Влияние различных факторов на высокочастотную неустойчивость рдтт

На неустойчивое горение в РДТТ влияют физико-химические процессы и различные факторы, которые усиливают или замедляют колебания давления. Среди них важнейшими являются конструк­тивные режимные, эксплуатационные и др. Методы определения этих факторов можно разделить на теоретические, эксперименталь­ные и комбинированные. Трудность решения проблемы неустойчиво­сти РДТТ сильно ограничивает возможности теоретического ана­лиза.

Как уже упоминалось, устойчивость РДТТ определяется соотно­шением между приходом акустической энергии и ее потерями. Ес­тественно, что методы подавления неустойчивости РДТТ опреде­ляются источниками поглощения этой энергии. Потери акустиче­ской энергии можно условно разделить на: а) потери в потоке про­дуктов сгорания и б) потери на его границах. К первым относятся частицы конденсированной фазы, распределенные по газовому объ­ему камеры и способствующие демпфированию колебаний вместе с механизмами диссипации энергии за счет вязкости и теплопроводности в газовой фазе и вследствие колебательной релаксации многоатомных молекул продуктов сгорания. Потери второго класса включают демпфирующее действие конструктивных элементов корпуса двигателя, самого топливного заряда, дозвуковой части сопла, потери тепла, потери на вихреобразование и т.п.

1. Конденсированная фаза. О подавлении неустойчивости акустического типа в РДТТ введением в топливо добавок, обра­зующих твердые частицы в продуктах сгорания, известно более 20 лет. Этот способ оказался эффективным для устранения неустой­чивости горения в двигателях, использующих обычные (без доба­вок) твердые топлива. Тонкий порошок алюминия в качестве реак­тивной добавки считается хорошим средством борьбы с колебания­ми наряду с другими добавками, которые, однако, не окисляются и не выделяют энергию в камере (инертные добавки). Но при сгора­нии алюминия не только образуются частицы , которые эффек­тивно рассеивают энергию колебаний, но и значительно повышается энергия продуктов сгорания, увеличивая тем самым удельный им­пульс двигателя. Использование в составе основного твердого топлива добавок, образующих при сгорании конденсированные частицы, оказывает влияние на возбуждение, демпфирование и форму акустической стоячей волны. Эти добавки изменяют функцию чув­ствительности скорости горения топлива. Здесь необходимо отме­тить два противоположных по направлению явления. С одной сто­роны, введение добавок улучшает демпфирующее действие сопла, но с другой,- выделяющееся при горении тепло оказывает деста­билизирующее влияние. С этой точки зрения эффект введения Al, например, выражается слабее, чем .

Теоретически влияние конденсированной фазы можно исследо­вать при помощи рассмотренной выше теории нелинейных коле­баний Ф. Кулика. Численные расчеты уравнений (5.84) ...(5.87) приведены на рис.8. Виден эффект демпфирующего действия частиц с увеличением их размера, что подтверждается эксперимен­тальными исследованиями. Другими теоретическими работами показано также, что затухание, обусловленное присутствием частиц, сильно зависит от пространственного распределения массы частиц в камере. Размер частиц , наиболее эффективно поглощающих акустическую энергию, определяется следующей формулой:

,

где μ- динамическая вязкость газа; - плотность твердой фазы.

Рас.8. Влияние размеров частиц на усиление неустойчивой моды

Эффект действия присадок хорошо виден из рис.9, где, по данным Эванса и Смита, показано, как введение присадок подавля­ет неустойчивость испытуемого РДТТ.

Рис.9. Эффект действия присадок в твердое топливо на устойчивость РДТТ (по опытам): а — без присадок; 6 — 1,4% присадок

2. Сужающаяся часть сопла. Среди конструктивных факторов, влияющих на подавление колебаний, важное место зани­мает геометрия входной части сопла. Волны давления, возникающие в камере сгорания на неустойчивых режимах работы, входят в соп­ло, частично отражаясь от его стенок, а частично проходят через критическое сечение.

С практической точки зрения необхо­димо стремиться к максимальному коли­честву энергии волны, проходящей через критическое сечение сопла. Исследова­ние формы сужающейся части сопла, обеспечивающей максимум стабилизиру­ющего влияния, показало (Б. Зинн), что демпфирование, производимое коротки­ми соплами (в РДТТ применяются сопла, размеры которых значительно меньше характерных размеров ка­меры сгорания), не зависит от локальных особенностей геометриче­ской формы сопла, а зависит в основном от степени сужения сопла, и не зависит также от частоты, когда длина волны колебаний значи­тельно больше длины дозвуковой части сопла.

