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
Фиг. 11.4. Зависимость частоты ко |
Фиг. 11.5. Зависимость частоты |
||||
лебаний от |
давления в |
камере |
сгора |
колебаний |
от времени запаздыва |
ния |
ПРИ /пр =2 |
И 3 Л!. |
|
ния |
горения топлива. |
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.
$ 1. Устойчивые и неустойчивые режимы работы ЖРД |
597 |
Стабилизирующее влияние конфузорной части сопла |
зависит |
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,