Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 41

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 41)

Так, например„если для топлива, состоящего из смеси кислорода и керосина, примем 1пр = 1,25 м, то, считая приближенно у = 1,13 (т. е. А(у) = 0,632), Я„= 343 Дж/(кг К) и Т„= 3550 К, получим соответствующее данному 1пр значение т„: 257 5.3. Неустойчивое горение 5.3. Неустойчивое горение В камере ЖРД иногда возникает неустойчивое (вибрационное) 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 периодические колебания с определенными частотами и амплитудами, которые, начавшись по той или иной причине, поддерживаются вследствие возникновения регулярного автоколебательного процесса. Обычно различают два основных типа колебаний: низкочастотные колебания, имеющие частоту колебаний от десятков до нескольких сот герц, и высокочастотные колебания с частотой колебаний до 10...12 кГц. 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 с колебания с частотой 5" <500 Гц (Т> 0,002 с) относятся к низкочастотным. Если Т< т„, то можно проследить распространение волны по камере. Такие колебания относятся к высокочастотным.

Иногда отличают колебания с промежуточной частотой, возникающие вследствие колебаний состава смеси, подаваемой в камеру. Возникновение неустойчивости горения в ЖРД крайне нежелательно. При низкочастотной неустойчивости могут иметь место колебания давления с амплитудой, приводящей к разрушению камеры, сильные вибрации о,о1 с о,о1 с о,о! с Рис. 5.6. Колебания давления в камере: а, б — низкочастотная неустойчивость; в — высокочастотная неустойчивость; г— наложение низкочастотных и высокочастотных колебаний Глава 5.

Камеры сгорания ЖРД 258 всей двигательной установки, уменьшение удельного импульса. Основным следствием высокочастотных колебаний является интенсификация тепло- обмена из-за разрушения (размыва) пограничного слоя, приводящая к прогару камеры. Процессы, происходящие при неустойчивом горении, являются предметом тщательного теоретического и экспериментального изучения.

Несмотря на то, что существуют работы, в которых проведен широкий анализ явлений при неустойчивом горении (24, 25~, 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 орф причине произошло случайное колебание 2 давления (кривая 1). В начальный момент времени при увеличении давления в камере перепад на форсунках Ьрф соответственно м 5 уменьшился (кривая 2). Однако расход подаваемых компонентов сразу не изменяется, так как система подачи не может мгновен- 4 но реагировать на изменение Арф.

Необходимо некоторое время т„„, в течение котове 5 рого расход топлива уменьшится в соответРв ствии с уменьшением Арф. Иными словами, изменение расхода при изменении давле- ~С ния р„будет происходить с запаздыванием на время т„„(кривая 3). Воспламенение Полупериод топлива будет запаздывать относительно Рис 57 Ме низ воз икиове- подачи еще на вРемЯ индУкции воспла ения низкочастотной неустойчи- пения т„(кривая 4).

Но так как камера сговссти рания имеет определенную емкость, изме- 5.3. Неустойчивое горение 259 пение количества сгоревшего топлива скажется на изменении давления в камере не сразу, а с запазданием на некоторое время те (кривая 5). Таким образом, изменение в какой-то момент давления в камере р„спустя время т„„+ ти + те проявится в виде влияния на давление уже вследствие изменения количества сгоревшего топлива. Если сумма т„„+ хи+ те равна полупериоду колебания давления, то влияние уменьшения количества сгоревшего топлива на р„скажется как раз в тот момент, когда это давление будет наименьшим. Это приведет к новому уменьшению давления, вследствие чего колебания давления, возникнув, будут поддерживаться без затухания.

Аналогично, при уменьшении давления влияние увеличения расхода компонентов проявится при наибольшем давлении в камере. Таким образом, из-за смещения фаз в изменении давления и влияния этого изменения на давление в камере происходит сачовозбуждение колебаний. При этом колебания давления в камере приводят к колебаниям давления топлива в системе подачи, т. е. 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 индукции воспламенения ти вследствие колебания значений параметров газа (давления, температуры и т. д.) в камере. Теоретический анализ низкочастотной неустойчивости для различных случаев ее возникновения приведен в работах 12„261.

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 рода топлива. Увеличение давления приводит к увеличению частоты и уменьшению амплитуды колебаний. 3иаЧИтЕЛЬНОЕ СНИЖЕНИЕ даВЛЕНИя МОжст Неустоячивеое Устойчивое привести к опасному увеличению ампли- горенйе гторение туды. Для самовоспламеняющихся топ- 1,5 о о о о лив характерно увеличение частот и ° о о о о о уменьшение амплитуд колебаний; увели- 1,в ° чение объема камеры приводит к уменьшению частоты колебаний и уменьше- ю,5 нию амплитуды; увеличение перепада В 5 В 75 1 В МРе ° давления на форсунках приводит к воз- Рнс.

5.8. Влияние а н давления на растанию частоты. устойчивость горения Глава 5. Камеры сгорания ЖРД 260 Соотношение компонентов К„мало влияет на частоту колебаний. Однако устойчивость горения сильно зависит от величины К . На рис. 5.8 приведены результаты экспериментального исследования устойчивости работы ЖРД на топливе, состоящем из смеси Наг и фурфурилового спирта, при изменении коэффициента избытка окислителя а и давления р„в камере сгорания. Высокочастотная неустойчивость Кроме низкочастотных колебаний, в камере ЖРД возможно также возникновение высокочастотных колебаний с частотой порядка нескольких тысяч герц (в некоторых случаях до 10...12 кГц).

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 давления (и других параметров) по объему камеры 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; продольных и поперечных. В свою очередь, поперечные колебания разделяются на тангенциальные и радиальные. При продольных колебаниях параметры газов в камере (давление, температура и т. д.) изменяются вдоль оси камеры. Тогда в сечениях камеры„перпендикулярных оси, параметры газа имеют одинаковые значения. При поперечных колебаниях (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: стоячей волны, при которой поверхности узлов стационарны, и вращающейся волны, в которой узловые поверхности вращаются.

На рис. 5.9 приведены схемы различных видов (мод) колебаний. 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 (см. рис. 5.9, б) вследствие того, что поперечное сечение камеры является кругом, линии равных давлений перестают быть прямыми. В случае радиальных колебаниях (см.

рис. 5.9, в) осью симметрии является ось камеры сгорания. 261 5.3. Неустойчивое горение Рис. 5.9. Виды (моды) высокочастотных колебаний в камере ЖРД: а — продольные; б — тангенциальные; е — радиальные; — — — — — линии равных давлений 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. Кроме того, для кюкдого вида (моды) колебаний возможно возникновение первой, второй и следующих мод колебаний.

Характеристики

Список файлов домашнего задания