книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdfНа расчетном режиме СВЗ и двигатель работают согласо ванно. Расход воздуха через СВЗ равен расходу воздуха через двигатель ( М сю = А/дв), при этом СВЗ работает с минимальны
ми потерями полного давления ( ствх тах).
Нерасчетные режимы работы СВЗ возникают при отклоне нии скорости полета ЛА и частоты вращения ротора п от рас четных значений.
Расширение диапазона устойчивой работы СВЗ при введе нии сверхзвуковой зоны внутри диффузора достигается за счет более высоких потерь полного давления и ухудшения пульсационных характеристик потока. Увеличение потерь вызвано, в ос новном, потерями в дополнительном 5-скачке за горлом. Ухуд шение пульсационных характеристик обусловлено возникнове нием местных зон отрыва потока, образующихся при взаимо действии 5-скачка с ПС.
В зависимости от положения 6-скачка различают три ре жима течения в СВЗ:
-закритический (наличие сверхзвуковой зоны за горлом);
-критический (5-скачок находится в горле);
-докритнческий (наличие выбитой ударной волны при от сутствии сверхзвуковой зоны за горлом).
Отклонение числа М и п от расчетных значений приводит к нарушению баланса (равенства) расходов через СВЗ и двига тель ( Мсвз ФА/дв), следовательно, к изменению «противодавле
ния» р ах на выходе из СВЗ.
При небольших отклонениях p DX от расчетного значения изменяется положение 5-скачка на закритическом режиме вследствие изменения перепада давлений р г/ р лх Баланс рас
ходов в этом случае восстанавливается за счет изменения сг*к при изменении интенсивности 5-скачка.
При значительном росте р вх, когда трА — = 1, 5-скачок ТТ Рт
доходит до горла и исчезает, возросшее давление рах «выдав-
ливает» замыкающий прямой скачок, и на входе в СВЗ появля ется выбитая ударная волна, а затем начинается неустойчивый режим работы —«помпаж» СВЗ.
При значительном снижении р ах =^ТТ (рг / р ЙХ) 5-ска чок смещается близко к входу в ОК, и его интенсивность резко возрастает, что приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок СВЗ с возникновением неустойчивого режима работы - «зу да» СВЗ.
При уменьшении М <М расч увеличиваются углы наклона косых скачков Z a (рис. 5.17).
Увеличение Z a приводит к тому, что косые скачки отхо дят от передней кромки обечайки, и их интенсивность растет.
Одновременно уменьшается Fu < F0 (4- (pBX< 1), следова
тельно, снижается расход воздуха, поступающего в СВЗ. Рост интенсивности косых скачков вызывает уменьшение скорости перед замыкающим прямым скачком и снижение его интенсив ности. Вследствие этого уменьшается температура Т0 за пря мым скачком по сравнению с расчетным режимом. При неиз
менной степени расширения |
воздуха на |
участке |
от |
входа |
|
в СВЗ до горла |
(р0/р г)^ снижается температура в горле Гг, |
||||
следовательно, |
уменьшается |
критическая |
скорость |
в |
горле |
с„К|, = ^ KR i Т, |
и уменьшается расход воздуха через горло |
||||
=4. cKppFr |
Пропускная способность горла снижается энер- |
гнчней, чем пропускная способность системы скачков на входе в СВЗ (вследствие уменьшения <1 Fn). Горло не может пропус тить весь воздух, поступающий через сечение 0-0, и давление между входом в СВЗ и горлом нарастает, «выдавливая» замы кающий прямой скачок из СВЗ (см. рис. 5.17).
Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна (ГВ), которая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигурацию системы скачков на входе СВЗ и уменьшая Fu,
следовательно, уменьшая расход М п0. Этот процесс продолжа
ется до тех пор, пока не восстановится баланс расходов через вход в СВЗ и горло ( М Вт0= М вг), тогда ГВ остановится.
Режим работы СВЗ остается закритическим. СВЗ устойчиво работает на данном нерасчетном режиме, но при этом возраста ет внешнее сопротивление ( Т сХВ1|), и уменьшается расход воз
духа через СВЗ М сю < М ай, следовательно, снижается тяга.
Вследствие роста перепада давлений (pr/ i /?вх) поток за горлом
разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, и S-скачок смещается к входу в ОК (см. рис. 5.17).
Одновременно при уменьшении числа М полета увеличи вается приведенная частота вращения ротора из-за уменьшения
полной температуры на входе в ОК Т*х ( Т ппр ~ л Д Д 7^ ).
