Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Распределение давления вдоль осн камеры: а — прн низкочастотных калебвннвх; б— при продольных высокочастотных колебвнннх: ! — первый тон: ! — второй тон: Ь вЂ” длина волны стицах и т . п.,вследствие выноса энергии колебаний с газом, покидающим камеру сгорания. Поступление энергии в колебательную систему регулируется обратной связью между источником энергии и колебательной системой. Механизмов обратной связи много, они весьма сложны и недостаточно изучены.
Колебания давления в камере сгорания, их амплитуда и частота могут изменяться в широких пределах; по форме — от синусоидальных до очень сложных форм, по частоте — от десятков герц до тысяч герц, по амплитуде — от нескольких процентов до десятков процентов. Колебательный процесс совершается на частотах, совпадающих с собственными акустическими частотами колебательных систем, значения которых обратно пропорциональны линейным размерам объемов, занимаемых газом или жидкостью, и прямо пропорциональны скорости распределения звука в среде.
Например, для цилиндрических объемов с жесткими стенками, к которым в первом приближении можно отнести камеру и газогенератор двигателя, оценку собственных частот можно выполнить по формуле где Е„„б(„, — длина и диаметр камеры сгорания; а — скорость звука; й, т, п — число узлов, узловых диаметров и узловых окружностей соответственно для продольных (рис. 27.1), тангенциальных и радиальных (рис.
27.2) колебаний; некоторые коэффициенты. В соответствии с частотой 1' автоколебаний в ЖРД принято различать н и з к о-, с р е д н е - и в ы с о к о ч а с т о т н ы е авто- колебания. В зависимости от размерности двигателя (тяги) регистрируемая неустойчивость рабочего процесса определенной частоты может быть отнесена к тому или иному характерному виду неустойчивости.
Анализ устойчивости процессов в агрегатах двигателя проводят с помощью соответствующих уравнений их динамики (см. гл. ХХН1). С применением численных или аналитических методов стремятся получить зависимость поведения решения уравнений (изменения параметров рабочего процесса) от действия возмущающих факторов. Однако не все сложные процессы, происходящие 305 Тоигенг(допьные коды Родиапьные нади 'О® ) ф~/ дпгодая (ЕТ) ))ердоя ()Р) догорая ЯР) Помбнииродаиные иоды Неодоя!)Т) ® © (гт-)я) ()т-)и) (гт-2Я) 27.2. Характеристики поперечных мод колебаний в ЖРД, до настоящего времени полностью изучены. В связи с этим теоретические работы по прогнозированию неустойчивости процессов в агрегатах и ЖРД в целом позволяют пока устанавливать лишь качественные закономерности.
27.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Н Е УСТО й Ч И ВОСТ И 27.2.1. Низко-и среднечастотная неустойчивость Для НЧ-неустойчивости рабочего процесса в камере сгорания или газогенераторе характерны продольные автоколебания параметров. При этом параметры во всем объеме камеры (гач зогенератора) в любой момент времени практически одинаковы, так как характерный линейный размер объема газа меньше акустической длины волны (рис.
27.1, а), Для ЖРД с тягой 0,1 ... 5 МН НЧ-неустойчивости соответствует диапазон частот = 1 " 100 Гц [!4). Взаимодействие между процессом горения, гидродинамикой в системе подачи топлива и расходом топлива определяет различные механизмы обратной связи, управляющей притоком энергии. 1. Рассмотрим случай, когда подача топлива в камеру (газогенератор) не зависит от колебаний давления р„, а механизм обратной связи осуществляетсч через процесс сгорания топлива.; Процесс преобразования топлива в камере можно характеризовать кривой выгорания и временем процесса т„р либо услов- 306 ным периодом задержки т«(гл.
ХНП1), Превращение топлива в продукты сгорания включает такие «элементарные» составляющие, как распыление, нагревание, испарение, диффузию, турбулентное смешение, а также многообразные химические реакции. Указанные составляющие и определяют в совокупности период задержки т». Приближенно период времени т, представляют суммой двух величин: чувствительной составляющей к различным параметрам потока т (х;) и постоянной т,: (27.!) тз = т (х)+ с„ где х; — параметр потока, оказывающий влияние на т. Чаще всего учитывают влияние на т лишь основного фактора — давления в камере сгорания р„.
Находит применение эмпирическая формула Л. Крокко т =- а/р„", где а — константа, зависящая от рода топлива и системы смесеобразования; п — показатель взаимодействия давления с периодом запаздывания. Количество образующихся продуктов сгорания в единицу времени т,, зависит от скорости протекания «элементарных» процессов и, следовательно, — от давления р„. При возникновении в камере случайных колебаний давления секундное количество образующихся продуктов сгорания будет изменяться и оказывать тем самым влияние на давление в камере, ослаблять или усиливать его колебания. Как видно, зависимость времени задержки т, от давления р„является необходимым условием для поддержания и развития колебания. 2.
