вблизи критического сечения (величина s з.с близка к единице). Дальнейшее снижение q (l в) приводит к исчезновению замыкающего скачка. При q (l в) < q (l в) кр относительная плотность тока в критическом сечении уменьшается, q (l кр) < 1, поток становится дозвуковым во всей проточной части канала.
Согласно условию неразрывности потока между сечениями КР и Е (потерями полного давления между ними можно пренебречь)
F е q (l е) = F кр q (l кр), (2.10)
величиной q (l кр) однозначно определяется приведенная скорость за первым замыкающим скачком в сечении Е, и при l кр = 1 величина q (l е) сохраняется постоянной. При снижении q (l кр) соответственно уменьшается q (l е) – снижается пропускная способность сечения Е и прямой скачок выталкивается из этого сечения – образуется выбитая ударная волна перед входным устройством. Картина течения сверхзвукового потока перед сечением ВХ разрушается.
Режимы работы. Проделанный анализ позволяет сделать вывод: рассматриваемые сверхзвуковые устройства имеют две группы существенно разных режимов: докритические и сверхкритические. Режим работы называется докритическим, если скорость потока в канале между сечениями ВХ и В дозвуковая, или сверхкритическим, если скорость потока за сечением КР сверхзвуковая. Граничный между ними режим (замыкающий прямой скачок находится вблизи сечения КР) называется критическим.
От режима работы входного устройства зависит его эффективность. Рассмотрим эти зависимости.
