CC BY
86УДК 629.7.036.54-63:662.61:534.83
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В. И. Бирюков1, В. П. Назаров2*, Р. А. Царапкин1
1 Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4, А-80, ГСП-3 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: nazarov@sibsau.ru
Экспериментальная оценка устойчивости рабочего процесса по отношению к акустическим колебаниям в камерах сгорания и газогенераторах жидкостных ракетных двигателей является одним из основных методов, применяемых в ракетном двигателестроении. Вместе с тем, перспективными являются аналитические методы оценки запасов устойчивости к акустическим колебаниям по реакции процесса горения на импульсные искусственные возмущения.
Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, акустические колебания, возмущающее устройство, электрический взрыв проводников.
EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL ESTIMATION OF THE SUSTAINABILITY OF THE WORKING
PROCESS IN COMBUSTION CHAMBERS AND LPG GAS GENERATORS
V. I. Biryukov1, V. P. Nazarov2, R. A. Tsarapkin1
:Moscow Aviation Institute (National Research University) 4, Volokolamskoe shosse, Moscow, 125993, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Nazarov@sibsau.ru
Experimental evaluation of the stability of the working process with respect to acoustic oscillations in combustion chambers and gas generators of liquid rocket engines is one of the main methods used in rocket engine construction. At the same time, the authors propose analytical methods to estimate the stocks of stability to acoustic vibrations from the reaction of the combustion process to such artificial disturbances.
Keywords: liquid propellant rocket, acoustic oscillations, disturbing device, electric explosion of conductors.
Камеры сгорания и газогенераторы жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) подлежат экспериментальному определению устойчивости рабочего процесса по отношению к высокочастотным колебаниям давления в этих агрегатах в диапазоне ±10 % их номинальных режимов [1].
Главная задача оценки устойчивости рабочего процесса горения заключается в том, чтобы при возможно меньшем числе опытов определить склонность агрегатов ракетного двигателя к поддержанию неустойчивости горения и разработке мероприятий по её подавлению. Другая задача, решаемая с помощью методов оценки устойчивости, состоит в определении эффективности применения различных средств стабилизации рабочего процесса, таких, как противо-пульсационные перегородки и акустические поглотители [2-3].
В настоящее время оценка устойчивости рабочего процесса горения в ЖРД осуществляется с помощью ввода в реакционный объём камеры сгорания через канал в её стенке импульса давления от внешнего
устройства [1; 3]. В качестве источника давления в этих внешних импульсных устройствах (ВИУ) используется навеска взрывчатого вещества (ВВ) - гек-согена, изолированного от канала металлической мембраной.
При подрыве заряда ВВ осколки такой мембраны могут повредить бронзовую внутреннюю оболочку камеры сгорания, деформировать сопла форсунок и др. В этой связи наличие мембраны в устройствах является недостатком этих устройств.
К недостаткам традиционных ВИУ следует также отнести значительный разброс величин генерируемых ими импульсов давления в камере сгорания при одинаковой величине навески взрывчатого вещества и при постоянстве параметров среды в камере сгорания, что, по-видимому, связано с разбросом характеристик ВВ. Для устранения вышеназванных недостатков ВИУ предложено использовать взрыв металлического проводника электрического тока (проволочки) при разряде через него конденсатора с накопленной энергией в несколько тысяч джоулей [4].
