Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Кроме того, для каждого вида (моды) колебаний возможно возникновение первой, второй и т. д. мод колебаний. На рнс. 5. 10 показаны различные виды поперечных колебаний. Теоретический анализ высокочастотной неустойчивости очень сложен. Хотя имеются десятки трудов, посвященных анализу отдельных видов высокочастотных колебаний, в частности, работы [105), [109), [105), [107), [108), механизм возникновения и поддержания высокочастотных колебаний до настоящего времени изучен далеко не полностью.
Экспериментальные данные показывают, что на высокочастотную неустойчивость в камере ЖРД оказывают влияние системы впрыска топлива, геометрия камеры, процесс расширения в сопле. Различные 207 топлива обладают разной склонностью к возникновению высокочастотных колебаний. Имеется ряд эмпирически полученных рекомендаций по борьбе с высокочастотной неустойчивостью (устройство различного рода перегородок в камере сгорания (112) и т, д.). 5. 4. ЗАПУСК И ОСТАНОВКА ДВИГАТЕЛЯ Запуск и остановка двигателя являются наиболее ответственными стадиями его работы.
Главным требованием, предъявляемым к системам запуска и остановки, является их надежность. На это в зависимости от назначения двигателя накладываются дополнительные требования, связанные с характером и продолжительностью процессов запуска и остановки. Запуск двигателя Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть га. рантировано воспламенение топлива при минимально возможном времени выхода на режим. Сокращение времени выхода на режим позволяет уменьшить необходимый запас топлива, а следовательно, уменьшить стартовый вес, что особенно важно для космических и баллистических ракет.
В некоторых случаях, кроме того, должна быть обеспечена возможность многократного запуска, запуска двигателя в высотных условиях или в условиях космического полета. Специфические требования к организации за~пуска возникают при запуске камер двигателей больших тяг. В зависимости от характера выхода на режим принято различать плавный, ступенчаты й и пушечный запуски.
При п л а в н о м запуске воспламенение происходит при небольшом расходе топлива и с последующим сравнительно плавным нарастанием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбонасосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Продолжительность запуска определяется в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»). Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (нли предварительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двигателей больших тяг.
Необходимость введения промежуточной ступени обусловлена тем, что с ростом тяги, а следовательно, и мощности ТНА время, расходуемое на раскрутку ТНА (инерционность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ничтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного режима.
При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев камеры и образование надежного факела. П у ш е ч н ы м называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавливаются устройства, смягчающие запуск.
Запуски, близкие к пушечному, возможны при использовании вытеснительных систем подачи. Способы зажигания В зависимости от применяемого топлива, типа двигателя и условий эксплуатации применяемые способы зажигания можно разделить на: — химические; .Оч — пиротехнические; — электрические. Хи м н ч е с кое з а ж и г а н и е представляет собой самовоспламенение соответственно подобранных компонентов топлива. Такое зажигание всегда имеет место при работе двигателя на самовоспламеняющихся компонентах. При этом возможен многократный запуск двигателя.
Химическое зажигание применяется также в двигателях, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах. В этом случае в камеру сгорания сначала подаются пусковые самовоспламеняющиеся компояенты и только после образования в камере мощного факела подаются основные компоненты. При несамовоспламеняющихся компонентах для обеспечения запуска используются также различные добавки к одному из компонентов, которые приводят к образованию самовоспламеняющейся смеси (аапример, присадка к горючему триэтилалюминия, который самовоспламеняется с кислородом).
Пир отехннчес кое з аж ига н и е — воспламенение с помощью специального пиропатрона, который горит в течение нескольких секунд я дает факел высокой температуры. Пиропатрон монтируют или в головке (как, например, в 7КРД ОРМ-55 и в двигателе КХ-2), или вводят со стороны сопла на специальной державке. После воспламенения пиропатрона подается жидкое топливо предварительно с небольшим расходом, а затем подача топлива увеличивается до номинального расхода.
' Пиропатроны обычно воспламеняются с помощью электрической нити накаливания. Пиротехническое зажигание можно применять в камерах всех тяг одноразового и многоразового действия, но однократного пуска. В ЖРД многократного пуска (например, самолетные ЖРД) пиротехническое зажигание неприемлемо. Э л е к т р и ч е с к о е з а ж и г а н и е производится с помощью электрической искровой или факельной свечи и находит применение в кислородно-водородных двигателях, (например, КЕ-10), в авиационных ЖРД, двигателях небольших тяг и экспериментальных двигателях, предназначенных для стендовых испытаний.