Прокачивающая способность компрессора увеличивается, это приводит к увеличению приведенного расхода воздуха через двигатель и ещё большему нарушению баланса: i М свз <Т М дв.
Еще больше уменьшается давление р их, растет перепад давле ний между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к входу в двигатель и его интенсивность растет.
Для получения «запаса по горлу» площадь горла рассчиты вают на М < М Из-за нерерасширения горла скорость в нем
при М - сверхзвуковая, что ведет к уменьшению о 0К на рас четном режиме.
|
При |
М « М расч |
=> |
||
|
=> Z a » |
Z a p, |
сверхзвуко |
||
|
вое обтекание |
поверхности |
|||
Рис. 5.18. Работа СВЗ |
сжатия |
становится |
невоз |
||
можным, и перед ней обра |
|||||
при М « Мрасч |
|||||
зуется |
отошедший |
скачок |
|||
|
с криволинейным фронтом (головная волна) (рис. 5.18). При этом резко возрастает схви.
При М >М расч уменьшаются углы наклона косых скачков
Z a . Косые скачки входят внутрь канала СВЗ (рис. 5.19), где возникает сложная система отраженных скачков. При этом Фах = 1, так как М и = М0. Из-за потерь в отраженных скачках и трения сверхзвукового потока о стенки канала СВЗ уменьша ется а “х
Рис. 5.19. Работа СВЗ при М > Мрасч
В горле устанавливается сверхзвуковое течение, что приво дит к увеличению расхода воздуха через горло М лг =Т crp rFr , то есть горло - перерасширено ( Fr > F10nr).
Одновременно увеличение числа М полета ведет к росту температуры Т*х, следовательно, к уменьшению ипр ~ п /-JT Т*х
в результате уменьшается приведенный расход воздуха через двигатель.
Из-за снижения приведенного расхода через двигатель и роста расхода через горло нарушается баланс (равенство) рас ходов (Т Мсвз >-1 Мю ), что приводит к энергичному росту дав-
|
|
( |
|
ления р ох и |
уменьшению перепада давлений |
Ру |
|
V ^ Рп / |
|||
|
|
||
5-скачок смещается к горлу и, миновав его, исчезает. |
|
||
Давление |
р ах «выдавливает» замыкающий прямой скачок. |
Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна, кото рая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигу рацию системы скачков на входе в СВЗ. В результате уменьше ния F„ фвх уменьшается расход воздуха через СВЗ. Этот
процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов ( Л/свз = М т )•
Режим работы СВЗ становится докритическим, но он ус тойчиво работает на данном нерасчетном режиме при увеличен
ных потерях полного давления ( i ствх) и увеличенном внешнем сопротивлении ( ? с х 1Ш).
5.5.6. Неустойчивые режимы работы СВЗ
Значительные отличия параметров полета и режима работы двигателя от расчетных значений могут привести к неустойчи вой работе СВЗ в виде низкочастотных («помпаж») иля высоко частотных («зуд») автоколебаний расхода воздуха Л/ввх и дав ления /;вх
«Зуд» - неустойчивый процесс течения в канале СВЗ, про являющийся в виде высокочастотных пульсаций расхода и дав
ления в потоке, |
с частотой в сотни Гц |
и |
|
амплитудой |
(А/;вх / p liK) = 0,05...0,08. «Зуд» может возникнуть |
при значи |
|||
тельном увеличении |
n > n ?ZCM или уменьшении |
М |
« М расч, ко |
гда расход воздуха через двигатель становится значительно больше расхода через СВЗ ( А/лв » М свз). Это приводит к рез
кому снижению давления рвх и значительному увеличению пе репада давлений ( р г / а р вх).
Поток за горлом разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, 5-скачок смещается к входу в ОК и его интенсив ность возрастает.
Взаимодействие интенсивного 5-скачка с пограничным слоем в канале приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок
и уменьшению скорости за скачком |
■i f Рг ) |
=>>1 |
|
|
U P - J |
5-скачок смещается к горлу и его интенсивность уменьшается.
Отрыв ПС исчезает, скорость за |
5-скачком свх возрастает, |
|
( |
_ |
Л |
а давление уменьшается р в >тц |
Рг |
, 5-скачок перемещает |
Рв |
|
ся к входу в ОК, и цикл повторяется.
Для устранения «зуда» необходимо либо уменьшить часто ту вращения ротора двигателя п, либо увеличить М полета, либо регулировать СВЗ.
«Помпаж» - это неустойчивый процесс течения в СВЗ, про являющийся в виде низкочастотных колебаний давления и рас хода воздуха с частотой 5... 15 Гц и амплитудой ДpBXi p B% =
= 0 ,3 ...0 ,5.
