книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

Глава И

УСТОЙЧИВЫЕ И НЕУСТОЙЧИВЫЕ РЕЖИМЫ ЖРД И АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ИХ РАБОТЫ

Одной из важнейших проблем, возникающих при проектирова­

нии ЖРД любого типа и назначения, является обеспечение устой­ чивости его работы на заданных режимах, определение условий, при которых двигатель сможет работать динамически устойчиво, даже при воздействии неизбежных возмущений и переменных ко­ манд в системе регулирования.

Спроектировать устойчиво работающий ЖРД — это значит создать такую конструкцию двигателя, в которой колебания дав­ ления газов в камере сгорания, секундных расходов компонентов топлива в камеру и тяги, вызванные возмущениями, не будут пре­ вышать допустимых пределов.

Механизм возникновения неустойчивой работы ЖРД весьма сложен и поэтому еще мало изучен.

Для повышения динамической устойчивости ЖРД применяются

различные конструктивные и другие меры, одной из которых яв­ ляется автоматическое регулирование.

Разработка системы регулирования ЖРД может быть успеш­ ной только при условии глубоких знаний причин неустойчивой ра­ боты двигателя и основ теории регулирования.

В настоящей главе приведены основные причины, обусловли­ вающие неустойчивую работу ЖРД, рассмотрены меры борьбы с ними, которые могут представить практический интерес при кон­ струировании устойчиво работающей системы, рассмотрены ме­

тоды экспериментальных исследований устойчивости, пригодные при разработке и доводке новых двигателей и их отдельных агре­ гатов. Кроме того, изложены основные принципы автоматического

регулирования жидкостных ракетных двигателей.

§ 1. Устойчивые и неустойчивые режимы работы ЖРД

Записи давления газов в камере сгорания и компонентов топ­ лива перед форсунками при установившейся работе ЖРД показы­ вают, что в камере сгорания всегда имеют место колебания давле­

ния газов с различными частотами и амплитудами, изменяющимися

590 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

при изменении режима работы двигателя. Это обстоятельство ука­ зывает на то, что режим работы ЖРД любого типа и конструкции

не является стабильным вообще, а периодически колеблется во вре­

мени вследствие присущих рабочему процессу двигателя ряда воз­

мущающих факторов.

Подробный анализ рабочих процессов современных двигателей

позволяет прийти к заключению, что основной причиной колебания

Фиг. 11.1. Колебания давления рк в камере сгора­ ния и секундного расхода топлива Gs (давление подачи рп принято постоянным).

режимов работы ЖРД является запаздывание превращения жид­ ких компонентов топлива в газообразные продукты, которое по ве­

личине близко к времени пребывания их в камере сгорания, так как именно в этот период сгорает топливо.

Если в камере сгорания по какой-то причине возник избыток давления газов в момент времени т, то соответственно уменьшится секундный расход топлива через форсунки Gs (фиг. 11. 1) и увели­

чится расход газов из камеры сгорания через сопло. Так как соб­ ственный объем жидких компонентов пренебрежимо мал по срав­ нению с собственным объемом газов, это изменение расхода топ­ лива приведет к уменьшению прихода газов лишь в момент време­ ни т + тэзп, где тзап — время запаздывания. В этот момент в ка­ мере сгорания может понизиться давление, которое также вызовет повышение давления в момент т+2тзап.

хода Gs, который в свою очередь влияет на величину рЕ. В резуль­ тате эта взаимосвязь приводит к колебаниям обоих этих парамет­ ров. Если колебания этих параметров имеют затухающий характер, то работа двигателя будет устойчивой, а если усиливающийся во временц характер, то неустойчивой.

Эти колебания могут затухать тем быстрее, чем дальше от гра­ ницы (порога) неустойчивости протекает рабочий процесс. Граница неустойчивой работы двигателя характеризуется быстрым нараста­ нием амплитуды колебаний, сопровождаемым часто резким изме­

нением частоты.

