close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Экспериментальное исследование многоканальных лопаточных диффузоров ГДЛ..pdf

код для вставкиСкачать
УЧЕНЫЕ
том
ЗАПИСКИ
ХХХ 1
2ОО
ЦАГИ
О
Jfh 3-4
УДК
533.6.071.4
621.375.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЛОПАТОЧНЫХ
ДИФФУЗОРОВ ГДЛ
и ю. ВаСWlьев, Н Н Захаров, К Н Пuчков
Приведены результаты экспериментального исследования сверхзвуковых
многоканальных лопаточных диффузоров при их работе с регулируемым со­
плом аэродинамической трубы и с решеткой малоразмерных сверхзвуковых
сопл. Выявлены особенности торможения потока в многоканальных лопаточ­
ных диффузорах в широком диапазоне изменения их геометрических пара­
метров. Дано сравнение их пусковых и рабочих характеристик с характери­
стиками нерегулируемых диффузоров аэродинамических труб. Указаны нан­
более эффективные пути улучшения характеристик многоканальных диффу­
зоровГДЛ.
в настоящее время опубликовано большое количество работ по диф­
фузорам аэродинамических труб, являющихся ближайшими аналогами га­
зодинамических лазеров (ГДЛ). Влияние отдельных параметров на работу
сверхзвукового диффузора хорошо изучено. Например, данные по выбору
минимальной площади горла, необходимой для запуска нерегулируемого
диффузора, а также по влиянию числа М, углов (х и ~ на характеристики
диффузора можно найти в работах
Для
[1]-[3].
нерегулируемого диффузора величина минимальной
площади
горла ограничена условием запуска, поэтому число М в суживающемся
участке
уменьшается
незначительно,
а
основной
процесс
торможения
сверхзвукового потока происходит в горле в псевдоскачке. Область тор­
можения в псевдоскачке характеризуется монотонным повышением давле­
ния и некоторой конечной длиной
[4],
которая и определяет длину кана­
ла постоянной площади (горла). Установлено, что оптимальная длина
горла диффузора в диапазоне М = 2 + 4 и 8*/D = 0,05 + 0,07 составляет
8-12
гидравлических диаметров D
перечного сечения канала, s -
=4! /s
[1]-[3],
где! -
площадь по-
периметр этого сечения, 8* -
толщина
91
вытеснения. Таким образом, длина сверхзвукового диффузора может дос­
тигать
70%
общей длины аэродинамической трубы. Применение диффузо­
ров такой длины не всегда возможно. Однако уменьшение длины горла
диффузора по сравнению с оптимальным значением приводит к снижению
его эффективности. В работе
[5]
был предложен способ повышения эф­
фективности диффузора ограниченной длины, заключающийся в замене
одно канального диффузора многоканальным. Аналогичный подход, по­
зволяющий одновременно уменьшить отношение длин сторон поперечного
сечения щелевого канала, был использован при создании многоканального
лопаточного диффузора ГДЛ
[6].
В настоящей статье раскрываются особенности многоканальных лопа­
точных диффузоров, получивших широкое распространение, и про водится
сравнение их характеристик с характеристиками традиционных нерегули­
руемых диффузоров аэродинамических труб. Многоканальные лопаточные
диффузоры испытывались как в составе сверхзвуковой аэродинамической
трубы с регулируемым соплом (что позволяло быстро получать их харак­
теристики в широком диапазоне чисел М), Taf{ и в составе упрощенной
моделиГДЛ.
Испытания проводились в аэродинамической трубе, схема которой
приведена на рис.
1.
Число М 1 на срезе регулируемого сопла, соответст­
вующее идеальному истечению, могло изменяться от
а)
10
Лапат""
ЛО11Шf1КlJ
1
3,1
до
4,1.
1а
2
10
I Н I I i] I
1
б)
:::::: +=
1I
12
Рис.
а
-
1.
Схемы моделей:
схема с единичным соплом; б вых сопл
92
решетка сверхзвуко­
Выходное
сечение сопла имело форму квадрата со стороной, равной
150 мм.
