книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

но, 3. При форме 3 колебания отражались с малой амплитудой и малой энергией. Если иметь полутепловое сопло,, в котором ми­ нимальное сечение равно сечению камеры, то продольные колеба­ ния не будут отражены от сопла.

Фиг. 6.7. Формы исследованных сужающихся

сопел

Продольные высокочастотные колебания при неизменной конструкции головки и, следовательно, при одинаковых услови­ ях смесеобразования можно вызвать изменением длины камеры, что при заданных свойствах газовой среды влияет на частоту соб­ ственных акустических колебаний. Опыт показывает, что для каждого диаметра камеры существуют такие минимальные и максимальные длины, ниже и выше которых продольные коле­ бания данной частоты не стабилизуются. Таким образом, меняя длину камеры, можно избежать продольных колебаний опас­ ной частоты.

Испытания на моделях показали также, что с увеличением установившегося давления р к* в камере, при прочих неизменных условиях, растут частоты и амплитуды колебаний. Так, в одном из исследований прирк*= 3,6 кг/см2 частота колебаний давления

Наличие жестких стенок в случае поперечных колебаний и дозвуковой части сопла в случае продольных колебаний не яв­ ляется обязательным условием поддержания процесса колебаний. Основное — в колебании мощности источников энергии синхрон­ но с колебанием давления. Отраженные волны могут лишь, уси­ лить амплитуды колебаний.

Если стенки камеры отражают волны давления, то колеба­ ния (поперечные и продольные) могут стать колебаниями удар-

WorO типа и оказать мощное влияние на ход химической реакции вплоть до детонации, которая, в свою очередь, усилит колеба­ тельный процесс как по амплитуде, так и по частоте.

Особенность всех форм акустических колебаний заключается в наличии стоячих волн, при которых в узловых точках (или по­ верхностях) давление остается постоянным, а между ними давле­ ние колеблется; наибольшего значения амплитуда колебания до­ стигает в сечении, где установилась пучность стоячей волны. Ко­ нечно, в условиях двигателя узловые поверхности и области пуч­ ности не являются строго фиксированными в пространстве; тем не менее модель стоячей волны практически применима и для двигателей. В этом случае, если фронт горения узок и совпадает с узловой поверхностью или находится вблизи нее, то колебание не будет стабильным, так как при Gv,.eK= пост, и р к* = пост. ко­ личество выделяющейся энергии также будет постоянно и, следо­ вательно, нет источников энергии для поддержания колебания. Наоборот, если фронт пламени (по-прежнему узкий) будет нахо­ диться вблизи пучности, где амплитуда колебания давления наи­ большая, то возникает возможность колебательного процесса тепловыделения, так как с изменением р к* (и температуры) меня­ ются время запаздывания и скорость химической реакции, а сле­ довательно, и количество выделяемой энергии. При такой модели высокочастотного колебательного процесса можно прийти к за­ ключению, что чем шире будет зона горения, тем меньше тепла выделится в области пучности и тем меньше будет энергия, иду­ щая на поддержание колебаний. Распределение топлива в значи­ тельной части объема камеры может способствовать повышению устойчивости процесса.

Во всех случаях высокочастотных колебаний (продольных, поперечных и комбинированных) время запаздывания играет значительную роль. Поскольку при колебаниях давления темпера­ тура является функцией давления, то вообще можно считать, что

'-зап = f {Рк )

и, кроме того,

v W ita c * ) .

где Vr — скорость химической реакции. Именно зависимость времени запаздывания и скорости реакции от давления приводит к колебанию величины тепловыделения при колебаниирк*. Поэто­ му одной из возможностей борьбы с высокочастотной неустойчи­ востью является изменение химической активности топлива, т. е. влияние на тзап и Vr . На эти величины можно влиять введени­ ем в топливо тех или иных присадок, а также таким методом рас­ пиливания, при котором в различных зонах камеры получаются

•смеси с разными временами запаздывания.

Другой возможностью борьбы с высокочастотной неустой­ чивостью, требующей еще экспериментального подтверждения,

162

является значительное увеличение давления в камере. В этом случае, с одной стороны, время запаздывания топлива на уста­ новившемся режиме сильно уменьшается и становится менее чув­ ствительным к колебаниям давления и температуры среды; с дру­ гой стороны, уменьшаются размеры камеры, что способствует более широкому охвату объема камеры компонентами топлива.

