CC BY
72
______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXXI 2 000
№3—4
УДК 533.6.071.4 621.375.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЛОПАТОЧНЫХ ДИФФУЗОРОВ ГДЛ
И, Ю. Васильев, Н. Н. Захаров, К. Н. Пичков
Приведены результаты экспериментального исследования сверхзвуковых многоканальных лопаточных диффузоров при их работе с регулируемым соплом аэродинамической трубы и с решеткой малоразмерных сверхзвуковых сопл. Выявлены особенности торможения потока в многоканальных лопаточных диффузорах в широком диапазоне изменения их геометрических параметров. Дано сравнение их пусковых и рабочих характеристик с характеристиками нерегулируемых диффузоров аэродинамических труб. Указаны наиболее эффективные пути улучшения характеристик многоканальных диффузоров ГДЛ.
В настоящее время опубликовано большое количество работ по диффузорам аэродинамических труб, являющихся ближайшими аналогами газодинамических 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 а и Р на характеристики диффузора можно найти в работах [1]—[3].
Для 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 торможения в псевдоскачке характеризуется монотонным повышением давления и некоторой конечной длиной [4], которая и определяет длину канала постоянной площади (горла). Установлено, что оптимальная длина
горла диффузора в диапазоне М = 2 + 4 и 5*Д) = 0,05 + 0,07 составляет 8—12 гидравлических диаметров D = 4f/s [1]—[3], где / — площадь поперечного сечения канала, 5 — периметр этого сечения, 8* — толщина
вытеснения. Таким образом, длина сверхзвукового диффузора может достигать 70% общей длины аэродинамической трубы. Применение диффузоров 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 эффективности диффузора ограниченной длины, заключающийся в замене одноканального диффузора многоканальным. Аналогичный подход, позволяющий одновременно уменьшить отношение длин сторон поперечного сечения щелевого канала, был использован при создании многоканального лопаточного диффузора ГДЛ [6].
В настоящей статье раскрываются особенности многоканальных лопаточных диффузоров, получивших широкое распространение, и проводится сравнение их характеристик с характеристиками традиционных нерегулируемых диффузоров аэродинамических труб. Многоканальные лопаточные диффузоры испытывались как в составе сверхзвуковой аэродинамической трубы с регулируемым соплом (что позволяло быстро получать их характеристики в широком диапазоне чисел М), так и в составе упрощенной модели ГДЛ.
Испытания проводились в аэродинамической трубе, схема которой приведена на рис. 1. Число М] на срезе регулируемого сопла, соответствующее идеальному истечению, могло изменяться от 3,1 до 4,1. Выходное
Рис. 1. Схемы моделей:
а — схема с единичным соплом; б — решетка сверхзвуковых сопл
сечение сопла имело форму квадрата со стороной, равной 150 мм. Ширина рабочей части аэродинамической трубы с оптически прозрачными боковыми стенками ¿ = 150 мм. Максимальное давление торможения воздуха
перед соплом ро =4,7-105 Па, минимальное давление в отводящей магистрали ра = 0,117 • 105 Па. Максимальное отношение давлений (перепад)
П = /?о/ра ¿40. Толщина турбулентного пограничного слоя в выходном сечении сопла 8| = 7,5 -5- 8 мм. Четырехканальные лопаточные диффузоры устанавливались непосредственно за регулируемым соплом (выходное сечение 1—1 сопла совпадало с входным сечением 2—2 диффузора).