Ширина
рабочей части аэродинамической трубы с оптически прозрачными боко­
=J50 мм. Максимальное давление торможения воздуха
РО =4,7 ·105 Па, минимальное давление в отводящей маги-
выми стенками Ь
перед соплом
страли Ра
= 0,117· J05 Па. Максимальное отношение давлений (перепад)
П =РоlРа
S: 40.
сечении сопла
81
Толщина турбулентного пограничного слоя в выходном
= 7,5 + 8
мм. Четырехканальные лопаточные диффузоры
устанавливались непосредственно за регулируемым соплом (выходное се­
чение
1-1
сопла совпадало с входным сечением
2-2 диффузора).
При испытаниях модели ГДЛ вместо регулируемого сопла устанавли­
валась решетка сверхзвуковых сопл (сопловая решетка), а между ней и
диффузором располагали проставки, имитирующие стенки блока оптиче­
ского
резонатора (БОР).
Суммарный
угол
раскрытия
проставок
2040'
= 4,5) состояла из 15 лопаток
высотой ht = 150 мм. Ширина выходных сечений сопл Ъ. =8,2 мм, ширина
критических сечений Ькр = 0,5 мм. Испытания проводили с двумя проставками длиной lp = 600 мм (lp = lp / hl = 4 ) и lp = 270 мм (lр = 1,8). За мно­
(рис.
1,6).
Решетка сверхзвуковых сопл (М I
гоканальными лопаточными диффузорами устанавливали выходной рас­
ширяющийся
диффузор с
суммарным углом
раскрытия
60
и длиной
= 470 мм. Относительная длина выходного расширяющегося диффузора
составляла lд = lд/Ьл = 3,13, где Ьл = 150 мм - ширина лопаточного диф­
1д
фузора. Отношение площадей выходного и входного сечений диффузора
равнялось
1,33.
Бьmо исследовано девять вариантов диффузора, отличающихся дли­
ной и площадью горла (см. таблицу). Суммарный угол сужения входных
участков
межлопаточных
каналов
расширения выходных участков ~
составлял
сх.
=140,
суммарный
=60 .
Номер диффузора
I
2
3
4
5
6
7
8
9
[Л, мм
207
245
236
274
300
376
460
517
181
1,48 2,88 0,86
2,0
2,6
6,1
10,3 14,8 1,65
0,66 0,66
0,7
0,7
0,7\ 0,7
lг =Цh"
1г = h,,/h2
угол
0,7
0,7
0,73
в процессе испытаний бьmи измерены параметры воздуха перед со­
плами и в отводящей магистрали, давление на стенках модели в несколь­
ких сечениях, давление торможения в нескольких сечениях проточной час­
ти модели. Кроме того, бьmо проведено измерение полей чисел М в сече­
нии, расположенном на относительном расстоянии
1= 1/ ht = 2,7
грешность определения давления во всех случаях составляла
[7]. По­
1-3%.
93
Оптически прозрачные боковые стенки аэродинамической трубы по­
зволяли визуально наблюдать картину течения в пристеночной области
либо с помощью подкрашенного масла, либо с помощью шелковинок .
•
Эксперименты проводили при постоянном давлении Ро. Дросселирование
отводящей магистрали позволяло изменять противодавление Ра и, следо­
вательно, отношение давлений П.
Были рассмотрены характерные режимы работы диффузора ГДЛ и да­
но определение отношениям давлений, соответствующим этим режимам.
Режим, при котором в БОР реализуется сверхзвуковое течение, а давление
в нем равно расчетному значению и не зависит от противодавления, назы­
вается, как известно, расчетным режимом течения. При увеличении отно­
шения давления до П
=П З
происходит запуск сверхзвукового диффузора.
Опыт показывает, что при значениях площади горла диффузора
ких к
fr. min ,
fr'
близ­
в момент запуска на большей части БОР, как правило, реали­
зуется расчетный режим течения, поэтому можно считать момент запуска
диффузора моментом газодинамического запуска всего устройства. Отно-
шение давлений П З = (РО/Ра)з' при котором происходит запуск, может
быть названо перепадом запуска.
При уменьшении отношения давлений по сравнению с П З ' начиная
с некоторого значения П, возмущения, передаваясь по дозвуковой части
пограничного слоя, начинают распространяться вверх по потоку, что при­
водит к росту давления в БОР. При некотором значении П происходит резкое увеличение давления на всем протяжении
БОР; в канале появляются протяженные об­
ласти дозвукового течеl1ИЯ, а скорость сверх­
..
