CC BY
74УДК 629.7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРИСТЫХ ФОРСУНОК В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Я. М. Будайбекова
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34. E-mail: [email protected]
Целью работы является разработка теории и конструкции газожидкостной пористой форсунки. Она представляет собой форсунку с пористым вкладышем из материала МР. Жидкость смачивает его и в виде мокрых струй попадает в газовый поток, что способствует улучшению качества распыла. Данный вкладыш позволяет бороться с возникновением низко- и высокочастотных колебаний системы, которые оказывают негативное влияние на работоспособность энергетических установок. В ЖРД данной проблеме придают особое значение, поскольку форсуночная головка является источником колебаний, последствием которых может стать взрыв двигателя и всей ракеты-носителя.
Ключевые слова: ракетный двигатель, форсунка, пористый вкладыш, материал МР.
THE USE OF POROUS NOZZLES IN ROCKET ENGINES
Ia. M. Budaibekova
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University) 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russia. E-mail: [email protected]
The aim of the paper is to develop the theory and design ofporous gas-liquid jet - an injector with porous material of the liner MR. The liquid wets it and a wet jet enters the gas stream. This contributes to improve the quality of spray. The insert allows you to fight with the emergence of low-and high-frequency oscillations of the system. They have a negative impact on the performance of power plants. This problem is paid special attention, as the nozzle head is the source of vibration, the consequence of which can be the explosion of the engine and the satellite-carrying rocket.
Keywords: rocket engine nozzle, injector, porous liner, material MR.
Создание технологических машин и высоскорост-ных транспортных средств, форсированных по мощностям, нагрузкам, температурам и другим параметрам, приводит к увеличению интенсивности и расширению спектра вибрационных и виброакустических полей. Этому способствует также широкое использование в технике, энергетике, промышленности и строительстве высокоэффективных вибрационных и виброударных процессов. Вредная вибрация нарушает планируемые конструктором законы движения машин, механизмов и систем управления, порождает неустойчивость процессов и может вызывать отказы и полную расстройку всей системы. Поэтому особое значение приобретают методы и средства уменьшения вибрации. Совокупность технологий борьбы с вредной вибрацией называют виброзащитой.
Смесеобразование в камерах сгорания различных энергетических установок, газотурбинных и ракетных двигателей определяет структуру процессов горения и, в итоге, его полноту и устойчивость. Это - причина многоплановых исследований процесса смесеобразования и его отдельных составляющих.
Топливные форсунки являются важными элементами двигателя, работающего на жидких и газообразных компонентах. Кроме основного назначения -приготовления горючей смеси в камере сгорания и газогенераторе - они одновременно являются элементами двигателя как сложной динамической системы.
Типичная газожидкостная форсунка ЖРД (рис. 1, а) состоит из трубчатого корпуса 1 с осевым каналом 2 для подвода газообразного компонента топлива, в стенках которого выполнены под углом к газовому потоку радиальные и хордальные отверстия 3 для впрыска в газовый поток жидкого топлива, присоединенные к жидкостному коллектору 4. Отверстия 3 могут быть выполнены тангенциально (рис. 1, б). Газовый поток в канале также может быть закручен (рис. 1, г) с помощью тангенциальных каналов или шнекового завихрителя.
Разновидностью такой форсунки для распылива-ния чистых некоксующихя жидкостей можно считать семейство форсунок с полым пористым вкладышем (рис. 2) [1].
В настоящей работе предлагается решать проблему виброзащиты камеры сгорания ракетного двигателя путём устранения низко- и высокочастотных колебаний при горении компонентов топлива благодаря использованию нового типа форсунок из упруго-демпфирующего пористого материала МР [2], который разработан в СГАУ.
Проблема разработок в этой области заключается в том, что тема практически не изучена. Материал МР представляет собой однородную упругопористую массу, полученную холодным прессованием определённым способом уложенной, растянутой и дозированной по весу спирали. В качестве исходного материала для изготовления МР применяется тонкая
Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов
металлическая проволока различных марок. Марка проволоки определяется условиями работы детали из МР: температурным режимом, агрессивностью среды, характером приложения нагрузки и т. д.
.......!"■
б
3 7
7 2
в г
Рис. 1. Конструктивные схемы газожидкостных форсунок: а - струйно-струйная; б - центробежно-центробежная с периферийным подводом жидкости; в - центробежно-струйная; г - центробежно-центробежная с центральным подводом жидкости; 1 - корпус; 2 - газовый канал; 3 - жидкостный канал; 4 - жидкостный коллектор; 5 - смеситель; 6 - центробежная жидкостная ступень; 7 - камера закручивания 8 - сопло
*//////Ш№
3/ \4
Рис. 2. Форсунка со смачиваемым пористым вкладышем: 1 - корпус; 2 - жидкостный коллектор;
3 - пористый вкладыш; 4 - газовый коллектор
Предложение изменения этого материала в качестве элемента форсунок отличается новизной.
Получение характеристик распыла компонентов топлива форсунками из материала МР осложняется тем, что они зависят от большого числа факторов: диаметра проволоки, диаметра спирали, степени растяжения спирали при формировании заготовок, технологии укладки спирали при формировании заготовки, массы спирали, формы (УДЭ), степени опрессовки заготовки (плотности детали, материала проволоки, технологии ее изготовления) и др.
В связи с указанными трудностями методики расчёта конкретного изделия носили экспериментальный или полуэмпирический характер, что затрудняло оптимизацию динамических систем. В настоящее время в СГАУ разрабатывается новый подход к созданию математических моделей деформирования изделий из материала МР. Суть этого подхода состоит в следующем. Для заданной технологии укладки спирали
в заготовку, материала проволоки и плотности изделия экспериментально исследуется образец в виде параллелепипеда на сжатие, сдвиг и изгиб. Результаты эксперимента обрабатываются в общеизвестных координатах: напряжение - деформация. Поскольку характеристики материала МР имеют гистерезисный характер, петли расщепляются при обработке эксперимента на упругие и неупругие компоненты, аппроксимируются математическим зависимостями, которые затем используются в расчётах конкретных изделий в системах АШУ8, МА8ТЯАМ и др.