«Помпаж» может возникнуть при значительном уменьше нии п « п или значительном увеличении М » М расч, когда
расход воздуха через двигатель становится существенно меньше расхода через СВЗ ( Мав « Л/Свз).
В этом случае резко возрастает давление р вх, значительно
Г |
Л |
уменьшается перепад давлений |
— , 5-скачок смещается |
|
Рт ) |
к горлу, минует его и исчезает (сверхзвуковая зона ликвидиру ется). СВЗ переходит в «докритический» режим работы. Повы шенное рвх передаваясь навстречу дозвуковому потоку, воз действует на систему скачков на входе СВЗ.
Замыкающий прямой скачок отходит от плоскости входа и преобразуется в выбитую головную волну. В результате - уменьшается Fu < F0 =>! cpex < 1, что приводит к снижению рас хода воздуха через СВЗ Мсвз. При дальнейшем росте р вх, ГВ движется, удаляясь от входа в СВЗ и, перемещаясь навстречу потоку, частично разрушает систему косых скачков (рис. 5.20).
Поток разделяется на струи, которые тормозятся в различных системах скачков, то есть с различной интенсивностью и раз
личным £сг*к
Рис. 5.20. Работа СВЗ при «ломпаже»
Внешние струи тормозятся интенсивней (с большими поте рями полного давления), и давление в них уменьшается больше, чем во внутренних струях. Через эту область пониженного дав ления за ГВ часть воздуха из более высоконапорных внутренних струй выбрасывается из СВЗ через образовавшуюся щель между ГВ и передней кромкой обечайки. Это приводит к резкому сни жению /;вх, выбитая УВ приближается к входу в СВЗ и превра щается в замыкающий прямой скачок. Восстанавливается сверх звуковая зона за горлом. Из-за разности расходов М сзз » М ла
начинает расти давление р ах, и цикл повторяется.
Интенсивный «помпаж» может привести к остановке дви гателя или разрушению элементов компрессора. Несимметрич ный «помпаж» боковых СВЗ может привести к скольжению ЛА с кренением и вращением. Для устранения «помпажа» необхо димо либо увеличить п двигателя, либо уменьшить М полета, либо регулировать СВЗ.
5.5.7. Скоростные характеристики СВЗ (СХ)
СХ СВЗ - это зависимости параметров эффективности СВЗ ( а вх, срвх, схЯ||) от числа М полета при п = const
Точка 1 на рис. 5.21, соответствует расчетному режиму ра боты СВЗ ( ф„х = 1; ствх * 0,7; сх В11« 0,03 ).
При уменьшении скорости полета (> 1 м < М расч) режим ра боты СВЗ сохраняется сверхкритическим, но при этом из-за уменьшения М вг и роста лпр баланс расходов нарушается:
Мсвз < М йп. Из-за уменьшения р вх перепад давлений возраста-
ет ^ , 5-скачок движется к входу в ОК, и сверхзвуковая
U . ' о х У
зона за горлом увеличивается.
На участке 1-2 этот процесс сдерживается тем, что горло
при М = М было заведомо «перерасширено» (F r >F**™).
На этом участке из-за отхода ГВ от входа в СВЗ (см. рис. 5.16)
уменьшается фох и растут схви, ствх Рост а*х происходит из-за уменьшения потерь полного давления вследствие снижения скорости потока на участке от входа в СВЗ до горла,
В точке 2 площадь Fr становится оптимальной ( Frопт).
На участке 2-3 перемещение ГВ от входа в СВЗ способст вует дальнейшему снижению срвх и росту скли. Рост с*х из-за
снижения скорости потока в СВЗ замедляется вследствие увели чения потерь полного давления в более интенсивном 5-скачке, который после прохождения точки 2 ( Fr = Fronr) быстро дви жется к входу в ОК.
В точке 3 за 5-скачком происходит отрыв ПС от стенок СВЗ и начинается «зуд» СВЗ.
5.5.8. Дроссельные характеристики СВЗ (ДХ)
ДХ СВЗ называются зависимости параметров эффективно
сти СВЗ ( ствч, |
српх, схви) от приведенной частоты вращения ро |
тора двигателя |
нмр при М = const (рис. 5.22). |
При /7пр кр |
давление р вх имеет такую величину, что 5-ска |
чок находится в горле, то есть скорость потока в горле равна скорости звука, а за горлом - скорость дозвуковая.
При увеличении япр > лпр кр прокачивающая способность ОК возрастает (А/дв >Л /СВЗ), при этом уменьшается р йХ, увели-