Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Таким образом, с развитием ЖРД и увеличением давления в камере имеет место тенденция к уменьшению объема камеры сгорания. 5. 3. НЕУСТОЙЧИВОЕ ГОРЕНИЕ В камере ЖРД в некоторых случаях возникает неустойчивое (виб. рационное) горение. При этом происходят колебания давления, сопровождаемые колебаниями температуры, состава и скорости газа в камере. Колебания давления могут происходить в широком диапазоне амплитуд от долей атмосферы до величины среднего давления в камере, при частотах колебаний от десятков до нескольких тысяч герц. Под неустойчивым горением понимают не случайно возникшие и сразу затухающие колебания (всплески) давления, а периодическиее колебания с определенными частотами и амплитудами, которые, начавшись от той или иной причины, поддерживаются вследствие возникновения регулярного автоколебательного процесса.
1 р сопз1 Очевидно, что 1,, так же как и тт,, мало зависит от давления в камере сгорания. Зная 1 р, мы всегда можем определить тт, . Так, например, если для топлива кислород+керосин примем 1,р — — 1250 мм, то считая приближенно и =1,13 (т. е. А„=1,98), )гз —— =35 кГ м/кг ° град (343 дж/кг град) и Та=3550'К, получим соответствующее данному 1щ, значение т,„: 1,25 т,„— . — .
— 0,0018 ген. А„~l ЦзТз 1,88У' 35 3550 Обычно различают два основных типа колебаний: Низкочастотные колебания, имеющие частоту колебаний от десятков до нескольких сот герц. Высокочастотные колебания с частотой колебаний до 10— 12 тыс. герц. На рис. 5. 6 показаны типичные графики изменения давления при низкочастотных и высокочастотных колебаниях. Границу между низкочастотными и высокочастотными колебаниями можно установить, сопоставляя период колебаний Т и время пребывания в камере сгорания т.
Если Т)т, газы в камере колеблются как единое целое. Такие колебания относят к низкочастотным. Так, например, при т=0,002 сгк„ дат сеь Оау ен а) дщ сел б) г) а Рис. б.б. Колебания давления в камере: а, б-низкочастотнан неустойчивость; в — высокочастотнан неустойчивость з †наложен низкочастотных и высокочастотных колебаний колебания с частотой 1<500 гц (Т)0,002 сек) относятся к низкочастотным. Если Т<т, то можно проследить распространение волны по камере. Такие колебания относятся к высокочастотным. Иногда отличают колебания с промежуточной частотой (107), возникающие вследствие колебаний состава смеси, подаваемой в камеру.
Возникновение неустойчивости горения в ЖРД крайне нежелательно. При низкочастотной неустойчивости могут иметь место колебания давления с ам~плитудой, приводящей к разрушению камеры, сильные вибрации всей двигательной установки, уменьшение удельной тяги. Основным следствием высокочастотных колебаний является интенсификация теплообмена из-за разрушения (размыва) пограничного слоя, приводящая к прогару камеры. Процессы, происходящие при неустойчивом горении, изучены еще недостаточно и являются предметом тщательного теоретического и экспериментального изучения. Хотя имеется ряд работ, в которых проведен широкий анализ явлений при неустойчивом горении (105], (109), (4), [66)„ общая теория неустойчивого горения в ЖРД пока не опубликована.
Рассмотрим основные явления при неустойчивом горении. Низкочастотная неустойчивость Характерным признаком низкочастотных колебаний является превышение периода колебаний над временем пребывания, т. е. колебания давления происходят сразу во всем объеме камеры. Причины возникновения и;поддержания низкочастотных колебаний связаны в первую очередь с наличием времени задержки воспламенения, а также с динамическими характеристиками элементов системы подачи. При этом механизм возникновения неустойчивости можно представить следующим образом (рис.
5.7). Пусть в камере сгорания по какой-либо причине произошло случайное колебание давления (кривая 1). В начальный момент при увели- 204 чении давления в камере перепад на форсунках Арф соответственно уменьшился (кривая 2). Однако расход подаваемых компонентов сразу не изменяется, так как система подачи не может мгновенно реагировать на изменение Ьрф. Необходимо некоторое время т„д, в течение которого расход топлива уменьшится в соответствии с уменьшением Арф. Иными словами, изменение подачи при изменении давления рз будет происходить с запаздыванием на время т„(кривая 3). Воспламенение топлива будет запаздывать относительно подачи еще на время задержки воспламенения та (кривая 4). Но так как камера сгорания имеет определенную емкость, изменение количества сгоревшего топлива скажется на изменении давления в камере не сразу, а с запозданием на некоторое время тиса, (кри- рг вая Б).
Таким образом, изменение в какой то момент давления в камере рз спустя время таад+та+тиаи проявится в виде влияния на давление уже вследствие из- Рф менения количества сгоревшего топлива. Если сумма твои+та+твин равна полупе- Со од риоду колебания давления, то влияние уменьшения количества сгоревшего топ- б 5 лива на рз скажется как раз в тот момент, когда это давление будет наименьшим.
