Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Высокочастотные колебания при взаимодействии колебаний давления в камере с процессом горения. Подача топлива в камеру не зависит от колебаний )7„, т. е. пгФ= сопи(. Случайные колебания возле головки (кривая на рис. 9.22, а) в данном случае воздействуют на процесс горения, что в конечном итоге проявляется как изменение времени сгорания т . Зависимость времени сгорания от изменения давления в зоне горения следующая: т уменьшается, если в течение этого периода среднее давление было выше номинального, и, наоборот, возрастает, если среднее давление в течение промежутка этого времени было ниже номинального. Кривая на рис.
9.22, б показывает характер изменения времени т, вызванный изменением давления в зоне горения. Изменение величины времени сгорания т вызывает соответствующее колебание секундного поступления ПС из зоны горения (рис. 9.22, в). Не повторяя рассуждений, сделанных в аналогичном случае низкочастотных колебаний, напомним, что минимальному отрицательному градиенту — Йт /х(г соответствует максимальное поступление ПС и, наоборот, максимальному положительному градиенту +«(т /и/ соответствует минимальное поступление ПС. Кривая на рис. 9.22, г изображает изменение секундного поступления ПС из зоны горения относительно изменения величины т„.
Затем, так же как и в предыдущем случае, колебательный характер секундного притока ПС вызовет колебательный характер изменения местного давления в зоне горения, которая рассматривается в виде очень узкой области, расположенной непосредственно возле головки. Кривая на рис. 9.22, д показывает колебания давления возле головки, вызываемые воздействием начальных колебаний на процесс горения. Из графика видно, что резонанс по частоте и фазе начальных и вынужденных колебаний будет выполняться, если соблюдается равенство тп = (1, 3, 5, ... ) Т!2 = (1, 3, 5, ...
)/(2/). (9.1226) Опять же, учитывая, что частота / в данном случае полностью определяется акустическими свойствами КС, из соотношения (9.122,6) следует условие, когда высокочастотные колебания будут поддерживаться рассмотренным выше механизмом (взаимодействие колебаний давления с процессом горения). Так, например, при величине времени т„= 0,001с получаем следующие резонансные частоты колебаний, которые будет поддерживать механизм горения: ~, = 1/(2т ) = 500 Гц; /з = 3/(2т„) = 1500 Гц; )з = 5/(2« ) = 2500 Гц. Итак, мы рассмотрели с физической точки зрения механизм поддержания высокочастотных колебаний. Как видно, он полностью совпадает с механизмом, действующим при низкочастотных колебаниях.
271 Разница практически сводится к тому, что при низкочастотных колебаниях частота их определяется временныии характеристиками системы подачи т„и камеры сгорания т„. При высокочастотных колебаниях частота определяется только акустическими характеристиками КС, а условие резонанса (9.122) определяет лишь возможные частоты, которые будут поддерживаться рассмотренными выше механизмами. Однако временные соотношения резонанса являются необходимым, но не достаточным условием развития колебаний. Необходимо еще одно условие — благоприятное пространственное расположение зоны горения.
Рассматривая выше физическую картину возбуждения высокочастотных колебаний, мы считаем, что зона горения имеет очень узкую область и расположена непосредственно возле головки или располагается в области пучности волны давления. В самом деле, процесс горения может оказать наибольшее влияние на колебание давления только в том случае, если зона горения располагается в области, где имеют место наибольшие изменения давления, т. е. в области пучности.
Только в этом случае при резонансных соотношениях колебания выделения ПС из зоны горения будут сразу воздействовать на величину давления в этой зоне, усиливая колебательный процесс. В том же случае, если процесс горения будет растянут на значительную глубину объема камеры сгорания, то колебания поступления ПС не во всех точках зоны горения будут поддерживать колебания давления: например, в зоне, где находится узел волны и давление не должно изменяться, колебательный процесс выделения ПС не будет поддерживать колебания, а даже, наоборот, будет их демпфировать. Таким образом, основными условиями, при которых возбуждаются высокочастотные колебания, являются: а) взаимодействие колебаний давления с процессом подачи или горения.
При соответствующих временных соотношениях (условия резонанса) возникает механизм поддержания и усиления амплитуды колебаний; б) благоприятное расположение зо- ны горения в областях, где находится г» пучность волны давления. В этом слу- чае колебания выделения ПС из зоны с.1 горения наилучшим образом могут поддерживать колебания давления, непосредственно усиливая их амплитуду (рис. 9.23). Оба эти условия в достаточной сте- пени объясняют высокочастотные колеРис.
