8.3. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

Процесс горения в камере ЖРД по своей природе является неустойчивым. Гидравлические факторы могут приводить к неустойчивому течению внутри форсунок [169], при

Рис. 90. Подпрограммы вычислительной программы TDK [134]. I — впрыск топлива с заниженной энтальпией для учета неполноты выделения энергии; II — равновесное горение и одномерное течение в предположении бесконечного размера камеры сгорания; -сужающаяся часть сопла (одномерное расширение с учетом кинетики химических реакций); IV —горловина сопла (трансзвуковое расширение газа с постоянными свойствами); V — расширяющаяся часть сопла (двумерное расширение с учетом рекомбинации, метод характеристик).

определенных условиях истечение из форсунок также может приобретать неустойчивый характер. Даже при устойчивом режиме работы постоянно образуются локальные зоны с компонентами топлива, вступающими в реакцию с нестационарным выделением энергии в осевом и радиальном направлениях. Амплитуда случайных

Рис. 91. Схема внутрикамерных процессов в ЖРД [134]. неполное выделение энергии при сгорании топлива; химических реакций расширение, выделение энергии в рекомбинационных процессах. 1 — трубки тока; 2 — потери на трение в пограничном слое и теплопередачу; 3 — звуковая поверхность; 4 — поверхность постоянного давления.

пульсаций любых параметров процессов горения и течения варьируется по объему камеры сгорания в зависимости от местных условий. К примеру, в камере сгорания нет такой точки, где можно было бы измерить истинное или среднее значение рабочего давления, как и амплитуду его колебаний. Если амплитуда колебаний давления достаточно мала, то процесс горения считается устойчивым. Если она превосходит 5% среднего значения то горение определяется как нестационарное. Этот предел установлен условно, так как фундаментальных различий в процессе горения нет. Действительно, процесс устойчивого горения может характеризоваться как последовательность случайных событий, не выходящих за определенные пределы. Случайные колебания давления в камере имеют тенденцию к затуханию относительно среднего уровня, так как повышение давления в камере уменьшает подвод компонентов в камеру сгорания, что в свою очередь вызывает снижение Иногда возникают одиночные колебания большой амплитуды, получившие название пиков давления.

Однако если случайные колебания давления совпадут с собственными частотами системы подачи или акустическими характеристиками камеры сгорания, то могут возникнуть периодические колебания с частотами, характерными для системы. Возникнув, они могут затухнуть, стабилизироваться или усилиться под влиянием процесса горения. Постоянное наличие колебаний внутрикамерного процесса обычно характеризуется как неустойчивое горение. Случайные пульсации могут налагаться на периодические колебания, как показано на рис. 92. Отсутствие периодических колебаний рассматривается как устойчивое горение.

Рис. 92. Типичные виды колебаний давления в камере ЖРД [168]. 1 - случайные пульсации; 2 — пик давления; 3 — комбинация низкочастотной неустойчивости со случайными пульсациями; 4 — высокочастотная неустойчивость.

Камера сгорания, поддерживающая периодические колебания процесса, совсем не обязательно обладает неустойчивостью во всем рабочем диапазоне. Она может работать в метаустойчивом режиме, когда неустойчивость будет проявляться лишь при неблагоприятном сочетании случайных факторов. Искусственное возмущение (вызванное, к примеру, пирозарядом) часто используется для того, чтобы определить запас устойчивости ЖРД, так как этот метод позволяет наблюдать за поведением ЖРД при внезапном высвобождении энергии. Если колебания не развиваются или затухают через короткое время, двигатель считается динамически устойчивым.

Периодические колебания горения классифицируются в соответствии с поддерживающими их элементами конструкции двигателя. Частоты в диапазоне 10—200 Гц (низкочастотная неустойчивость) возникают в результате взаимодействия процесса горения и системы подачи топлива. Высокочастотная неустойчивость (выше 1000 Гц, за исключением очень больших камер сгорания) ассоциируется с акустическими характеристиками объема камеры. Промежуточные частоты обычно обусловлены гидравлическими и тепловыми явлениями в системе впрыска или механическими вибрациями двигателя. Сильные колебания (случайные или периодические) в камере сгорания обычно рассматриваются как нежелательные, поскольку они могут привести к возрастанию тепловых нагрузок на элементы двигателя и, таким образом, уменьшить его ресурс. По аналогии с классическими видами акустических колебаний в цилиндрическом объеме высокочастотная неустойчивость подразделяется на продольную, радиальную и тангенциальную. Случается и сочетание двух или трех видов. Тангенциальные высокочастотные колебания являются самыми разрушительными. Зачастую размах таких колебаний достигает величины среднего давления в камере, а тепловой поток в стенку возрастает при этом больше чем на порядок. Сохранение таких колебаний в течение 0,3 с обычно приводит к разрушению камеры сгорания.

