Работа СВУ внешнего сжатия на нерасчетных режимах
Основными факторами, оказывающими влияние на картину течения на входе и внутри канала СВУ, являются скорость полета самолета и режим работы двигателя. На расчетном режиме работы СВУ расходы воздуха через входное устройство и компрессор двигателя согласованы и за горлом канала СВУ имеется сверхзвуковая защитная зона.
Воздействие режима работы двигателя проявляется через изменение давления на выходе из СВУ. Уменьшение оборотов двигателя всегда сопровождается повышением противодавления и уменьшением протяженности СЗЗ. При определенной степени дросселирования двигателя СЗЗ за горлом канала СВУ исчезает. Повышенное давление на выходе из канала, передаваясь по дозвуковому потоку, разрушает систему скачков на входе в воздухозаборник. При этом замыкающий прямой скачок уплотнения отходит от плоскости входа и преобразуется в головную волну, распространяющуюся во внешний поток. Интенсивность ее против входа в воздухозаборник соответствует прямому скачку. Поток воздуха за головной волной становится дозвуковым, торможение набегающего потока в прямом скачке происходит с большими потерями, и полное давление за скачком становится ниже, чем внутри канала. Воздух из СВУ начинает вытекать наружу и одновременно продолжает поступать в двигатель.
Как только давление внутри канала СВУ станет ниже, чем за головной волной, истечение воздуха наружу прекращается. Прямой скачок возвращается на свое место в канале, восстанавливается исходная система входных скачков уплотнения. Внутренний канал СВУ начинает вновь переполняться и весь цикл повторяется. Возникает неустойчивый режим работы СВУ. называемый помпажом.
Помпаж представляет собой неустойчивый процесс течения воздуха в канале СВУ, проявляющийся в виде низкочастотных (5-15 Гц) колебаний давления и расхода воздуха. Помпаж СВУ возможен при сверхзвуковых скоростях полета и на таких режимах, при которых либо мала пропускная способность компрессора, либо чрезмерно велика пропускная способность СВУ.
При этих условиях происходит переполнение внутреннего канала СВУ воздухом, что приводит к потере газодинамической устойчивости течения.
Амплитуда помпажных колебаний давления увеличивается с ростом скорости полета и при М=2-3 может составить 30-50% значения рв до возникновения помпажа. При меньших МП интенсивность колебаний давления при помпаже снижается, а при МП<1,6 помпаж обычно не наблюдается.
Признаками помпажа СВУ являются интенсивные хлопки и удары, вызываемые резким изменением давления в районе расположения воздухозаборников. Колебания расхода воздуха и тяги двигателя воспринимаются пилотом в виде резких продольных толчков. Резкие колебания давления и расхода воздуха могут вызвать помпаж компрессора и, как следствие, повышение ТГ (перегрев турбины) или самовыключение двигателя. В условиях эксплуатации двигателей помпаж СВУ недопустим.
Увеличение оборотов двигателя всегда сопровождается снижением противодавления и увеличением протяженности СЗЗ, скорости потока в канале СВУ и интенсивности замыкающего скачка уплотнения. Чрезмерное понижение противодавления будет приводить к отрыву пограничного слоя из-под основания скачка и неустойчивой работе СВУ, известной под названием «зуда». На практике это происходит, когда по каким-либо причинам фактический расход воздуха через СВУ оказывается меньше потребного для двигателя.
«Зуд» представляет собой неустойчивый процесс течения воздуха в канале СВУ, возникающий в результате периодических отрывов потока от стенок кала из-под основания замыкающего СЗЗ прямого скачка и проявляющийся в виде высокочастотных пульсаций потока. Интенсивность пульсаций при «зуде» мало зависит от числа МП и определяется режимом работы двигателя (противодавлением). Возникающие при «зуде» высокочастотные колебания оказывают неприятное физиологическое воздействие на пилота. Пульсации давления воздуха снижают запас устойчивости компрессора. Но «зуд» менее опасен, чем помпаж, и может допускаться в эксплуатации на некоторых режимах в целях повышения запаса устойчивости по помпажу СВУ.
Таким образом, нерегулируемое СВУ не обеспечивает надежную и эффективную работу двигателя во всем диапазоне его рабочих режимов.
Регулирование СВУ
Геометрия СВУ определяется на расчетном режиме, в качестве которого принимают полет ВС на эшелоне (высота Нкр и скорость Vкр крейсерского полета). Все остальные режимы работы СВУ, в том числе при взлете, наборе высоты, снижении и заходе на посадку, нерасчетные. Управление работой СВУ на нерасчетных режимах является основной задачей средств его регулирования.
Регулирование СВУ осуществляется для согласования СВУ и компрессора двигателя по расходу воздуха при минимально возможных внешнем сопротивлении, потерях полного давления и достаточных для надежной эксплуатации запасах устойчивости.
Проблема согласования расходов воздуха СВУ и компрессора двигателя возникает при больших скоростях полета (М>1,5). При меньших скоростях полета согласование осуществляется автоматически, - либо двигатель «просасывает» через воздухозаборник ровно столько воздуха, сколько необходимо для рабочего процесса, либо лишний воздух может «отвернуть» во внешний поток перед входом в воздухозаборник.
Существует несколько способов регулирования СВУ. Основным способом регулирования осесимметричного СВУ является осевое перемещение центрального тела (конуса). На взлете и в полете с малой скоростью путем перемещения центрального тела внутрь увеличивают площадь проходного сечения на входе в воздухозаборник. Если пропускная способность СВУ остается недостаточной, к компрессору двигателя подводится дополнительное количество воздуха через створки, расположенные за горлом канала СВУ. Для предотвращения помпажа СВУ при больших числах М полета уменьшают проходное сечение путем перемещения центрального тела вперед. Дополнительно излишний воздух может быть выпущен из канала СВУ с помощью створок, открываемых в противоположную сторону.
Управление подвижными элементами конструкции СВУ осуществляется автоматическими системами. В условиях полета отказы этих систем не исключаются, поэтому пилот обязан периодически контролировать их работу по специальным указателям и на слух. Особое внимание требуется при изменении режима работы двигателя, разгоне и торможении самолета.
Учитывая важное значение СВУ для обеспечения устойчивой работы силовой установки в целом, предусматриваются дублирующие системы управления СВУ (ручная, аварийная), которые используют в случае отказа основной автоматической системы.
Тема 4. Компрессоры авиационных ГТД