Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 88
Текст из файла (страница 88)
гл. ХХХЧ) при понижении давления в камере сгорания ниже минимально допустимого по условиям устойчивого горения (колебания (.„р — типа). Возбуждение автоколебаний может быть мягким и жестким. Так, в некоторых случаях импульс возмущения давления, вызванный, например, вылетом куска топлива через сопло, может инициировать переход нормального горения к неустойчивому с'частотой, характерной для одной из мод продольных колебаний. Такой тип неустойчивости наблюдается в двигателях с большим отношением длины к диаметру (обычно (.Щ > 10). Исследования показывают, что для возникновения самоподдерживающихся продольных колебаний необходим 'значительный импульс возмущения, т.'е.
жесткое возбуждение, в отличие от высокочастотных поперечных колебаний, возникающих самопроизвольно, начиная с очень малых амплитуд. Предельным случаем неустойчивости процесса является скачкообразное увеличение давления, температуры и плотности, когда горение переходит в д е т о н а ц и ю.
Самопроизвольный переход горения в детонацию может произойти в результате возникновения сильной ударной волны, которая инициирует взрывчатое превращение топлива в слое, подвергнутом сжатию. Если интенсивность ударной волны, возникающей при детонации слоя вещества, достаточна, чтобы вызвать такой процесс в соседнем сне, то детонация может стать стационарной. Заик ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЙ НЕУСТОЙЧИВОГО ГОРЕНИЯ Возникновение неустойчивого горения с колебаниями давления связывают в основном с изменением скорости горения вследствие изменяющегося (нестационариого) теплового потока к поверхности горения.
Квазистационарный процесс горения и течения потока может быть нарушен каким-либо возмущением. Предполагают, что очаги флуктуаций находятся в местах пучно. стей стоячих воли давления, температуры и плотности газов и могут возникнуть только в некоторые моменты горения в зависимости от геометрии заряда. Волны давления оказывают воздействие на параметры процессов у поверхности горения, равновесие этих процессов нарушае ся, возникают флуктуации тепловыделения и подвода массы.
Течение в полости, ограниченной горящей поверхностью, задним и передним днищами РДТТ, приобретает колебательный характер, если флуктуации тепловыделения и подвода массы газа, кйоме необходимого пространственного расположения, окажутся в одной фазе и будут иметь достаточную амплитуду, чтобы преодолеть действие факторов диссипации энергии. По мере развития колебательного процесса начинает преобладать какая-либо одна мода автоколебаний. Экспериментально установлено, что в механизме горения самой чувствительной к изменениям давления зоной является тонкая зона у поверхности горения с большим градиентом температур. Однако рассмотренный механизм обратной связи («газовый объем — поверхность горения») не позволяет в ряде случаев объяснить причины возникновения колебаний, поскольку природа и механизм неустойчивых рабочих процессов в камере сгорания РДТТ гораздо сложнее. В связи с этим в последнее время появилось много новых гипотез и теорий неустойчивого горения.
Так, в качестве возможного механизма поддержания неустой. чивого горения рассматривается взаимосвязь химических реакций в газовой фазе и, следовательно, полноты сгорания топлива с давлением в камере. Обнаруживается корреляция характеристик такого неустойчивого горения с приведенной длиной камеры сгорания Ь„р. Уменьшение Е„р и времени пребывания продуктов сгорания в камере способствует возникновению и усилению колебаний давления в РДТТ. Другой возможной причиной возникновения неустойчивости является газодинамическое взаимодействие потока продуктов сгорания с твердыми поверхностями и препятствиями в камере сгорания РДТТ.
Так, например, в мощных РДТТ ракеты «Титан» колебаяия давления в камере сгорания возникли в результате срыва Вихрей с разделительных перегородок между секциями двигателя. Наибольшие колебания наблюдались в том. случае, когда частота срыва вихрей совпадала с резонансной частотой одной из акустических мод камеры. Возбуждение и интенсивность колеба- 394 ний зависели от расстояния между перегородками. Наибольшая вероятность возбуждения была тогда, когда кольцевые перегородки совпадали с областями пучности скорости и узла давления стоячих волн.
Аналогичные газодинамическне эффекты могут наблюдаться и в других двигателях твердого топлива, в частности в РДТТ с утопленными соплами. Течение в таких двигателях характеризуется чрезмерной сложностью, особенно в области входной кромки сопла, где имеет место взаимодействие двух турбулентных встречных потоков с образованием вихревой структуры при наличии интенсивного вдува с поверхности топлива.