Этот же подход предполагается использовать для гидрогазовых систем аэрокосмической техники.
В ракетных двигателях как газогенератор, так и камерные форсунки могут являться генераторами колебаний. Существование в одной динамической системе нескольких независимых источников автоколебаний обычно является причиной возникновения биений [3].
С точки зрения динамики они выполняют функции одновременно чувствительного элемента, усилителя, фазовращателя, исполнительного механизма, генератора и демпфера колебаний.
Через форсунки осуществляются практически все обратные связи камеры сгорания с системой питания и газогенератором. Все без исключения прямые связи процессов в топливных баках, магистралях, насосах, регуляторах, газогенераторах и рубашке охлаждения с внутрикамерными процессами осуществляются с помощью форсунок.
В силу особого значения, которое имеют форсунки в динамической системе двигателя, можно управлять неустойчивостью и устранять её с помощью изменения динамических характеристик форсунок.
Любые расходные механизмы неустойчивости, связанные с колебаниями давления в топливных магистралях или газогенераторе, устраняются при разрыве цепей прямых связей колебательных процессов с камерой сгорания.
Эго достигается установкой форсунок, не реагирующих на колебания давления в магистрали, или демпферов в линиях подачи компонентов.
Таким образом, изменение динамики топливных форсунок может быть использовано не только как способ подавления неустойчивости (зачастую могут быть более простые и надёжные методы, например, метод активного демпфирования колебаний давления в газоводе установкой в нем поворотных решеток), но и как средство диагностики неустойчивости, установления вида реализующегося в камере сгорания механизма неустойчивости по ее реакции на изменение динамических характеристик топливных форсунок.
Библиографические ссылки
1. Андреев А. В., Базаров В. Г. Динамика газожидкостных форсунок. М. : Машиностроение, 1991. 240 с.
2. Чегодаев Д. Е., Мулюкин О. П., Колтынин Е. В. Конструирование рабочих органов машин и оборудования из упругопористого материала МР. Самара, 1994. 250 с.
3. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М. : Наука, 1976. 868 с.
Referenses
1. Andreev A. V., Bazarov V. G. Dinamika ga-zogidkostnih forsunok. Moscow, Mashinostroenie, 1991, 240 p.
2. Chegodaev D. E., Mulukin O. P., Koltinin E. V.
Konstruirovanie rabochih organov mashin i oborudo-vaniya iz uprugoporistogo materiala MR. Samara, 1994. 250 p.
3. Abramovich G. N. Pricladnaya gazovaya dinamika. M. : Nauka, 1976. 868 p.
© Будайбекова Я. М., 2013
УДК 621.454.2
ЛАЗЕРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ В ЖРД
А. В. Веселов, Н. С. Фуфачев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: [email protected], [email protected]
Рассматривается перспективная система зажигания с использованием лазера, применимая к несамовоспламеняющимся топливным парам.
Ключевые слова: зажигание, лазер.
LASER IGNITION IN LRE
A. V. Veselov, N. S. Fufachev
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia Е-mail: [email protected], [email protected]
A promising ignition system using a laser, applicable to non-hypergolic fuel vapors is described.
Keywords: ignition, laser.
Важнейшей частью современного жидкостного ракетного двигателя является его система запуска. Развитие работ в области лазерного зажигания применительно к ракетной технике обусловлено рядом преимуществ этого способа.
Лазерная система зажигания включает в себя: камеру сгорания с соплом, смесительную головку с каналами подвода компонентов, лазерное устройство воспламенения компонентов топлива, состоящее из малогабаритного источника лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки [1]. При этом узел ввода и фокусировки излучения выполнен таким образом, что он обеспечивает фокусировку лазерного излучения на элемент внутренней поверхности камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя или газогенератора или в ее объем. Узел ввода и фокусировки излучения малогабаритного источника лазерного излучения может быть расположен:
- непосредственно на смесительной головке;
- на боковой поверхности камеры сгорания.
В обоих вариантах установки узла ввода и фокусировки излучения малогабаритного источника лазерного излучения зажигательное устройство может быть снабжено дополнительно по крайней мере одним малогабаритным источником лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки.
Рассмотрим работу системы зажигания [2]. В каме-
ру сгорания через смесительную головку с форсунками подается окислитель и горючее. Так как один из компонентов обычно подается с опережением, после подачи второго компонента включается лазерный источник, лазерное излучение которого узлом ввода и фокусировки излучения фокусируется на специальную мишень, где происходит оптический пробой с возникновением плазмы оптической искры. Следующая за этим серия лазерных импульсов при одновременном увеличении расхода второго компонента приводит к появлению в зоне фокусировки соотношения компонентов, благоприятного для воспламенения смеси. Развивающийся затем очаг воспламенения поджигает всю камеру сгорания, а лазер выключается. Поскольку при запуске ракетного двигателя один из компонентов подается с опережением, то для снижения энергопотребления системы зажигания включение лазера целесообразно осуществлять после подачи второго компонента, так как только начиная с этого момента в области фокусировки может появиться смесь компонентов, способная к воспламенению. В переходный момент с начала подачи второго компонента в области фокусировки соотношение компонентов может изменяться. Поэтому для надежности воспламенения подачу поджигающего импульса необходимо осуществлять многократно. Количество импульсов и частота их следования подбираются экспериментально.