8.3.1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕУСТОЙЧИВОСТЬ

Случайные пульсации давления, возникающие в любой камере сгорания ЖРД, воздействуют на конструкцию так же, как и периодические колебания, хотя они и не столь разрушительны. Обусловленные ими перемещения рабочей среды влияют на интенсивность теплообмена, столкновение струй, характеристики распыливания и скорости испарения, вследствие чего может развиться неустойчивость. Отмечалось, что случайные пики давления, амплитуда которых соизмерима с давлением в камере, обычно вызывают неустойчивость [168, 169].

Это и не удивительно, так как по своему действию пульсации такого рода эквивалентны срабатыванию в камере взрывного устройства с внезапным высвобождением большого количества энергии в локальной зоне.

Местные возмущения процесса горения служат причиной возникновения случайных пульсаций давления. Эти возмущения обусловлены неоднородностями топливной смеси и конструктивными особенностями смесительной головки. Каждая форсунка смесительной головки работает по существу независимо [30], как устройство для распыливания и смешения компонентов топлива. Достигаемая степень смешения зависит от гидравлических параметров на входе в форсунки и механических характеристик, которые разнятся от форсунки к форсунке. Существует весьма относительная связь между событиями, происходящими в разных участках внутрикамерного объема. Влияние случайных пульсаций давления можно свести к минимуму асимметричными профилями соотношения компонентов и расходонапряженности, а также путем изменения конструкции форсунки. Однако исключить их полностью в реальных ЖРД невозможно.

Колебания низкой и промежуточной частот обусловлены, как упоминалось выше, взаимосвязью между процессом горения в камере и гидравлическими или механическими характеристиками других систем двигателя.

Собственные частоты системы подачи топлива или других узлов двигателя при динамических нагрузках определяют, возникнет ли неустойчивость с колебаниями той или иной частоты. Процесс горения можно изолировать от системы подачи увеличением перепада давления на форсунках. Если перепад давления на форсунках составляет примерно половину внутрикамерного давления, то низкочастотные колебания возникают редко. Использование демпфирующих устройств или согласование импедансов позволяет снизить требуемый перепад давления на форсунках до величин, меньших половины давления в камере сгорания при обеспечении устойчивой работы ЖРД. Изменения собственных частот системы питания можно добиться изменением длины или объема трубопроводов и коллекторов, а также установкой энергопоглощающих устройств типа четвертьволновых резонаторов или резонаторов Гельмгольца. Собственные частоты механических узлов можно изменять выбором других мест крепления или введением дополнительных креплений. Можно изменять и конструкцию камеры сгорания, чтобы уменьшить диапазон ее чувствительности к колебаниям низкой и промежуточной частот. Увеличение приведенной длины или отношения длины к диаметру форсуночных каналов обычно повышает устойчивость [69]. Для ЖРД, работающих на

водороде, низкая плотность топлива способствует повышению устойчивости [46, 140].

Высокочастотная неустойчивость обычно зависит только от характеристик камеры и параметров внутрикамерного процесса, так как она возникает в результате взаимосвязи между процессом горения и акустическими характеристиками камеры. Таким образом, на нее влияют и свойства компонентов топлива, и геометрические параметры камеры сгорания. К свойствам топлива, играющим важную роль, относятся те, что связывают динамическую реакцию процесса горения с возмущениями в камере сгорания. Эта реакция определяется чувствительным к давлению временем запаздывания [30], которое зависит от летучести и самовоспламеняемости компонентов топлива, степени распыления, давления в камере сгорания и соотношения компонентов. Конструкция камеры сгорания не только определяет характерные акустические частоты, но и оказывает значительное влияние на разность скоростей газа и капель компонентов топлива, определяющую скорости испарения. Наиболее чувствительной к возникновению высокочастотной неустойчивости является зона, где величина минимальна, т. е. пространство вблизи смесительной головки шириной в несколько сантиметров [9]. Типичные кривые скоростей испарения приведены на

Рис. 93. Типичные графики скоростей и испарения компонентов топлива в слегка конической камере сгорания при [168]. 1 - скорость газа; 2 — предельная скорость газа; 3 — звуковая скорость газа; 4 — средняя скорость капель; 5 — доля испарившегося топлива.

