3.2.1. Диффузоры с внутренним сжатием

Схема диффузора с внутренним сжатием показана на рис. 25 «б». В таких диффузорах внутренний канал имеет вначале сужение, а затем расширение. Наиболее узкая часть называется «горлом» диффузора. Торможение входящего потока осуществляется за плоскостью входа в диффузор. На участке сужения образуется система первичных и отраженных косых скачков уплотнения, определяемых профилем входной части канала.

Преимуществом диффузоров с внутренним сжатием является их малое внешнее сопротивление, поскольку наружная обечайка может быть выполнена с минимальным сопротивлением. К недостаткам следует отнести плохое обеспечение устойчивой работы в широком диапазоне скоростей, и трудность запуска.

Режимы работы диффузора внутренним сжатием представлены на рис. 25.

Расчетным режимом работы при заданном (расчетном) числе М полета (рис.25 «а») будет режим, при котором поток тормозится в суживающейся части входного канала, причем в наиболее узкой части («горле») скорость его становиться равной скорости звука. В расширяющейся части канала происходит дальнейшее торможение уже дозвукового потока. На этом режиме расход воздуха максимальный, а коэффициент восстановления давления определяется потерями давления в скачках уплотнения на суживающемся участке.

При отклонении числа М от расчетного, или при возникновении противодавления за диффузором, режим работы диффузора изменяется.

При числе М больше расчетного (рис. 25 «б»), поток воздуха в горле диффузора будет сверхзвуковым, так как площадь горла больше потребной, и поток не успевает затормозиться до скорости звука. Поступая в расходящуюся часть канала поток, разгоняется и образует скачок уплотнения, по форме близкий к прямому. В этом случае расход воздуха также будет максимальным, однако потери давления возрастают по сравнению с расчетным режимом. Такое же явление будет наблюдаться и при противодавлении за диффузором меньше расчетного. Если число М или противодавление за диффузором станут расчетными, то расчетный режим работы диффузора восстановиться.

В случае если число М на входе будет меньше расчетного, пропусканная способность горла диффузора уменьшается (рис. 25 «в»), уменьшается и расход воздуха, из-за образования ударной волны перед диффузором. Появлением головной волны приводит к снижению коэффициента восстановления давления и ещё большему дросселированию диффузора, а, следовательно, к большему снижению коэффициента расхода воздуха. Если число М будет увеличиваться, то восстановления расчетного режима не произойдет, поскольку головная ударная волна на входе останется, и потери давления будут больше расчетных. Площадь сечения горла в этом случае будет недостаточной для восстановления расчетного режима работы. Такой же режим работы с головной ударной волной будет наблюдаться и при увеличении противодавления за диффузором больше расчетного.

Характеристики диффузора с внутренним сжатием могут быть улучшены, если обеспечивать на его входной части установившийся сверхзвуковой поток. При обеспечении такого условия, диффузор может работать и при скоростях превышающих расчетные. Для обеспечения на входной части установившегося сверхзвукового потока можно изменять геометрические размеры диффузора, то есть иметь диффузор с переменными геометрическими размерами. В таком диффузоре площадь критического сечения должна быть вначале увеличена для того, чтобы допустить вхождение и перемещение прямого скачка, а затем должна быть сужена до размеров, соответствующих обращенному соплу Лаваля, чтобы обеспечить торможение потока, близкое к изоэнтропическому.

Экспериментальные исследования показали, что у таких диффузоров всё же остаются недостатки, присущие сужающегося -расширяющегося диффузора, и прежде всего, разрыв в величине расхода при выбивании ударной волны с соответствующим гистерезисом на кривой восстановления давления. Остается и чувствительность к незначительным возмущениям, которые приводят к выбиванию ударной волны всякий раз, когда относительное внутреннее сжатие несколько превышает критическую величину. Эта чувствительность связана с влиянием нарастающего на стенке пограничного слоя. Если в диффузоре нет начального пограничного слоя, как это бывает в лобовых воздухозаборниках, то нарастающий пограничный слой будет ламинарным и, следовательно, чувствительным к встречному градиенту давления в диффузоре. Если происходит отрыв ламинарного пограничного слоя, то линии тока смещаются в направлении возрастания степени сжатия, при этом могут появиться ударные волны, которые уменьшают полное давление и, следовательно, увеличивают площадь горла, необходимую для прохождения заданного расхода воздуха.