Решетневскуе чтения. 2017
Возмущающее устройство [4], выполнено с взрывной камерой, соединённой каналом с реакционным объёмом камеры сгорания. В электроимпульсном возмущающем устройстве (ЭИВУ) вместо навески ВВ используется закреплённая на изолированных электродах тонкая (диаметром 0,1-0,5мм) проволочка. В качестве вещества, используемого для создания импульса давления, в этом генераторе используется заполняющий взрывную камеру газ, масса которого зависит от давления в камере сгорания и в камере ЭИВУ. Так, например, масса азота, который используется для продувки ВУ, заполняющего взрывную камеру с объёмом 8 см3 при давлении 10 МПа, составляет ~1 г. Если мгновенно нагреть этот азот до температуры несколько тысяч градусов можно получить газ, близкий по параметрам к продуктам сгорания ВВ в традиционных ВИУ. Осуществить такой нагрев можно путём разряда через проволочку заряженного до нескольких тысяч вольт электрического конденсатора. При этом сначала происходит мгновенное (в течение нескольких микросекунд) испарение проволочки, а затем через образовавшийся на месте проволочки плазменный канал, происходит окончательная разрядка конденсатора с выделением практически всей накопленной в конденсаторе энергии. Температура плазмы при этом, по разным источникам, может достигать от нескольких десятков тысяч до миллиона градусов. Осуществляется также нагрев газа при адиабатическом сжатии его ударной волной. Образующиеся после испарения проволочки и конденсации паров частицы металла имеют величину нескольких нанометров и поэтому не повреждают внутреннюю оболочку камеры сгорания.
В докладе рассматривается алгоритм оценки запасов устойчивости рабочего процесса по результатам спектральной обработки пульсаций давления в агрегатах ЖРД при стендовых испытаниях.
Динамика квазилинейной системы при заданных начальных условиях и внешних воздействиях описывается системой уравнений сохранения материального баланса и после их линеаризации получают уравнение гармонического осциллятора [2; 5]. Часто к уравнениям свободных колебаний в возмущениях применяют преобразования Лапласа по переменной времени /, либо вводят замену переменных х = В результате получается нелинейное характеристическое уравнение динамической системы [6].
Случай вынужденных колебаний линейной динамической системы исследуется с помощью воздействия импульсного сигнала на систему. Тогда переменные означают выходные величины, а внешние воздействия входные.
Существует несколько подходов для определения передаточных функций динамических систем. Наиболее широко применяются в задачах акустики методы, основанные на связи передаточной функции с импульсной переходной функцией, в частности метод, выражающий импульсную переходную функцию через корни обобщенного характеристического уравнения [7]. В этом случае приближенное выражение передаточной функции получается в виде дробно-рациональной функции с явно выраженными полю-
сами. Другой метод вычисления передаточной функции заключается в разложении импульсной переходной функции в степенной ряд. Коэффициенты ряда Тейлора являются аналитическими функциями. Оба метода применяются при условии, что уравнение колебаний задано в интервале (-<», Т).
В камерах сгорания и газогенераторах ЖРД эффекты емкости и инерционности могут изменяться во времени и определяют склонность системы к пульсациям с некоторыми характеристическими частотами. При внешнем воздействии на динамическую систему и после его снятия отклик системы - установление или затухание колебаний - характеризуется её переходной характеристикой [8].
Предложен алгоритм оценки запасов устойчивости по отношению к высокочастотным колебаниям давления в газогенераторах и камерах сгорания ЖРД, заключающийся в спектральной обработке реакции процесса горения на импульсные искусственные возмущения. В отличие от пиропатронов, применяющихся ныне для создания импульсов с различной амплитудой давления газа в камерах сгорания, разработаны электроимпульсные возмущающие устройства. Они снижают риск повреждения составных частей агрегатов ЖРД при натурных и модельных испытаниях, и обладают очевидной перспективой для широкого применения.
Библиографические ссылки
1. Двигатели ракетные жидкостные. Методика оценки высокочастотной устойчивости рабочего процесса. ОСТ В92-9000-78 // НИИхиммаш. 1978. 105 с.
2. Liquid propellant rocket combustion instability / Ed. David T. Hanje, associate Editor Frederick H. Reardon // National aeronautics and space administration. Washington, 1972. 637 p.
3. Шибанов А. А., Пикалов В. П., Сайдов С. С. Методы физического моделирования высокочастотной неустойчивости рабочего процесса в жидкостных ракетных двигателях / под ред. д-ра техн. наук К. П. Денисова. М. : Машиностроение ; Машиностроение-Полет, 2013. 512 с.