Важным фактором является положение сужающейся части соп­ла. Исследованиями установлено, что утопление сопла в камеру может вызвать неустойчивый режим у устойчиво работающего до этого двигателя.

3. Форма и размеры заряда. Известные многочисленные исследования показывают, что форма канала заряда играет важную роль в обеспечении устойчивой работы РДТТ. Влияние этого фак­тора, по данным Робертса с сотр., показано на рис. 10 (ψ- доля сгоревшего топлива). Как видно, из трех рассмотренных форм за­рядов наименьшую устойчивость имеет канал круглой формы, наи­большую - заряд со щелевым каналом дигрессивного горения. Влияние конфигурации заряда подробно исследовалось в ряде ра­бот. Рассмотрение Т. Кореки различных зарядов цилиндрической формы со ступеньками и ребрами показало, что формы со ступень­ками и гранями в общем склонны к продольным колебаниям. Угол расширения канала сказывается на устойчивости при некото­ром определенном значении. Перегородки являются очень эффек­тивным средством подавления продольных колебаний, пазы не так эффективны. В трубчатых зарядах, горящих по всей поверхности, сквозные радиальные сверления в своде оказывают демпфирующее действие. В зарядах крестообразной формы такой же эффект ока­зывает спиральное расположение бронированных участков на на­ружной поверхности шашки.

Рис.10. Влияние формы заряда на условия воз­никновения неустойчивого горения (область ус­тойчивости заштрихована)

Известно также, что с увеличением длины заряда вероятность возникновения неустойчивого горения возрастает, а частота коле­баний зависит от диаметра канала заряда, как это и следует из акустической теории.

Отмечается также некоторое демпфирующее воздействие тол­щины свода заряда и отношения S/F*.

4. Давление в камере сгорания. Давление является ре­жимным параметром, величина которого во многом зависит от кон­структора. Результаты воздействия давления на устойчивую работу РДТТ показывают, что его уменьшение оказывает дестабилизирую­щее действие. Были обнаружены два предельных значения р, выше одного из которых процесс устойчив и ниже другого из них - неус­тойчив.

5 . Температура заряда. Результаты экспериментов по­казывают, что при очень низких (<—50° С) и очень высоких (> + 60°С) температурах твердого топлива неустойчивость его ра­бочего процесса возрастает. В общем влияние Т_∞ носит доволь­но сложный характер, в чем можно убедиться из рассмотрения рис.11, полученного для цилиндрического заряда.

Рис.11. Области неустойчивости в плоскости параметров :

А - область устойчивой работы; В - область слабой неустойчивос-ти;

С - область резко вы­раженной неустойчивости;

D - увеличение неустойчивости.

6. Скорость горения топлива. Известно исследование Смита, согласно которому с увеличением скорости горения степень неустойчивости (амплитуда колебаний давления) существенно уменьшается (рис.12). Данные графика подтверждают также описанный выше эффект стабилизирующего влияния повышения давления в камере сгорания.

Р ис. 12. Зависимость степени неустойчивости РДТТ от скорости горения топ­лива:

1— устойчивое давление в камере при давлении 0,5 МПа;

2 — 8,4 МПа.

7. Состав топлива. Этот фактор, несомненно, влияет на устойчивость двигателя, но широкого его исследования не проведено. Имеются в настоящее время отдельные работы, которые говорят о следующем.

При изменении размеров частиц перхлората аммония в топливе с полибутил-акриловой кислотой в качестве связки устойчивость су­щественно меняется: топливо, содержащее мелкозернистый окисли­тель без добавок, влияющих на скорость горения, оказалось немного более неустойчивым, нежели аналогичное топливо с более крупны­ми частицами окислителя. Ускоряющий горение хромит меди стабилизировал горение при низких частотах и дестабилизировал при вы­соких. Наоборот, фтористый литий, который снижает скорость горения, дестабилизировал горение при низких частотах и стабили­зировал при высоких. Воздействие добавок, влияющих на скорость горения топлива, на колебательные процессы (по данным Хортона) показана на рис.13а. Исследование Робертса с сотр. по влия­нию фракционного состава окислителя в твердом топливе, содержа­щем 16% связующего, 18% — Аl и 66% ПА на величину критическо­го давления (в смысле устойчивости рабочего режима), показало, что р_кр слабо зависит от этого состава, однако степень не­устойчивости очень чувствительна к наличию в твердом топливе крупнодисперсных фракций окислителя (см. рис.13б).

