1.5. Помпаж и "зуд" сверхзвуковых входных устройств

Помпаж входных устройств возможен при сверхзвуковых скоростях полета и на таких режимах, при которых либо мала пропускная способность двигателя, либо чрезмерно велика пропускная способность воздухозаборника. При этих условиях происходит переполнение внутреннего канала воздухозаборника воздухом, что приводит к потере газодинамической устойчивости течения. Помпаж проявляется в том, что возникают колебания давления и расхода воздуха по всему газовоздушному тракту силовой установки. Эти колебания отличаются большой амплитудой и малой частотой. Частота колебаний зависит от размеров воздухозаборника и объема каналов, подводящих воздух к двигателю, и обычно лежит в пределах от 2 до 15 Гц. Амплитуда колебаний параметров газового потока при помпаже увеличивается с ростом числа М полета.

При больших числах М полета (М = 2.0...2,5) относительная амплитуда колебаний давлений при помпаже на выходе из воздухозаборника может доходить до 30-40%. При меньшихчислах М полета интенсивность пульсаций потока при помпаже снижается, а при М < 1,6 помпаж обычно не наблюдается.

В условиях эксплуатации силовых установок помпаж воздухозаборника недопустим. Резкие колебания давления и расхода воздуха могут вызвать помпаж компрессора и, как следствие, недопустимое повышение температуры газа перед турбиной (ее перегрев) или самовыключение двигателя. При этом, опасные последствия помпажа воздухозаборника усиливаются при увеличении числа М полета.

Возникновению помпажа воздухозаборника на самолете способствуют все факторы, приводящие к переполнению воздухом входного канала двигателя. Для устранения помпажа необходимо уменьшить противодавление за воздухозаборником, что может быть сделано выпуском избытка воздуха из воздухозаборника во внешний поток через створки перепуска, переводом двигателя на режим с большим расходом воздуха путем увеличения частоты вращения, а также соответствующим снижением пропускной способности воздухозаборника с помощью его регулирования. Эффективным средством прекращения помпажа воздухозаборника является также снижение скорости полета самолета, поскольку при этом возрастает пропускная способность двигателя и снижается располагаемый расход воздухозаборника.

"Зуд" входных устройств наблюдается при значительном снижении противодавления за воздухозаборником по сравнению с расчетным значением. Такое явление возникает всякий раз, когда пропускная способность воздухозаборника оказывается меньшей, чем требуется для двигателя. В этом случае интенсивность прямого скачка, возникающего в канале за горлом, сильно возрастает, поэтому увеличивается перепад давлений на этом скачке, а сам он перемещается вниз по потоку. Скачек взаимодействует с наросшим по длине канала пограничным слоем, что приводит к возникновению периодических отрывов потока от стенок канала из-под основания скачка. В результате возбуждаются высокочастотные пульсации потока газа с широким спектром частоты колебаний (от нескольких десятков до нескольких сотен герц) и с амплитудой, много меньшей, чем при помпажных колебаниях. Интенсивность пульсаций при "зуде" мало зависит от М полета и определяется режимом двигателя (противодавлением).

Высокочастотные колебания воздушного потока, возникающие при "зуде", оказывают неприятное физиологическое воздействие на членов экипажа. Возникающие пульсации давлений снижают запас устойчивости компрессора. Вибрации при "зуде" могут нарушить нормальную работу оборудования, расположенного вблизи входного устройства. Но "зуд" менее опасен, чем помпаж, и может допускаться в эксплуатации на некоторых режимах.

1.6. Регулирование сверхзвуковых входных устройств

Задача регулирования сверхзвуковых входных устройств состоит в том, чтобы обеспечить такое согласование работы входного устройства и двигателя, при котором эффективная тяга силовой установки достигала бы максимально возможных значений на всех основных режимах полета при достаточных для надежной эксплуатации запасах устойчивости.

Существует большое количество различных способов регулирования сверхзвуковых входных устройств. Основными из них являются: изменение величины площади горла, осевое перемещение поверхности торможения или изменение углов наклона ее образующей, изменение площади входа (угла наклона обечайки), применение различных средств перепуска воздуха.

Обычно программа регулирования входного устройства подбирается под заданные расходные характеристики двигателя. С этой целью вначале определяются потребные значения расхода и площади горла на различных режимах полета и режимах работы двигателя. Эти потребные значения параметров входного устройства обеспечиваются затем надлежащим регулированием расположения скачков уплотнения, площади горла и количества перепускаемого воздуха.

У ТРД при уменьшении числи М полета по сравнению с расчетным необходимо увеличивать площадь горла и повышать пропускную способность системы скачков. При уменьшении же частоты вращения необходимо как площадь горла, так и пропускную способность системы скачков снижать.

Изменение температуры окружающего воздуха также вызывает рассогласование режимов работы воздухозаборника и двигателя. Снижение, например, температуры приводит к увеличению пропускной способности системы скачков и площади горла.

При увеличении углов атаки (скольжения) основная задача регулирования состоит в обеспечении достаточных запасов устойчивости воздухозаборника и, если это возможно, в предотвращении значительного снижения эффективной тяги силовой установки.

Пропускную способность воздухозаборника следует увеличивать при уменьшении числа М полета, при увеличении частоты вращения ротора двигателя, при уменьшении температуры и соответственно при увеличении высоты полета до 11 км.

В ряде случаев, в особенности для осесимметричных воздухозаборников, одним выдвижением конуса не удается обеспечить весь диапазон потребного регулирования воздухозаборника. В таком случае после полного выдвижения конуса далее, при еще более низких значениях оборотов (или степени сжатия), согласование работы воздухозаборника и двигателя осуществляется открытием противопомпажных створок.

Регулирование сверхзвуковых воздухозаборников осуществляется автоматической системой регулирования. Она должна обеспечивать получение высокой эффективной тяги и гарантировать устойчивую работу на всех режимах. Эта задача в зависимости от схемы воздухозаборника и предъявляемых к нему требований может решаться различными способами и в различной степени. В одних случаях для эти целей применяется особая система, учитывающая влияние основных факторов на потребное регулирование воздухозаборника (такие системы регулирования носят название программных), в других - в основу регулирования закладывается требование поддержания заданных значений определенных параметров, обеспечивающих работу воздухозаборника вблизи оптимального режима (системы регулирования, выполненные на этой основе, получили название замкнутых).

Регулирование сверхзвуковых входных устройств в условиях взлета и малых скоростей полета осуществляется различными способами. Задача регулирования в этом случае состоит в увеличении производительности воздухозаборника и снижении потерь в нем. Дело в том, что в указанных условиях относительная плотность тока на входе в компрессор двигателя достигает максимально возможных значений, поэтому наибольшего значения достигает также потребная площадь горла воздухозаборника. Помимо этого, течение воздуха на входе в воздухозаборник в стартовых условиях сопровождается значительными потерями вследствие срыва потока с передних острых кромок обечайки.

Для улучшения работы воздухозаборника в стартовых условиях горло должно быть максимально увеличено. В дополнение к этому широко используются впускные створки, устанавливаемые в канале между горлом воздухозаборника и входом в двигатель, открываемые внутрь. Их открытие происходит под действием перепада давлений на створках, который появляется тогда, когда давление перед двигателем становится меньше атмосферного.