Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Особенно тщательно подбирается высота генераторов, чтобы, обеспечивая достаточный перенос количества движения, они тем не менее не вызывали отрыва. 112 Глава 3 Обнаружено [24, 25], что генераторы вихрей в криволинейных диффузорах приводят к уменьшению потерь давления и улучшению профиля скорости на выходе. Управление пограничн1мм слоем посредством отсоса Прандтль впервые предложил использовать отсос пограничного слоя для уменьшения его толщины в качестве средства предотвращения отрыва потока в диффузорах с большими углами раскрытия, а в работе [26] эта идея была успешно реализована. Было показано, что в плоских диффузорах с углами раскрытия 15 и 30' можно вдвое уменьшить потери давления при отсосе через щель на стенке от 4 до 10 '/в расхода массы основного потока. Обнаружено [27], что при отсосе 4 % расхода воздуха в плоском диффузоре с углом раскрытия 35' потери давления могут'быть уменьшены до такого же уровня, как в обычном диффузоре с углом !2'.
Щели для отсоса воздуха лучше всего было бы располагать непосредственно перед ожидаемой точкой отрыва потока. Однако так как положение точки отрыва изменяется с изменением условий течения на входе в диффузор, щели обычно располагают у входа. Испытания конических диффузоров с таким расположением щелей [28] показали, что поток устойчив, а коэффициент восстановления давления высок при углах раскрытия до 30'.
В работах [29, 30] изучалось течение в трубе кругового сечения с внезапным расширением при отсосе через кольцевой зазор непосредственно перед уступом. Было обнаружено, что увеличение расхода отсасываемого воздуха выше некоторой пороговой величины приводит к резкому расширению потока до большого диаметра. Если полная длина диффузора меньше некоторой предельной величины для данной степени расширения, то такое устройство обеспечивает более высокое восстановление давления, чем в обычных конических диффузорах.
Управление пограничным слоем посредством вихря Другой способ быстрого и эффективного расширения потока в диффузоре путем отсоса пограничного слоя в сечении внезапного расширения подробно изучен в работе [31]. Конструктивная схема диффузора показана на рис. ЗЛ9. Однако суть механизма управления потоком при помощи вихря еще не полностью выяснена. В работе [31] предложен механизм процесса расширения потока (рис. 3.20). Установлено [32], что отсос уменьшает давление в вихревой камере по сравнению с давлением в основном потоке так, что поток /, засасываемый в вихрь, сильно ускоряется.
В то же время поток П, остающийся в диф- ыз Днфйзузоры фузоре, сильно замедляется. Разность скоростей между этими потоками создает сдвиговый слой, что приводит к турбулизации потока и ликвидации зоны отрыва. Как показали эксперименты, расширение потока в этом случае происходит на весьма малой длине, а эффективность этого ихрьпгипп Коанда Рис. 3.20. Гидродинамический механизм управления вихрем ~321. Рис. ЗЛ9. Трубчатый диффузор, управляемый с помощью вихря [31Р у — отсос воздуха; ? — перегородка; 3 — вихрь; а — первичная труба; б — вторичная труба процесса близка к идеальной, что, очевидно, представляет интерес в авиационных приложениях. Проведенные испытания показали также, что этот способ управления пригоден для конических. кольцевых и плоских диффузоров.
Расход отсасываемого воздуха зависит, главным образом, от отношения площадей входного и выходного сечений диффузора. В диффузорах камер сгорания обычно достаточно отсасывать около 4 егр расхода воздуха основного потока. Часто такая величина приемлема, поскольку отсасываемый воздух может быть использован для охлаждения лопаток турбины без дополнительных потерь в экономичности двигателя. Как и в большинстве других диффузоров, при этом возможны условия, когда течение может стать неустойчивым. В работе ~ЗЗ] показано, что, действительно, с увеличением отношения площадей выше оптимального значения возникает неустойчивость потока.
Для величины оптимального отношения у~лощадей диффузора получено эмпирическое соотношение, связывающее ее с величинами коэффициента восстановления давления и расхода отсасываемого воздуха при заданной степени неравномерности профиля скорости на входе в днффузор.
В большинстве авиационных приложений отношение площадей, равное 2, является достаточно большим. Тем не менее, оказалось возможным получить высокое восстановление давления в кольцевых диффузорах даже при отношении пло- 8 заь. тез 114 Глава Э щадей, равном 5, если допустить некоторую неравномерность профиля скорости на выходе диффузора [34 — 36]. Ряд вопросов проектирования диффузоров, управляемых вихрем, еще не решен; например, не ясны принципы выбора размеров перегородки, подпирающей вихрь, и щелей для отсоса воздуха. Кроме того, необходимо дальнейшее изучение с целью определения оптимального соотношения между длиной диффузора и расходом отсасываемого воздуха н их влияния на величины статического давления, потери полного давления и устойчивость потока на выходе.
