Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Сравиеиие клипы волиы и размеров камеры сгораиия длина волны превосходит размеры камеры сгорания, а период колебаний — время пребывания газа в камере. Отсюда можно считать, что изменение давления в различных частях КС происходит практически одновременно, т. е. проследить распространение волны давления по объему камеры сгорания практически невозможно (газ колеблется как одно целое); б) при высокочастотных колебаниях (рис. 9.2, б) длина волны вполне сопоставима с размерами камер сгорания, а период колебаний меньше времени пребывания газа в камере. Поэтому изменение давления в различных частях КС происходит в соответствии с распространением волны давления по объему камеры, которую теперь можно проследить; в) при промежуточных колебаниях период и частота определяются, как и при низкочастотных колебаниях, но приходится учитывать и волновые явления.
й 9.2. КАЧЕСТВЕННЫИ МЕХАНИЗМ ВОЗБУ)КДЕНИЯ КОЛЕБАНИИ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Как известно, всякий механический колебательный процесс в любой реальной системе связан с потерями — рассеянием колебательной энергии. Например, колебания маятника, струны по мере рассеяния энергии постепенно затухают. Колебания в ЖРД также являются механическими колебаниями упругой среды — газа в камере сгорания и жидкости в трубопроводах и полостях гидравлического тракта системы подачи компонентов.
Эти колебания также происходят с потерями — рассеянием колебательной энергии. Потери энергии колебания газа в камере сгорания гроисходят по различным каналам: часть ее «выносится» вместе с расходом через сопло; часть теряется из-за наличия молекулярного и турбулентного трения в газе; часть энергии теряется ввиду ее передачи другим упругим элементам — стенкам и головке КС, жидким каплям, твердым частицам и т. п. Аналогичные потери колебательной; энергии имеют место и в системе подачи компонентов. 233 а) б) Елрсят Ераг е Рис. 9.3. Соотношение между притоком и расходом колебательной энергии и случае: а — устойчивого двагателя; б — неустсйчявсгс двигателя: е — условно устойчивого двигателя Отсюда для поддержания и развития колебаний в КС, как всякой механической колебательной системы, необходимо иметь два условия: 1) источник энергии, который мог бы пополнить энергию колебаний по мере ее рассеяния; 2) механизм, который бы приводил в согласованное взаимодействие источник энергии с колебаниями.
Первое условие вполне понятно: для поддержания колебаний давления в камере, при которых происходит непрерывный расход †днссипация колебательной энергии, последняя должна восполняться. В зависимости от соотношения между потерями — расходом колебательной энергии и ее восполнением — притоком — жидкостные ракетные двигатели по характеру возбуждения колебаний условно можно классифицировать на следующие типы двигателей: 1) устойчивые; 2) неустойчивые; 3) условно устойчивые или с «жестким» возбуждением. Двигатели, отнесенные к типу устойчивых, отличаются тем, что в них или вообще невозможно возбуждение каких-либо колебаний, или возможно возбуждение только стационарных колебаний с небольшой амплитудой, порядка 5 — 10% от среднего давления, которые ни при каких условиях не переходят в опасные колебания.
Такое поведение двигателя следует из соотношения между расходом колебательной энергии и ее притоком, которое качественно представлено на рис. 9.3, а. Для кривой Е,у„,г расход энергии всегда больше ее притока и колебания невозможны — двигатель является «а 6 с о л ют н о» устой ч и в ы м: любые случайные колебания будут затухать.
Для кривой Е„р„,п приток энергии до определенной малой амплитуды колебания давления Лр„.„ан превышает ее расход, а затем расход энергии становится больше ее притока. Благодаря такому взаимному соотношению между расходом и притоком колебательной энергии в камере возможно возбуждение устойчивых стационарных колебаний, но с малой амплитудой р„.„,н — — (0,05 —:. —:0,10) р„.
Двигатели, отнесенные к типу неустойчивых, отличаются тем, что в них возбуждаются колебания либо с нарастающей амплитудой, либо стационарные, но с недопустимо большой амплитудой, превышающей (15 — 20)% рн. Такое поведение двигателя также можно обьяснить соотношением между расходом и притоком колебательной энергии, качественно представленным на рис. 9.3, б. Для кривой Е„в т с самого начала появления колебаний приток энергии превышает ее расход.
Благодаря этому возникшие колебания будут постоянно увеличивать свою амплитуду. Причем вначале превышение притока энергии над ее расходом незначительное, и амплитуда нарастает медленно. Затем, по мере ее увеличения, разница между притоком колебательной энергии и расходом становится больше, н амплитуда колебаний начинает расти быстрее. Такие двигатели иногда называют двигателями с мягким возбуждением.
Для кривой Е„р„,п амплитуда колебаний ограничивается стационарным значением Лрн н как и в случае устойчивого двигателя. Однако здесь равновесие между притоком и расходом колебательной энергии достигается при недопустимо большой амплитуде колебаний и поэтому такой двигатель относится к н еу сто й ч и в о м у типу. Наконец, двигатель, отнесенный к типу у сл о в н о у от о йч и в о м у, характеризуется тем, что в определенных условиях он является устойчивым — колебания давления, если и возбуждаются, то носят стационарный характер с неболыпой амплитудой.