Это приведет к новому уменьшению давления, вследствие чего колебания давления, раз возникнув, будут поддерживаться без затухания. -1 5 Аналогично, при уменьшении давления влияние увеличения расхода компонентов проявится при наибольшем давленин в камере. Таким образом, из-за смещения фаз в изменении давления и влияния этого изменения на давление в камере происходвт самовозбужден колебаний. Рис. о. 7. Механизм возниинове- При этом колебания давления в ка нин низкочастотной неустойчиво- мере приводят к колебаниям подачи, а следовательно, и давления топлива в системе подачи.
То есть при низкочастотных колебаниях происходят колебания во всей системе подачи. В некоторых случаях возможно возбуждение низкочастотных колебаний только внутри камеры, при сохранении неизменной подачи топлива. Это так называемая внутрикамерная низкочастотная неустойчивость, возникающая независимо от характеристик системы подачи. Причиной ее возникновения является колебание времени задержки воспламенения т, вследствие колебания значений параметров газа (давления, температуры и т.
д.) в камере. Теоретический анализ низкочастотной неустойчивости для различных случаев возникновения приведен в работах (105), [4). Достаточно хорошо согласующиеся с теорией экспериментальные данные, приведенные в указанных работах, позволяют установить влияние некоторых параметров работы ЖРД на низкочастотную неустойчивость. Частота и амплитуда колебаний зависят прежде всего от давления в камере и от рода топлива.
Увеличение давления приводит к увеличению частоты и уменьшению амплитуды колебаний. Значительное снижение давления может привести к опасному увеличению амплитуды. Для самовоспламеняющихся топлив характерно увеличение частот и уменьшение амплитуды колебаний; увеличение объема камеры приводит к уменьше- 205 нию частоты колебаний и уменьшению амплитуды; увеличение перепада давления на форсунках арнводит к возрастанию частоты. Соотношение компонентов хь мало влияет на частоту колебаний. Однако устойчивость горения сильно зависит от величины т. На рис, б. 8 приведены результа гы экспериментального исследования устойчивооь сти работы ЖРД на топливе НХОа+фурфуриловый спирт при изменении коэффициента избытка 75 окислителя а и давления в камере рь 7,5 Высокочастотная неустойчивость 075 УО ьог ном Рис.
5.9. Виды (моды) высокочастотных ко лебаиий в камере ЖРД: а †продольн; б — танганцньльным а †радиальн — — — †лин равных даалннна 205 й5 Кроме низкочастотных колеба- 05 ний, в камере ЖРД возможно также возникновение высокочастотных колебаний с частотой порядка нерио.
5.В. Влияние о и давления иа скольких тысяч герц (в некоторых устойчивость горения; случаях до 10 — 12 тыс. герц). При этом период колебаний меньше времени пребывания продуктов сгорания в камере, так что можно проследить распространение волны давления по камере. Таким образом, при высокочастотной неустойчивости в отличие от низкочастотной возникают местные колебания давления, а не сразу во всем объеме, что приводит к неоднородности по объему камеры давления (и других параметров) в данный момент времени. При этом высокочастотные колебания в камере практически не влияют на давление подачи и расход компонентов. В зависимости от условий в камере сгорания ЖРД и ее геометрии возможно возбуждение двух основных типов колебаний: ( ! 1! продольных и попереч; а) ~1! ) т ~11 ~ 111 11! н ы х.
В свою очередь поперечные колебания разделяются на тангенциальные и радиальные. 1 ~1)(1 ('~ 1'Ч При продольных колеба- б) ниях параметры газов в камере (давление, температура и т. д.) изменяются вдоль оси камеры. При этом в сечениях камеры, перпендикулярных к оси, пара- хЛ ~ метры газа имеют одинаковые значения. у 5Х' ~е 7 При поперечных колеба- л ~.л ниах (тангенциальных или радиальных) изменение параметров происходит в плоскости, перпендикулярной оси камеры; параметры газа вдоль каждой линии, параллельной оси камеры, остаются постоянными.
Тангенциальные колебания могут существовать в двух формах: в форме стоячей волны, при которой поверхности узлов стационарны, н в форме вращающейся волны, в которой узловые поверхности вращаются. На рис, 5.9 приведены схемы различных видов (мод) колебаний [109). Пунктиром показаны линии равных значений давлений; стрелками — направление пульсационного движения газовых масс. Слева показан момент, когда массы движутся вправо, а справа— через полпериода. При продольных колебаниях (см. рис.
5.9,а) газы движутся вдоль оси камеры, так что пульсационные составляющие складываются со средней скоростью. При тангенциальных колебаниях б) а) Рис. 5. 1О. Виды поперечных колеба. ниах о — чисто тангенциальные моды; б — чисто радиальные моды; в — смешанные моды (см. рис. 5. 9, б) вследствие того, что поперечное сечение камеры является кругом, линии равных давлений перестают быть прямыми. При радиальных колебаниях (см. рис. 5.9,в) осью симметрии является ось камеры сгорания. В камере ЖРД колебания не всегда возбуждаются в виде «чистых» продольных или поперечных колебаний. Часто происходят смешанные (комбинированные) колебания, представляющие собой сочетание продольных и поперечных колебаний или сочетание различных видов (мод) поперечных колебаний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