Предположим, что процесс возбуждения колебаний давления в камере происходит при следующих условиях: колебания давления р„у головки влияют на расход через форсунки. Собственно процесс горения топлива не зависит от колебаний р„, т. е. время преобразования топлива, характеризуемое периодом запаздывания, постоянно: т, = сои»1. Если в камере сгорания случайно повысилось давление на величину Ьр„, одновременно уменьшается (из-за уменьшения перепада давлений на форсунках) расход жидких компонентов топлива т, на Ьт, ( О и увеличивается расход через сопло на Ьт, ) О.
В соответствии с уравнением баланса массы 'в камере сгорания (см. гл. ХХН1) давление р„определяется притоком газообразных продуктов сгорания т,, (газоприходом) и расходом через сопло т,. В момент времени т продукты сгорания образуются из топлива, поступившего в момент времени т — т, (давление р„еще не изменялось), в связи с чем для момента т газоприход остается пока постоянным: т,, =- соп«1. При возрастающем расходе через сопло (Ьт, ) О) давление в камере сгорания начнет падать.
Если в процессе падения давления начнет уменьшаться газоприход т„, (за счет Ьт, ( О в момент времени т), то это приведет к еще большему снижению давления в камере сго- 307 ранна. Как видно, фактором, приводящим к появлению положительной обратной связи, является наличие запаздывания газо-, образования с периодом т,. Причиной НЧ-неустойчивости рабочего процесса в камере (газогенераторе) могут быть кавитационные колебания. Они возникают в насосах в результате взаимодействия кавитационных полостей. образующихся из-за местных вскипаний жидкости в отдельных областях проточной части насосов, с гидравлическим трактом, питающим насос, Проточная часть шнека преднасоса является областью минимального давления в тракте компонента.
В связи с этим в шнеках местная кавитация (кавитационная каверна) возникает практически всегда. Объем каверны определяет степень загромождения проходных сечений шнека и соответственно параметры течения — скорость, давление и гидравлическое сопротивление. В зависимости от конструктивных и режимных параметров насосов могут действовать различные механизмы возникновения кавитационных колебаний. Как показано С. М. Натанзоном, колебания возникают не в области выраженной кавитации, а в области с некоторым кавитационным запасом, когда напор насоса практически совпадает с номинальным.
Амплитуда колебаний давлений на выходе из шнека больше, чем на входе в него. Из-за низкочастотной неустойчивости рабочего процесса часто возникают опасные продольные упругие колебания корпуса ракеты. Колебания в системе двигатель — упругий корпус ракеты возникают из-за действия возмущений, поступающих от двигателя или внешней среды в замкнутую динамическую систему двигатель — корпус. Колебания корпуса вызывают колебания жидкости в баках и магистралях, в связи с чем появляются колебания давления на днище бака и на входе в насосы.
Эти колебания приводят к колебаниям параметров двигателя, в том числе и тяги, изменения которой, в свою очередь, возбуждают колебания упругого корпуса ракеты. Если частота колебаний жидкости в системе питания совпадает с собственной частотой колебаний корпуса' (которая меняется из-за выработки топлива) и имеется совпадение по фазе, возникают автоколебания. Амплитуда колебаний давлений иа входе в насос резко возрастает, увеличиваются колебания тяги двигателя.
Продольные колебания корпуса ракеты, возникающие, например, из-за изменения перегрузок, могут приводить к колебаниям объема и давления газовой подушки баков. На эти колебания может реагировать система регулирования вытеснительной подачи или наддува, что иногда приводит к вознинновению автоколебаний: давление в баке — давление на входе в двигатель — тяга— корпус ракеты.
Основным методом стабилизации системы упругий корпус— двигатель является изменение динамических свойств топливоподаю- 308 щего тракта путем установки демпфирующих устройств, дросселнрования магистрали и др. Для с р е д н е ч а с т о т н о й неустойчивости рабочего процесса характерны продольные колебания параметров потока в контурах: газогенератор — подводящие магистрали, газовод — камера сгорания и др.
Диапазон частот автоколебаний ! = 100 ... 1000 Гц для ЖРД тягой О,! ... 5 МН. Причины возникновения неустойчивости промежуточной частоты в основном те же, что и НЧ-неустойчивости; связь процесса горения с гидродинамическон системой подачи и смесеобразованием, а также зависимость горения топлива от давления. 27.2.2. Высокочастотная неустойчивость При высокочастотной неустойчивое т и частоты колебаний параметров газа в объеме камеры сгорания или газогенератора составляют !000 Гц и выше (для ЖРД с тягой О,! ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
