Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

однако они могут быть полезны для предварительного анализа си­ стем подачи топлива. Кривая для порохового двигателя приведена для сравнения.

Из фиг. 10.32 видно, что данный двигатель при работе на жид­ ком топливе обладает лучшими показателями по величине эффек­ тивной удельной тяги относительно порохового двигателя при вре­ мени работы порядка 10 сек. и выше. Кроме того, ЖРД с газобал­

лонной системой топливоподачи имеют лучшие характеристики по Руд.эф относительно ЖРД с турбонасосной системой при работе в течение 10—20 сек.; при большем времени работы двигателя це­ лесообразнее турбонасосная система топливоподачи.

При решении этого вопроса не следует, однако, забывать, что ЖРД с ТНА конструктивно сложны, и поэтому такая система по­

дачи оказывается дороже вытеснительной системы; кроме того, для привода турбины требуется рабочее тело, получение которого обыч­ но связано с необходимостью иметь газогенераторную установку

или другие средства. По этой причине не исключена возможность использовать вытеснительную систему топливоподачи, несмотря на то, что в данном случае турбонасосная система подачи может обес­ печить двигателю относительно большую эффективную удельную тягу.

Сучетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1)применение турбонасосной системы топливоподачи наиболее

выгодно для ЖРД с суммарным импульсом свыше 250 — 270 тыс. кг сек;

2)для снарядов дальнего действия (СДД) наиболее эффектив­ на турбонасосная система топливоподачи;

3)для снарядов с небольшой тягой, но с большой тяговоору-

женностью (для ЗУРС) лучшие результаты дают вытеснительные системы топливоподачи с ПАД и ЖАД;

4)в ЖРД для самолетов более выгодна насосная подача ком­ понентов топлива, так как при этом общий вес двигателя получает­ ся меньше, чем при газобаллонной подаче. Если ЖРД создается как самолетный ускоритель, то насосы могут иметь привод через

шестеренчатую коробку передач от основного самолетного двига­ теля другого типа.

При разработке схемы системы топливоподачи двигателя и ре­ гулирования его работы необходимо выбрать:

1)элементы схемы топливоподачи и их компоновки на проек­ тируемом двигателе;

2)места штуцеров топливных баков и газовых баллонов для заправки системы компонентами топлива и другими рабочими те­

лами, а также запорные, предохранительные и другие органы для заправочных коммуникаций;

3) места присоединения коммуникаций для дренажа воздуха, а

также запорные и другие органы на дренажных магистралях;

588Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

4)приборы, предупреждающие возможность поступления ком­ понентов топлива из баков в камеру сгорания до запуска двига­ теля;

5)органы надежного запуска, нормальной работы и остановки двигателя (включая и систему зажигания топлива) и их располо­

жение;

6)способ и последовательность (программа) работы органов системы запуска и остановки двигателя, а также источники энергии для приведения их в действие;

7)элементы настройки двигателя на заданный режим работы и их действие;

8)органы автоматики системы топливоподачи для дозирования подачи рабочих тел (компонентов топлива, газа) при запуске для нормальной работы двигателя и для регулирования режима его работы по заданной программе;

9)систему автоблокировки топливоподачи двигателя, ее эле­ менты, место и способ их установки.

Число элементов проектируемой системы должно быть возмож­ но меньшим, что повышает надежность ее работы и снижает стои­

мость двигателя.

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