При испытаниях модели ГДЛ вместо регулируемого сопла устанавливалась решетка сверхзвуковых сопл (сопловая решетка), а между ней и диффузором располагали проставки, имитирующие стенки блока оптического резонатора (БОР). Суммарный угол раскрытия проставок 2°40' (рис. 1,6). Решетка сверхзвуковых сопл ( М] =4,5) состояла из 15 лопаток высотой й, =150 мм. Ширина выходных сечений сопл Ь\ =8,2 мм, ширина критических сечений ¿кр = 0,5 мм. Испытания проводили с двумя проставками длиной /р =600 мм (7р =/р/^1 =4) и /р =270 мм (/р = 1,8). За многоканальными лопаточными диффузорами устанавливали выходной расширяющийся диффузор с суммарным углом раскрытия 6° и длиной /д = 470 мм. Относительная длина выходного расширяющегося диффузора
составляла /д = 1Д/ЬЛ = 3,13, где Ь,л = 150 мм — ширина лопаточного диффузора. Отношение площадей выходного и входного сечений диффузора равнялось 1,33.
Было исследовано девять вариантов диффузора, отличающихся длиной и площадью горла (см. таблицу). Суммарный угол сужения входных участков межпопаточных каналов составлял а = 14°, суммарный угол расширения выходных участков (3 = 6°.
Номер диффузора 1 2 3 4 5 6 7 8 9
/л, мм 207 245 236 274 300 376 460 517 181
¿г-А-М- 1,48 2,88 0,86 2,0 2,6 6,1 10,3 14,8 1,65
II г?“ 0,66 0,66 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,73
В процессе испытаний были измерены параметры воздуха перед соплами и в отводящей магистрали, давление на стенках модели в нескольких сечениях, давление торможения в нескольких сечениях проточной части модели. Кроме того, было проведено измерение полей чисел М в сечении, расположенном на относительном расстоянии I =1/1ц =2,7 [7]. Погрешность определения давления во всех случаях составляла 1—3%.
Оптически прозрачные боковые стенки аэродинамической трубы позволяли визуально наблюдать картину течения в пристеночной области либо с помощью подкрашенного масла, либо с помощью шелковинок.
Эксперименты проводили при постоянном давлении pq . Дросселирование отводящей магистрали позволяло изменять противодавление ра и, следовательно, отношение давлений П.
Были рассмотрены характерные режимы работы диффузора ГДЛ и дано 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, называется, как известно, расчетным режимом течения. При увеличении отношения давления до П = П3 происходит запуск сверхзвукового диффузора. Опыт показывает, что при значениях площади горла диффузора /г, близких к /г min, в момент запуска на большей части БОР, как правило, реализуется расчетный режим течения, поэтому можно считать момент запуска диффузора моментом газодинамического запуска всего устройства. Отношение давлений П3=(ро/ра)3» при котором происходит запуск, может
быть названо перепадом запуска.
При уменьшении отношения давлений по сравнению с П3, начиная с некоторого значения П, возмущения, передаваясь по дозвуковой части пограничного слоя, начинают распространяться вверх по потоку, что приводит к росту давления в БОР. При некотором значении П происходит резкое увеличение давления на всем протяжении БОР; в канале появляются протяженные области дозвукового течения, а скорость сверхзвукового течения уменьшается. Отношение давлений, при котором происходит резкая перестройка течения на всем протяжении блока оптического резонатора, может быть названо
перепадом срыва ^с-{ро/Ра)с-
Для оценки эффективности многоканальных лопаточных диффузоров необходимо сравнить их пусковые характеристики с аналогичными характеристиками диффузоров аэродинамических труб и результатами расчета одномерного течения с прямым скачком уплотнения на входе в диффузор (рис. 2). В аэродинамических трубах с диффузором, имеющим большую относительную длину, потери давления торможения близки к потерям в прямом скачке уплотнения: экспериментальные данные [1] удовлетворительно
П,
18
10
2
3 4 5 М1
Рис. 2. Зависимость перепада запуска от числа Маха на срезе сопла:
......расчетные данные; ® — данные из работы [1]; о — сопло; □ — сопловая решетка, 7р = 4; Д — сопловая решетка, /р = 1,8
согласуются с результатами расчета. В то же время перепады запуска, полученные при испытаниях многоканального лопаточного диффузора № 5 (этот диффузор, как будет видно в дальнейшем из рис. 4, имеет наилучшие пусковые и рабочие характеристики из всех исследованных вариантов) с единичным соплом, примерно в два раза превышают перепады, соответствующие прямому скачку уплотнения. Чем же объясняется столь значительное отличие характеристик исследованного диффузора, длина которого примерно равна оптимальному значению, и диффузоров аэродинамических труб?
