Динамические процессы в ЖРД

ВВЕДЕНИЕКнига посвящена рассмотрениюдинамических процессовв ЖРД, т. е. таких процессов, для описания которых приходитсяиспользовать уравнения динамики. Эти уравнения характеризуютдвижение рабочих тел (компонентов топлива, продуктов испарения и горения) и отдельных узлов и частей агрегатов (вращающиеся части турбонасосного агрегата, подвижные части клапанови т. д.) под влиянием действующих на них сил.

Использованиепредлагаемых методов исследования должно помочь лучше организовать требуемый характер переходных процессов при проектировании и отработке двигателя.В книге использованы материалы, предназначенные для широкого круга читателей, опубликованные в отечественной и иностранной литературе, а также результаты некоторых исследований, выполненныхавтором. Чтобы избежать ненужных повторений,широко известные методы исследования и положения теориине включены автором в содержание книги. Поэтому при использовании данной книги рекомендуется для лучшего усвоения материала привлекать некоторые ранее опубликованные работы другихавторов (см. библиографию в конце книги).Для того чтобы в трех небольших главах представить по возможности общую картину связи между процессами, пришлосьопустить ряд вопросов.

Одновременно с этим, с целью увязки между собой отдельных уравнений, некоторые зависимости пришлосьизложить в упрощенном виде. При этом от обобщения и анализавзглядов различных авторов мы были вынуждены отказаться, таккак это привело бы к значительному увеличению объема книги.Первая глава посвящена рассмотрению динамических процессов, протекающих в камере сгорания. Дается описание процессов,рассматриваются наиболее важные этапы работы — выход на режим, марш, переходные процессы и выключение двигателя. Приводятся вывод и анализ основного уравнения камеры сгорания.Большое внимание уделено уравнениям, описывающим внутрикамерные процессы. Все уравнения характеризуют движение двухфазной жидкости — горящего потока, состоящего из распыленныхкомпонентов и газообразных продуктов.572Уравнения в частных производных позволяют исследовать поведение элемента горящего потока во времени и при перемещенииего во внутренней полости камеры.

В ходе вывода уравнения закона сохранения массы с помощью дивергенции вектора относительного расхода компонента определяется приток газообразныхпродуктов при испарении жидкого топлива. Движение горящегопотока характеризуется уравнениями Эйлера.Достаточно подробно рассмотрены общее уравнение энергиигорящего потока, уравнение закона сохранения механическойэнергии, первый закон термодинамики и уравнение энергии неподвижного газа, изолированного от внешней среды. Уравнениязакона сохранения количества движения позволили определить скорость горящего потока, диссипацию механической энергии и вывести обобщенную формулу тяги.

В конце главы рассмотрен вопросо газификации компонентов топлива и изменения соотношениямежду компонентами во времени и по координатам камеры.Вторая глава посвящена системе питания. В отличие от первойглавы, где ряд вопросов рассмотрен с теоретических позиций,во второй главе изложены в основном инженерные методы расчета.Такая структура книги выбрана не только из желания показатьразличныеподходы к расчету и исследованию процессов,но и в связи с общностью, единообразием некоторых процессов,протекающих как в камере сгорания, так и в агрегатах системыпитания.Положения теории, изложенные в первой главе, могут применяться при исследовании системы питания, а инженерные методы,рассмотренные во второй главе,— при изучении камеры сгорания.Вначале рассматривается вывод уравнения движения упругойжидкости в деформируемом трубопроводе с дополнительным переменным объемом. Получаемое волновое уравнение позволяет решить с достаточно высокой степенью точности многие сложныезадачи, имеющие в настоящее время большое практическое значение.

Несмотря на то, что это уравнение учитывает и сжимаемостьжидкости, и деформацию трубопровода как в радиальном, таки осевом направлениях, и наличие притока или отвода жидкости,оно оказывается достаточно удобным при проведении инженерныхрасчетов, поскольку при выводе были приняты приемлемые допущения.При анализе частных случаев использования рассмотренногоуравнения выводится инженерное уравнение гидравлической цепи,позволяющее установить энергетическую связь между процессамиотдельных агрегатов системы питания.Небольшая часть одного из параграфов посвящена определениюгидравлических потерь в проточных трактах.

Метод определениягидравлических сопротивлений подробно не излагается, посколькуэтому вопросу посвящено много работ, описанных в отечественнойлитературе. Рассмотрено определение массовых сил в проточныхтрактах произвольной формы. Полученные рабочие формулы оченьудобны при изучении динамики компонентов топлива.Далее приводится подробный вывод уравнений, характеризующих заполнение гидравлических цепей.

