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

мента (крана, клапана и т. п.), но и его размеры. Клапан конструк­ тивно нужно выполнить так, чтобы при нормальных условиях ра­ боты двигателя он был открыт наполовину, так как чрезмерно ма­ лый клапан всегда будет открыт, а весьма большой — в основном будет закрыт. При этих условиях клапаны могут способствовать неустойчивости в работе двигателя.

Для регулирования давления в камере сгорания или расхода топлива целесообразно применять клапаны с экспоненциальными характеристиками, так как работа их меньше зависит от рабочих условий (статического давления жидкости, проходных сечений и длины трубопроводов), чем клапанов с линейной характеристи­

кой.

Любое мероприятие, способствующее более быстрому^ преобра­

зованию топлива в продукты сгорания (уменьшение расхбдонапря-

женности, улучшение условий распыла компонентов топлива, теплоподвода к распыленным каплям этих компонентов, применение более химически активных компонентов, их подогрев и другие меры), будет стабилизировать работу двигателя.

Однако следует иметь в виду, что локализация или частичное снижение аномальных, подчас разрушительной силы пульсаций

давления газов в камере сгорания и детонационных явлений, воз­ никающих при запуске двигателя или в камерах сгорания больших размеров, за счет конструктивных мер обычно сопровождается усложнением конструкции двигателя. Повышение перепада давле­ ний компонентов топлива в коммуникациях двигателя, включая и форсунки, приводит к увеличению мощности и веса системы топ­ ливоподачи.

Разработка методов проектирования ЖРД, обеспечивающих получение устойчиво работающих систем, является очень важной задачей, так как экспериментальная доводка двигателей очень дли­ тельна и трудоемка и к тому же требует огромных затрат.

Наиболее важной является возможность аналитического расче­ та устойчивости низкочастотных колебаний давления в камере сго­ рания, так как такие колебания наиболее часты при создании нового типа двигателя, и борьба с ними пока представляет большие трудности. Механизм зарождения высокочастотных колебаний и колебаний ударного характера, видимо, имеет много общего с ме­ ханизмом возбуждения низкочастотных колебаний.

§ 2. Автоматическое регулирование режима работы ЖРД

Для того чтобы во время работы двигателя в условиях полета получать определенные значения зависимых переменных парамет­ ров (секундные расходы горючего и окислителя, их соотношение, давление в камере сгорания, тяга двигателя или изменение их по

заранее заданной программе) и улучшать летные характеристики

тяги должна быть ограничена частотой 10 гц или меньше. Целью

такого регулирования является предотвращение значительных ко­ лебаний давления в камере сгорания двигателя.

Точность регулирования тяги зависит от типа и назначения дви­

гателя. Например, для стартовых двигателей и авиационных уско­ рителей фиксированной тяги и предельных значений регулируемой тяги колебание может допускаться в пределах ±5%. Для управля­

емых снарядов в некоторых случаях требуется более точное

используются главным образом тяга, давление в камере сгорания, давление подачи одного или обоих компонентов топлива и число оборотов турбонасосного агрегата.

Для прямого измерения тяги требуется сложная конструкция подвески двигателя и специальные датчики; все это оборудование

обычно оказывается слишком тяжелым. Выбор давления в камере сгорания для обратной связи требует соединения с источником го­

рячего газа камеры сгорания и не обеспечивает непосредственного

регулирования стартовых переходных режимов. Давление подачи горючего или окислителя обеспечивает необходимое, хотя и косвен­ ное изменение давления в камере сгорания и обычно может быть использовано и для регулирования на стартовых режимах. Число оборотов ТНА целесообразно использовать только в качестве об­ ратной связи для выравнивания мощности нескольких ТНА много­ камерного двигателя.

В настоящее время сложное автоматическое регулирование ре­ жима работы двигателя может быть оправдано только для балли­ стических управляемых снарядов. Для снарядов небольшой даль­ ности полета, где простота конструкции и ее дешевизна являются одним из основных требований, это регулирование работы ЖРД нерационально.

Автоматическое регулирование режима работы ЖРД в летных условиях позволяет:

1)улучшить характеристики двигателя во время полета вслед­ ствие постоянства регулируемых параметров во время работы;

2)повысить экономичность работы двигателя использованием оптимального соотношения компонентов топлива и увеличить за

счет этого время работы двигателя более полным использованием

запаса топлива на снаряде;

3)компенсировать неточности изготовления элементов системы

подачи и настройки двигателя на рабочий режим при статических условиях;

4)повысить динамическую устойчивость и срок работы двига­ теля сохранением нормальных процессов работы в системе топли­ воподачи и в камере сгорания в течение всего времени работы при всех изменениях нагрузки и воздействии возмущений на снаряд

гатов и т. и.);

5)компенсировать разброс характеристик системы топливопо­ дачи (насосов, редуктора давления и т. п.);

6)упростить эксплуатацию и повысить надежность работы дви­ гателя;

7)расширить диапазон устойчивой работы двигателя при регу­ лировании тяги изменением расхода топлива в камеру.

