ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Элементарная теория сверхзвукового диффузора из "Механика жидкости и газа " Простым примером одномерного потока с прямым скачком уплотнения служит проточная часть прямоточного реактивного двигателя, упрощенная схема которого показана на рис. 40. Все устройство может быть расчленено на следующие части входную часть (/ — ///), представляющую сверхзвуковой диффузор, среднюю часть (III — IV) — камеру горения и выходную часть (IV — V) — сопло Лаваля. [c.136] Назначение сверхзвукового диффузора заключается в превращении кинетической энергии набегающего на двигатель сверхзвукового потока в давление, необходимое для повышения интенсивности горения топлива, подводимого в камеру горения через форсунки. [c.136] Камера горения служит для сообщения потоку тепловой энергии, которая является основным источником расширения газа и превращается в ускоряющем поток сопле Лаваля (IV — К) в кинетическую энергию струи на выходе из сопла (У). Количество движения этой струи служит источником реактивной силы двигателя, которая определяется как произведение секундного массового расхода газа сквозь выходное сечение двигателя на относительную скорость выхлопа. Простейший расчет проточной части двигателя по одномерной теории элементарен и заключается в использовании, с одной стороны, изэнтропических формул, а с другой — основных формул теории прямого скачка. Приток тепла при этом может учитываться приближенно по теории, аналогичной изложенной в 26. [c.136] В основе расчета лежит выбор режима работы двигателя. От выбора режима зависит расположение прямого скачка уплотнения, неизбежного при сверхзвуковом полете, внутри или вне проточной части двигателя. Оптимальным является расположение скачка в горле (II) сверхзвукового диффузора или в непосредственной близости за ним. Действительно, в этом случае набегающий на двигатель сверхзвуковой поток с числом Мх 1 станет [вспомнить следствия из уравнения Гюгонио (3) настоящей главы] замедляться в сужающемся канале на участке (/ — II) до некоторого Мг 1, но меньшего Мх, затем посредством сравнительно малого по интенсивности скачка перейдет в дозвуковой поток и, оказавшись после этого в расширяющемся канале (II — Ш), будет продолжать замедляться, восстанавливая давление. При этом весь канал (I — III) работает на полезное для двигателя восстановление давления перед камерой горения. [c.136] Одним из способов такой борьбы является использование сверхзвукового диффузора, благодаря которому скачок во время запуска двигателя сначала садится на входное сечение, а затем перемещается вглубь входного сопла двигателя, теряя при этом свою интенсивность. Другой путь борьбы с головной ударной волной заключается в ее разрушении при помощи иглы, выдвигаемой навстречу сверхзвуковому потоку на входе в двигатель. Объяснение эффекта применения иглы выходит за рамки теории одномерного потока изложение соответствующей двумерной теории будет дано в гл. VI, 52. [c.137] Для количественной оценки возможности восстановления давления в потоке при помощи сверхзвукового диффузора сделаем следующие близкие к практике допущения 1) поток в проточной части диффузора адиабатичен, 2) стенки диффузора непроницаемы. Эти два основных допущения сводятся к требованию об отсутствии тепломассопереноса в диффузор извне. Используем условия сохранения вдоль потока секундной массы и полной энтальпии или температуры торможения, а следовательно, и критической температуры. Сохраним в качестве индексов, отмечающих принадлежность величины к тому или другому сечению диффузора, римские цифры ) (рис. 40) и обычные обозначения звездочкой и нуликом для критических и заторможенных значений характерных для потока величин. [c.137] Чтобы не вдаваться во второстепенные для одномерного подхода детали условий входа внешнего потока в сверхзвуковой диффузор, примем, что поток на входе в диффузор образован некоторым воображаемым, показанным на рис. 41 пунктиром, идеальным соплом Лаваля с площадью узкого сечения (горла) А ш критическими характеристиками р, р, а. Выходное сечение этого сопла будем считать совпадающим с входным сечением диффузора. [c.138] Если бы поток в сверхзвуковом диффузоре можно было рассматривать как