Рис.13. Влияние добавок на неустойчивое горение твердых топлив: а) 1, 2 - крупно- и мелкозернистый окислитель; 3, 4 - крупно- и мелкозернистый окислитель + хромит меди; 5, 6 — крупно- и мелкозернистый окислитель + фтористый литий;

б) зависимость степени устойчивости от соотношения фракций окислителя φ (по Робертсу)

8. Физико-механические свойства топлив. Твердое топливо может рассеивать акустическую энергию, влияя на струк­туру акустических мод. Влияние вязкоупругих свойств твердых топ­лив на акустические свойства заряда, по данным Райэна и Коутса, показана на рис. 14 в виде отношения амплитуды акустического давления на опертом конце заряда к амплитуде на свободном конце Δр₂ в зависимости от длины заряда l и вязкоупругих парамет­ров а и b . Для зарядов с очень высокими модулями упругости в общем случае следует ожидать неустойчивых колебаний продук­тов сгорания.

Рис.14. Влияние вязкоупругих свойств твердых топлив и длины заряда на акус­тические свойства заряда

9. Конструкция двигателя. Влияние масштабного фак­тора, т. е. размеров РДТТ по исследованиям Робертса с сотр., за­ключается в следующем. При уменьшении размеров степень неус­тойчивости РДТТ возрастает, а критическое давление уменьшает­ся. Однако в этом направлении проведено ограниченное количество опытов и не исключено, что двигатель, работающий устойчиво, при увеличении масштаба имеет большую возможность для перехода в неустойчивую область, если масштабный фактор достаточно ве­лик (рис. 15).

Рис. 15. Области неустойчивости в плоскости параметров SJF* — диа­метр канала: 1 - область устойчивой работы; 2 - об­ласти слабой неустойчивости; 3 - область резко выраженной неустойчивости; 4 - устойчивый режим; 5 - режим слабых ко­лебаний; 6 - режим с резко выраженной неустойчивостью; 7 – увеличение .

Важным фактором для высокочастотной неустойчивости явля­ется отношение длины двигателя к его диаметру. Считается, что при малых отношения L/D предел устойчивости сдвигается в сторо­ну более высоких давлений.

Конструктивные меры подавления неустойчивости РДТТ вклю­чают также такие мероприятия, как размещение во внутренней по­лости заряда устройств из негорючих материалов в виде перегоро­док, стержней, перфорированных пластин, акустических полостей (резонаторов), диафрагм с отверстиями. Отмечается также демпфирующее действие кольцевого зазора между корпусом и за­рядом.

С другой стороны, известно (Браун с сотр.), что различные ка­верны, выступающие острые конды, отверстия, кольца могут слу­жить достаточно сильными источниками акустических волн, вызы­вающих колебательные режимы в РДТТ.

10. Эрозия. Акустическая эрозия - т. е. зависимость скорос­ти горения от величины (но не направления) изменяющейся состав­ляющей скорости газа, параллельной поверхности горения, - суще­ственно влияет не только на поперечные моды, но и на линейную неустойчивость продольных мод колебаний. Исследованиями было установлено влияние эрозионного горения на нелинейную неустойчи­вость РДТТ. Эрозия может увеличивать, уменьшать или оставлять неизменной неустойчивость в зависимости от сочетания режимных параметров РДТТ.

11.Тепловыделение топлива. Как известно, выделение тепла при горении топлива играет важную роль в характере проте­кающих переходных процессов. Величина Q_ω влияет на неустойчи­вость РДТТ через функцию чувствительности. Эффект воздейст­вия Q_ω на величину предельной амплитуды колебаний показан на рис. 16а по результатам теоретических расчетов Левина и Ф. Ку­лика.

12.Начальное возмущение. В случае «жесткого возбуж­дения» интересно знать эффект воздействия абсолютной величины начального возмущения. Теоретические расчеты по модели Ф. Кули­ка показали, что при вариации от 0,2 до 0,05 по отношению к среднему значению давления в камере сгорания, граничная ампли­туда изменяется соответственно от 0,058 до 0,0417.

Если начальное возмущение составляет 30% от величины давле­ния в камере, то это оказывает большой эффект на ограничиваю­щую амплитуду, которая возрастает на 9,8% (см. рис. 16б).

Рис. 5.34. Эффект влияния тепловыделения (а) и величины начального возмуще­ния (б) на предельную амплитуду колебаний:

1 - Q_ω = 58,9 Дж/кг, В = 53; 2 - Q_ω, = 58,6 Дж/кг, В=-54; 3 - Q_ω = 58,2 Дж/кг, В = 55.

13. Тепловые потери в стенку камеры. Силы трения о стенки камеры оказывают стабилизирующее влияние на работу РДТТ.