1--- ..
J
,~
7
I
18
~
~
оптического резонатора, может быть названо
перепадом срыва П С = (РО/Ра)с .
~/
,_О
10
.С
)
600
~
... '"
Рис.
1-'/
для оценки эффективности многоканаль­
ных
~
3
логичными
пуска от числа Маха на срезе
сопла:
- - - - - расчe'Пtые данные;
[1]; 0 -
сопловая решетка,
необходимо
характеристиками
с ана­
диффузоров
($) -
соruю;
lp = 4;
та
одномерного
уплотнения
течения
на входе
с
прямым
скачком
в диффузор (рис.
2).
В аэродинамических трубах с диффузором,
l1 -
пловая решетка, Iр = 1,8
94
диффузоров
аэродинамических труб и результатами расче­
Зависимость перепада за­
ные из работы
лопаточных
сравнить их пусковые характеристики
4
2.
звукового течения уменьшается. Отношение
давлений, при котором происходит резкая пе­
рестройка течения на всем протяжении блока
1'1
(j)
2
I
дан­
0со-
имеющим
большую
относительную
длину,
потери давления торможения близки к поте­
рям
в
прямом
ментальные
скачке
данные
уплотнения:
[1]
экспери­
удовлетворительно
согласуются с результатами расчета. В то же время перепады запуска, по­
лученные при испытаниях многоканального лопаточного диффузора
(этот диффузор, как будет видно в дальнейшем из рис.
4,
N!! 5
имеет наилучшие
пусковые и рабочие характеристики из всех исследованных вариантов) с
единичным соплом, примерно в два раза превышают перепады, соответст­
вующие прямому скачку уплотнения. Чем же объясняется столь значи­
тельное отличие характеристик исследованного диффузора, длина которо­
го примерно равна оптимальному значению, и диффузоров аэродинамиче­
ских труб?
В отличие от традиционных диффузоров аэродинамических труб с от­
ношением длин сторон поперечного сечения канала Ь/ h ::::1 1 исследуемые
многоканальные лопаточные диффузоры имеют два характерных размера Ь
и
h
(bг/hг
= 5). В результате, например, при
lг
= lohг
располагаемая длина
горла оказывается вполне достаточной для размещения псевдоскачка по
меньшему характерному размеру, но явно недостаточной
характерному
размеру
(lr
= 2Ьг ).
Очевидно,
что
-
процесс
по большему
торможения
в этих двух диффузорах будет отличаться: если в первом случае течение
в канале близко к двумерному, то во втором случае оно будет существенно
трехмерным. Поэтому можно ожидать, что в канале с отношением сторон
b/h» 1 не
реализуется течение с псевдоскачком, как это происходит в ка­
налах с поперечным сечением в форме квадрата или круга (см., напри­
мер,
[4]).
Другая особенность многоканальных лопаточных диффузоров состоит
в том, что условия работы крайних и центральных каналов отличаются.
Большая часть входного поперечного сечения крайних каналов занята по­
граничными слоями, образующимися на боковых, верхней и нижней стен­
ках БОР (при расположении зеркал в нишах их обтекание приводит к по­
явлению на входе в крайние каналы так называемых энтропийных слоев,
т. е. слоев газа с относительно низким давлением торможения и толщиной,
в несколько раз превышающей толщину пограничного слоя). В то же вре­
мя на входе в центральные каналы по граничные слои образуются только
на верхней и нижней стенках БОР. Следовательно, среднее давление тор­
можения потока на входе в крайние каналы будет меньше, чем на входе в
центральные, и для запуска крайних каналов потребуется большее отно­
шение давлений, чем ДЛЯ запуска центральных каналов.
На рис.
3
приведены кривые распределения давления вдоль середины
поверхностей лопатки
1 (рис. 3,а) и лопатки 2 (со стороны второго кана­
ла), полученные при испытаниях модели ГДЛ (lp =4 ) с диффузором N!! 5
(lг
= 2,6; Jr = 0,7).
