Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Неустойчивые режимы работы рдтт.
ВИДЫ НЕУСТОЙЧИВЫХ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В КС РДТТ. 1. Неустойчивым называют процесс с автоколебаниями рабочих параметров, характеристики которых выходят за установленные.пределы. Неустойчивость РДТТ существенно снижает надежность двигателей, ухудшает их внутрибаллистические характеристики, увеличивает сроки отработки, повышает стоимость ЛА, может вывести из строя бортовую аппаратуру, разрушить двигатель и летательный аппарат. Возможные результаты возникновения неустойчивого рабочего процесса в камере сгорания РДТТ иллюстрируются рис.1: выход из строя системы управления ракеты вследствие высоких амплитуд механических вибраций, передаваемых от неустойчиво работающего" двигателя (верхние рисунки); нерасчетная траектория, являющаяся следствием сверхдопустимых баллистических возмущений параметров двигателя (средние рисунки); механическое разрушение двигателя из-за непрерывного роста давления в камере сгорания (нижние рисунки). Рис.1. Некоторые результаты неустойчивости РДТТ: 1 — колебания давления; 2 — фактическое значение ; 3 — проектное значение Неустойчивые рабочие процессы в камере сгорания РДТТ проявляются прежде всего в виде низко- и высокочастотных неуправляемых колебаний давления в продольном, поперечном, поперечном и тангенциальном направлениях с частотой от нескольких герц до нескольких десятков килогерц. Примеры колебательных режимов РДТТ показаны на рис. 2 и 3 в виде графиков, построенных по результатам экспериментов в координатах (безразмерное отклонение давления)- (безразмерное время работы двигателя). Рис.2. Типичные формы низкочастотных колебаний давления в каморе сгорания РДТТ: а — качественная картина развития колебаний; б — развитие колебаний, вызванных пиком давления при воспламенении заряда; в — низкочастотная неустойчивость вследствие пика давления при запуске, приводящая к гашению заряда с последующим его воспламенением; г — осциллограмма испытаний РДТТ, склонного к неустойчивым колебаниям с очень низкой частотой; д — низкочастотные колебания давления в период запуска
Рис. 3. Эволюция высокочастотных колебаний в координатах: - безразмерное время τ. Как видно, эти режимы сильно отличаются от условий устойчивой работы двигателя, когда все рабочие параметры изменяются сравнительно медленно и плавно в процессе горения заряда и лишь как следствие изменения его внутренней геометрии.
Различные неустойчивые режимы работы РДТТ реализуются при наличии возмущений, образующих волны давления. В результате возникают отклонения характеристик течения продуктов сгорания, которые нестационарным образом взаимодействуют с параметрами поверхности горения. Равновесное течение процессов нарушается, так как под действием волн давления происходят локальные изменения скоростей тепловыделения и газообразования. Частота и форма наблюдающихся при этом волн зависят от механизма взаимодействия и внутренней геометрии камеры двигателя. Течение продуктов сгорания ограничивается в основном поверхностью горения, а также криволинейной стенкой днища с теплозащитным покрытием, с одной стороны, и критическим сечением сопла - с другой. В случае, когда флуктуации тепло- и газовыделения находятся в соответствующей фазе и имеют достаточную амплитуду, позволяющую преодолеть потери энергии, происходит усиление интенсивности волн. Этот процесс усиления продолжается до тех пор, пока не появятся условия для нового баланса энергии. Эти условия устанавливаются в зависимости от конкретных физических параметров в очень широком диапазоне интенсивности волн. Обычно при этом преобладает какая-нибудь отдельная мода. Все это сильно затрудняет математическое описание происходящих в камере сгорания колебательных процессов. Как правило, в условиях колебаний давления в камере скорость горения твердых топлив увеличивается. Это приводит к росту давления и тяги по сравнению с расчетным режимом и уменьшению времени сгорания заряда. Сила тяги, кроме того, получает колебательную составляющую, которая передается корпусу ракеты, что и является причиной выхода из строя аппаратуры, в том числе и системы управления и т. д. При значительном повышении давления двигатель (или заряд) может разрушиться. Если двигатель устойчив, то возникающие колебания или имеют допустимую амплитуду, или просто затухают вследствие преобладания диссипации энергии над энергией возмущающих сил.