Система регулирования ЖРД подобно другим системам регу­ лирования представляет собой составленную определенным обра­

зом группу звеньев, и если какое-нибудь звено рассчитано непра­

вильно, то вся система может оказаться неэффективной.

Каждый элемент системы должен быть выбран и рассчитан не

только с учетом пригодности его для определенной функции, но и совместной работы его с упругими элементами.

На элементы, удовлетворяющие требуемым характеристикам, накладываются определенные физические ограничения. Некоторые

параметры даже относительно неизменных элементов могут быть

изменены в небольших пределах. Окончательное закрепление этих параметров должно быть основано на оценке их влияния на харак­ теристику всей системы. Изменяемые элементы, система регулиро­ вания должны быть рассчитаны так, чтобы удовлетворить переход­ ным характеристикам и обеспечить динамическую устойчивость двигателя.

Объект, работа которого полностью или частично автоматиче­ ски регулируется, называется регулируемым объектом, а отдель­ ные величины, подлежащие регулированию, — регулируемыми величинами.

Главными элементами регулируемого ЖРД являются: камера сгорания, топливные насосы, магистрали топлива, турбина, клапа­ ны регулирования расхода и регулятор тяги.

Характеристики турбины, насосов, магистралей и камеры сгора­ ния большей частью бывают заданы, поскольку их параметры определяются назначением и тягой двигателя, родом топлива и применяемыми материалами.

Основными элементами системы регулирования являются регу­ ляторы. Сигнал, вызванный изменением регулируемой величины, воздействует на регулятор, а последний в свою очередь через ре­ гулирующий орган — на изменение регулируемой величины. Звено, замыкающее в каком-либо месте цепь воздействия, называется главной или основной обратной связью.

В зависимости от требований, предъявляемых к рабочему про­ цессу двигателя, регулятор должен поддерживать значение регули­

уровне или изменять его по определенной, также заданной зависи­ мости. В последнем случае имеет место так называемое программ­ ное регулирование.

Объект и регулятор образуют замкнутую систему автоматиче­ ского регулирования. На заданном объекте может регулироваться одна или несколько величин (параметров).

Системы автоматического регулирования с несколькими регу­ лируемыми величинами делятся на системы несвязанного и свя­

занного регулирования. Системами несвязанного регулирования

называются такие, в которых регуляторы, служащие для регулиро­ вания различных величин, не связаны между собой и могут взаимо­

действовать только через общий для них объект. Системами свя­

занного регулирования называются такие, в которых регуляторы различных регулируемых величин имеют друг с другом взаимные связи, осуществляющие взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Процесс регулирования может быть непрерывным или периоди­ ческим. Принципиальное техническое решение обычно представ­ ляется в виде системы регулирования с обратной связью.

При проектировании к системе регулирования ЖРД предъявля­ ются следующие основные требования.

1.Высокая степень регулирования при минимально возможном числе элементов системы и расходе энергии на ее обслуживание.

2.Высокая надежность работы системы при запуске двигателя,

при переходных и расчетном режимах.

3.Устройства, выполняющие аналогичные функции, например

турбонасосные агрегаты, клапаны регулирования подачи компо­ нентов топлива и пр., должны иметь непосредственную механиче­ скую связь.

4.Поскольку потребная мощность для обслуживания системы регулирования ЖРД может быть значительной в связи с наличием больших топливных дросселирующих клапанов, работающих при высоких давлениях и больших скоростях, то для регулирования же­ лательно использовать простейшие гидромеханические системы; применение электроэнергии следует свести до минимума, а также должно быть ограничено использование воздуха в качестве источ­ ника энергии, чтобы устранить необходимость или уменьшить по­ требность в баллоне высокого давления.

5.В целях уменьшения веса ЖРД и упрощения его конструк­ ции по мере возможности должны быть исключены из системы ре­ гулирования вспомогательные силовые системы (пневматические, электрические и гидравлические); в максимальной степени необхо­

димо использовать возможности установки органов регулирования

пусковых режимов двигателя непосредственно на пусковом станке снаряда.

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

Выбор метода регулирования работы ЖРД зависит от предъ­ являемых к двигателю требований, например, таких, как постоян­ ство соотношения компонентов топлива при подаче их в камеру двигателя, постоянство давления в камере сгорания или изменение его по заданной программе и др.

Соотношение компонентов топлива обычно регулируют кали­ бровкой гидравлических систем двигателя и опытной подгон­ кой сопротивлений систем для компенсации технологических допу­ сков.

В стартовых и дополнительных самолетных ЖРД топливо обычно подается из главной системы самолета. В этих случаях дли­

тельность работы двигателя и величина тяги не являются главны­ ми факторами для характеристик самолета. Поэтому для таких двигателей специальное регулирование состава топливной смеси дозированием ее компонентов не требуется.

Соотношение компонентов топлива обычно регулируют в тех случаях, когда важно, чтобы снаряд к моменту израсходования всего топлива в баках получил максимально возможную скорость, ибо поддержание заданного соотношения компонентов во время работы двигателя гарантирует наиболее полное использование энергии топлива при большей динамической устойчивости работы.