изэнтропический, пренебрегая наличием в нем необратимых процессов скачков уплотнения, трения и др., то этот диффузор представил бы в свою очередь идеальное сопло Лаваля, только с обратным по направлению потоком. Такое сопло часто называют обратным соплом Лаваля, иногда сохраняя это наименование и для реального сверхзвукового диффузора, восстановление давления в котором всегда связано с необратимыми неизэнтропическими процессами и прежде всего с наличием скачков уплотнения, неизбежных при переходе сверхзвуковых потоков в дозвуковые. [c.138] Среди всевозможных течений в сверхзвуковом диффузоре выделим два основных предельных случая. В первом из них набегающий сверхзвуковой поток переходит в дозвуковой еще до входа в диффузор, пройдя сквозь отсоединенную ударную волну (см. далее гл. VI, 52) или через скачок уплотнения, сидящий во входном сечении диффузора. Поскольку поток за прямым скачком всегда дозвуковой, то в этом случае сверхзвуковой диффузор работает как дозвуковой. Положение скачка при этом не является устойчивым по отношению к малым возмущениям потока и рассматривается лишь как удобный образ для противопоставления его второму, оптимальному с точки зрения решения задачи о восстановлении давления случаю, когда скачок уплотнения, пройдя сквозь сужающийся участок (/, II), займет положение в сечении II) или в непосредственной близости за этим сечением. [c.138] Для приближенной, сравнительно грубой оценки выигрыша в степени восстановления давления, осуществляемого сверхзвуковым диффузором, сосредоточим все внимание лишь на изменениях полного давления при прохождении потока через скачки уплотнения, считая течения до и за скачком по отдельности изэнтропическими. Количественной оценкой этого восстановления явится введенный ранее равенством (58) коэффициент х, зависящий от числа М в потоке перед скачком по формулам (59), (60) или (61). [c.138] Обращаясь к рассмотрению второго случая, когда скачок расположен в горле II) сверхзвукового диффузора, вспомним, что в этом режиме работы диффузора сечение II) уже не является критическим. Число Мг/, став меньшим, чем М/, все же сохранит значение М г 1, соответствующее сверхзвуковому течению в этом сечении. [c.139] При М/ 2,5 ошибка не превысит 1%. [c.139] Коэффициент восстановления полного давления в сверхзвуковом диффузоре т) определим как функцию числа М/ на входе, исключая из (74) и (79). [c.140] Приводим табл. 8 зависимости ц от М/ для воздуха. [c.140] При рассмотрении табл. 7 и 8 можно заметить, что, несмотря на малую разницу в числах М на входе и в горле сверхзвукового диффузора, выигрыш в восстановлении полного давления довольно значителен и возрастает с ростом числа М/ в набегающем потоке. Этот факт находит свое объяснение в отмеченной ранее высокой степени зависимости (обратная пропорциональность пятой степени для воздуха) коэффициента восстановления х от числа Маха. [c.140] Описание разнообразных случаев работы сверхзвуковых диффузоров и приближенную трактовку их с точки зрения как одномерной, так и двумерной теорий можно найти в специальных руководствах по этому вопросу ). [c.140] Изложенные в настоящем параграфе элементы одномерной газогидравлической теории сверхзвукового диффузора весьма приближенно отражают сущность происходящих в нем в действительности явлений. Прежде всего отметим, что наряду с прямыми скачками уплотнения в проточной части диффузора и на его входе образуются системы косых скачков, наклоненных к оси диффузора под различными углами, отличными от прямого угла. Эти скачки нарушают одномерность потока, делают его двумерным (плоским или осесимметричным). К этому вопросу мы вернемся в гл. VI. [c.140] Кроме того, допущение об идеальности газа, т. е. отсутствии в нем внутреннего трения, также слишком упрощает действительный поток в диффузоре. На самом деле торможение потока силами трения создает неоднородность профиля скоростей, не учитываемую одномерной теорией. Существенную роль в работе сверхзвукового диффузора может сыграть явление отрыва потока (пограничного слоя) от стенок диффузора, тесно связанное с наличием в диффузоре косых скачков, падающих и отражающихся от стенок диффузора об этом будет идти речь в заключительных главах курса. [c.140] Вернуться к основной статье