В отличие от традиционных диффузоров аэродинамических труб с отношением длин сторон поперечного сечения канала ¿/Л» 1 исследуемые многоканальные лопаточные диффузоры имеют два характерных размера Ъ и И (бр/Ар = 5). В результате, например, при /г - ЮАр располагаемая длина горла оказывается вполне достаточной для размещения псевдоскачка по меньшему характерному размеру, но явно недостаточной — по большему характерному размеру (/г = 2Ьг). Очевидно, что процесс 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 Ь/И » 1 не реализуется течение с псевдоскачком, как это происходит в каналах с поперечным сечением в форме квадрата или круга (см., например, [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 пограничными слоями, образующимися на боковых, верхней и нижней стенках БОР (при расположении зеркал в нишах их обтекание приводит к появлению 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 время на входе в центральные каналы пограничные слои образуются только на верхней и нижней стенках БОР. Следовательно, среднее давление торможения потока на входе в крайние каналы будет меньше, чем на входе в центральные, и для запуска крайних каналов потребуется большее отношение 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 канала), полученные при испытаниях модели ГДЛ (/р = 4) с диффузором № 5
(/г = 2,6; /г = 0,7). При изменении П от П3 = 27,7 до 22,3 давление во входном участке канала 2 (см. рис. 1) не изменяется и постоянно по его длине (рис. 3,6). В суживающемся участке канала 1 при П = 27,7 величина
относительного давления р/на 33% больше, чем в канале 2, что объясняется увеличением интенсивности косого скачка уплотнения на по-
Рис. 3. Распределение давления вдоль середины поверхностей лопатки 1 (а) и лопатки 2 (б). Значения П:
о — 27,7;* — 25,4; Д —22,3
верхности лопатки 1. Распределение давления вдоль поверхности лопатки 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 увеличение угла зоны отрыва потока у точки А до тех пор, пока величина угла зоны отрыва не станет равной его критическому значению для пограничного слоя на поверхности клина перед точкой А. Дальнейшее сколь угодно малое уменьшение П приводит к проникновению возмущений за точку излома профиля лопатки и разрушению расчетной схемы течения в блоке оптического резонатора. Иначе происходит распространение возмущений в крайнем канале: наличие пограничного слоя с большой относительной толщиной 5/^ на поверхности лопатки 1 приводит к тому, что возмущения не локализуются у точки излома профиля лопатки, о чем свидетельствует увеличение давления в суживающемся участке крайнего канала при уменьшении П. При этом, как показали измерения давления по высоте лопатки 1, вблизи угловых точек, где смыкаются пограничные слои, образующиеся на взаимно перпендикулярных стенках крайнего канала, давление на 20—30% больше, чем в центральной части лопатки. Обмер фотографий пристеночных линий тока позволил установить, что при увеличении противодавления возмущения передаются по углам БОР дальше, чем
по боковой стенке, на величину Д/5/б-» = 70 -г- 90. Это является следствием дополнительного торможения потока в углах крайних межлопаточных каналов диффузора.
Поля чисел Ма, измеренные по середине выходного сечения расширяющегося диффузора модели ГДЛ с диффузорами № 4 — 6, показали, что даже в этом сечении существуют протяженные области, в которых реализуется течение со сверхзвуковой скоростью. При этом увеличение относительной длины горла диффузора до /г = 6,1 не приводит к исчезновению
областей сверхзвукового течения и к появлению монотонного повышения давления вдоль поверхностей лопаток 1 и 2.
Зависимости величин П3 и Пс от относительной длины горла диффузора ( /г = 0,7 ), полученные при испытаниях модели ГДЛ (7р =1,8), приведены на рис. 4. При увеличении длины горла диффузора от 0,86 до 2,6 происходит уменьшение перепадов запуска и срыва, при этом величина П3, например, уменьшается от 21,7 до 16,8, т. е. на 23%.
