Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Волны в камере могут воздействовать и на недостаточно жестку>о форсуночную головку, вызывая своеобразный мембранный эффект, обусловлпван>- щий дополнительный впрыск топлива и качеру в х>о>!!ч!т повышения давлщшя у голонки. другой внутренний ко,>«би. 219 тслшпий контур, подмеченный г(. Крокко, будет рассмотрен в следующем параграфе. 3. Генерирование колебании может происходить в результате взаимодействия камеры двигателя и системы подачи.
В этом случае между этими звеньями автоколебательного контура устанавливается прямая н обратная связь. Прямое влияние системы подачи на камеру закшо шется в точ, что, например, уветичеиие секундного расхода зоп„швз некоторым запаздыванием во времени повышает ри. Обратное же влияние камеры на систему подачи состоит в точ, чго повышение р, ) меньшает расход топтива. Вторым примером вазах~ного влияния этих частгй двигательной бстаиовки »он'сг быть вийрипионнос воздгйстиие камеры иа спс~сч1 подачи, в результате чего секундный расход топлива пожег колебаться, вызывая пульсации давления газа в камере. В настоягцее время неустойчивые режимы работы гКРД принято подразделять на два основных вида: низкочастотные и высокочастотные. К первым относят неустойчивые режимы, характеризующиеся частотой колебаний (и от 50 ло 200 гп, ко втоРым — Режимы с частотой колебаний )а от 600 ги и выше (до 1500 — 2000 ги).
Такая классификация, конечно, не является исчерпывающей, поскольку на практике иногда встреча|отея неустой швые режимы с колебаниями параметров, чзстота которых является промежуточной между указанными. Однако в основном она правильно разделяет неустойчивые режимы. Эго разделение связано не столько с чисто формальным (количественным) значением частот колебаний, сколько с отличием в характере протекания п последствиях возиикновен ~я неустойчивого режима. Низкочастотные колебания возникают главиыч образом при дросселировании двигателя, т. е.
прп уменьшении его тяги путем уменьшения расхода топлива, а также и в тех случаях, которые сходны с дросселированием тем, что горение топлива происходит в условиях пониженного давления, грубого распыла, при слабо развитых обратных токах (пз-за малых скоростей впрыска) и как следствие всех этих факторов прп большом времени выгорания (времени преобразовалил) топлива. Эти колебания сопровождаются гулом низкого тона (гудением) и рокочущими пульсациями. При низкошастотной неустойчивости период колеоания давления 1 Ти(Ти = — ) велик по сравнению со временем пробега воли ной давления" наибольшего размера камеры Л, т.
е. длина * Волны давления небольшой амплитуды распространяются а газе со скоростью изака а. 220 ВОЛНЫ )в ИИЗКОЧЗСтоти|ЛХ КОЛЕбаннй (1п=-ОТп) ЭНЗЧПтСЛЬНО больше размера камеры ( (ри|ь 5.2). Ввиду этого гзз в камере может рассматриваться как система с сосредоточенными параметрами. Иными словамп, прп низкочастотной неустойчивости газ в камере колеблется как одно целое и его параметры во всех точках камеры в каждый момент времени можно считать практически одииаковымп, т.
с. колеба|шя парамегров газа являются колебаниями |ольки ВО врс. меня и поэтому могут быль описаны дпфф реицизльными ураВненнячи В полных прОизводн|их. Лмплиту |ы низкочаст |тных колебаний обычно велик" и сп'и'О'|ны ВызВВ|ь НОВрсждг ние или разр|шснпс камеры двигагеля, причем характер разрушения обычно соответствует такому нагружению камеры, которое она испытывает ) „= =пт„ при равномерном увеличения давления. Таким образом, зти нпс, Взк цсптпоп~епчс чсп тт ллпразрушения имеют механиче- ппй пвчсри сгпивппп т- и хлпв (| СиуЮ Прнроду И СХОдиЫ С раэ- ВПЛПЫ Хв Прп ППЛСВЫШях ППВВСГ| рушвниями при статических испытаниях камер.
Специфическими являются и средства борьбы с неустойчивым горением этого вида: повышение перепада давления на форсунках, увеличение объема камеры, улучшение распыла п смесеобразования, использование химически более активных, например самовоспламеняющихся, топлив и другие. Видно, что все зти мероприятия сводятся главным образом к тому, чтобы улучшить условия горения топ,чивз В камере, уменьшить время его преобразования. Колебания высокой частоты, наоборот, чаще возника|от при форсированных режимах работы двигателя, при использовании высокоактивных горючих и окислителей, качественном (мелком и однородном) распыле компонентов топлива, малом времени преобразования топлива, увеличении продольных и поперечных размеров камеры.
Внец|ннм признаком высокочастотной неустойчивости при работе ЖРД служит издаваемый двигателем резкий и сильный свист (визг или звон) высокого тона. Высокочастотная неустойчивость представляет собой резонансные колебания газа в камере, связанные с местнымп колебаниями процесса горения. Эта связь обусловлена в основном зависимостью скорости горения топлива от давления (как известно, с увеличением тавления скорость горения топлива повышается). Случайно возникшее незначительное возмущенпе давления в какой-либо точке камеры распро. страняется в газе во все стороны в виде волн давленич, ана. логичных обычным звуковым. Многократно отражаясь от 'тонок, эгп волны ппнрфсрпруют зпждт собой, образуя ~оячие волны со сложноп конфиг)раппе~ узлов и п)чностей. В узлах давление постоянно, а в пучностях оно меняется с наиоольшеи амплитудой.