На изменение состава топлива от расчетного оптимального зна­ чения влияет ряд причин, как то:

а) изменение плотности компонентов вследствие изменения их температуры во время полета в результате воздействия на них атмосферных условий;

б) действие ускорения снаряда во время полета на систему

топливоподачи двигателя (фиг. 11.6 и 11.7);

в) колебание давления подачи компонентов топлива вследствие разбросов характеристик насосов и допусков на изготовление ча­ стей конструкции системы топливоподачи и др.

Если во время работы двигателя не поддерживать постоянное расчетное соотношение компонентов топлива, то нарушатся усло­ вия и полнота их сгорания и уменьшится скорость истечения газов из сопла двигателя, что снизит его РуД, и к моменту окончания ра­ боты двигателя в баках останется некоторое количество одного из компонентов. Последнее вызовет увеличение конечного веса снаря­ да и тем ухудшит его весовую отдачу. Одновременно с этим умень­ шится время работы двигателя, что приведет к уменьшению его суммарного импульса.

Для поддержания постоянства соотношения компонентов топ­ лива и одновременной выработки их из баков существуют следую­ щие три схемы регулирования работы ЖРД.

1. Датчик давления газов в камере сгорания двигателя связан

посредством преобразователя и усилителя с сервоклапанами, уста­ новленными на магистралях горючего и окислителя. В случае изме­ нения давления газов в камере сгорания в результате нарушения

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

рактеристик снаряда сравнительно с недостатком горючего. Про­ стыми расчетами можно установить, что при последовательном

расположении топливных баков на снаряде соотношение компонен­ тов топлива после старта возрастает, а затем убывает, и в конце

Фиг. 11.8. Влияние отклонения соотношения компонентов

топлива' от расчетного значения Урасч на скорость в конце

активного участка Укон и полную высоту полета снаряда

На (топливо—этиловый спирт+жидкий кислород).

а—область избытка горючего, b—область избытка окислителя.

работы двигателя его значение становится ниже стартового; это может дать отклонение от расчетного соотношения в области бед­

На фиг. 11.9 показана принципиальная схема системы автома­ тического регулирования соотношения компонентов топлива, изме­ няющегося под влиянием ускорения полета сна-ряда.

в данную единицу времени и их соотношение сравнивают с расчет­ ным значением. Отклонение соотношения от расчетного вызывает сигнал регулирования, с помощью которого подача горючего (или окислителя) через управляющее звено увеличивается или умень­ шается до тех пор, пока это отклонение не достигнет допустимой

величины. В таких схемах могут быть применены устройства как со ступенча­ тым, так и с непрерывным регулирова­

нием.

На фиг. 11.10 показана удобная схема системы автоматического регули­ рования соотношения компонентов

В этой схеме регулирования ртутные дифференциальные мано­

метры, находящиеся в баках окислителя и горючего, при наличии разности давления своей поверхностью замыкают накоротко петли

проволочных сопротивлений, расположенных в поясках маномет­ ров, что оказывает влияние на измерительный механизм регуля­ тора.

Постоянство тяги двигателя можно регулировать, изменяя рас­ ход топлива в камеру сгорания или давление газов в ней. В про­

стейшем случае давление впрыска компонентов топлива и, следо­

вательно, подачу топлива можно изменять механически при помо­ щи дросселирующего устройства (фиг. 11. 11). В качестве регули-

698 Гл. И. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

руемого параметра обычно служит давление в камере сгорания. В тех случаях, когда необходимо выдержать неизменной тягу дви­

гателя по высоте полета, вспомогательным параметром должно быть давление окружающей среды. Влияние изменения тяги будет учитываться и в тех случаях, когда регулирующим параметром бу­ дет тяга двигателя. В особых случаях можно применять регулиро­ вание по суммарному ускоре­

нию снаряда.

В настоящее время в двига­

телях с турбонасосным агрега­

том требуемое изменение пода­

чи топлива достигается умень­

возможность изменения заданного числа оборотов турбины более

.5% и стабилизировать работу двигателя при заданной тяге.

Если необходимо одновременно регулировать несколько пере­

менных параметров двигателя, например тяги, соотношения компо­

нентов топлива, то применяют многократное регулирование

(фиг. 11. 12). Принцип этого регулирования состоит также в срав­ нении в регуляторе заданного значения параметра с замеренным

и воздействии на положение дроссельных топливных клапанов или обороты ТНА. Наиболее эффективным является воздействие на число оборотов ТНА, так как при этом насосы изменяют свое число оборотов на одну и ту же величину, что предотвращает значитель­ ные отклонения величины у.

Соответствующая блок-схема многократного регулирования

(фиг. 11. 13) показывает, что здесь появляются поперечные связи, которые могут влиять в последующем на устойчивость работы дви­ гателя. При этом параметр регулирования тяги рк определяется не только регулирующим участком 4, но через поперечную связь 6 — параметром, регулирующим соотношение компонентов топлива. Возмущающий фактор, например Z\, влияет не только на рк, но