Неустойчивые режимы работы сверхзвуковых входных устройств

Рассмотрим подробнее виды, причины и характер проявления неустойчивых режимов работы СВУ.

Помпаж СВУ представляет собой автоколебательный процесс изменения давления и расхода воздуха во внутреннем канале, который обусловлен периодическим разрушением и восстановлением системы косых скачков уплотнения головной волной. Возникновение

помпажа возможно только на сверхзвуковых скоростях полета (при M_н>1,4…1,5) и докритических режимах работы СВУ, на которых из-за недостаточной пропускной способности двигателя создаются условия для переполнения внутреннего канала сжатым воздухом.

Если СВУ работает на докритическом режиме (с головной волной на входе), то при дросселировании головная волна перемещается против потока и частично разрушает систему косых скачков уплотнения, как показано на рис. 10.13, а. Течение перед плоскостью входа становится существенно неравномерным, так как во внутренний канал втекают струи с различным уровнем полного давления. Периферийная струя воздуха I проходит лишь через один прямой скачок и имеет наибольшие потери полного давления. Средняя струя II проходит через косой и прямой скачки, поэтому полное давление в ней оказывается более высоким. Еще большее полное давление имеет струя III, поскольку она проходит через два косых и прямой скачки. Но непосредственно у поверхности торможения полное давление резко снижается из-за потерь в пристеночном пограничном слое.

Наличие струй воздуха с различным уровнем полного давления приводит к тому, что перед плоскостью входа образуются «ослабленные» зоны течения (в которых < ). Ими являются: периферийная струя I и пристеночная струя у поверхности торможения в зоне отрыва пограничного слоя. Через одну из них при значительном дросселировании может происходить прорыв и выброс сжатого воздуха из внутреннего канала наружу. Выброс сжатого воздуха вызывает быстрое (практически мгновенное) перемещение головной волны против потока, в результате чего система косых скачков полностью разрушается. В переднем положении головная волна находится до тех пор, пока за счет опорожнения внутреннего канала давление в нем не станет меньше, чем давление перед плоскостью входа. Начиная с этого момента наблюдается быстрое перемещение головной волны в обратном направлении – к входу во внутренний канал. При этом происходят восстановление системы косых скачков уплотнения и переход ВУ на сверхкритический режим работы. Внутренний канал начинает наполняться, давление в нем возрастает и под действием повышающегося противодавления скачок c перемещается против потока, и вновь СВУ переходит на докритический режим – создаются условия для повторения помпажного цикла.

Колебания давления и расхода воздуха при помпаже являются низкочастотными, причем частота колебаний зависит от объема внутреннего канала. С увеличением этого объема повышается время опорожнения канала и уменьшается частота помпажных колебаний. Для СВУ сверхзвуковых самолетов она составляет от 5 до 15 Гц. Амплитуда колебаний давления зависит от числа M полета. С увеличением M_н она возрастает и может достигать 30…50% от его среднего значения.

В полете помпаж СВУ обнаруживается по резким толчкам, которые являются следствием периодического изменения тяги двигателя, соответствующего колебаниям расхода воздуха. Кроме того, помпаж обычно сопровождается интенсивными звуковыми «хлопками», а также сильной тряской.

Помпаж ВЗ в эксплуатации недопустим, поскольку он приводит к опасным последствиям. В ряде случаев он может вызвать неустойчивую работу компрессора ГТД, сопровождающуюся забросом температуры газа перед турбиной, самовыключение форсажной камеры или двигателя в целом. Наконец, при интенсивном помпаже ВЗ может произойти деформирование и даже разрушение обшивки его внутреннего канала под действием значительных знакопеременных нагрузок.

Основными способами предотвращения (или ликвидации) помпажа СВУ являются:

- открытие створок перепуска в целях выпуска части воздуха через створки и снижения давления во внутреннем канале, что предотвращает (или устраняет) его переполнение воздухом;

- уменьшение пропускной способности системы косых скачков и горла, осуществляемое путем соответствующего их регулирования (выдвижения конуса или панелей клина);

- быстрое снижение скорости полета, например, за счет выключения форсажа, так как при числах M_н<1,4…1,5 помпаж уже не возникает.

Запас устойчивости СВУ DК_у.вх оценивается, так же как и для компрессора, по угловому удалению рабочей точки от границы помпажа на кривой , т.е.

, (10.5)

где индексы «раб» и «гр» относятся к значениям параметров в рабочей точке и на границе помпажа соответственно.

«Зуд» СВУ проявляется в виде высокочастотных колебаний давления со сравнительно небольшой амплитудой. Частота колебаний составляет 100…250 Гц, а относительная амплитуда колебаний давления не превышает 5…15% его среднего значения. Появление «зуда» возможно только на сверхкритических режимах, когда в СВУ поступает меньше воздуха, чем требуется двигателю.

Причиной возникновения «зуда» является нестационарность течения в зонах отрыва, образующихся при взаимодействии пограничных слоев во внутреннем канале со скачком уплотнения c (рис. 10.13, в). Чем ниже по потоку располагается этот скачок, тем выше его интенсивность и больше толщины пограничных слоев перед ним. Тем значительнее размеры зон отрыва и степень неравномерности потока на выходе. Течение воздуха в зонах отрыва носит пульсационный характер, - давление в них периодически изменяется с высокой частотой. Пульсации давления в зонах отрыва сопровождаются высокочастотными колебаниями положения скачка c относительно некоторого среднего его положения (см. рис. 10.13, в), вызывающими вибрации элементов конструкции ВУ, которые и воспринимаются в виде «зуда».

Появление «зуда» сопряжено с рядом отрицательных последствий, главным из которых следует считать снижение запаса устойчивости компрессора из-за увеличения степени неравномерности и нестационарности потока на входе в него. Кроме того, вибрации при «зуде» оказывают неприятное физиологическое воздействие на летчика, а также могут нарушать нормальную работу самолетного оборудования, расположенного вблизи СВУ.

Эффективным средством ослабления «зуда» служит слив пограничного слоя с поверхности торможения через перфорацию и щель в области горла, способствующий уменьшению размеров зон отрыва потока во внутреннем канале. «Зуд» может быть устранен также дросселированием двигателя или регулированием СВУ в направлении увеличения наполнения канала воздухом.