В действительности процессы, происходящие в камере сгорания ЖРД, гораздо сложнее приведенной здесь примитивной схемы. Не­ устойчивая работа двигателя возможна даже в случае идеальной системы топливоподачи, которая совершенно не реагирует на изме­ нения давления газов в камере сгорания.

Дело в том, что время, по истечении которого капельки компо­ нентов топлива превращаются в продукты сгорания, зависит от

давления в камере сгорания, температуры газов, в которых они движутся, и ряда других факторов, как то:

1) наличия распределенных по объему камеры сгорания очагов парообразования и сгорания компонентов топлива (беспорядочных быстрых вспышек сгорания, обусловленных в основном распыли­ тельной головкой камеры двигателя), в связи с чем появляются

отклонения давления газов в камере от среднего значения;

2)увеличения и уменьшения расхода компонентов топлива в ка­ меру и задержки их воспламенения в связи с колебанием давле­ ния газов в камере сгорания и чередующимся при этом увеличени­ ем и уменьшением перепада давлений компонентов в форсунках и, следовательно, нарушения качества распыла компонентов топлива;

3)неизбежных изменений коэффициента состава топлива, при­ водящих к изменению температуры по поперечному сечению каме­ ры сгорания, а в связи с этим также и периода задержки воспламе­ нения;

4)гидравлических колебаний в системе топливоподачи, вызы­ ваемых изменяющимся перепадом компонентов в форсунках, пуль­

сацией насосов, нежесткими элементами в системе, толчками, газо­ выми пузырями, трением в элементах системы автоматики и дру­

гими факторами.

Неустойчивость в той или иной мере может проявляться в дви­ гателях, работающих на любых практически мыслимых компонен­ тах топлива. Применение некоторых топлив пока ограничивается тем, что практически не удается создать устойчиво работающий двигатель на этих топливах (например, на керосине и жидком кис­ лороде) .

При неустойчивом режиме работы характеристики двигателя резко ухудшаются, а элементы его подвергаются опасным динами-

-592 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

ческим и тепловым нагрузкам. При неустойчивом горении топли­ ва давление газов в камере сгорания в отдельные моменты может в 2—3. раза превышать его расчетное значение, в результате чего возможен взрыв камеры двигателя.

При колебании давления газов в камере теплоотдача их к обо­ лочке камеры может быть в 1,5—2,5 раза больше, чем при устой­ чивой работе двигателя, в связи с чем возможны перегрев и прогар оболочки камеры и, следователь­ но, авария двигателя. Кроме того, колебание давления газов в каме­

обусловливается чувствительностью системы топливоподачи к из­ менениям давления в камере сгорания вследствие временного сдви­ га между поступлением жидких компонентов топлива в камеру и

процессом преобразования их в газообразные продукты сгорания

(расход топлива через форсунки зависит от пульсаций давления газов в камере сгорания). Следовательно, ЖРД по конструкции и принципу работы является автоколебательной системой с запазды­ вающей связью (между камерой сгорания и системой топливопо­ дачи имеют место замкнутые контуры).

Структурная схема ЖРД в простейшем случае имеет вид одно­

контурной замкнутой цепи, состоящей из трех звеньев (фиг. 11.2). Звенья схемы, обозначенные Т, П и К,, представляют собой соот­ ветственно систему топливоподачи, процесс преобразования топли­

ва в продукты сгорания, и камеру сгорания как объем газа.

В качестве входных и выходных переменных звеньев приняты скорость подачи топлива в камеру сгорания, скорость образования

594 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

работы ЖРД играют законы преобразования топлива в газообраз­

ные продукты сгорания как во времени, так и в пространстве по

объему камеры сгорания.

Низкочастотная неустойчивость преобладает в тех случаях,

когда ЖРД работает при малых перепадах давлений впрыска ком­ понентов топлива и низких давлениях в камере сгорания. При от­

носительно высоких давлениях газов в камере сгорания одновре­

менно с низкочастотными колебаниями могут развиваться высоко­ частотные формы акустических колебаний, которые в некоторых случаях могут быть преобладающими.

Высокочастотная неустойчивость ЖРД характеризуется нали­ чием волн сжатия газа, периодически движущихся вдоль камеры

сгорания от головки к соплу и обратно.

