книги из ГПНТБ / Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с

риода реактора £ при тех t, когда значение | находится на предельно допустимом уровне, и не приводит к превыше­ нию этого уровня в другие моменты времени.

При t > А3) управление и (t) строится кусочно-постоян­ ным. Значение управления на каждом из участков постоян­ ства выбирается из условия того, чтобы «наихудшее» из возмущений w (t), приводящее в конце участка постоянства

и (і) к максимальному выбросу по Г, приводило к достиже­

нию величиной Т значения Т тв конце упомянутого участка (т. е. с учетом решения задачи 1). Отыскание решений задачи 1 довольно трудоемко. Поэтому принята приближенная ме­ тодика, основанная на следующем анализе задачи 1. Ана­ логично [19] исследовалось линейное приближение возму­ щенных движений. При этом проводилось «укрупнение» задачи: замена шести групп запаздывающих нейтронов од­ ной и замена дифференциального уравнения для п алгеб­ раическим. Так как для задачи 1 несущественно уравнение, описывающее регулирующий орган, получаются два линей­ ных дифференциальных уравнения. Поведение корней ха­ рактеристического уравнения этой системы дифференциаль­ ных уравнений определяется общим коэффициентом усиле­ ния ka контура нейтронный поток — температура (см. урав­ нения (4.52)). При больших значениях указанного коэффи­ циента усиления контура корни получаются действитель­ ными, а переходная функция от w (т. е. от воздействия по

реактивности) к Т практически монотонна. При малых зна­ чениях этого коэффициента корни получаются комплексны­

ми, а переходная функция от w к Т имеет значительный выброс.

Для реактора ЯРД характерны большие значения коэф­ фициента усиления упомянутого контура, т. е. произведения мощности на коэффициент температурной обратной связи по реактивности. Поэтому линейный анализ дает практи­

чески монотонную переходную функцию от w к Т. Однако при интегрировании уравнений с учетом нелинейности по­

лучается значительный выброс по Т. В связи с этим приня­ то, что «наихудшее» поведение возмущающего воздействия

в отношении максимальных отклонений по Т (задача 1) имеет вид функции со ступенчатым переключением в некото­ рый момент времени с отрицательного уровня —А на по­ ложительный уровень А. Причем момент времени переклю­ чения зависит от того, в какой точке t находят максималь­

ное отклонение по Т.

157

Приведенные соображения использовались для построе­ ния алгоритма отыскания программы изменения во времени

Ѳу)] выбирают в результате рассмотрения поведения систе­ мы при действии возмущения wj (t), имеющего вид:

Найдем управление и на участке постоянства и (t), следую­ щем за точкой Ѳу_2. Положим w=Wj (і). Проинтегри­ руем систему уравнений от t = 0 до t = @j-x. Подберем Uj так, чтобы при интегрировании системы уравнений от

точки вправо величина t в точке своего максимума по t была равна предельно допустимому значению t т. Эту

точку максимума по времени величины t примем за Ѳ7. Выбирая тj достаточно близким к т;-_ь можно сделать расстояния между точками Ѳ7 и Ѳ7-_, достаточно малыми и тем самым достаточно точно приблизить управление и (/) кусочно-постоянной функцией при t > ^ 3' .

На рис. 4.10 приведена рассчитанная согласно изложен­ ному алгоритму программа оптимального изменения ско­ рости перемещения регулирующего органа и (t) для задачи пуска с учетом возмущения. Там же приведены основные кривые переходных процессов, характеризующих пусковые режимы, для некоторых возмущений; даны кривые пере­ мещения регулирующего органа в сумме с возмущающим воздействием <р + w. Сплошная линия соответствует дейст­ вию возмущения w в сторону увеличения реактивности на максимально допустимую величину А, а пунктирная—соот­ ветствует w = —А. Таким образом, реальное поведение кри­ вой ф + w может осуществляться произвольным образом в пределах получившейся полосы, и расчет сделан так, чтобы при всех этих реализациях не нарушались ограничения по

£ и Т. На рисунке приведены также кривые изменения об­ ратной величины периода реактора £ (t), температуры реак­

тора Т (t) и скорости ее нарастания Т (t). Сплошные линии соответствуют возмущению w (t) — А.

158

Из этих кривых видно, что предельное значение обратной величины периода реактора достигается только при оу (t) —

= А. Скорость же нарастания температуры реактора f (t) достигает своего предельно допустимого уровня Т т в раз­ личных точках в зависимости от реализовавшегося возму­ щения w (t). Каждая из кривых f (і) [соответствующих раз­ ным возмущениям w (г!)] после достижения уровня f m далее проходит ниже значения f m. Конечное значение темпера­ туры реактора Тк достигается в различные моменты време­ ни в зависимости от реализовавшегося возмущения w (/).