При нормальных условиях эти случайные возмущения оыстро затухают, так как их начальные амплптудгя ничтожны. Однако если период колебания давления в пучпостях бу гет близок ко времени преобразования ;оплпиа, то колсозппн давлении п выплваемгяе ими котебэгшя газоны'Гслецпя могут усилить друг друга и развиться в упорядоченные высокочастотные колебания. Их период Т,== =-= 1,,'~, обычно близок к периоду собственных колебаний газа Т,„,. в трэбс длиной 1., закрытой с обоих концов гГ.,„,.=-.2Ци), иоэг ~му высокочагго~ныс кол банни называют также акустическими. Длина волны высоко шстомпгх колебаний ).„.=иу'„ уже соизмерима с линейными размерами камеры. Л это значит, что при этих колебаниях газ в камере уже нельзя рассматривап как системч с сосредоточоннымп параметрами, ибо его давление, тем:кратура, скорость и другис свойства в один и тот же момент времени будут неодинаковы в различных часгях камеры.
Поэтому при высокочастотных колебаниях газ в камере рассматривается уже как система с распрсделеннымп параметрами и пх колебания опнсываютгя дифференциальными уравнениями в частных производных. Лмплитуды колебаний давления прн высокочастотной неустойчивости обычно невелики, и они редко разрушают камерыы. г)о волновые явления интенсифицируют горение и резко усиливают перемешивапие пристеночиого слоя с ядром потока. Это приводит к выгорапию газовой завесы и повышешпо температуры газа у степки, по сопровождается сильным возрастанием теплового потока к пей и ее прогаром за очень короткий промежуток времени (! — 2 сея), Одновременно зона развитого горения приближается к огневому днищу головки, вследствие чего дшпце и форсупки обгорают. Кроме того, высокочастотные колебания вызывают сильные вибрации камеры, приводящие к возникновению зцакопеременпых нагрузок, соответствующих ускорениям от 50 и до 500д и более.
Этп нагрузки, которые носят ярко выраженный динамический характер, являкэтся причиной механических разрушений конструкции двигателя. Такие специфические разрушения никогда не воспроизводятся при статических испытаниях камер на прочность и позволяют определить характер неустойчивого режима работы двигателя при аварии. В некоторых случаях, особенно в камерах с большими поперсчньи|и размерами, амплитуды колебаний давления прп высщми1а готной пг)ттон швоаи возраотают настолько оыс ~ро 222 и силы10, что способны Вызват! э!ока|1!И!сскпс (ВзрыВООб(|Взнос) разру!пенис камеры.
Таковы общие сведсиня о исус!ойчивых рс,кимах горения ЖРД. й 5.2. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КАМЕРАХ ЖРД Колебат!я низкой частоты возникают главным ооразом В результате взаимодействия камеры |вигателя с системой топливоподачи, Камера при этж! с,|гжиг либо усилителем моин|ости колебании, либо Вз!ест! с сищ! чой подачи образусг автоколебательиый контур. Основной причиной этих колебаний является временное запаздывание превра!ценна жидкого топлива в газообразные продукты сгорания, т. е.
наличие конечного времени профобразования з„Это значит, что каждая порция топлива, попадая в камеру, с|орает не мгновенно, а по истечении некоторого малого, ио конечного промежУтКа ВРЕМЕНИ т„. НаЛИЧИЕ т„ПРИВОДИТ К ТОМУ, Что ПРИ ПЗ- м|'пеппи расхода жидкОГО топлиВВ;|ВВлсиис В камере принимает значение, соответствукицес измененному расходу, нс сразу, ие и!ноиеппо, а через .„секунд. Следовательно, давление в камере в каждый момент времени пк(/) определяется значением расхода топлива, имевшим место т„секунд назад. В то же время в первом приолижении можно считать, что расход газа через сопло 6„,(1) пропорционален мгновенному значению давления в камере р„(!) (см. уравнение 2.55) и расход жидкого топлива через форсунки сгь(1) пропорционален корню квадратному из мгновенной разности давления перед форсунками 11ф(1) и в камере р„(1) (см.
формулу 1.4), т. ел Таким образом, в Ж!'Д мел!ду расходом топлива и давле. пнем в камере существует обратная связь, причем эта связь является запаздыва!ощеп. Из теории автоз|ат!и!еского регулирования известно, что стационарный режим систем с запаздывающей обратной связью при определенных сочетаниях величины и вида запаздывания, величины обратной связи и значений других параметров системы может быть неустойчивым. В таких системах без воздействия внешних периодических сил возможно установление колебательных режимов.
Следовательно, )КРД по своей природе является потенциально неустойчивой системой, в которой при определенном сочетании условий эта неустойчзтпость может с неизбежностью реализоваться. Установим конкретно, почему и как могут возбуждаться низкочастотные автоколебания в ЖРД. Рассмотрим это явление в ввигателе самой простейшей схемы — в однокомпонентном ЖРД с оаллониой подачей топлива и короткими трубопро- еаз Рис. 5.3, унрощенная схема возникновения ко- лебания низина частоты в камере ЖРЛ водами. Чтобы исключить влияние процессов и системе подачи иа пропссс в камере, будем полагать, что давление перси форсуиками поддерживается постоянным ()з!,=-сопя!) и горение топлива описывается ступенчатой кривой вьшорания !гм. рпг. !О.!), которая показывает, что каждая поступаю. щая в камеру порция топлива некоторое время !условное тн) пс горич, а затем мгновенно преврашается в конечные продуиты реакции Согласно этой схеме в камере в каждый момент сгорают те порции топлива, которые поступили в иее тв секунд назад.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
