Высокочастотные колебания в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов

УДК 621.454.2

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Т. А. Шевченко, О. В. Корчикова

АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660123, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29

*E-mail: [email protected]

Высокочастотные колебания являются одной из основных проблем при опытно-кострукторском производстве ЖРД, которые сопровождаются разрушением конструкции двигателя.

Ключевые слова: высокочастотные колебания, неустойчивость.

HIGH-FREQUENCY OSCILLATIONS IN COMBUSTION CHAMBERS OF LIQUID ROCKET ENGINES

T. A. Shevchenko, O. V. Korchikova

JSC „Krasnoyarsk Machine Building Plant" 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660123, Russian Federation *E-mail: [email protected]

High-frequency oscillations are one of the main problems in the development of experimental design, which are accompanied by the destruction of the engine design.

Keywords: high-frequency oscillations, instability.

Практически в каждом ЖРД возникает неустойчивость рабочих процессов: самопроизвольные неуправляемые колебания значений давления, скорости, температуры газа и жидкостей и пр. Сначала возникает участок развития колебательного процесса (0,01...0,02 с), затем существует участок автоколебаний, т.е. самоподдерживающихся нелинейных периодических колебаний примерно постоянной амплитуды. Наличие неустойчивости приводит к вибрациям и механическому разрушению конструкций, локальным оплавлением стенок, нестабильности тяги. Решение проблем выявления причин неустойчивости и погашения ее требует серьезных исследований в ходе длительной экспериментальной доводки двигателя. Колебательными системами являются газообразные и жидкие вещества в агрегатах ДУ (камера, ГГ, трубопроводы, газоводы и др.). Обычно автоколебания поддерживаются за счет тепловой энергии, выделяющейся при горении топлива, поступление энергии в колебательную систему регулируется обратной связью между источником энергии и системой [1].

Высокочастотная неустойчивость характерна значением частоты колебаний параметров газа в камере 1000 Гц и больше. Время распространения волны сравнимо с периодом колебаний, а длина ее - с размерами камеры сгорания. Возникают поперечные (радиальные и тангенциальные) моды автоколебаний, так как потери энергии этих мод колебаний с выносом энергии меньше, чем в продольных модах колебаний. Источником энергии для развития и поддержания ВЧ -колебаний является горение, частота колебаний зави-

сит от акустических свойств газа в объеме камеры сгорания [1].

Существенное влияние на ВЧ - неустойчивость оказывают пристеночные эффекты у стенки, создаваемые для уменьшения тепловых потоков в нее. Уменьшение количества непрореагирующего топлива по периферии камеры повышает устойчивость процессов по отношению к тангенциальным модам колебаний [1].

Повышение устойчивости обеспечивают специальными антипульсационными перегородками, изменяющими акустические свойства камеры, и предохранением предпламенной зоны от воздействия пульсаций. ВЧ - неустойчивость крайне сложна и недостаточно изучена, она может стать непреодолимым препятствием при создании двигателя большой тяги [2].

Колебания давления в камере сгорания, их амплитуда и частота изменяются в широких пределах: по форме - от синусоидальных до очень сложных, по частоте - от десятков герц до тысяч герц. Колебательный процесс происходит на частотах, совпадающих с собственными акустическими частотами колебательных систем, значения которых обратно пропорциональны линейным размерам объемов, занимаемых газом или жидкостями, и прямо пропорциональны скорости звука в среде. В зависимости от частоты автоколебания в ЖРД принято разделять на низко -(до 200 Гц), средне - (200...500 Гц) и высокочастотные ( > 600 Гц) автоколебания. Размер двигателя (т. е. его тяга) позволяет отнести автоколебания к конкретному виду неустойчивости [1].

Решетневскуе чтения. 2018

Для низко- и среднечастотной неустойчивости в камере сгорания характерны продольные колебания параметров. При этом параметры во всем объеме камеры одинаковы, так как характерный размер объема газа меньше акустической длины волны. Для ЖРД с тягой 0,1... 5 МН такой неустойчивости соответствует диапазон частот / = 1.100 Гц. Причиной их служат случайные разбросы в горении топлива - колебания в расходе продуктов сгорания, что приводит к пульсациям давления. Также причиной НЧ (низкочастотной) неустойчивости могут быть кавитацион-ные колебания, возникающие в насосах при взаимодействии кавитационных полостей с гидравлическим трактом питания насоса. Из-за НЧ-неустойчивости возникают опасные продольные упругие колебания корпуса ракеты. Колебания в системе двигатель - упругий корпус ракеты вызывают возмущения от двигателя в замкнутую динамическую систему двигатель-корпус. Колебания корпуса приводят к колебаниям жидкости в баках и трубопроводах, что приводит к колебаниям уровня тяги. А изменение тяги вызывает колебания упругого корпуса [1].

Если колебания жидкости совпадает с собственной частотой колебаний корпуса и имеется совпадение по фазе, то возникают автоколебания. Продольные колебания корпуса ракеты из-за изменения перегрузок приводят к колебаниям объема и давления газовой подушки баков. Могут возникнуть автоколебания: давление в баке - давление на входе в двигатель-тяга-

корпус ракеты. Стабилизацию системы упругий корпус-двигатель осуществляют изменением динамических свойств топливоподающего тракта путем установки демпфирующих устройств. Для СЧ - неустойчивости характерны продольные колебания параметров потока в контурах: ГГ - подводящие магистрали, газовод-камера сгорания [1].

Причины возникновения такой неустойчивости такие же, что и НЧ-неустойчивости: связь процесса горения с гидродинамической системой подачи и смесеобразования.

Библиографические ссылки

1. Electronic textbook StartSoft [Электронный ресурс]. URL: https://helpiks.org/4-76526.html (дата обращения: 02.09.2018).

2. Electronic textbook StartSoft [Электронный ресурс]. URL: www.nic-rkp.ru/doc/science_ publica-tion_003.pdf (дата обращения: 02.09.2018).

References

1. Electronic textbook StartSoft. Available at: https://helpiks.org/4-76526.html (accessed: 02.09.2018).

2. Electronic textbook StartSoft. Available at: www.nicrkp.ru/doc/science_publication_003 .pdf (accessed: 02.09.2018).

© Шевченко Т. А., Корчикова О. В., 2018