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

в них местных сопротивлений. Наибольшее гидравлическое сопро­ тивление создают форсунки камеры сгорания.

Компоненты топлива поступают в камеру сгорания не из всех форсунок одновременно; один из компонентов обычно входит в го­ ловку первым. При этом коэффициент состава топлива меняется в зависимости от опережения подачи окислителя или горючего от бесконечности до заданной величины.

Отсутствие избыточного давления внутри камеры сгорания во время запуска двигателя и возникающий при этом значительный

гидравлический удар перед форсунками приводят к тому, что к на­

чалу запуска через форсунки в камеру сгорания поступит чрезмерно большое количество топлива. За время задержки воспламенения компонентов в камере сгорания скопляется большое количество горючей смеси (при рк=30 ата расход топлива в камеру двигателя

может достигать примерно 250% от номинального значения, при

котором перепад давления в форсунках равен ~7 ата). Взаимодействие между двумя самовоспламеняющимися компо­

нентами топлива в период запуска двигателя условно можно разде­ лить на три стадии.

Первая стадия протекает в жидкой фазе и в основном на гра­ нице раздела жидкостей (поверхности контакта), в результате чего выделяются промежуточные продукты в виде непрозрачного облака,

содержащего как парообразные, так и капельно-жидкие и твердые вещества — «парогаз». В парогазе протекает вторая стадия процес­ са, оканчивающаяся появлением одного или нескольких очагов вос­ пламенения.

Третья стадия процесса характеризуется распространением пла­ мени по всему парогазу с образованием конечных продуктов реак­ ции. При этой стадии резко повышаются давление в камере сгора­ ния и расход газа через сопло камеры и снижается расход топлива через форсунки.

При определенных условиях пусковое давление образовавшихся газов в камере сгорания более чем в 2 раза может превысить номи­

нальное давление, соответствующее установившемуся номинальному режиму работы двигателя. Через короткое время следует спад дав­

ления в камере сгорания, затем новое нарастание расхода через форсунки и т. д.

Если двигатель в работе устойчив, то после первого «пика» дав­

ления в камере сгорания наблюдаются один-четыре периода рез­

ких колебаний, которые затем быстро затухают.

Процессы «пушечного» запуска двигателя весьма сложны и поэтому пока не поддаются расчетам.

При запуске ЖРД весьма важное значение имеет быстрота вы­ горания смеси парогаза и капель после того, как период задержки самовоспламенения истек. Можно считать, что в нем участвует не

вся масса парогаза, жидкие частицы (капли) еще не прогреты и испаряются слабо. В середине процесса выгорание идет наиболее

622 Гл. 12. Некоторые вопросы эксплуатации ЖРД

интенсивно, включая в себя испарение основной части массы ка­ пель и газа. Наконец, заключительная стадия воспламенения дол­ жна характеризоваться сравнительно слабым догоранием.

Следовательно, «пушечный» запуск ЖРД на самовоспламеняю­ щихся компонентах топлива обычно сопровождается (фиг. 12. 1):

1) значительным гидравлическим ударом перед форсунками с затухающими колебаниями давления, в результате которого в ка­ меру сгорания поступает чрезмерно большое количество топлива

(в этот момент давление в камере сгорания не превышает 1 ата);

Давление перед форсунками еорючего

Давление перед форсунками окислителя,

3

Е

Ф!иг. 12. 1. Изменение давления при запуске ЖРД.

2) резким повышением давления в камере сгорания вследствие внезапного воспламенения и сгорания скопившейся в ней за время

задержки самовоспламенения горючей смеси, в результате чего временно задерживается нормальное поступление в камеру сго­ рания новых порций топлива и иногда может разрушиться двига­ тель.

Главной целью при проектировании системы топливоподачи ЖРД является стремление:

1)минимально сократить продолжительность запуска двига­

теля;

2)избежать чрезмерной пусковой перегрузки камеры сгорания силами давления образующихся в ней газов в момент запуска дви­

гателя.

Продолжительность запуска зависит главным образом от вре­ мени срабатывания автоматики и быстроты создания необходимого давления подачи компонентов в камеру сгорания. Время от момен­

та выхода компонентов из форсунок до достижения полного давле­ ния в камере сгорания двигателя практически равно 0,05—0,1 сек., что составляет лишь часть общего времени (1—2 сек.), обычно от­ водимого на запуск двигателя по «пушечной» схеме.

Под пусковой перегрузкой камеры сгорания принято подра­

зумевать отношение максимального давления в камере сгорания

в момент запуска двигателя рПуск к давлению в камере сгорания во

Рк

При «пушечном» запуске двигателя избежать значительной пе­ регрузки камеры сгорания удается только при некоторых пусковых топливах. Наиболее приемлемым топливом для этой цели являет­ ся, например, ксилидин или горючее тонка-250 и меланж (смесь азотной и серной кислот) в качестве окислителя (этот окислитель представляет собой 40 или 50%-ный раствор олеума H2SO4 в азот­ ной кислоте). Эти топлива малоэффективны для основного режима работы двигателя из-за низкой их теплотворности.

В настоящее время существуют и другие самовоспламеняющиеся

компоненты топлива, обеспечивающие относительно большую удель­ ную тягу, но запуск двигателя на этих топливах по «пушечной» схе­ ме дает высокие перегрузки камеры сгорания.

На пусковую перегрузку камеры сгорания ЖРД влияют в основ­ ном следующие факторы.

