Экспериментальное исследование потерь полного давления во входном и выходном участках рабочего тракта трансзвуковой трубы с принудительным отсосом воздуха из рабочей части Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XXXIV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 3

№ 1—2

УДК 533.6.071.011.35 533.6.071.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ ВО ВХОДНОМ И ВЫХОДНОМ УЧАСТКАХ РАБОЧЕГО ТРАКТА ТРАНСЗВУКОВОЙ ТРУБЫ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ОТСОСОМ ВОЗДУХА ИЗ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ

О. В. ЛЫЖИН , З. Г. ПАСОВА

Приведены результаты экспериментального исследования потерь полного давления во входном и выходном участках рабочего тракта трансзвуковой аэродинамической трубы с принудительным отсосом воздуха в диапазоне чисел М в рабочей части от 0,8 до 1,7. Показано, что коэффициент восстановления полного давления для выходного участка рабочего тракта (от сечения в начале дозвукового диффузора, где обычно производится впуск воздуха в контур трубы для компрессорных труб с отсосом, до выхлопа) для всех исследованных режимов практически постоянен и равен 0,975^0,98.

Настоящая работа относится к исследованиям течения в трансзвуковой аэродинамической трубе с принудительным отсосом воздуха из рабочей части. Как известно, при обтекании модели в трансзвуковой рабочей части аэродинамической трубы, а также при получении с дозвуковым соплом чисел М,блЪших 1, имеет место перетекание некоторого количества газа через перфорированные стенки рабочей части в окружающую ее камеру. Газ, вытекающий в камеру, или втекает снова в основной поток через уступ в конце рабочей части (работа с автоотсосом), или отсасывается из камеры с помощью специальной системы (работа с отсосом). Первый вариант намного проще, чем второй, и многие трубы работают по схеме с уступом. Но вариант трубы с отсосом имеет ряд преимуществ, основные из которых — уменьшение потерь полного давления в трубе и увеличение максимального допустимого угла атаки модели.

В нашей стране первой промышленной аэродинамической трубой с отсосом была труба Т-128 ЦАГИ, введенная в строй в 1983 г. Она имеет диапазон чисел М от 0,15 до 1,7 и рабочую часть квадратного сечения с размерами 2,75 х 2,75 м. Поток в трубе создается компрессором с приводом мощностью 100 000 кВт. Отсос воздуха из камеры, окружающей рабочую часть, производится с помощью двух компрессоров, суммарная мощность приводов которых равна 45 000 кВт.

Проектирование трубы Т-128 началось в 1965 г. К этому времени материалов по трубам с отсосом было весьма мало. В связи с этим были проведены обширные экспериментальные исследования модели рабочего тракта трубы Т-128. Испытания были проведены О. В. Лыжиным и З. Г. Пасовой с 1972 по 1978 г. Анализ основных результатов этих исследований приведен в статье «Экспериментальное исследование расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы», опубликованной в «Ученых записках ЦАГИ» (1979, т. Х, № 4). Ниже изложены некоторые результаты этих исследований.

Потери полного давления в трубе характеризуются обычно коэффициентом восстановления

полного давления V — , где р0в — полное давление в конце выхлопного диффузора трубы,

Рб

а Рф — давление в форкамере. При работе с отсосом величина V при неизменном числе М в

рабочей части зависит не только от формы и относительных размеров элементов трубы, как при

&

автоотсосе, но и от значения коэффициента отсоса к = 10П , где &отс и &рч — величины

массового расхода воздуха через систему отсоса и через сопло основного тракта трубы. С ростом к при неизменном числе Ы величина V возрастает. При этом значения V при работе с отсосом могут быть значительно выше, чем при работе с автоотсосом, в результате чего снижается потребная степень сжатия трубы и, следовательно, потребная мощность привода основного компрессора. Однако отсос газа из рабочей части требует дополнительных затрат мощности. Тем не менее, как показывают расчеты, проведенные при проектировании трубы Т-128 с учетом результатов вышеупомянутой работы, применение отсоса является эффективным. При одинаковом давлении в форкамере суммарная потребная мощность приводов основного компрессора и компрессора отсоса при Ы = 1,0 ^ 1,7 на 10 ^ 30% меньше потребной мощности привода основного компрессора при работе трубы с автоотсосом.

В упомянутых выше испытаниях с отсосом определялся суммарный коэффициент восстановления полного давления трубы V, который используется в большинстве газодинамических расчетов. Однако для компрессорных труб с отсосом, какой является труба Т-128, необходимо знать также коэффициент восстановления полного давления v1 на участке трубы от форкамеры до сечения в начале диффузора, где производится впуск в контур трубы воздуха, отсасываемого из камеры вокруг рабочей части. Далее это сечение называется сечением впуска. С использованием коэффициента v1 можно определить полное и статическое давление потока в сечении впуска. Данные о полном давлении в этом сечении необходимы для определения потребной характеристики компрессора отсоса и потребной мощности его привода. Данные о статическом давлении в сечении впуска дают возможность рассчитать силы, действующие на клапаны впуска.

Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, проведены в 1975 — 1976 гг. Результаты их были использованы при проектировании трубы Т-128 и могут быть использованы при проектировании аналогичных труб. Поэтому публикация этих материалов представляется целесообразной.

1. Эксперимент проводился в аэродинамической трубе с размерами рабочей части 180x180 мм, работающей от воздушных баллонов с давлением до 0,9 — 1 Мпа (рис. 1). Участок трубы от выходного сечения сопла до выхлопа является моделью участка трубы Т-128 от выходного

Рис. 1. Схема аэродинамической трубы

сечения сопла до входа в компрессор. Сопла — плоские, сменные. Имеются дозвуковое сопло (условно называемое соплом Mc = 1) и сверхзвуковые сопла. Все четыре стенки рабочей части — перфорированные. Настоящие испытания проводились с регулируемой перфорацией, имеющей прямые отверстия переменного сечения: со стороны потока диаметр отверстий равен 4,3 мм, а со стороны камеры — 3,5 мм (рис. 1). Регулирование проницаемости каждой стенки рабочей части осуществляется путем перемещения по ее поверхности со стороны камеры пластины с точно такой же перфорацией, как на наружной стороне стенки. При этом коэффициент проницаемости с, равный отношению площади проходных сечений в отверстиях к общей площади стенки, изменялся от 0 до 20%. Такая перфорация аналогична перфорации трубы Т-128. Боковые стенки рабочей части установлены параллельно, а верхняя и нижняя — под углом 0°30' для компенсации толщины вытеснения пограничного слоя. За рабочей частью располагается отсек, боковые стенки которого являются продолжением стенок рабочей части. Верхняя и нижняя стенки этого отсека имеют регулируемые створки, которые дают возможность работы трубы как с уступом, так и без уступа. При работе без уступа регулируемые створки образуют дозвуковой диффузор с полууглом раствора примерно 3,5°. Настоящие испытания проводились без уступа. За отсеком регулируемых створок располагаются переходник с прямоугольного сечения на круглое и дозвуковой диффузор с полууглом раствора, равным примерно 3°. Рабочая часть трубы окружена камерой, из которой может производиться отсос воздуха с помощью одноступенчатого сверхзвукового эжектора. Для измерения расхода отсасываемого воздуха в тракте отсоса были установлены сменные стандартные мерные сопла. Воздух, отсасываемый из камеры с помощью эжектора, вместе с эжектирующим воздухом, поступающим из газгольдеров, выбрасывается в атмосферу.

В стенках начального участка диффузора имеются регулируемые клапаны впуска, через которые может впускаться воздух в контур трубы. Впуск воздуха производится из газгольдеров через отдельный тракт впуска. Клапаны впуска окружены камерой нагнетания. Устройство клапанов впуска моделирует устройство соответствующих клапанов трубы Т-128.

Наличие в трубе системы впуска дает возможность моделировать работу системы отсоса компрессорной трубы, какой является труба Т-128. Но, в отличие от компрессорных труб, в данном случае системы отсоса и впуска независимы друг от друга, что дает возможность работать с отсосом, но без впуска. Именно так и проводились данные испытания, как и подавляющее большинство испытаний с отсосом, проводившихся на этой установке.

2. Задачей испытаний было определение коэффициента восстановления полного давления на каждом из двух участков рабочего тракта трубы: от форкамеры до сечения впуска и от сечения впуска до конца диффузора (перед выхлопом).

Испытания проводились без модели в рабочей части с тремя соплами: соплом Мс = 1 при Мрч « 0,8 г 1,25 и двумя сверхзвуковыми соплами, дающими числа M на выходе, равные 1,46 и 1,70 при Мрч « Мс. Коэффициент отсоса k при всех значениях Мрч изменялся.

Как было отмечено, настоящие испытания проводились с отсосом воздуха из камеры вокруг рабочей части, но без впуска воздуха в контур трубы. Однако полученные данные можно использовать и для компрессорных труб. Это следует из проведенных ранее испытаний с отсосом и впуском, показавших, что впуск воздуха в контур трубы в начале диффузора не влияет на потери полного давления в рабочем тракте трубы.

Поскольку система впуска в проведенных испытаниях по своему прямому назначению не использовалась, клапаны впуска были использованы для измерения статического давления в сечении впуска. Для этого клапаны впуска немного (примерно на 1 мм каждый) приоткрывались, в результате чего в камере нагнетания устанавливалось давление, равное статическому давлению в сечении впускарвп. Это давление измерялось на стенке камеры нагнетания.

3. На рис. 2 приведены полученные в результате проведенных испытаний величины суммарного коэффициента восстановления полного давления в трубе v в зависимости от числа M в рабочей части Мр.ч. Разброс значений v при Мр.ч = const связан с зависимостью v от коэффициента отсоса k (см. выше). Это же относится к данным, приведенным на рис. 3 и 4.