Экспериментально установлено, что утопление сопла в камеру двигателя может вызвать переход режима горения от устойчивого к неустойчивому. 36.3. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ И СПОСОБЫ ПОДАВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ Камера РДТТ может оказаться склонной к низкочастотной неустойчивости при изменении приведенной длины, давления и скорости горения. На рис. 36.! показаны области устойчивости и неустойчивости в зависимости от приведенной длины Ь„р и давления, на рис. 36.2 — в зависимости от Т.,р и скорости горения для ТРТ различного состава.
Такие зависимости получают на основе испытаний небольших РДТТ. Они могут быть использованы для предварительных оценок устойчивости работы проектируемого двигателя нли же чувствительности нового типа топлива к неустойчивости. При испытаниях обнаружена зависимость акустической неустойчивости от давления в камере и начальной температуры заряда. Так, при испытаниях РДТТ на смесевом топливе (полисульфид + перхлорат аммония) уменьшение давления вызывало неустойчивость. Обнаруживаются предельные значения давлений: верхний предел, выше которого процесс устойчив, и нижний, пиже которого процесс становился очень неустойчивым. Результаты тех же испытаний показывают, что как при низких ((„( ( — 50'С), так и при высоких ((„> +60'С) начальных температурах неустойчивость процесса возрастает. Влияние состава топлива и скорости горения на акустическую неустойчивость исследовано недостаточно, и четких зависимостей не получено. Экспериментальные и теоретические исследования свидетельствуют о влиянии формы сопла РДТТ на потери акустической энергии.
Демпфирование колебаний входным участком сопла объясняется механизмом взаимодействия возмущений, генерируемых в камере сгорания, со стенками сопла и стационарным потоком продуктов сгорания, характеристики которого изменяются вдоль сопла. Вероятность возникновения неустойчивого горения возрастает с увеличением длины заряда. 395 25 25 У ////Т йгт гг22 йй2/г, НПа Збп. Область устойчивого горения смесевого ТРТ в зависимости от йир и давления $ 25 2,5 Л, нн/с 36.2. Область устойчивого юрен ия смесевого ТРТ в зависимости от й„р и скорости горения Важным фактором, влияющим на потери акустической энергии, является наличие конденсированных частиц в продуктах сгорания топлива. Из-за диссипации акустической энергии вследствие отставания частиц от газа происходит демпфирование колебательного процесса. Демпфирующее свойство частиц зависит от их дисперсности.
Частицы различных размеров оказывают эффективное демпфирующее взаимодействие на колебания разных частот. Граница устойчивого режима горения в случае акустическгуй' неустойчивости, вызванной импульсом возмущения, определяется некоторым критическим значением давления, ниже которого ам.
плитуда колебаний уменьшается. Это давление зависит'от состава топлива, начальной температуры, от природы импульса возмущения. Важным фактором, влияющим на этот вид неустойчнпостй; является отношение длины двигателя к его диаметру. При сравнйтельно малом их отношении (ЦР < 10) граница устойчивости сдвигается в сторону более высоких давлений. Подавление акустической неустойчивости сводится к увеличЕ- нию потерь акустической энергии. Меры, направленные на эГЬ, необходимо предусматривать еще в процессе проектированйя РДТТ.
Подбор соответствующей геометрии сопла, применение металлизированного топлива уменьшают или исключают возможность появления неустойчивости. С этой целью по результатам испытаний образцов можно выбирать состав топлива, менее чувствительный к неустойчивости; подбирают геометрию заряда, исключающую акустические колебания. Эффект демпфированггя достигается с помощью увеличения турбулентного и вязкого 396 трения, для чего, например, предполагают делать в заряде радиальные отверстия, вводить в канал заряда пластины или стержни. Большое внимание уделяется и разработке специальных стабилизирующих устройств: акустических полостей, экранов и др. Из стабилизирующих устройств применяются также диафрагмы с отверстиями и щелями. г л А в А ХХХт/1!.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЗАРЯДА И ДВИГАТЕЛЯ 37.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Параметры двигателя, задаваемые при его проектировании, тесно связаны с параметрами ракеты — числом ступеней, тяговооруженностью, распределением массы по ступеням и др. Поэтому исходные данные на проектирование двигателя устанавливают на основе согласованного решения с разработчиком ракеты и на этом этапе ее разработки указанные данные могут уточняться. В принципе для определения основных размеров двигателя достаточно задать топливо, время работы и диаграмму тяги Р (т) двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