Учитывается влияние противодавления и газификации низкокипящих компонентов. Исследование процесса заполнения коммуникаций позволяет решитьряд очень важных вопросов об условиях входа топлива в камерусгорания перед воспламенением и в начальный период горения.После окончания вывода и проведения некоторых исследований,связанных с движением жидкости в проточной части системы питания, рассмотрены условия работы системы наддува. Для условнопринятой «универсальной» системы предлагается вывод двухуравнений, основанных на фундаментальных законах сохраненияэнергии и. массы.

Эти уравнения применяются при расчете системыпитания с газовым, пороховым или горячим аккумулятором.Шестой параграф гл. II посвящен выводу уравнения напорнойхарактеристики центробежного насоса. Вывод дан в инженернойпостановке. Получено удобное для расчета и исследования уравнение, учитывающее действие массовых сил и утечки жидкости.Рассмотрение процессов, протекающих в агрегатах силовогоприводасистемы питания — турбине и генераторе,— выходитза рамки книги.

Однако для проведения комплексного расчета двигателя необходимо знать уравнение для определения мощноститурбины, которое и рассмотрено в седьмом параграфе.Восьмой параграф гл. II посвящен изучению последовательности применения полученных уравнений при исследовании условий работы системы питания. Рассматриваются условия, при которых в переходных процессах скорость изменения состава продуктов сгорания равна нулю ( К = О ) .В параграфе 9 гл. II рассматривается приближенный методопределения тепловых потерь в баках.В гл. II рассмотрены все основные источники энергии, приводящие в движение компоненты топлива, и важнейшие виды сопротивлений, препятствующие движению жидкости. Если ориентироваться на уравнение закона сохранения энергии в виде балансадавлений, то основными относительными силами, приводящимижидкость в движение, являются: избыточное давление, создаваемоенасосами; давление в баках; давление, создаваемое внешними массовыми силами.Основные относительные силы сопротивления складываются из:гидравлических потерь в элементах гидроцепей; сил давления,обусловленных действием внутренних массовых сил; давления,расходуемого на увеличение кинетической энергии жидкости; давления в камере сгорания, характер изменения которого рассмотренв гл.

I.Третья глава посвящена рассмотрению взаимосвязи между процессами, протекающими в двигателе. Общее представление о связимежду процессами дает графоаналитический метод расчета. Здесьустанавливается связь между основными параметрами при выводедвигателя на режим и при его работе на марше. Хотя в графоаналитическом методе массовые силы и не учитываются, он все жедает довольно полное и наглядное представление о неустановившемся режиме и о характере связей при изменении параметровв широком диапазоне.Графоаналитический метод используется при проведении инженерных расчетов двигателя, при расчете режима настройки и действия внешних факторов, при оценке качества спроектированногодвигателя, для предварительной оценки устойчивости работы отдельных агрегатов и двигателя в целом.

Метод графоаналитического расчета уточняется в зависимости от схемы исследуемогодвигателя. Размер расчетных графиков назначается с учетом требуемой точности. Графоаналитический метод может успешно применяться в инженерной практике.Третий параграф гл. III посвящен исследованию связи параметров камеры и гидравлических цепей. Вначале приводится выводрасчетного уравнения, позволяющий исследовать широкий кругвопросов. Отмечены особенности исследований выхода на марши условий работы на марше.

С целью получения более наглядногопредставления о связях основных параметров, рассмотрено решение уравнения без учета запаздывающего аргумента.Большое внимание уделено исследованию взаимосвязи междуусредненными значениями параметров и динамическими процессами в ЖРД методом малых конечных отклонений. Исследованиепроцессов базируется на системе линеаризованных уравнений. Динамические уравнения отличаются от уравнений статики наличиемслагаемых, содержащих производные по времени отклоненийпараметров от их номинальных значений. Исследованию двигателяс помощью дифференциальных уравнений удобно предпослатьисследование двигателя с использованием уравнений статики.Изложен метод линеаризации и порядок определения коэффициентов уравнений.Для двигателей с нагруженными баками и для двигателей,оснащенных турбонаеосным агрегатом, составлены системы алгебраических уравнений, с помощью которых производится настройка двигателя на расчетный (или заданный) режим, определяетсядействие внешних факторов и проводится анализ точности производства.

После всестороннего исследования системы алгебраических (статических) уравнений к ним добавляются слагаемые,содержащие производные переменных. Полученные динамическиеуравнения используются при исследовании переходных процессовна марше.Последний параграф посвящен рассмотрению возможностейиспользования машинной вычислительной техники при исследовании ЖРД. Показано на примерах решение некоторых задачна электронных моделях и машинах дискретного счета.6При работе над книгой наше внимание было в первую очередьобращено на выявление взаимосвязи между процессами; мы старались в пределах принятых допущений математически более точноописать эти процессы и наметить пути анализа и дальнейшегосовершенствования полученных уравнений.Автор считает своим приятным долгом выразить благодарностьдокторам техн. наук, профессорам И.