Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 42

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

Текст из файла (страница 42)

На рис. 5.10 показаны различные виды поперечных колебаний. Теоретический анализ высокочастотной неустойчивости очень сложен. Несмотря на то, что опубликованы десятки трудов, посвященных анализу отдельных видов высокочастотных колебаний, в частности работы 126, 27), 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 топлива обладают разной склонностью к возникновению высокочастотных колебаний. Существует ряд практических рекомендаций по борьбе с высокочастотной неустойчивостью, например использование различного рода антипульсационных перегородок на форсуночной головке, предложенных главным конструктором А. М. Исаевым, и применение выдвинутых в камеру сгорания двухкомпонентных форсунок, конструкция которых разработана в НПО «Энергомаш» им. академика В. П.

Глушко, и т. д. 262 Глава 5. Камеры сгорания ЖРД Рис. 5.10. Виды поперечных колебаний: а — чисто тангенциальные моды; б — чисто радиальные моды; в — смешанные моды 5.4. Запуск и останов двигателя Запуск и останов двигателя являются наиболее ответственными стадиями его работы. Главным требованием, предъявляемым к системам запуска и останова, является их надежность. На это, в зависимости от назначения двигателя, накладываются дополнительные требования, связанные с характером и продолжительностью процессов запуска и останова. Запуск двигателя Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть гарантировано 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.

5.4. Запуск и останов двигателя 263 Специфические требования к организации запуска возникают для двигателей больших тяг. В зависимости от характера выхода на режим принято различать плавный, ступенчатый и пушечный запуски. При плавном 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 (или 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. Пушечным называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом произошел 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 рода применяемого топлива, типа двигателя и условий эксплуатации применяемые способы зажигания можно разделить на: — химические; — пиротехнические; — электрические. Химическое зажигание 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 264 Глава 5. Камеры сгорания ЖРД компонентах. В этом случае в камеру сгорания сначала подаются пусковые самовоспламеняющиеся компоненты и только после образования в камере мощного факела подаются основные компоненты. В качестве таковых могут применяться элементоорганические соединения, например, на основе триэтилалюминия (СзНв)зА! и триэтилбора (СгНз)зВ.

При несамовоспламеняющихся компонентах для обеспечения запуска используются также различные добавки к одному из компонентов, которые приводят к образованию самовоспламеняющейся смеси (например, присадка к горючему триэтилалюминия, который самовоспламеняется с кислородом). Пиротехническое зажигание — воспламенение с помощью специального пиропатрона, который горит в течение нескольких секунд и дает факел высокой температуры.

Пиропатрон монтируют или в головке (как, например, в ЖРД ОРМ-65, Р-1 и в двигателе ВУ;2), или вводят со стороны сопла на специальной штанге (как, например, в двигательных установках РД-107, РД-108 ракет-носителей серии «Союз»). После воспламенения пиропатрона подается жидкое топливо 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 или многоразового действия, но однократного пуска. В ЖРД многократного пуска (например, самолетные ЖРД) пиротехническое зажигание неприемлемо. Электрическое зажигание производится с помощью электрической искровой или факельной свечи и находит применение в кислородно-водородных двигателях (например, М,10А), в двигателях реактивной системы управления объединенной двигательной установки орбитального корабля «Буран», в авиационных ЖРД, двигателях небольших тяг и экспериментальных двигателях, предназначенных для стендовых испытаний.

Электроискровое зажигание применяется также в двигателях БИМЕ, 3-2 и РД-0120. Недостатком этого способа воспламенения 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, а также в модельных стецдовых двигательных установках. Для воспламенения некоторых топлив (например, перекиси водорода) возможно использование каталитических поверхностей, способствующих возникновению реакции.

5.4. Запуск и останов двигателя 265 Изменение давления в камере сгорания при запуске | тн тЯЖ = т„„т„, о (5.13) где Й„у,„— некоторый средний пусковой расход, т„— время индукции вос- пламенения. Рис. 5.11. Изменение давления в камере сгорания при запуске: ! — плавный запуск; 2 — ступенчатый запуск; 3 — жесткий запуск Важными характеристиками запуска являются скорость нарастания давления в камере сгорания при запуске 1с!р„/с1т) и величина заброса (или лика) давления, т.

е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номинальному. Величины скорости нарастания давления и заброса давления характеризуют жесткость запуска. Чем больше зти 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 3, очевидно, является наиболее жестким. При больших значения йр„!с3т 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 индукции воспламенения топлива т„. Очевидно, чем больше значение тт тем больше накопится топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс давления. Оценим приближенно величину максимального заброса давления р„ при запуске. Количество топлива, поступившего в камеру сгорания от начала подачи до начала воспламенения, можно выразить формулой Глава 5. Камеры сгорания ЖРД 266 Если предположить, что в момент воспламенения сгорание произошло мгновенно, то в соответствии с уравнением состояния максимальное давление заброса будет схг.пускТпуск рк кс т,ктп кк (5.14) где Т к и Я,„у,„— соответственно температура сгорания и газовая постоянная продуктов сгорания при запуске.

Согласно уравнению (5.5) при установившемся режиме работы давление в камере сгорания определяется по формуле схкТк Рк = ттпр и„ (5.1 5) Сопоставляя уравнения (5.14) и (5.15) и предполагая значения Яп„у„и Тп„,к при запуске равными значениям Я„и Тк на установившемся режиме, по- лучим Рк п1кх тпусктп (5.16) Рк ттпр Выражение (5.16) позволяет грубо оценить максимально возможное превышение давления при запуске. В действительности, так как сгорание не мгновенное и, кроме того, значение Я, пу,кТп„,к при запуске меньше, чем К„Т„, имеем Рк тах тпускти ск Рк ттпр (5.17) При запусках, близких к пушечным, т,к = (1,5...2)т; при плавном запуске ту,„< т. Время индукции воспламенения т„обычно в несколько раз больше, чем тпр. Поэтому именно тк оказывает решающее влияние на величину максимального заброса давления при запуске.

Для применяемых в ЖРД самовоспламеняющихся топлив тк равно времени задержки самовоспламенения и находится в диапазоне 0,01...0,03 с. Для несамовоспламеняющихся топлив т„, в основном, зависит от рода топлива и мощности зажигательного устройства и примерно на порядок меньше, чем для самовоспламеняющихся топлив. В общем случае на величину т„и, следовательно, на жесткость запуска существенно влияет еще ряд факторов, определяемых условиями проведения запуска и конструкцией ЖРД. 5.4. Запуск и останов двигателя 267 Влияние условий запуска двигателя + Горючее г,о Окислитель+ т„, мс 35 1,5 1,0 25 15 0,5 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 а 60 40 20 0 20 40 60 ае мс а б Рис.

5.12. Влияние состава топлива (а) и опережения впрыска (б) иа т„ 1. Начальная температура топлива. Изменение начальной температуры приводит к изменению химической активности топлива, а также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вязкости, поверхностного натяжения).

Характеристики

Список файлов домашнего задания