Недостатком этого способа является сравнительно малая тепловая мощность электрической свечи. Поэтому часто при применении электрического зажигания с помощью свечи воспламеняют топливо при небольшом расходе в форкамере, где создается дежурный факел, от которого уже происходит воспламенение компонентов при основном расходе. Кроме того, для обеспечения электрического зажигания необходим источник электрической энергии, который не всегда имеется на летательном аппарате. Электрическое зажигание удобно использовать в камерах многоразового действия и многократного запуска. Для воспламенения некоторых топлив (например, перекиси водорода) возможно использование каталитических поверхностей, способствующих возникновению реакции. Изменение давления в камере сгорания нри запуске Важными характеристиками запуска являются с ко р о от ь н а р астани я давления в камере при запуске (др/Ыт) и величина з- аб ос а (или пика) давления, т.
е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номинальному. Величины скорости нарастания давления и заброса давления ха. рактеризуют жест кость запуска. Чем больше эти величины, тем более жестким является запуск. На рис. 5. 11 приведены типичные графики изменения давления в камере сгорания при запуске. Запуск, протекающий в соответствии с кривой д, очевидно, является наиболее жестким.
209 При больших значения др/Ж и большом забросе давления появляется опасность разрушения и даже взрыва камеры как вследствие потери ее прочности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива. Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива т,. Очевидно, чем больше значение т„ тем болыпе успеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс давления. Оценим приближенно величину максимального заброса давления при запуске репах.
Рис. о. 1!. Изменение давления в камере при запуске: У вЂ” плавнмй запуск; 2-сгупенчачмй запуск; 3-тесхкий запуск, чз — время задержки воспламенения Количество топлива, поступившего в камеру сгорания от начала подача до начала воспламенения, равно в ) О(т)г(т=О т, о (5. 13) где О, „— некоторый средний пусковой расход; т,— время задержки воспламенения. Если предположить, что в момент воспламенения сгорание произошло мгновенно, то в соответствии с уравнением состояния максимальное давление заброса будет КГ ртах =Опуск а (5. 14) где Т и Я вЂ” температура сгорания и газовая постоянная продуктов сгорания при запуске.
Согласно уравнению (5.5) при установившемся режиме работы давление в камере сгорания р =От Рзт 2 усл к (5. 15) Сопоставляя уравнения (5.14) и (5.15) и считая значения 1т и Т при запуске, равными значениям 1тз и Т2 на установившемся режиме, получим Ртах ~лусаке (5. 16) Р2 ~туса Это выражение позволяет грубо оценить максимально возможное пре. вышение давления при запуске. 210 В действительности, так как сгорание не мгновенное и, кроме того, значение РТ при запуске меньше, чем РзТ,: Ввпвзз сусл з 0 т Рз отусз При запусках, близких к пушечным, б,у,п — — (1,5 — 2) 0; при плавном запуске 6, „в(6.
Время задержки воспламенения т, обычно в несколько раз больше, чем т,„. Поэтому именно т, оказывает решающее влияние на величину максимального заброса давления при запуске. Для применяемых в ЖРД самовоспламеняющихся топлив т, равно времени задержки самовоспламенения и лежит в пределах 0,01— 0,03 сек. Для несамовоспламеняющнхся топлив т, в основном зависит от рода топлива и мощности зажигательного устройства и примерно на порядок меньше, чем для самовоспламеняющихся топлив. В общем слу. чае на величину т, и, следовательно, на жесткость запуска существенно влияет еще ряд факторов, определяемых условиями проведения запуска н конструкцией ЖРД.
(5. 17) Влияние условий запуска двигателя 211 а) Н а ч а л ь и а я т е м п е р а ту р а топ л и в а. Изменение иачаль. ной температуры приводит к изменению химической активности топлива, з также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вязкость, поверхностное натяжение). С уменьше. наем начальной температуры т, увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с — !О до — 30'С время задержки воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 сек, т. е. более чем в два раза.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