§15. Экспериментальные исследования динамики

иуправления ЯРД

Введение. Экспериментальным исследованиям динамики и управлению ЯРД посвящено достаточно много работ [7, 8, 15, 16 и др.]. В США определенные динамические иссле­ дования проводились при всех испытаниях реакторов, раз­ рабатывавшихся по программе «Ровер» (KIWI, NRX, «Фобус»), и атомных ракетных двигателей, разрабатывав­ шихся по программе «Нерва».

Первая серия реакторов KIWI (А, А1, A3) испытывалась с июля 1959 г. по октябрь 1960 г. Тепловыделяющие эле­ менты реакторов — уран-графитовые, рабочее тело — газо­ образный водород. Вторая серия испытаний реакторов KIWI (В) с применением газообразного и жидкого водорода проводилась с декабря 1961 г. по август 1964 г. Всего было испытано 11 реакторов. Хотя результаты испытаний в целом были весьма обнадеживающими, реакторы в результате ис-

' пытаний разрушались вследствие, по-видимому, виброди-

1000 Мвт\ температура рабочего тела на выходе из реактора 2500° С; давление 70 атм. Удельная тяга двигателя с таким реактором должна быть 700—800 сек.

Параллельно программе «Ровер» с 1961 г. в США ведут­ ся работы по программе «Нерва», цель которой —создание летного образца двигателя. В 1967 г. был испытан первый экспериментальный ЯРД NRX. В настоящее время в стадии испытаний находится серия двигателей ХЕ, близких к лет­ ному варианту. Номинальная мощность реактора ХЕ-1 равна 1126 Мет, тяга — 25 200 юГ; удельная тяга — 715 сек.

160

Схема двигателя ХЕ-1 приведена на рис.1.1, схема системы управления — на рис. 1.3.

Испытания двигателя. Испытания включают в себя следующие этапы: запуск двигателя; поддержание номи­ нального режима; смена режимов; останов двигателя со снятием остаточного тепловыделения.

Запуск двигателя. Запуск двигателя делится на две стадии: подготовка и выход на режим. Стадия подготовки начинается открытием пускового клапана. При этом жидкий

Рис. 4.11. Типичная картина колебаний давления в двигателе при запуске с неохлажденным насосом и открытым регулятором тур­ бины:

водород из бака с температурой 21° К поступает в гидравли­ ческий тракт двигателя и охлаждает его. Охлаждение гид­ равлического тракта необходимо для уменьшения сопротив­ ления последнего к началу следующей стадии — выходу на режим. Расход водорода в этой стадии нарастает от 0,45 до 1,35 кг/сек. В системе возникают колебания из-за кипения водорода в элементах тракта. Типичная картина этой стадии приведена на рис. 4.11. Подготовка занимает 60—70 сек (в случае предварительно охлажденной системы 45—50 сек).

Температура системы в конце стадии охлаждения уста­ навливается около 28° К. При этой температуре в системе прекращаются колебания расхода.

Вторая стадия — выход на режим начинается открытием клапана подачи газа на турбину (включением регулятора

турбины). С этого момента начинается раскрутка ТНА. Когда скорость ТНА достигает 1500—2000 об/мин, возни­ кает положительная обратная связь по контуру: насос — охлаждение двигателя — турбина. При этом дальнейшая раскрутка ТНА перестает зависеть от давления водорода

6 — давление в коллекторе сопла; 7 —давление в камере.

в баке. Процесс разгона становится автономным. Одновре­ менно с раскруткой ТНА начинается увеличение мощности реактора по определенной программе (рис. 4.12). При этом возрастание мощности должно происходить в соответствии сувеличением расхода. По достижении некоторого началь­ ного уровня мощности (Р Ä 4,2 кГ/см2, Т « 600° К) тем­ пература в камере поднимается со скоростью 28 град/сек. В конце периода пуска при выходе на номинальный режим включается регулятор температуры в камере, который до­ водит двигатель до расчетного режима.

162

Весьма интересный участок пускового режима лежит в интервале(см.рис.Ч. 12) между 1500 и 1530 сек.В это время, как видно из рисунка, расход рабочего тела испытывает довольно сложные колебания. При этом с температурой рабочего тела аналогичных изменений не происходит.Такое положение имеет место, если мощность реактора изменяется «подобно» изменениям расхода рабочего тела. Это должно

Рис. 4.13. Диаграмма характеристик двигателя при регулировании:

происходить в силу положительного эффекта на реактив­ ность от давления водорода в реакторе.