Таким образом, для улучшения характеристик регулируемого сужающегося – расширяющегося диффузора по сравнению с диффузорами с фиксированной геометрией необходимо предотвращать отрыв пограничного слоя, для чего можно использовать его отсос или турбулизаторы.

Для этих же целей в диффузорах с нерегулируемой геометрией, применяют перфорацию в суживающейся части, так называемые диффузоры с перфорированными стенками. Если сделать отверстия в суживающейся стенке, то даже при предельной величине сужения может быть обеспечен сверхзвуковой поток. Такие отверстия увеличивают задросселированную без них площадь потока за ударной волной, так что на входе может быть обеспечен всегда сверхзвуковой поток.

Отверстия работают как автоматические клапаны, пропуская большие расходы газа до установления сверхзвукового входного потока и малые расходы после того, как скачок уплотнения войдет внутрь диффузора. На рис.26 приведена схема, иллюстрирующая работу отверстий в качестве автоматических клапанов и на которой длина каждой стрелки характеризует соответствующий расход газа.

Если ударная волна располагается перед входом, как показано на рис. 26, то статическое давлением и плотность в суживающейся части диффузора будут высокими и, соответственно, будет большая разность давлений с обеих сторон каждого отверстия. При этом течение, вдоль суживающееся части является дозвуковым. А эффективная площадь дроссельных отверстий составляет сравнительно большую часть действительной площади. Эта часть меняется в направлении течения в зависимости от местного числа М тангенциального потока, но её среднее значение примерно равно 0,5.

Когда ударная волна проходит за перфорированный участок, течение в области перфорированных стенок становится сверхзвуковым и плотность, статическое давление и разность давлений у отверстий соответственно уменьшаются. Поэтому эффективная площадь сечения потока также должна непрерывно уменьшаться при возрастании числа Маха тангенциального потока перед отверстиями.

Вследствие того, что перфорация действует как автоматические клапаны, расход дозвукового потока через дроссельное отверстие может оказаться существенно большим, чем уменьшение расхода через перфорированную стенку после входа ударной волны внутрь диффузора. Это означает, что эффективное сжатие в дозвуковом потоке позади ударной волны будет значительно меньшим, чем сжатие, которому подвергается установившийся сверхзвуковой поток. Таким образом, диффузор с перфорированными стенками будет создавать потенциально большие восстановления давления при расчетном числе Маха без возникновения трудностей, связанных с запуском. Однако следует учитывать, что лобовое сопротивление у них также может большим вследствие потери количества движения воздуха, проходящего через отверстия.

Форма кривой зависимости восстановления давления от расхода газа для диффузора с перфорированными стенками отчасти зависит от распределения отверстий в суживающейся части диффузора. При минимальной необходимой площади отверстий и их надлежащем распределении прямой скачок будет находиться в состоянии безразличного равновесия (хотя вся система может и не быть в таком состоянии) в суживающейся части диффузора и может располагаться произвольно в любом её месте. При этих условиях число Маха в горловине остается постоянным при продвижении скачка уплотнения от точки к точке внутри диффузора.

Если не учитывать влияние трения. То теоретическая величина восстановления давления остается постоянной при изменениях расхода газа до тех пор, пока скачок уплотнения не войдет внутрь диффузора, и возрастает пропорционально расходу газа через двигатель при движении ударной волны к горловине диффузора. После этого расход остается постоянным. В то время как восстановление давления меняется при перемещении ударной волны далее от горловины вниз по потоку.

Если площадь отверстий равномерно или местами возрастает и превосходит минимальное значение, необходимое для того, чтобы ударная волна вошла внутрь диффузора, то ударная волна может устойчиво располагаться даже в суживающейся части. При этом расход газа через диффузор может изменяться непрерывно , и если в результате внезапного возмущения давления ударная волна выталкивается из диффузора, то она снова войдет внутрь диффузора. Как только воздействие возмущения прекратиться.

Перфорированные диффузоры могут быть построены с неперфорированными внутренними суживающимися частями. Что буде приводить к обычным разрывам восстановления давления и расхода. Вместе с тем у диффузоров с перфорированными стенками также наблюдался неустойчивый периодический режим работы, однако наличие перфорации всё же оказывает положительное влияние на работу диффузора.