9.2з. Относительное рас- бания во многих случаях. Причем счиположение пространственного тается, что при продольных колебаниях г»«ар«л«л«аия давления в ка основное влияние на них оказывает "'Р« "Ра "Род'"~»анх а»а«горение основного расхода топлива в »«»ам» кол«З«аа»» н»оа зоне возле головки, а при поперечных »72 колебаниях — горение топлива в пристеночной зоне, которое подается туда для создания низкотемпературного защитного слоя. Из рассмотренной выше картины возбуждения высокочастотных колебаний можно сделать и некоторые качественные выводы о мероприятиях по подавлению этих колебаний.
Основные условия подавления высокочастотной неустойчивости горения — нарушение резонансного соотношения времен и устранение благоприятного пространственного расположения зоны горения. Оба эти условия могут быть достигнуты растяжением процесса горения во времени и в пространстве и изменением акустических свойств объема камеры сгорания. Рассмотрим эти условия. Величина времени сгорания т„, которой мы оперировали выше, в действительности является некоторой средней величиной. В самом деле, в зависимости от особенностей процессов смесеобразования различные элементарные порции топлива, впрыскиваемые в зону горения, имеют различныезначениявременисгорания.
Отсюда, если среднее время сгорания т„, характерное для всей зоны горения, и будет находиться в резонансном соотношении с акустическими частотами, однако не весь расход сгорающего топлива будет поддерживать колебания: колебания будут поддерживаться только тем небольшим количеством сгорающего топлива, для которого время сгорания равно среднему для всей зоны.
Поэтому если организовать смесеобразование таким образом, что часть топлива будет иметь время сгорания меньше среднего, а другая часть — больше, то можно создать условия, при которых колебания будут подавляться, хотя среднее время сгорания и находится в резонансном соотношении. «Растяжения» горения во времени достигают соответствующим подбором и расположением форсунок на головке камеры сгорания: использованием разнотнпных форсунок с разной дальнобойностью и углами распыливания, двухкомпонентных форсунок совместно с однокомпонентными и т.
и. Влияние «растяжения» горения в пространстве на процесс подавления колебаний очень сходно с рассмотренным выше влиянием «растяжения» горения во времени. В самом деле, как мы знаем, для возбуждения высокочастотных колебаний необходимо, чтобы зона горения располагалась в области пучности волны: тогда весь сгораемый расход топлива может участвовать в поддержании колебаний. Поэтому, если организовать растяжение горения в пространстве так, чтобы оно происходило на всем протяжении четверти волны и даже больше, то, естественно, усиливать колебания давления могут только те небольшие количества топлива, которые сгорают в области пучности. Остальная масса топлива, сгорающая ближе к области узла волны, не усиливает колебания, а ослабляет нх. «Растяжения» горения в пространстве также добиваются соответствующей организацией смесеобразования при помощи форсунок с различной дальнобойностью: центробежных с разными углами распыливания, струйных совместно с центробежными н т.
и. Изменение акустических свойств объема КС преследует цель— нарушение резонансного соотношения времен за счет изменения пе- 273 + — =О; др д (рйт) дт дх (9.123) — = сопя(. Р а (9. 124) М = М, = сопа1, 274 275 иода собственных акустических колебаний Т в объем К . объеме КС. Это дориода стигается изменением характерных геометрических р р р сгорания: например, при продольных колебаниях — изменением длины КС, длины и формы входной части сопла; при поперечных — установкой перегородок в зоне горения, изменением диаметра КС. Все эти качественные меры, подавляющие высокочастотную неустойчивость, вполне соответствуют наблюдаемым опытным данным. й 9.8.
ОСНОВА ТЕОРИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПРОЛОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИИ Как же отмечалось, хорошо разработанной теории высокочастотных колебаний в камерах ЖРД нет. Создание такой теории наталкивается на большие трудности: с одной стороны, исключительное азнообразие высокочастотных неустойчивых режимов по форме, интенсивности и моменту возникновения колебаний, с другой — исключительное разнообразие условий, в которых появляются высокочастотные колебания. Наконец, в настоящее время далеко не ясно взаимодействие колебаний давления с процессом горения в камере, поскольку сама теория горения топлива в ЖРД д р Д алека от завершения. Таким об азом, создание достаточно точнои теории высокочаст отяых колебаний — дело очень трудное.
В настоящее вр аким о разо, з ее в емя наиболее развита теор и р я продольных высокочастотных акустических коле. Акке мана, баний. Этот вид колебаний был изучен в работах Н. А. ккермаяа, Л. тх7токко и др. иий. Основные Вывод уравнений продольных акустических колебаний. допущения, которые принимают при рассмотрении теории продольных колебаний, следующие (рис. 9.24): 1. Горение сосредоточено в узком фронте, расположенном в лизи головки. Вся остальная часть камеры сгорания занята ПС с однородными параметрами. 2. Рассматриваем цилиндрическую камеру сгорания, поток в которой считаем одномерным, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