Дальнейшее увеличение /г приводит к возрастанию П3 и Пс. Таким образом, оптимальное значение относительной длины горла исследуемого многоканального лопаточного диффузора составляет 2,5—3,5 калибра в масштабе и 0,5—0,6 калибра в масштабе Ьг, что в несколько раз меньше, чем в диффузорах аэродинамических труб. Сопоставление приведенных данных показывает, что в многоканальных 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 > /г опт
приводит лишь к дополнительному уменьшению давления торможения пристеночной части потока из-за трения на поверхностях лопаток. В результате в крайних каналах появляются развитые области дозвукового течения, по которым возмущения передаются вверх по потоку и для запуска диффузора требуется дополнительное увеличение перепада. При этом центральные 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 № 5) с проставками длиной /р = 1,8 было получено значение П3 = 16,8, а при испытаниях с проставками длиной 7р =4 — значение П3 = 23 . Таким образом, увеличение длины
проставок в 2,2 раза привело к увеличению перепада запуска на 37%. Следует отметить, что при испытаниях диффузоров № 3—8 с проставками длиной 4 калибра оптимальное значение относительной длины горла не было определено, так как при располагаемом отношении давлений П ^ 40 не удалось осуществить запуск диффузоров с /г > 6,1 .Это связано с увеличением толщины пограничного слоя на входе в диффузор при увеличении длины проставок от /р = 1,8 до /р = 4.
Сравнение результатов испытаний модели ГДЛ с диффузорами, имеющими разные значения /г и близкие значения 7Г, показало, что при
0 4 8 12 /г
Рис. 4. Зависимость перепада запуска и срыва от относительной длины горла диффузора:
/р = 1,8; М, =4,5; /г =0,7
/р = 1,8 изменение относительной площади горла диффузора от 0,66 до 0,73 практически не повлияло на величины П3 и Пс. В то же время при /р = 4 происходит заметное уменьшение П3 при увеличении /г . Например, при /г =0,66 и 7Г =1,48 величина П3 составит 33, а при /г =0,73 и /г = 1,65 она равняется 25,1.
Анализ результатов проведенного исследования показывает, что многоканальные лопаточные диффузоры ГДЛ имеют ряд специфических особенностей, наличие которых приводит к ухудшению их характеристик по сравнению с диффузорами аэродинамических труб.
Характеристики многоканальных лопаточных диффузоров можно улучшить, если с помощью методов управления пограничным 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 Ар до значения èr//zr »1, что позволит реализовать течение с псевдоскачком в горле диффузора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукашевич Дж> Диффузоры для сверхзвуковых аэродинамических труб//Механика.— 1954, № 5(27).
2. М а с с ь е П., Р о ш к е Е. Экспериментальное исследование выхлопных диффузоров для ракетных двигателей на жидком топливе.— В кн.: Исследование ракетных двигателей на жидком топливе.— М.: Мир.— 1964.
3. П о у п А., Г о й н К. Аэродинамические трубы больших сверхзвуковых скоростей.— М.: Мир.— 1968.
4. К р о к к о Л. Одномерное рассмотрение газовой динамики установившихся течений,— В кн.: Основы газовой динамики/Под ред. Г. Эммонса.—
М.— 1963.
5. Neumann Е., Lusiwегk P. High — Efficiency supersonic diffus-ers//J. of Aeronautical Sciences.— 1951. Vol. 18, N 6.
6. Джерри. Газодинамические лазеры//3арубежная радиоэлектроника,—1972, № 12.
7. Васильев И. Ю., Захаров H. Н., П и ч к о в К. Н. Исследование структуры потока на входе в диффузор ГДЛ//Ученые записки ЦАГИ, настоящий номер.
Рукопись поступила 20/V1999 г. Первоначальный вариант поступил 6/11984 г.