При изменении П от П З = 27,7 до 22,3 давление во
входном участке канала 2 (см. рис. 1) не изменяется и прстоянно по его
длине (рис. 3,6). В суживающемся участке канала 1 при П = 27,7 величина
относительного давления Р/ РО на 33% больше, чем в канале 2, что объ­
ясняетсЯ
увеличением
интенсивности
косого
скачка
уплотнения
на
по-
95
а)
б)
Р!Р,:
р/р:
0,()25
0,025
0,020
0,020
0,015
0,015
0,010
0,010
0,005
0,005
О
0.2
0.4
0,6
0,8
I
k
~V
т."
о
1/1..
.J
•
...
fr\ 1I
\ h~
0.2
0,4
~.6
0,8 1/1.•
Рис. З, Распределение давления вдоль середины поверхностей лопат­
ки
1 (а) и лопатки 2 (6).
Значения П:
0-27,7; .-25,4; /). -22,3
верхности лопатки 1. Распределение давления' вдоль поверхности лопат­
ки
2
показывает, что при уменьшении отношения давлений от
27,7
до
22,3
возмущения локализуются у точки А излома профиля лопатки, не проникая
в суживающийся участок канала. При этом происходит непрерывное уве­
личение угла зоны отрыва потока у точки А до тех пор, пока величина угла
зоны отрыва не станет равной его критическому значению для погранич­
ного слоя на поверхности клина перед точкой А, Дальнейшее сколь угодно
малое уменьшение П приводит к проникновению возмущений за точку из­
лома профиля лопатки и разрушению расчетной схемы течения в блоке оп­
тического резонатора. Иначе происходит распространение возмущений в
крайнем канале: наличие пограничного слоя с большой относительной
толщиной 8/hг на поверхности лопатки 1 приводит к тому, что возмуще­
ния не локализуются у точки излома профиля лопатки, о чем свидетельст­
вует увеличение давления в суживающемся участке крайнего канала при
уменьшении П. При этом, как показали измерения давления по высоте ло­
патки
1,
вблизи угловых точек, где смыкаются пограничные слои, обра­
зующиеся на взаимно перпендикулярных стенках крайнего канала, давле­
ние на
20--30%
больше, чем в центральной части лопатки. Обмер фото­
графий пристеночных линий тока позволил установить, что при увеличе­
нии противодавления возмущения передаются по углам БОР дальше, чем
по боковой стенке, на величину /)./s/б'2
=70+90. Это является следствием
дополнительного торможения потока в углах крайних межлопаточных ка­
налов диффузора.
Поля чисел М а , измеренные по середине выходного сечения расши­
ряющегося диффузора модели ГДЛ с диффузорами.N"2
4-
6,
показали, что
даже в этом сечении существуют протяженные области, в которых реали­
зуется течение со сверхзвуковой скоростью. При этом увеличение относи-
тельной длины горла диффузора до
96
lr =6,1
не приводит к исчезновению
областей сверхзвукового течения и к появле­
П.,."
нию монотонного повышения давления вдоль
поверхностей лопаток
J
и
32
2.
Зависимости величин П З и П С от отно-
сительной длины горла диффузора (lr
полученные
(lp =1,8),
при
испытаниях
=0,7 ),
модели
ГДЛ
приведены на рис. 4. При увеличе-
нии длины горла диффузора от
0,86
до
2,6
происходит уменьшение перепадов запуска и
срыва,
при
этом
уменьшается от
величина
21,7
до
Дальнейшее увеличение
ПЗ ,
24
16
О
Рис.
4.
Тг
12
8
4
Зависимость перепада за­
пуска и срыва от относительной
длины горла диффузора:
например,
/р = 1,8; М I = 4,5 ;
16,8, т. е. на 23%.
lr приводит к воз-
lr = 0,7
растанию П З и П с ' Таким образом, оптимальное значение относительной
длины горла исследуемого многоканального лопаточного диффузора со­
ставляет
калибра в масштабе hг и
2,5-3,5
0,5--0,6
калибра в масштабе
Ьг , что в несколько раз меньше, чем в диффузорах аэродинамических
труб. Сопоставление приведенных данных показывает, что в многоканаль­
ных лопаточных диффузорах не реализуется течение с псевдоскачком, для
которого характерно монотонное увеличение давления по длине канала. В
этих условиях увеличение длины горла диффузора до значений 'г
приводит
лишь
к
дополнительному
уменьшению
давления
> 'г. опт
торможения
пристеночной части потока из-за трения на поверхностях лопаток. В ре­
зультате в крайних каналах появляются развитые области дозвукового те­
чения, по которым возмущения передаются вверх по потоку и для запуска
диффузора требуется дополнительное увеличение перепада. При этом цен­
тральные каналы в этих условиях работают на нерасчетных режимах, так
как независимо от длины горла диффузора течение на всем их протяжении
остается сверхзвуковым.