Поверхностная скорость испарения капли возрастает с увеличением а общая поверхность капель в процессе испарения уменьшается. Таким образом, скорость испарения и скорость газа имеют максимальную производную в точке А на рис. 93. Скорость жидкости у смесительной головки равна скорости впрыска и уменьшается до уровня в точке В. За точкой В газы разгоняют капли, но запаздывание капель сохраняется до полного испарения в точке С.

Местонахождение точки с зависит от распределения капель по размерам, подвода тепла к ним, летучести жидкости, скорости газа, распределений расходонапряженности и соотношения компонентов и давления в камере [22]. Чем ближе точка с к смесительной головке, тем менее устойчива камера сгорания. Перемещению чувствительной к колебаниям зоны в направлении смесительной головки способствуют следующие условия [68, 79]: уменьшение диаметра форсуночных отверстий, скорости впрыска, степени сужения камеры; повышение температуры компонентов; наличие поперечных потоков; повышение равномерности распределения расходонапряженности и соотношения компонентов. По мере того как точка с приближается к смесительной головке, возрастает выделение энергии в локальной зоне вблизи головки, что способствует возникновению неустойчивости. Поперечные колебания у смесительной головки по амплитуде могут в раз превосходить средний уровень внутрикамерного давления [22]. Волны могут вызывать срыв жидкости с отдельных капель, что интенсифицирует подвод энергии, способствуя поддержанию колебаний. Так как процессы срыва жидкости с поверхности и дробления капель зависят от величины капель, может существовать критический размер, определяющий возникновение неустойчивости. При высоких степень распыления топлива менее чувствительна к пульсациям давления.

Величина возмущения, необходимая для развития неустойчивости, варьируется в широких пределах, от уровня обычных случайных пульсаций до колебаний давления с амплитудой порядка величины среднего давления в камере. Из-за того что высокочастотная неустойчивость обусловлена сложным взаимодействием разных факторов, не существует простых методов оценки величины возмущения, способного привести к неустойчивой работе конкретного двигателя. Поэтому запас устойчивости ЖРД обычно определяют наложением искусственного дозированного возмущения (см. [65], гл. 10).

За последние сорок лет предпринято немало усилий для разработки теории высокочастотной неустойчивости — наиболее опасного явления в ЖРД. Предложены два основных подхода — теория чувствительного к давлению времени задержки

воспламенения, первоначально разработанная Карманом и дополненная Крокко и Чженом [30], и более современная капельно-испарительная модель, выдвинутая Прайэмом и Гунтертом [139]; оба этих подхода детально рассмотрены в монографии [65].

8.3.2. СПОСОБЫ ПОДАВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

Анализ устойчивости работы ЖРД позволяет прогнозировать вероятность возникновения колебаний давления определенной частоты. Существуют различные способы уменьшения чувствительности ЖРД к колебаниям. Их можно разделить на химические, аэродинамические и механические. Способы первого и второго типов направлены на изменение характера высвобождения энергии в камере сгорания, а способы третьего типа влияют на резонансную частоту или скорость поглощения энергии.

Химические добавки обладают тем преимуществом, что не требуют изменения конструкции. Обычно добавки в объеме 5—10% повышают степень демпфирования колебаний в два и более раз, возможно, благодаря усилению дробления капель и, таким образом, изменению скорости высвобождения энергии. Для каждой пары компонентов топлива добавки подбираются индивидуально.

Аэродинамические способы включают создание тангенциальных течений газа (например за счет неравномерной расходонапряженности) и изменений в расположении, угле наклона и диаметре форсуночных отверстий. Для повышения устойчивости целесообразно сместить точку с вниз по потоку и увеличить отношение уменьшая тем самым скорость газа, замедляя испарение и, таким образом, распределяя выделение энергии по более протяженному участку.

На рис. 94 показаны две смесительные головки с механическими устройствами подавления неустойчивости. Первая снабжена демпфирующими перегородками, весьма эффективными при радиальной и тангенциальной высокочастотной неустойчивости. Во второй предусмотрены акустические резонаторы.