Следует указать, что строгой теории высокочастотной неус­ тойчивости процесса Ж РД пока еще не создано, хотя имеется немало практически важных наблюдений.

§ 6.3. НЕУСТОЙЧИВЫЙ ПРОЦЕСС РДТТ

Опыт показывает, что в РДТТ возникают колебания давле­ ния высокой частоты. Мелкие колебания давления, как и в случае ЖРД, всегда могут иметь место, хотя причина их возникновения еще не вполне ясна (структура топлива, изменение поверхности горения и изменение скорости газов в каналах в ходе процесса и др.). Однако в ряде случаев в камере возникают колебания дав­ ления с большой амплитудой, которая может быть соизмерима с величиной среднего давления при нормальном горении. Коле­ бания носят явно выраженный характер резонансных акустиче­ ских колебаний.

На фиг. 6.8 приведены два графика, один из которых относит­ ся к случаю нормального горения, а другой — к случаю неустой­ чивого резонансного горения. Как видим, максимальное давле­ ние во втором случае почти вдвое больше нормального; кроме того, заметно сокращается общая продолжительность горения топлива. При неустойчивом резонансном горении не только со­ кращается период работы двигателя, но возможно и разрушение заряда с последующим взрывом. Если даже горение протекает без взрыва, тем не менее полезный эффект заряда уменьшается на 10—15%, так как при наличии сопла затрачивается энергия

на поддержание колебаний столба газов в камере, увеличивается теплоотдача, растет трение. На наличие потерь энергии при не­ устойчивом процессе в камере ракетного двигателя мы уже указы­ вали выше, относя эти потери главным образом за счет наличия выходного сопла.

Физическая картина возникновения и поддержания колеба­ ний в РДТТ в основном такая же, как и в случае внутрикамерной высокочастотной неустойчивости в Ж РД со всеми формами ко­ лебания.

Как мы уже указывали, в камере всегда имеются микроколе­ бания давления при стационарном процессе. Увеличение давле­ ния (возмущающий фактор, вызванный случайными причинами, например, структурой топлива) образует волну, которая при сво­ ем движении в сторону поверхности горения сжимает слои газа вблизи поверхности и уменьшает ширину зон газификации и под­ готовки в большей или меньшей степени, в зависимости от ин­ тенсивности волны. Увеличение давления и уменьшение шири­ ны I и II зон (фиг. 5.1 или 5.8) ускоряет процессы разложения, газификации и подготовки и увеличивает скорость горения. Од­ нако вслед за волной давления возникает отраженная волна; спустя некоторый промежуток времени, к поверхности горения подходит следующая волна давления. Если интенсификация про­ цессов разложения топлива и подготовки его к горению, обус­ ловленная первой волной, завершилась к моменту подхода следу­ ющей волны давления, то освобождаемая избыточная энергия яв­ ляется источником, который питает и поддерживает колебания.

Ф иг. 6.9. Колебание давления в камере и тепло­ выделения при неустойчивом процессе

Если тпреобр есть период времени между возмущающим фактором (здесь — изменением давления) и его результатом (в данном случае изменением тепловыделения), то, очевидно, если это время равно или кратно периоду колебаний возмущающего фактора, колебания будут поддерживаться и приобретать резонансный характер, так как выделение избыточной энергии осуществляется синхронно, т. е. в фазе с колебаниями давления (фиг. 6.9). Имен­

164

но наличие периода преобразования, т. et времени между момен­ том возмущения в газе и воздействием этого возмущения на ско­

ростьгорения и количество выделяющегося тепла, является при­ чиной, приводящей к поддержанию процесса' неустойчивого горения. ■

Поскольку колебания давления в камере носят акустический характер, очевидно, неустойчивый процесс зависит от геометриче­

ности неустойчивое горение наблюдается чаще всего; частота ко­ лебаний тем меньше, чем больше диаметр канала (фиг. 6.10). В таком заряде неустойчивое горение может стать более устойчи­ вым или вполне устойчивым по мере выгорания топлива.

Изменение формы канала может также привести к стабиль­ ному горению ввиду изменения скорости эрозионного горения (влияние V) и вследствие изменения частоты собственных коле­ баний.