4. Пат. РФ № 2523921 от 31. 05. 2013 г. Генератор импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и генераторов жидкостных ракетных двигателей / Нарижный А. А., Пикалов В. П., Царапкин Р. А. Опубл. 27.07.2014. Бюл. № 21.
5. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / Е. В. Лебединский, Г. П. Калмыков, С. В. Мосолов, и др. ; под ред. А. С. Коротеева. М. : Машиностроение, 2008. 512 с.
6. Акустические средства борьбы с неустойчивостью горения / Е. В. Лебединский, И. Г. Лозино-Лозинская, И. В. Меркулов и др. М. : Изд-во «Центр Келдыша», 2004. 205 с.
7. Мосолов С. В., Бирюков В. И. Антипульсацион-ные перегородки как средство подавления акустических колебаний в камерах жидкостных ракетных двигателей // Вестник машиностроения. 2011. № 11. С. 6-11.
8. Мосолов С. В., Бирюков В. И. Гидродинамические способы обеспечения устойчивости рабочего процесса в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей // Вестник машиностроения. 2011. № 12. С. 12-17.
References
1. Dvigateli raketnye zhidkostnye. Metodika ocenki vysokochastotnoj ustojchivosti rabochego processa OST V92-9000-78, (Liquid propellant engines. Method for assessing the high-frequency stability of the working process, Industry Standart V92-9000-78) / NllXimmash. 1978. 105 p.
2. Liquid propellant rocket combustion instability, Editor David T. Hanje, associate Editor Frederick H. Reardon, National aeronautics and space administration. Washington, 1972. 637 p.
3. Shibanov A. A., Pikalov V. P., Sajdov S. S. Metody fizicheskogo modelirovanija vysokochastotnoj neustojchi-vosti rabochego processa v zhidkostnyh raketnyh dviga-teljah (Methods of physical modeling of high-frequency instability of the working process in liquid-fuel rocket engines) / Pod red. d-ra tehn. nauk K. P. Denisova. М. : Mashinostroenie ; Mashinostroenie-Polet, 2013. 512 p.
4. Narizhnyj A. A., Pikalov V. P., Carapkin R. A. Patent RF № 2523921 ot 31.05.2013. Generator im-pul'sov davlenija v akusticheskih polostjah kamer sgo-
ranija i generatorov zhidkostnyh raketnyh dvigatelej (The patent of the Russian Federation № 2523921 from 31.05.2013. A generator of pressure pulses in the acoustic cavities of combustion chambers and generators of liquid rocket engines), Publishing 27.07.2014, Bjul. № 21.
5. Rabochie processy v zhidkostnom raketnom dviga-tele i ih modelirovanie (Work processes in a liquid rocket engine and their modeling) / E. V. Lebedinskii, G. P. Kalmykov, S. V. Mosolov ; Pod redaktsiei akademika RAN A. S. Koroteeva. M. : Mashinostroenie, 2008. 511 p.
6. Akusticheskie sredstva bor'by s neustojchivostju gorenija (Acoustic means to combat the instability of combustion) / E. V. Lebedinskij, I. G. Lozino-Lozinskaja, I. V. Merkulov et al. M. : Izdatel'stvo "Centr Keldysha", 2004. 205 p.
7. Mosolov S. V., Birjukov V. I. Antipul'satsionnyye peregorodki kak sredstvo podavleniya akusticheskikh kolebaniy v kamerakh zhidkostnykh raketnykh dvigateley // Vestnik mashinostroenija. 2011. № 11. P. 6 -11.
8. Mosolov S. V., Birjukov V. I. Gidrodina-micheskiye sposoby obespecheniya ustoychivosti rabochego protsessa v kamerakh sgoraniya zhidkostnykh raketnykh dvigateley // Vestnik mashinostroenija. 2011. № 12. P. 12-17.
© Бирюков В. И., Назаров В. П., Царапкин Р. А., 2017