1. Задержка самовоспламенения топливной смеси тзаж, которая представляет собой промежуток времени от момента соприкосно­ вения горючего с окислителем в камере сгорания до возникновения

избыточного давления в ней.

Величина этой задержки определяет возможность и техническое оформление запуска ЖРД на данном топливе, а также в значитель­ ной степени обусловливает дальнейший процесс горения топливной смеси в камере сгорания. Чем меньше тс компонентов топлива, тем меньше скопится топлива в камере сгорания в момент запуска и тем меньше будет ее перегрузка.

2. Весовое накопление топлива в камере сгорания за время за­ пуска двигателя

а также характер открытия отсечных кла­ панов или мембран при условии, что горючее и окислитель поступают в камеру сгорания одновременно, причем величины их расхода определяются давлением подачи в топливных баках.

Величина первого максимума давления жидкостей перед форсун­

ками в результате гидроудара оказывает существенное влияние на коэффициент ф. Смягчение тем или иным путем гидравлического удара может ослабить пусковую перегрузку камеры сгорания. Зна­ чительное пенообразование жидкости на пути от баков к форсун­ кам при встрече с воздухом и газом сгоревших пиропатронов раз­ рывных мембран несколько снижает гидроудар у головки камеры.

3. Качество распыла компонентов топлива, так как грубое сме­ шение увеличивает время сгорания образовавшейся горючей смеси при запуске тсг и тем уменьшает перегрузку камеры сгорания дви­ гателя.

Однако этот путь снижения паер практически неприемлем, ибо

смесеобразование в ЖРД выполняется по принципу получения прежде всего высокой экономичности и устойчивости работы двига­ теля, для чего требуются хорошие распыл топлива й смешение ком­

понентов. Поэтому маловероятно, что какие-либо рекомендации по снижению пПер за счет ухудшения смесеобразования могут найти

практическое применение, если они будут противоречить требова­ ниям экономичности и устойчивости рабочего процесса в камере сгорания двигателя.

4. Теплотворность топлива, характеризуемая свойствами его компонентов и коэффициентом состава X-

Известно, что тепловой баланс существенно влияет на скорость сгорания горючей смеси в камере сгорания в момент запуска дви­ гателя. Тепловой баланс топливной смеси определяется в значитель­ ной мере ее теплотворностью, концентрацией продуктов реакции и потерями тепла в камере сгорания в момент запуска двигателя. Чем ниже теплотворность пусковой топливной смеси, тем меньше может быть давление в камере сгорания в момент запуска.

5. Внешние условия работы двигателя, т. е. давление и темпера­ тура окружающей среды, так как от них частично зависит задержка воспламенения топливной смеси при запуске, а следовательно, и пусковая перегрузка камеры сгорания. Понижение температуры ат­ мосферного воздуха уменьшает химическую активность топливной

смеси и увеличивает задержку самовоспламенения. Понижение ат­ мосферного давления усиливает гидроудар перед форсунками вслед­

ствие уменьшения противодавления потоку жидкостей на пути от баков в камере сгорания. Это приводит к увеличению <>узк и ппер. Та­ ким образом, суммарное действие понижения давления и темпера­

запуска ЖРД.

6. Давление подачи компонентов топлива в камеру сгорания ръ, величина свободных объемов перед головкой камеры, сгорания, ее приведенная длина /ПР и другие факторы.

Исследование факторов, влияющих на характер нарастания дав­ ления в камере сгорания, представляет большое практическое зна­

чение.

Закон выгорания горючей смеси при запуске двигателя теоре­ тически можно принять близким к синусоидальному, при котором выгорание в момент конца задержки воспламенения равно нулю, а в конце процесса реакции — единице.

Сейчас вполне очевидна целесообразность чисто конструктивных мероприятий, направленных на снижение ф и, следовательно, ПпеР-

Например, снизить коэффициент ф можно простым конструктив­ ным разделением головки камеры двигателя на несколько секций с таким расчетом, чтобы они вступали в работу постепенно. Кратко­ временно (на период пуска) затормозить жидкость можно и други­ ми средствами. Так, например, в одном из выполненных азотнокис­ лотных двигателей для зенитного снаряда 1 подача компонентов топ­ лива в камеру в момент запуска двигателя регулируется специаль­ ными пусковыми гидромеханическими клапанами. В каждом из этих клапанов перемещение небольшого поршня рассчитано так, что он

открывает в течение секунды проходное сечение для компонента топ­ лива, подаваемого в камеру сгорания, от нулевого до полного рас­

хода.

При такой системе постепенной подачи компонентов топлива в камеру сгорания обеспечивается легкий и быстрый выход двигателя на режим, а максимальная тяга развивается через 0,6 сек. после

включения его в работу.

Итак, надежность запуска ЖРД определяется применяемой си­ стемой запуска. Надежность работы и остановки ЖРД определяет­ ся рядом других факторов. Надежность остановки в стендовых усло­ виях может быть хорошо проверена только при том способе останов­

ки, который применен в реальном двигателе снаряда.

Основными факторами, влияющими на устойчивость стационар­ ного процесса ЖРД, являются процесс преобразования топлива в газообразные продукты и характеристики гидравлической системы

двигателя и камеры сгорания.

§ 4. Ресурс работы двигателя

Под ресурсом работы ЖРД подразумевается гарантированный заводом-изготовителем срок надежной работы двигателя на номи­ нальном режиме.

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 44 РТ-132, 1957.

40 371