Внутренними факторами, способствующими затуханию воз­ никших колебаний, являются лишь трение и теплоотдача. Поэто­ му.введение специальных стержней, сверление или выполнение при формовке специальных местных радиальных> отверстий, что приводит к нарушению волновой структуры колебательного про­ цесса, как показывают отдельные опыты, стабилизируют горение.

Более склонны к неустойчивому резонансному горению «горя­ чие» топлива, у которых высокое значение показателя давления п и которые более чувствительны к начальной температуре заряда. Высококалорийные топлива, у которых более высокая температу­ ра Тк* продуктов реакции, более склонны к неустойчивому про­ цессу. Равномернее горят топлива с малой теплотворной способ­ ностью, с малой величиной скорости горения и с меньшей зави­ симостью т^гор от р к* , т. е. с малым значением показателя п.

Исследования показывают также, что уменьшение размеров зерен окислителя при неизменной весовой доле окислителя приво­

165

исходит расширение газа; понижение давления сопровождается уменьшением температуры и весовой плотности.

Реальный процесс расширения является весьма сложным. Он сопровождается-внутренним трением в газе и трением газа Ь стен­ ки, теплообменом газа со стенками. Понижение температуры при­ водит к уменьшению теплоемкости и к рекомбинации атомов и ра­ дикалов, если перед соплом газ был диссоциирован. Течение газа по соплу является не одномерным, так как параметры газа и его состав могут меняться по сечению.

Исследования, проведенные на жидкостно-ракетных двигате­ лях, показали, что процесс истечения в соплах происходит хими­ чески и энергетически равновесно, т. е. в каждом сечении сопла состав газа и его теплоемкость соответствуют термодинамической температуре.

Обычно течение газа в сопле считают одномерным, пренебре­ гают . трением и теплообменом между газом и стенками сопла. Последнее допущение при условии равновесности процесса опре­ деляет его изоэнтропичность, т. е. позволяет считать, что процесс расширения происходит при постоянной энтропии.

Скорость истечения, вычисленная при этих предположениях, отличается от действительной. Для определения действительных величин вводятся экспериментальные поправки.

В ракетных двигателях перепад давления в сопле значительно выше критического. Поэтому в этих двигателях для полного пре­ образования тепловой энергии в кинетическую энергию использу­ ются сверхзвуковые сопла Лаваля.

Переменность состава и теплоемкости газов вдоль сопла при­ водит к тому, что в процессе расширения газа в сопле показа­ тель k процесса меняется. Поэтому, когда это необходимо, в рас­ четах и анализе процесса рассматривают некоторую среднюю для этбго процесса величину показателя процесса, как указыва­ лось в гл. И.

167

§ 7.1. И З М Е Н Е Н И Е П А Р А М Е Т Р О В Г А З А В Д О Л Ь С О П Л А

опыт, условия течения внутри сопла не нарушаются и аналогичны

рой происходит отрыв газа от стенок сопла, зависит от расчетной степени понижения давления в сопле рк* Рс и от геометрии соп­ ла. В среднем при расчетной степени понижения давления p K*jpc

Следует отметить, что обычно ракетные двигатели работают в условиях

Рс'РН> ' Р с \

Рн'\пред>

и условия отрыва практически встречаются на этих двигателях редко. Поэтому в дальнейшем мы будем„рассматривать главным образом безотрывное течение газа в сопле.

При сверхкритическом перепаде давления и безотрывном ■изоэнтропическом течении газа внешние условия (например, из­ менение внешнего атмосферного давления) не влияют на харак-

168

тер течения газа в сопле. В этих условиях отношения параметров газа (давления р, температуры Т) в любом сечении сопла к па­ раметрам газа перед соплом (в конце камеры сгорания) зависят только от относительной площади данного сечения и показателя процесса k:

сопла;

F — площадь текущего сечения сопла.

Для изоэнтропического течения отношение давлений — -— с ве-

Р *

личиной f связано следующим образом:

169

Скорость газа в каждом сечении определяется величиной

_р —и параметрами газа перед соплом

Рх

вдоль сопла показан на фиг. 7.3.

Ф и г. 7.3. Изменение параметров газа вдоль сопла

Относительная площадь выходного сечения сопла

называют степенью расширения сопла. Следовательно,

ния параметров для каждого сечения сопла есть величины посто­ янные; для выходного сечения:

170