При испытаниях модели ГДЛ (диффузор
N2 5)
с проставками длиной
~ = 1,8 было получено значение П З = 16,8, а при испытаниях с проставка-
ми длиной
lp = 4
проставок в
2,2
-
значение П З
= 23 . Таким образом, увеличение длины
раза привело к увеличению перепада запуска на
дует отметить, что при испытаниях диффузоров
длиной
4
N2 3-8
37%.
Сле­
с проставками
калибра оптимальное значение относительной длины
горла
не было определено, ;гак как при располагаемом отношении давлений
П ~ 40 не удалось осуществить запуск диффузоров с
lr ~ 6,1 .это
связано
с увеличением толщины пограничного слоя на входе в диффузор при уве­
личении длины проставок от
Сравнение
результатов
lp = 1,8 до
~
испытаний
=4 .
модели
ГДЛ
с
диффузорами,
имеющими разные значения fr и близкие значения lг, показало, что при
97
Zp
=1,8
0,73
lр
изменение относительной площади горла диффузора от
'г
до
практически не повлияло на величины П З и П с ' в то же время при
=4
происходит заметное уменьшение П З при увеличении Jr' Напри­
мер, при Jr
-
0,66
=1,65
=0,66
и lг
она равняется
=1,48
величина П З составит 33, а при Jr
=0,73
и
"
25,1.
Анализ результатов проведенного исследования показывает, что мно­
гоканальные лопаточные диффузоры ГДЛ имеют ряд специфических осо­
бенностей, наличие которых приводит к ухудшению их характеристик
гю сравнению с диффузорами аэродинамических труб.
Характеристики
улучшить,
если
с
многоканальных
помощью
методов
лопаточных
управления
диффузоров
можно
по граничным
слоем
улучшить работу крайних каналов, т. е. приблизить полное давление в них
к полному давлению в центральных каналах и одновременно уменьшить
отношение характерных размеров Ьг и hг до ~начения Ьг /
h r ~ 1, что по-
зволит реализовать течение с псевдоскачком в горле диффузора.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Лукашевич Дж. Диффузоры для сверхзвуковых аэродинамиче­
ских труб/lМеханика.-
1954, N2 5(27).
2. М а с с ь е П.,· Р о ш к е Е. Экспериментальное исследование выхлоп­
ных диффузоров для ракетных двигателей на жидком топливе.- В кн.: Ис­
следование ракетных двигателей на жидком топливе.- М.: Мир.-
1964.
З. П о у п А., Г о'йн К. Аэродинамические трубы больших сверхзвуко­
вых скоростеЙ.-М.: Мир.-1968.
4. К Р о к к о Л. Одномерное рассмотрение газовой динамики устаНОВИБ­
шихся течениЙ.- В кн.: Основы rазОБОЙДИНамикиlПод ред. Г. Эммонса.­
М.-196З.
5. N е и m а n n Е., L и s i w е r k Р. High - Efficiency supersonic diffusers//J. Aeronautical Sciences.-1951. Yol. 18, N 6.
6. Д ж ер р и. Газодинамические лазеры/lЗарубежная радиоэлектрони­
Ka.-1972, N2 12.
7. В а с и л ь е в И. Ю., Зах а р о в Н. Н., П и ч к о в К. Н. Исследова­
of
ние структуры потока на входе в диффузор Г ДЛ/lYченые записки ЦАГИ, на­
стоящий номер.
Рукопись поступила
201V 1999 г.
611 1984г.
Первоначальный вариант поступил
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
395 Кб
Теги
экспериментальной, лопаточник, диффузор, многоканальный, pdf, исследование, гдл
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа