Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Предполагается, что возникновение н развитие высокочастотной неустойчивости обусловлены такими процессами: а) отклонение времени протекания физических и химических подготовительных процессов; б) разрушение и смешение струй, пленок и капель под действием пульсации давления газа; в) изменение скорости химических реакций при колебаниях давления и температуры и т. п. г58). Частота колебаний при высокочастотной неустойчивости зависит от акустических свойств газа в объеме камеры сгорания.
Рассматривая изолированно тот или иной вид колебаний, можно выделить в камере на ее длине, диаметре и окружности (в зависимости от вида колебаний) узловые поверхности, где давление не колеблется. Этн узловые поверхности. могут иметь очень важное значение. Если горение происходит вблизи такой узловой поверхности, то условий для возникновения данного типа колебаний нет. Очевидно, что в противоположном случае, когда горение происходит на поверхности, где амплитуда колебаний максимальна, вероятность появления неустойчивости данной формы будет наибольшей. Следовательно, для появления неустойчивости важно выполнение не только временнбго, но и пространственного условия. учитывающего распределение горения в камере. Система становится наиболее неустойчивой к данному виду колебаний, когда оба условия — временнбе и пространственное — выполняются одновременно.
В этом случае наибольшая часть энергии, выделяющейся в процессе горения, используется для возбуждения колебаний и преодоления стабилизирующих сил. Все сказанное справедливо, если считать время преобразования одинаковым для всех частиц топлива. В реальном случае горение топлива распределено во времени и в объеме камеры сгорания.
Поэтому временпбе и пространственное условия могут выполняться лишь в среднем, и колебания поддерживаются лишь за счет той части процессов горения, для которых эти условия действительно выполняются. Чем шире разброс значений времени преобразования для отдельных частиц, тем более устойчив процесс горения. Исследование устойчивости ~КРД осложняется возможностью возникновения в камере одновременно нескольких видов колебаний давления, их наложением друг на друга. Наиболее распространенным видом колебаний, встречающимся при доводке современных мощных ЯРД, являются поперечные высокочастотные колебания ~47~. 27.3.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯКИДИЕ НА ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПОДАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ Устойчивость процессов в камере сгорания ~газогенераторе) определяется многими факторами: особенностями конструкции и геометрией двигателя, родом применяемого топлива, схемой и конструк- 370 пней системы смесеобразования, //~""г 3 давлением в камере, перепадом /1/о %к на форсунках и др. ца Результаты исследования вли- "ра1йта ' яния различных факторов на ус- гр тойчивость двигателя часто представляют в виде графиков, на ко- ур Ординатных осях которых откла- //ее«:"у"'тпопи /:«Ю//пп дывают возможные значения тех у// г/,к или иных параметров, влияющих на устойчивость.
Координатная ПЛОСКОСТЬ ГрафИКОВ раэдЕЛИЕТСИ йвимеиии иомвоиеитоовив температуры кривыми (или прямыми) линиямн на ряд областей. Это области значений параметров, при которых двигатель либо устойчив, либо неустойчив. На графиках могут быть также выделены нижяий и верхний «пороги» устойчивой работы.
Пример такого графика показан на рис. 27.3 (58). Возникновение неустойчивости процесса горения в кислородноводородпгях двигателях при снижении температуры водорода ниже некоторого уровня объясняется уменьшением скорости впрыска и н импеданса форсуночной головки, вызванных соответствующим увеличением плотности водорода. При этом создаются необходимые условия для усиления связи между колебаниями давления в камере сгорания и расхода водорода через смеснтельную головку. га /а ее з.
ь низкочастотные колевхния 371 Факторы, оказывающие влияние на процесс преобразования топлива, в той илн иной степени оказывают влияние и на развитие низкочастотных колебаний. Характерным временем процесса горения является время преобразования тпг. При уменьшении тчр расширяются области устойчивости, частота возникающих колебаний возрастает, а их амплитуда уменьшается. Уменьшения г можно достигнуть за счет выбора более активных компонентов топлива, при переходе на режим с большим давлением в камере сгорания р,.
Увеличение перепада на форсунках /зрф и наличие в топливных магистралях шайб с большим перепадом давлений также приводят к расширению области устойчивости режима работы. Оказывают влияние на устойчивость и такие параметры, как приведенная длина А«ч„относительная расходонапряженность Ул~(Р«, (см. гл. Х1Х), так как от выбора этих параметров (и системы смесеобразования) зависит полнота преобразования топлива. С увеличением Е двигатель становится более устойчивым, частота возникающих колебаний уменьшается.
Вместо приведенной длины в качестве характерного параметра может быть выбрана постоянная времени камеры Tи (см. гл. ХХЧ1), связанная с Е р простым соотношением: Т,= р1. р(Ка,Та„где й/Ра,Тс,.=сопй для выбранного топлива. Влияние на низкочастотную устойчивость относительной расходонапряженности тг/р0, противоположно влиянию длины Т. На устойчивость двигателя к низкой частоте могут влиять и другие факторы, например, длина трубопроводов, наличие упругих элементов в топливных трактах н т. д. гг.
а ь высокочлстотныв пгодольныв колввлння Акустические свойства камеры сгорания как высокочастотной колебательной системы определяются ее геометрическими размерами, а процесс горения, являющийся источником энергии, зависит от вида топлива, конструкции смесительных элементов и параметров рабочих процессов.
Геометрия камеры сгорания и сужающейся части сопла, форма камеры сгорания оказывают существенное влияние на устойчивость к колебаниям. Наиболее заметное влияние оказывает отношение длины камеры к ее диаметру .Ц~ и относительная площадь входного сечения сопла Р, (их уменьшение обычно является стабилизирующим фактором). Однако следует учитывать, что изменение значения Р„увеличивая запас устойчивости для одних мод колебаний, может уменьшить его для других. Весьма существенная роль в развитии высокочастотных колебаний принадлежит организации смесеобразования. Конструкция смесительной головки, тип и размещение смесительных элементов по ее поверхности определяют характеристики распыления и, тем самым, чувствительность процесса горения к возмущениям.
Спектр распыла и средний размер капель в спектре определяют как частоту колебаний, соответствующую максимальной чувствительности процесса горения, так и саму чувствительность к этим колебаниям. Обычно эти показатели снижаются с увеличением диаметра отверстий (форсунок) и уменьшением скорости впрыска того компонента, который определяет зту чувствительность. Наиболее целесообразно этот эффект может быть использован для смесительных элементов, размещенных во внешнем поясе смесительной головки, где расположены области с максимальными колебаниями давления. Связь между процессами горения и колебаниями давления н расхода может быть уменьшена при снижении количества впрыскиваемого компонента в зоны, где колебания давления или скорости максимальны.
Кроме того, чувствительность процесса горения к поперечным перемещением компонентов может быть существенно уменьшена такой организацией распыла, при которой обеспечиваются наименьшие градиенты изменения состава смеси в поперечном направлении. Соответствующим образом следует также выбирать скорости компонентюв на,выходе из форсунок и в особенности отношение скоростей впрьюка компонентов, так как от них зависит спектр распыла капель топлива по размерам. Известно, например, что для крупномасштабных кислородно.
керосиновых ЖРД с одно- 372 компонентыми струйными форсункаьгиотношение скоростей впрыс,„а более летучего кислорода и менее летучего керосина составляет 3 и более,, при этом обеспечивается устойчивость горения. Расходонапряженность является проектным параметром двигателей, который в ряде случаев влияет на устойчивость горения. Этот параметр часто рассматривается как критерий для оценки трудности борьбы с высокочастотной неустойчивостью. Например, для КРД Г-1 (США), имеющего чрезвычайно высокую расходоиапряженность 1-3,53.! О' кг/(м с)) проблема обеспечения динамической устойчивости оказалась очень трудной. Для посадочного и взлетного двигателей лунного экспедиционного корабля !тг ж 3,5.1бз кгДмз с)1 обеспечение устойчивости не представляло большой проблемы 1581.
Такую особенность связи высокой расходонапряженности и неустойчивости можно объяснить тем, что при высоких расходонапряженностях в камере сгорания в момент возникновения возмущения находится большое количество несгоревшего топлива, достаточное для подпитки первоначального возмущения. Важным конструктивным средством, обеспечивающим подавление колебаний в камере сгорания, является оптимальное распределение процесса горения !выделения энергии) по длине камеры сгорания. Для случая продольных колебаний это означает, что в целях уменьшения связи между колебаниями давления, пучности которых находятся вблизи огневого днища, и процессом горения необходимо растягивать зону горения вдоль камеры сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