Физико-химические процессы, протекающие в камере сгорания в течение времени запаздывания, развиваются со скоростями, на которые воздействуют давление и температура газов и жидкостей,

их относительные скорости движения по длине камеры и т. д.

При изменении указанных факторов также изменяются скоро­ сти, а вместе с ними и время запаздывания; большие скорости при­ водят к меньшим временам запаздывания.

Колебания указанных факторов около их средних значений при­ водят к колебаниям времени запаздывания соответствующих

объемов (частиц) топлива. Если, например, в определенном месте камеры время запаздывания увеличится, то это приведет к растя­ гиванию процесса во времени и пространстве и, значит, к уменьше­ нию скорости сгорания топлива. Наоборот, скорость горения топли­ ва увеличится, если время запаздывания уменьшится. Следова­ тельно, изменения факторов, влияющих на скорость протекания физико-химических процессов в камере сгорания, вызывают изме­ нения скорости горения топлива или колебания мощности источни­ ков горячих газов даже при постоянной скорости впрыска компо­ нентов топлива в камеру сгорания.

В результате этого в камере сгорания могут возникать периоди­ ческие продольные импульсы давления (волн сжатия) от головки к соплу и обратно. Если эти импульсы достигают большого значе­ ния, то создаются условия самоусиления автоколебаний и продоль­ ных ударных волн относительно большей амплитуды и при этом работа камеры двигателя становится неустойчивой.

Период цикла этих колебаний приблизительно равен времени запаздывания преобразования, времени распределения температу­ ры от фронта пламени и времени распространения импульса дав­ ления от головки к соплу и обратно.

Акустические колебания давления газов в камере сгорания дви­ гателя способны вызывать поперечные акустические скорости рас­ пыленных частиц компонентов топлива и тем влиять на их взаим­ ное перемешивание; струйки паров топлива испытывают синусои­ дальную деформацию. При достаточно большой деформации таких

596 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

гателя, обусловленной изменением режима впрыска и ухудшением качества распыливания.

Колебания давления в камере сгорания могут возникать и по различного рода случайным причинам (влияния конструкции и аэродинамических сил снаряда и др.).

При неправильной конструкции двигателя, выполненной без учета специфики используемых компонентов топлива, колебания могут достигать разрушительной силы и даже сопровождаться де­ тонационными явлениями. Обычно в широком спектре частот выде­

ляются две-три, иногда даже четыре основные частоты колебания, измеряющиеся десятками, сотнями и тысячами герц.

При ускорении снаряда в полете инерционные силы влияют на давление подачи и могут способствовать неустойчивости в работе двигателя. Колебания снаряда могут вызываться и аэродинамиче­ скими силами, что в свою очередь существенно влияет на устойчи­ вость работы двигателя. Изменение температуры окружающей сре­ ды от —50 до 4-70° С может повлиять не только на химические и физические свойства топлива, но также и на работу некоторых элементов двигателя.

Эксперименты показывают, что в короткой камере сгорания

интенсивность возникновения продольных ударных волн сжатия слабее, чем в длинной. Частота этих колебаний меняется обратно пропорционально длине камеры сгорания.

На продольную устойчивость работы камеры двигателя также влияют длина и форма суживающейся части сопла. Камеры с длин­ ной (по сравнению с камерой сгорания) дозвуковой частью сопла более устойчивы, чем с относительно короткой.

от характера отражения волн от сопла к головке камеры. Отраже­ ние волн в каждой точке определяется соответствующим градиен­ том скорости. Чем больше градиент и частота, тем более размытой будет картина отражения и тем меньше будет вероятность резо­ нанса и возникновения неустойчивости.

Сверхзвуковая выходная часть сопла не оказывает никакого влияния на процессы в камере сгорания произвольным образом, если она не нарушает условий работы в критическом сечении

сопла.