На рис. 3 приведены результаты измерения величины рвп в виде графика зависимости величины рвп/рф от Мрч — числа M в рабочей части.

0,8

0,7

0,6

%к=0,097 о0,070° о

о О

.о;об1

8,020

51оіб

оО оС>в

£=0,034

8

О0,022

„0,016

0,014

£=0,034 ДО§° ощ>...о...

01Ю°о

0,1

1,0 1,2 1,4 1,0 1¥Арл

Рис. 2. Суммарный коэффициент восстановления полного давления в трубе V

По величинам рвп, непосредственно измерявшимся при испытаниях, были рассчитаны величины р0вп — полного давления в сечении впуска из уравнения сохранения расхода для выходного сечения сопла и сечения впуска. При этом учитывалось, что между этими сечениями имеет место отсос воздуха, поэтому имеем:

1,6

Мп

Ос - ввп + во

вс

к = 1.

Уравнение (2) можно переписать в таком виде: ї У (М аї ) раї

рс Я (м й ) Рб

к = 1.

рт

0,9

0,8

0,7

0,6

о ~ о о СЯ °° ° о о о° о< э /5 о о

о о ° 8 ОО о

о о о0 ®° о ОО

0Л

1=0

1.2

1,4

1,6

1,8

Рис. 3. Статическое давление потока рвп в сечении впуска а)

VI

0,9

(1)

Здесь вс, ввп и вотс — величины расхода воздуха через сопло и сечение впуска основного тракта трубы и через систему отсоса. Разделив все члены уравнения (1) на вс, получаем:

0,7

0,6

о о о с9 С сР ) Оо ос в

• V О О О о О -

О О 8о (П)0

бЪ

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Мр ч

(2)

6)

УД2

(3)

0,99

0,98

0,97

0,96

0,95

т . о —

° Оо, 8о

Здесь Мвп — число М потока в сечении впуска, а ^вп и ^с — величины площади сечения впуска

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Мр.ч

Рис. 4. Коэффициент восстановления полного давления для участков трубы от форкамеры до сечения впуска V! (а) и от сечения впуска до выхлопа Vд2 (б)

и выходного сечения сопла. В данном случае ^вп = 0,0572 м2, ^с = 0,0324 м2.

, . q (М)

Функция у (М) = —-—-, где q (М) и п (М) — обычные газодинамические функции от М. п(М)

В данном случае величина q(Mс) для сопла Мс = 1 равна q(Mp.ч) при Мрч < 1 и равна 1 при Мр.ч > 1. Для сопел Мс = 1,46 и Мс = 1,70 величины q(Mс) равны соответственно 0,869 и 0,748.

Из уравнения (3) можно определить величину у(Мвп)

(1 - к) ^q (Мс) Рд

у(Маї ) = ■

^аї ра

(4)

Определив по значению функции у(Мвп) значение Мвп, а по нему — величину п(Маї ), находим ровп

Р

р0аї =

П(Маї )'

Теперь можно определить величины коэффициента восстановления полного давления для участков трубы от форкамеры до сечения впуска VI и от сечения впуска до выхлопа vд2

РОа

Рд

Уа2 =

РОа

РОа

На рис. 4 приведены величины V! и vд2 в зависимости от Мрч. На рис. 5 представлена зависимость vд2 от Мвп.

Прежде всего заметим, что величина vд2 весьма близка к 1. Она изменяется в пределах от 0,975 до 0,98, причем никакой зависимости ни от Мрч (рис. 4), ни от Мвп (рис. 5) не

обнаруживается. Также не влияет на уд2 и

уд2 1 ...... коэффициент отсоса к, который в данных

испытаниях изменялся при всех значениях Мрч,

0,99 -\-------------------------------------- причем при некоторых Значениях Мр.ч — в

широких пределах (см. рис. 2).

Поскольку значение vд2 примерно

постоянно, зависимость от Мрч величины VI

0,98

0,97

0,96

0,95

О

О с с о оо его 0о0оЗЬ0^°°о О О

0,30

0,35

0,40

М„,

рч

имеет такой же характер, как и зависимость от Мрч суммарного коэффициента восстановления полного давления V (см. рис. 2).

В заключение следует обратить внимание на следующее: весьма высокий коэффициент восстановления полного давления для выходной части диффузора не означает, что эта часть диффузора малоэффективна. Если бы выхлоп из трубы производился сразу за сечением впуска, где число М довольно большое (оно изменяется в пределах от ~ 0,35 до ~ 0,45), потерям полного давления на выхлопе соответствовал бы коэффициент восстановления полного давления, равный ~ 0,9, тогда как существующая выходная часть диффузора повышает этот коэффициент до величины, равной ~ 0,975 г 0,98, т. е. весьма эффективна.

Рис. 5. Зависимость коэффициента уд2 от числа М в сечении впуска

Рукопись поступила 22/Х 2001 г.