Тем не менее применение таких диффузоров в газотурбинных двигателях, особенно высокотемпературных, когда из камеры сгорания требуется отбирать воздух для охлаждения горячих секций двигателя ниже по потоку, выглядит многообещающим. Так, при этом можно значительно уменьшить длину и массу двигателя и увеличить располагаемый перепад давления на жаровой трубе, что благоприятно сказывается на характеристиках камеры сгорания. Гибридные диффузеры Можно значительно уменьшить расход воздуха, отсасываемого из диффузора, управляемого вихрем, путем создания а,в с до% 00 отсос еоздушо 0,6 0,5 , о.
' 0,4 Воздушнми пешек о,в Од 00 о санг Рис. 3.22. Сравнение характеристик гибридного и обычного диффузоров [324 — гибридный диффузор. Анобнт=з,ез Аивнхр=ч 2' —. -обычный лнффгзор. Ан=з,о. Рнс. 3.21. Гибридный диффузор [321. Г-турбулентный сдвиговый слой; У обычный диффузор с большим углом раскрытия; 3 — диффузор, управляемый с помощью вихря. плавно расширяюгцихся участков на его входе или выходе. Продемонстрирована успешная работа гибридных систем [33,34, 35, 37[.
Пример гибридного диффузора, предложенного в ра- Диффузввы боте [32], показан на рис. 3.21. В этой конструкции управляемое вихрем расширение потока за уступом представляет собой небольшую часть всего расширения, и поэтому достаточен очень слабый отсос. Образующийся за уступом турбулентный пограничный слой способствует затягиванию отрыва от стенок расширяющейся секции диффузора, обеспечивающей ббльшую часть увеличения площади поперечного сечения. На рис. 3.22 показаны результаты измерений коэффициента восстановления давления в диффузоре с Айоещ 2,0 при М„= 0,25. На этом рисунке также приведены данные, относящиеся к обычному коническому диффузору с тем же отношением площадей. Видно, что гибридный диффузор обладает лучшей характеристикой.
Замечательной особенностью гибридного диффузора явлиется то, что он дает более высокое, чем обычно, значение коэффициента восстановления давления даже без отсоса (рис. 3.22). Таким образом, гибридная конструкция диффузора позволяет либо получить коэффициент восстановления давления на 25 % больший, чем в обычном диффузоре той же длины, либо значительно уменьшить длину при том же коэффициенте восстановления давления. Например, С = 0,52 достигается в гибридном диффузоре с относительной длиной, равной 1,0, а в обычном диффузоре — 2,0.
КОНСТРУИРОВАНИЕ ДИФФУЗОРОВ Плавные диффузоры Требования, обусловливаемые общей схемой двигателя, и обычные ограничения объема вынуждают при проектировании камер сгорания авиационных ГТД применять диффузоры сложной формы. Во многих прямоточных камерах сгорания используются днффузоры аэродинамического, илп плавного, типа, основное назначение которых состоит в получении постепенного уменьшения скорости потока без образования зон отрыва и при минимальных потерях давления. Пример такого диффузора псказан на рис.
3.23. Видно, что непосредственно за компрессором имеется секция с постоянным проходным сечением для успокоения потока. Ее роль состоит отчасти в том, чтобы уменьшить влияние аэродинамических возмущений в диффузоре на работу компрессора, а главным образом в том, чтобы обеспечить диссипацию следов за лопатками компрессора и спрямляющего аппарата.
Процессы на успокоительном участке еще не полностью ясны, однако экспериментами установлено, что его длина должна быть равна удвоенной ширине хорды лопатки компрессора или спрямляющего аппарата. В диффузоре имеются три отдельные области торможения. Первая область расположена вблизи выхода из компрессора 116 Глава 3 и предназначена для предварительного уменьшения скорости перед воздухозаборником. Вблизи воздухозаборника большая часть потока воздуха изменяет направление движения и попадает в наружный и внутренний кольцевые каналы.
Важно, чтобы это изменение направления движения потока происходило с постоянной скоростью во избежание отрыва у входа в воздухозаборник. Полезно некоторое округление кромок воздухозаборника, особенно если профиль скорости на выходе из компрессора зависит от режима работы двигателя. При этом следует избегать резких местных изменений угла входа потока„ Рнс.
3.23. Кольцевой плавный днффузор. У вЂ” успокоитсаьнми участок: У вЂ” обаасти торможении потока; 3 — назлукозаборипк. вызывающих его отрыв. За сечением разделения потока расположена вторая область торможения. Из нее поток поступает в криволинейный участок с постоянной скоростью течения, а затем в третью область торможения в кольцевом пространстве между жаровой трубой и корпусом камеры сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
