8.5. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭКОНОМИЧНОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЖРД

Знать и уметь оценить взаимосвязь между факторами, влияющими на экономичность, устойчивость и работоспособность двигателя, необходимо для того, чтобы облегчить его отработку. Случайные пульсации давления (нестационарное горение) обычно неблагоприятно отражаются на работе двигателя. Несколько случайных возмущений, наложившихся друг на друга, могут привести к неустойчивости. Колебания давления низкой частоты сопровождаются ухудшением стойкости стенки из-за уменьшения толщины пограничного слоя и более высоких коэффициентов теплопередачи. Нестационарное горение оказывает двойственное влияние на удельный импульс. Турбулизация, обусловленная волновыми процессами, улучшает смешение компонентов, т. е. улучшает полноту сгорания в камерах с малой приведенной длиной Поперечный поток, однако, смещая точки столкновения струй, может ухудшить вследствие этого степень распыления и понизить удельный импульс. Волновые процессы в камере интенсифицируют теплопередачу и уменьшают размер капель — в этом состоит их положительное влияние. Повышение начальной температуры компонентов топлива способствует повышению удельного импульса благодаря более высокой энтальпии, но иногда влияние температуры оказывается столь значительным, что получаемый эффект не может быть объяснен только энтальпией [68]; возможно, сказывается улучшение распыливания за счет уменьшения поверхностного натяжения. Уменьшение коэффициента соотношения компонентов способствует повышению экономичности двигателя в случае внутрикамерного процесса, лимитируемого испарением горючего. В другом двигателе оно может вызвать снижение стойкости стенки из-за перетеканий, обусловленных дисбалансом количеств движения струй.

Целью разработки двигателя является достижение наивыгоднейшего компромисса между экономичностью (удельным импульсом), устойчивостью и работоспособностью при заданных условиях, таких, как топливная пара, располагаемые перепады давления, ресурс и тяга двигателя. Сначала следует установить относительную важность поставленных условий. На этапе проектирования можно проводить сравнение различных вариантов: повышение запаса устойчивости за счет удельного импульса; введение пленочного охлаждения или газовой завесы для обеспечения стойкости стенки, опять же за счет Удельного импульса. Крупные форсунки и форсуночные каналы простой конфигурации снижают затраты на изготовление, но уменьшают удельный импульс.

Следующим шагом является предварительное определение конструкции блока смесительная головка — камера сгорания. Отношение должно быть достаточно малым, чтобы обеспечить значительные для завершения испарения до сопла. Для потери в пограничном слое в камере сгорания могут быть существенными. Длина камеры должна превышать тридцать шагов между форсунками, чтобы избежать потерь из-за некачественного смешения.

Гидравлический анализ системы питания и прототипа блока смесительная головка — камера сгорания позволяет установить распределения расходонапряженности и соотношения компонентов. Устойчивость можно улучшить без снижения удельного импульса, если установить в камере акустические перегородки; Стойкость стенки повышается (без снижения удельного пульса) за счет использования материалов с повышенными рактеристиками или применения регенеративного охлаждений

Для приложения рассмотренного выше анализа к конкретной конструкции необходимо знать гидравлические характеру стики и распределение капель по размерам. Первые можно рассчитать по конструктивным параметрам или измерить при холодных проливках. Характеристики распыла лучше всего оценить путем сравнения с результатами испытаний смесительных головок похожей конструкции.