П о д д е р ж а н и е и с м е н а р еж и м о в . Поддержание рабочего

режима производится с точностью ± 2 5 град. Смена режимов, производившаяся для изучения регулируемости двигателя, показана на рис. 4.13. При этом возмущающие воздействия— изменение давления после насоса и изменение давления в ба­ ке. Регулируемый параметр — температура газа в камере. Возмущение вводилось со скоростью 0,3 атмісек. Пределы изменения давлений: 41,4— 14,1 кГ/см2. Задавались два уровня температур в камере: 1890 и 1380° К- Как видно из рис. 4.13, поддержание'температуры осуществлялось с весь­ ма хорошей точностью.

О с т а н о в д в и г а т е л я с о сн я т и ем о с т а т о ч н о г о т е п л о в ы д е л е ­

н ия . Останов двигателя производится в два этапа: 1) сни­ жение мощности (и соответственно тяги) двигателя при по­

стоянной температуре до такого уровня, при котором можно выключить турбонасосный агрегат и дальнейшую подачу рабочего тела обеспечивать давлением в баке; 2) снижение температуры (и расхода) с максимальной скоростью до тех пор, пока расход не достигнет минимального уровня. После

этого реактор глушится (регулирующие стержни полностью выводятся). Далее, для экономии рабочего тела создаются пульсации расхода, снимающего остаточное тепловыделе­ ние. Общее время охлаждения около 1 ч. За это время соз­ дается 3—4% общего импульса двигателя.

Испытания и отработка системы питания. Схема системы

164

Как видно из схемы, в системе параллельно работают два турбонасосных агрегата. Регулирование расхода водорода и давления производится с помощью контура перепуска во­ дорода. Число оборотов турбины поддерживается в соответ­ ствии с заданной программой астатическим регулятором, исполнительный орган которого воздействует на клапан в подводящей магистрали турбины. При работе с реактором «Фобус-ІВ» мощность на валу насоса достигала 17 600 кет, число оборотов 36 000 об/мин, расход 84 кг/сек и давление за насосом 120 кГІсм2. При работе с реактором «Фобус-2А» система питания работала при двух параллельных насосах с характеристиками системы, близкими к расчетным. Было установлено, что насосы могут работать в различных рабо­ чих точках, вплоть до такого состояния, когда через один насос идет основная часть расхода, а через другой — незна­ чительная.

Испытание реакторов. При испытаниях реактора «Фобус2А» было обнаружено, что эффективность управляющих стержней значительно меньше расчетной (рис. 4.15). Это вызвано неточным учетом температуры холодного водорода и обтекаемых им элементов отражателя.Сравнение вычислен­ ных значений реактивности с результатами эксперимен­ та приведено на рис. 4.16. Выпадающие точки объясняются наличием в отражателе двухфазного потока водорода, затрудняющего расчет реактивности. Для управления регу­ лирующими стержнями реакторов «Фобус» использовались три сигнала: программного устройства; регулятора темпе­ ратуры, имеющего предельный угол поворота + 6 град,

165

и ручного управления, имеющего предельный угол-|-20 град. Общий угол поворота стержней составлял 122 град, однако запланированная мощность (и температура) достигнуты при этих испытаниях не были.

С и ст ем а и зм ер ен и й в р е а к т о р а х « Н е р в а » [16]. В реакто­

рах ЯРД «Нерва» установлено большое количество конт­ рольно-измерительной аппаратуры. Система должна вы-

Рис. 4.15. Эффективность регулирующего стержня:

зультаты расчета пятой серии испытаний (отражатель хо­ лодный; расход газообразного водорода 2 кг/сек)\ • —ре­ зультаты экспериментов четвертой и пятой серий; X — ре­ зультаты расчета для пятой серии испытаний (отражатель

холодный).

поднять следующие функции: определение состояния дви­ гателя измерением различных его параметров; определение отклонения параметров двигателя от расчетных; защита от аварий путем указания на приближение аварийной ситуа­ ции; получение данных, позволяющих провести диагности­ ку повреждений. Измерительная аппаратура предназначена для измерения температур, давлений, перемещений, вибра­ ций и деформаций.

И зм е р е н и е т е м п е р а т у р . Для измерения температур ис­ пользовались датчики температур двух назначений: датчики системы управления, диагностические датчики. Последние имели меньшую точность. Схема размещения точек измере­ ния температур показана на рис. 4.17. Низкотемпературные

166