Однако в других условиях, если возникнут случайные колебания импульсного характера, при которых амплитуда превысит некоторое «критическое» значение, двигатель сразу переходит в неустойчивую область с резким нарастанием амплитуды. )и Такой характер возбуждения колебаний следует из соотношения между расходом и притоком колебательной энергии, качественно показанного на рис. 9.3, в. В двух областях приток энергии превышает ее расход прн амплитудах меньше Ьря ш н больше Ьр„ „. Отсюда в первой области возможно возбуждение стационарных колебаний с небольшой амплитудой, во второй — с большой и возрастающей.
Переход из одной области устойчивости во вторую происходит скачком: в случае появления импульсов давления, превышающих Ло„ Второе условие возбуждения колебаний связано с тем, что передача энергии колебательной системе, происходящая в виде силового взаимодействия источника энергии н колебательной системы, должна производиться в фазе с колебаниями: только в этом случае «толчки» источника энергии будут усиливать колебания. В противном случае они будут гасить или демпфировать колебания. Источником энергии при колебаниях давления в камере является энергия сгорания топлива — выделяющаяся теплота.
А для того чтобы выделение теплоты происходило в согласованном взаимодействии с колебаниями давления, в камере должен быть некоторый механизм, с помощью которого колебания давления в камере воздействовали бы на про- 1 цесс выделения теплоты. Таковыми механиз- 2 мами в камере ЯРД являются чувствитель- ности к колебаниям давления в камере про- 1 цесса горения компонентов или внутрикамерный механизм и подачи или расхода топлива в камеру через форсунки расходный или гиде равлический"механизм. Процесс горения в КС или процесс превращения исходных компонентов топлива в конечные ПС, истекающие через сопла, очень сложен и складывается из целого ряда элементарных последовательных процессов, которые весьма схематически представлены на Ркс.
9.4. Схематическое рис. 9.4 (по горизонтали отложено время)." представление»ленск- впрыска топлива, распыливания и первоначального перемешивания 1; прогрева и испарения 2; перемешивания паров окислителя и горючего между собой и с ПС 3; собственно горения — химическими реакциями 4, заполнения объема КС поступающими из зоны горения ПС и перемешивания их при движении вдоль камеры сгорания 5 и, наконец, истечения газов из камеры сгорания через сопло наружу. Ввиду того что многие процессы протекают параллельно, общее время горения определяется в основном наиболее медленным процессом. "прогревом и испарением компонентов топлива 2, если исходные компоненты (один или оба) жидкие.
Если же исходные компоненты — газы, то наиболее медленным процессом будет процесс перемешивания 3. На случайные колебания давления в камере различные элементарные процессы отзываются по-разному: одни процессы изменяют скорость больше, другие — меньше, третьи вообще могут не реагировать на колебания. . Изменение скорости протекания элементарных процессов приводит к изменению секундного количества поступающих из зоны горения ПС, тесно связанного с выделением энергии. Это в свою очередь воздействует на первичные колебания давления в камере, явившиеся причиной нарушения нормального протекания элементарных процессов, вызывая усиление или ослабление этих колебаний. Что касается второго механизма — взаимодействие колебаний давления в камере с подачей топлива, то его природа проста: расход топлива через форсунки головки камеры сгорания зависит от противодавления, т.
е. от давления в камере. Отсюда периодические колебания давления и 2зб камере вызывают соответствующие колебания расхода топлива через форсунки и далее через цепь последовательных процессов появятся соответствующие колебания выделения ПС и теплоты. Таким образом, при обоих механизмах колебания давления в камере сгорания вызывают, в конечном итоге, соответствующие колебания выделения из зоны горения ПС и теплоты. Разница только та, что в первом случае коле- лчизв бания р„воздействуют на различные ль составляю1цие процесса горения, а во втором случае — непосредственно на секундный расход топлива через форсунки. Однако результат получается г«г одинаковый: в обоих случаях колебания давления в камере управляют колебаниями выделения энергии, которые при соответствующих условиях оикедк будут в резонансе с колебаниями р„.
Следуя теории Б. В. Раушенбаха, можно сказать, что в таком случае ркс. 9.Б тсрыодкквыкческкй устанавливается своеобразный круго- цикл црк колсвкккях давлении вой термодинамический цикл (рис в камере сгорания в коордикк- 9.5): при положительной полуволне р „— сжатии газа — выделяется избыточное количество теплоты А(е„,в, что эквивалентно подводу теплоты, а при отрицательной полуволне р„ — расширении газа — не- довыделЯетсЯ некотоРое количество теплоты А(2„«к„, что эквивалентно отводу теплоты.
В результате такого цикла выделяющаяся избыточная теплота частично будет преобразовываться в «полезную» работу АŠ— механическую энергию колебаний газа в камере. й 9.3. ПРОЦЕСС ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА. «ч — ВРЕМЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Проследим за некоторой элементарной массой топлива с момента ее поступления в КС и до момента ее полного преобразования в ПС. Элементарная масса исходных компонентов после впрыска в камеру сгорает не сразу, а пройдет сложный и сравнительно длительный путь «последовательных превращений», прежде чем она полностью выгорает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