Наконец, следует отметить, что колебания давления газов в ка­ мере сгорания по-разному влияют на расходы горючего и окисли­

теля в нее. Это приводит к изменению весового соотношения ком­ понентов и, следовательно, к изменению времени запаздывания (скоростей сгорания), удельного тепловыделения, температуры и давления газов, что существенно влияет на устойчивость работы двигателя.

Для устранения этого фактора возмущений в работе двигателя или для уменьшения его действия систему подачи можно выпол­ нить с автоматическим регулятором соотношения компонентов топ­ лива в виде сервомеханизма с обратной связью. Такое регулирова­ ние подачи можно выполнить с одним или несколькими контурами обратной связи, хотя теоретически было бы достаточно регулиро­ вать только подачу окислителя или горючего. При выборе системы топливоподачи двигателя только одного контура обратной связи следует его включать в магистраль окислителя, поскольку эта ма­ гистраль более чувствительна к колебаниям давления в камере

сгорания.

При наличии серворегулирования ЖРД может устойчиво рабо­ тать в области низкой частоты при всех значениях времени запазды­ вания. Однако следует иметь в виду, что этот способ регулирования

двигателя представляет собой серьезную практическую проблему, касающуюся не только расчета контура обратной связи, но и кон­ тура регулятора, который в конечном итоге преобразует усиленный электрический сигнал в механические колебания достаточно боль­

шой амплитуды в рассматриваемом интервале частот.

Для устойчивой работы двигателя необходимо принимать ряд мер, часто связанных с ухудшением его других характеристик.

Существенно повысить устойчивость работы ЖРД можно путем:

1)применения целесообразной конструкции распылительной

головки камеры двигателя;

2)увеличения перепада давлений в форсунках и увеличения

числа их за счет уменьшения производительности, так как при этом

снижается чувствительность системы топливоподачи к изменениям давления в камере сгорания;

3)повышения давления в камере сгорания, так как при этом процессы испарения и сгорания топлива интенсифицируются,

598 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

время запаздывания превращения жидких компонентов топлива в га­ зообразные уменьшается и сдвиг фаз между поступлением компо­ нентов топлива в камеру и их сгоранием сужается, что приводит к увеличению частоты колебания давления газов в камере сгора­

ния и уменьшению амплитуды;

в районе распылительной головки камеры, что снижает время за­ паздывания; различных типов форсунок в одной распылительной головке, что увеличивает неоднородность времени запаздывания для различных по размеру капель компонентов топлива и улучшает устойчивость работы двигателя, и т. п.);

5)изменения объема камеры сгорания за счет увеличения ее диаметра, так как большой объем ее служит демпфером для пуль­

саций давления газов при работе двигателя;

6)увеличения безразмерной площади камеры сгорания, так

как при этом снижается ее расходонапряженность, до некоторого предела улучшаются процессы подготовки и условия для устойчи­

вого сгорания топлива; в некоторых современных двигателях без­ размерная площадь камеры достигает f^=FK/FKp =7,8, а приведен­

ная длина камеры сгорания /Пр—4 л;

7) использования определенных сортов горючих (тонка-250

и др.), имеющих малый период задержки воспламенения и обеспе­ чивающих устойчивость процесса сгорания в двигателе с подобран­ ными окислителями как при дросселировании, так и при форсиро­ вании работы двигателя;

8)уменьшения периода задержки воспламенения компонентов топлива их подогревом, использованием специальных катализато­

ров;

9)правильного выбора длины и проходных сечений магистра­ лей системы топливоподачи и целесообразного монтажа их на дви­ гателе;

10)подбора типа и конструкции клапанов и других элементов системы топливоподачи и регулирования;

11)автоматического регулирования соотношения компонентов топлива в зависимости от изменения давления газов в камере сго­

рания.

Изменяя конструкцию элементов системы топливоподачи и их параметры (длину и диаметр трубопроводов, гидравлические сопро­ тивления агрегатов и т. п.), можно частично стабилизировать ра­ боту двигателя и в случае необходимости расширить диапазон изменения его тяги.

Устойчивость работы двигателя также повышается при увели­ чении скорости подвода компонентов топлива в камеру сгорания за счет уменьшения диаметров трубопроводов.