Организация рабочего процесса в сверхзвуковых входных устройствах (СВУ) внешнего сжатия

Применяемые на сверхзвуковых самолетах многоскачковые СВУ внешнего сжатия рассчитываются на число M полета, близкое к M_max полета самолета, обозначаемое M_р. Схема плоского СВУ с указанием основных геометрических параметров представлена на рисунке. На схеме обозначены:

F_вх – площадь сечения плоскости входа (габаритная);

F_в – площадь выходного сечения, равная площади входа в компрессор двигателя;

F_м – площадь миделевого сечения;

F_г – площадь минимального сечения внутреннего канала, именуемого «горлом»;

b₁, b₂, b₃, … - углы установки отдельных панелей поверхности торможения;

b_S= - суммарный угол наклона поверхности торможения;

b_об.вн, b_об.нар - внутренний и наружный углы установки обечайки.

Схема и основные геометрические параметры СВУ

На поверхности торможения образуются косые скачки. Их интенсивность тем больше, чем больше углы b₁, b₂, b_3.

Реальная (а) и расчетная (б) схемы течения в СВУ внешнего сжатия

В расчетах реальную схему течения заменяют упрощенной. Косые скачки уплотнения фокусируются у передней кромки обечайки, а замыкающий прямой скачок располагается непосредственно на входе во внутренний канал. При этом обеспечивается дозвуковое втекание воздуха во внутренний канал. В этой схеме на расчетном режиме j=1.

При реальном течении воздуха на расчетном режиме обычно осуществляют некоторую расфокусировку косых скачков уплотнения. Это нужно, чтобы замыкающий прямой скачек (головная волна) не разрушал их в непосредственной близости перед обечайкой. Это приводит к небольшому снижению j по сравнению j = 1 и незначительному увеличению с_х.вх, но способствует повышению устойчивости СВУ.

В системе, состоящей из m косых и замыкающего прямого скачка, коэффициент восстановления полного давления s_m определяется как произведение s_m=s_п , где s_п – коэффициент s в прямом, а s_i – в i-том косом скачке. Установлено, что максимум s_m достигается при равной интенсивности всех скачков уплотнения.

Чем выше M_н, тем выгоднее иметь большое число скачков для получения s_m.max. Но увеличение числа косых скачков усложняет конструкцию ВУ и увеличивает его длину и массу. Поэтому практически при M_р=2,0…3,0 используют поверхности торможения с двумя-тремя косыми скачками.

s_m.max обеспечивается подбором углов установки панели, при этом b_Sопт весьма велики, для существующих ЛА для плоских СВУ они достигают 25…35°.

В реальных условиях на поверхности торможения и на стенках внутреннего канала образуется пограничный слой. Из-за положительного градиента давления он нарастает по длине панелей и утолщается в местах взаимодействия со скачками уплотнения.

На практике выбирают углы b_S меньшими b_Sопт. Это снижает градиент давления вдоль поверхности торможения, чем достигается уменьшение нарастания пограничного слоя и предотвращение его отрыва.

Торможение сверхзвукового потока в косых скачках уплотнения связано с его односторонним отклонением от осевого направления. Во внутреннем канале этот дозвуковой поток нужно развернуть в обратном направлении на тот же угол. При этом вблизи «горла» может возникнуть отрыв потока у выпуклой поверхности внутреннего канала. Уменьшение угла b_S по сравнению с b_Sопт способствует сокращению размеров зоны отрыва потока в области горла.

Но снижение интенсивности косых скачков повышает интенсивность замыкающего прямого скачка.

Для определения коэффициента s_вх СВУ помимо потерь полного давления в системе скачков (s_m), нужно учесть еще потери, обусловленные влиянием трения и наличием зон отрыва. Для этой цели вводится эмпирический коэффициент s_тр, который на расчетном режиме равен обычно 0,92 … 0,95 Тогда

s_вх=s_трs_m

Если значение на расчетном режиме определено, то потребная величина площади входа может быть определена из уравнения неразрывности для сечений «Н-Н» и «в-в», согласно которому

.

Принимая во внимание, что на расчетном режиме (когда ) F_Н=F_вх, а также учитывая, что = , а / =s_вх, получим

.

Углы поднутрения обечайки и ее длина выбираются у СВУ с дозвуковым течением на входе минимально возможными из условия плавного втекания воздуха, отклоненного при торможении в скачках уплотнения, во внутренний канал, и безотрывного обтекания внешней поверхности обечайки. У выполненных СВУ значения углов b_об.вн составляют 5…10°.

Для уменьшения неравномерности и нестационарностьи потока на выходе из СВУ форму внутреннего канала выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму вредное влияние зоны отрыва потока в области горла. Для этого внутренний канал от плоскости входа до горла делают слегка сужающимся (чтобы за счет конфузорности течении уменьшить толщину пограничного слоя и выровнять поток), за горлом предусматривают участок с неизменной площадью проходного сечения, который переходит в дозвуковой диффузор с небольшим постепенно увеличивающимся углом раствора.

Площадь горла F_г выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную конфузорность потока. Теоретически для этого скорость потока в горле надо увеличить до скорости звука. Такую площадь горла называют оптимальной и обозначают F_г.опт. Её величина на расчетном режиме также может быть определена из уравнения неразрывности для сечений «Н-Н» и « Г-Г», из которого получим (при )

Но практически из-за наличия пограничного слоя и неравномерности потока горло с такой площадью не сможет пропустить через себя весь поток, прошедший через сечение «вх-вх» при . Поэтому реально площадь горла приходится выбирать несколько большей, т.е. принимать

,

где k_г=1,05…1,15 – так называемый коэффициент перерасширения горла.

К другим мерам по предотвращению вредного влияния пограничного слоя относятся: отсос пограничного слоя через перфорацию с поверхности торможения; слив пограничного слоя через специальную щель в области горла; тангенциальный вдув сжатого воздуха в местах возможного отрыва потока; установка в канале за горлом турбулизаторов (генераторов вихрей). Эти меры способствуют уменьшению размеров зоны отрыва потока и тем самым снижают внутренние потери в канале, а также обеспечивают получение более однородного течения на выходе из ВУ.