Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 69
Текст из файла (страница 69)
5 МН). Время распространения волны:становится соизмеримым с периодом колебаний, а ее длина — с размерами камеры сгорания (см. рис. 27.1, б). При ВЧ-неустойчивости обычно возникают поперечные (радиальные и тангенциальные) моды автоколебаний, так как потери энергии этих мод колебаний с выносом через сопло оказываются меньшими, чем в случае продольных мод колебаний (для колебательной системы более вероятны состояния с меньшими потерями энергии). ВЧ-колебания отличает сложная картина распределения узлов и пучностей стоячих акустических волн давления в объеме камеры сгорания (см. рис.
27.2). Источником энергии для развития и поддержания ВЧ- колебаний является горение. Фазовое соотношение между процессами тепло- и массообмена при горении и колебаниями параметров рабочего тела (чаще всего давления) обеспечивает поддержание или усиление высокочастотных колебаний. В большинстве случаев каждая волна давления изменяет процесс горения таким образом, что выделяемая энергия добавляется прямо в ту же волну с запаздыванием меньше полупериода колебаний.
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. Эти узловые поверхности могут иметь очень важное значение. Если горение происходит вблизи такой узловой поверхности, то нет и условия для возникновения данного-типа колебания. Очевидно, что в противном случае, когда горение происходит на поверхности, где амплитуда колебания максимальна, вероятность появления неустойчивости данной формы будет наибольшей.
Следовательно, для возникновения неустойчивости важно выполнение не только временнбго, но н пространственного 309 условия, учитывающего распределение горения в камере. Система становится наиболее неустойчивой к данному виду колебаний, когда оба условия — временное и пространственное — выполняются одновременно. В этом случае наибольшая часть энергии, выделяющейся в процессе горения, используется для возбуждения колебаний и преодоления стабилизирующих сил.
Все изложенное справедливо, если считать время преобразования одинаковым для всех частиц топлива. В реальном случае горение топлива распределено во времени и в объеме камеры сгорания. Поэтому временное 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 ЖРД осложняется возможностью возникновения в камере одновременно нескольких мод колебаний, их наложением друг на друга. 27.3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПОДАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ 700 700 7770 770 /00 00 00 я 27.3. Влияние отношения количества движения компонентов н температуры Нз на акУстическУю Устойчнвостан 7 — р =зл7 — р =гбг — р =а (по зарубежным даннЫм) 310 Особенности конструкции и геометрии камерен (газогенератора), применяемое топливо, схема и конструкция системы подачи топлива и смесеобразования, давление в камере, перепад давлений на форсунках и др, определяют характеристики колебательной системы, оказывают влияние на процесс горения топлива— основной источник энергии для поддержания колебаний — н на механизмы обратной связи.
Борьба с неустойчивостью рабочего процесса производится путем изменения составляющих цепи: источник энергии, характеристики колебательной системы — обратная связь, а также путем демпфирования колебаний. Результаты исследования влияния различных факторов на не; устойчивость рабочего процесса часто представляют в виде графиков, на координатных осях которых откладывают возможные значения тех или иных параметров, влияющих на неустойчивость. Координатная плоскость града фиков разделяется кривымн (или прямыми) линиями на ряд областей. Это области значений параметров, при которых двигатель либо устойчив, либо неустойчив.
На графиках могут быть также выделены нижний и верхний «пороги» устойчивой работы. Пример такого графика показан на рис. 27.3. Возникновение неустойчивости процесса горения в кислородно- водородных двигателях при снижении температуры водорода ниже некоторого уровня объясняется уменьшением скорости впрыска и сопротивления форсуночной головки, вызванным соответствующим увеличением плотности водорода. Как показывают исследования, при этом создаются необходимые условия для усиления связи между колебаниями давления в камере сгорания и расхода водорода через смесительную головку. 27.3.1.
Низко- н среднечастотные колебания Факторы, оказывающие влияние на процесс преобразования топлива, в той илн иной степени оказывают влияние и на потенциальную возможность возникновения автоколебаний низкой и средней частоты. Характерным временем процесса горения являются время преобразования т,р либо период задержки т,. При уменьшении т„»расширяются области устойчивости, частота возникающих колебаний возрастает, а их амплитуда уменьшается.
Сократить т,р можно за счет выбора более активных компонентов топлива, при переходе на режим с большим давлением в камере сгорания р«(эти факторы увеличивают скорости отдельных составляющих процесса горения), увеличением перепада давлений на форсунках Лпе (за счет тонкости распыла).
Следует отметить, что возникновения автоколебаннй в зависимости от т„р происходят не монотонно, а в виде срыва — внезапного появления и исчезновения. На устойчивость к низким частотам оказывают влияние и такие параметры, как приведенная длина Ь,„, относительная расходонапряженность и„/р„. Приведенная длина определяет постоянную времени камеры Т, = ()(.,»((«„Т„(см. гл. ХХУ!). С увеличением Ь,р постоянная Т, становится больше, камера — менее «динамичной», частота колебаний уменьшается. Влияние на устойчивость к низким частотам значений относительной расходонапряженности и»„/р„противоположно влиянию приведенной длины «.,р.
На устойчивость двигателя к низкой частоте могут влиять параметры системы подачи, например длина трубопроводов, упругие элементы в топливных трактах и т. д, Увеличение перепада давлений Лре и установка в топливных магистралях шайб с большим перепадом давлений приводит к расширению области устойчивого режима работы, поскольку ослабляются внешние воздействия на процесс горения. В целом методы устранения низко- и среднечастотной неустойчивости рабочего процесса отработаны в удовлетворительной степенн. зы 27.3.2.
Высокочастотные колебания Геометрия камеры сгорания и сужающейся части сопла, форма камеры сгорания определяют распределение процесса горения по длине камеры и поэтому оказывают существенное влияние на устойчивость к колебаниям. Наиболее заметное влияние оказывают отношение длины камеры к ее диаметру Е/д и относительная площадь входного сечения сопла Г„однако это влияние неоднозначно и зависит от типа колебаний. Так, увеличение значения Г, снижает запас устойчивости для продольных мод колебаний и увеличивает его для поперечных колебаний. 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 чувствительность к этим колебаниям. Для струйных форсунок эти показатели обычно снижаются с увеличением диаметра отверстий (форсунок) и уменьшением скорости впрыска того компонента, который определяет эту 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 и расхода может быть уменьшена при снижении количества впрыскиваемого компонентй в зоны, где колебания давления или скорости максимальны„ Кроме того, чувствительность процесса горения к поперечным пе-.
ремещениям компонентов может быть существенно уменьшена такой организацией распыла, при которой обеспечиваются наи-, меньшие градиенты изменения состава смеси в поперечном направлении. Соответствующим образом следует также выбирать скорости компонентов на выходе из форсунок и в особенности от'- ношение скоростей впрыска компонентов, так как это соотношение оказывает влияние на параметры распыла топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