2. В настоящее время наиболее распространенным является разделение периодических колебаний в камерах РДТТ по их частоте. Выделяют низкочастотные и высокочастотные колебания в камере сгорания. Низкочастотная неустойчивость определяется автоколебаниями в камере сгорания с частотой, меньшей чем минимальная собственная акустическая частота. Диапазон таких низких частот ограничивается колебаниями с частотой не более 100 Гц. При низкочастотных колебаниях давление в камере сгорания изменяется во всех точках ее объема одинаково, т. е. этот объем представляется какодно целое. Так как характеристикой, определяющей в основном область неустойчивости этого вида, является приведенная длина камеры, равная (1) где - объем камеры сгорания; - площадь критического (минимального) сечения сопла, то этот тип неустойчивости часто называют -неустойчивостью (особенно в зарубежной литературе). -неустойчивость встречается чаще всего в небольших РДТТ (при малых } и при сравнительно низких давлениях. Высокочастотная неустойчивость определяется автоколебаниями в камере сгорания с частотой, близкой к одной из собственных акустических частот камеры сгорания. При высокочастотной неустойчивости в камере сгорания распространяются акустические волны, усиливающиеся при отражении от поверхности горения за счет притока акустической энергии от горящей поверхности (рис.4). Обычно колебания давления при акустической неустойчивости постепенно нарастают от очень малых значений амплитуды до больших (см. рис.3). Такие колебания называются расходящимися. Рис.4. Схема взаимодействия между зоной горения и акустическими волнами
Затухающие акустические колебания имеют постепенно уменьшающуюся амплитуду. Для периодических (или регулярных) колебаний характерны постоянные амплитуда и частота. Периодические акустические колебания в камере сгорания могут быть продольными и поперечными. Продольные - это высокочастотные колебания вдоль оси камеры (см. рис.5 а). Поперечные колебания в камере сгорания представляют собой высокочастотные колебания в плоскости, перпендикулярной оси камеры. Эти колебания в зависимости от направления колебательного движения делятся на тангенциальные, радиальные и смешанные поперечные колебания (см. рис.5б,в). Рис.5. Три класса акустических волн: а - продольные колебания с наименьшей частотой (где а - средняя скорость звука в объеме); б - тангенциальные поперечные (); в - радиальные поперечные (). В простейшем виде колебательная система может быть описана следующим волновым уравнением: (2) где - малое возмущение давления; а - скорость звука; τ - время. Общее решение этого уравнения в цилиндрических координатах для абсолютно жестких стенок камеры сгорания имеет вид (3) где k, m, n - целые числа; Im - функция Бесселя первого рода порядка т; - k -й корень уравнения ; и - произвольные постоянные; и - произвольные фазовые углы; - круговая частота; D - диаметр камеры; φ и r — цилиндрические координаты. При этом формула для определения собственных частот акустических колебаний продуктов сгорания в камере в общем случае имеет такой вид:
(4) Члены с m = 0; n ≠ 0; k = 0 соответствуют продольным модам с частотой (5) Члены с m = 0; n = 0; k ≠ 0 соответствуют радиальным модам с частотой первого радиального вида колебаний (k =1): (6) Члены с k = 0, n = 0, m ≠ 0 - тангенциальным модам с частотой первого тангенциального вида колебаний (m =1): (7) Отметим, что в камере сгорания могут наблюдаться и продольно-поперечные колебания. В двигателях с большим отношением длины к диаметру (L/D> >10) в камере сгорания могут возникать самоподдерживающиеся продольные колебания при наличии возмущения, превышающего определенное критическое значение (высокочастотные поперечные колебания возникают самопроизвольно, начиная с очень малых амплитуд при наличии мягкого возбуждения автоколебаний.). Отметим, что продольные акустические моды занимают диапазон частот 100...1000 Гц. Акустические колебания с развитой амплитудой требуют исследования при помощи нелинейных уравнений. Поэтому их называют нелинейными, в отличие от линейных колебаний малой амплитуды, которые анализируются с помощью линейных дифференциальных уравнений. Предельным случаем неустойчивости рабочего процесса в РДТТ является резкое увеличение значений всех параметров продуктов сгорания вследствие возникновения сильной ударной волны, при которой горение переходит в детонацию. Все эти виды неустойчивости относятся к динамической неустойчивости, так как определяются нестационарными процессами горения в отличие от статической неустойчивости, когда срыв устойчивого горения с последующим неограниченным ростом давления в камере сгорания происходит из-за резкой чувствительности стационарной скорости горения к изменениям давления. Неустойчивость такого вида имеет место при v >l. Поэтому на практике используются топлива с v <l. 3. Общие сведения о механизмах возникновения колебаний в РДТТ. В реальных условиях неустойчивые режимы РДТТ вызывают сложные смешанные колебания различных постоянно меняющихся частот. Например, в двигателе второй ступени ракеты «Посейдон» в течение первых 10с наблюдали колебания с гармониками девяти различных частот. В РДТТ ракеты «Минитмен II» в течение первых двух секунд появились колебания с частотой 300 Гц, которые перешли в колебания с частотой ~500 Гц, длящиеся 10...15 с. В РДТТ ракеты «Минитмен III» сразу после запуска (через 0,1...0,2 с) в течение 4 с появились колебания с частотами ~850 Гц, а затем с ω= 330 Гц (длящиеся ~ 12 с). Все эти колебания имели значительную интенсивность и если и не привели к аварии, то создали реальные предпосылки для повреждения бортовой электронной аппаратуры. Известные математические модели неустойчивого рабочего процесса в камере РДТТ пока не могут достаточно полно описать реальные процессы. Так, в частности, приведенное волновое уравнение (2) записано для идеальной цилиндрической полости, наполненной однородной газовой смесью с малой скоростью движения и малой амплитудой колебаний газа. Это уравнение не учитывает переменности объема полости из-за выгорания заряда, переменности состава продуктов сгорания по объему, возможности колебаний стенок камеры и заряда, неравномерности процессов в зоне горения твердых ракетных топлив и т. д. Следовательно, оно не может объяснить причин возникновения и поддержания колебаний в камере.
РДТТ является автоколебательной системой, которая включает часть камеры, заполненную продуктами сгорания, источник энергии и механизм* (или ряд механизмов), подводящий энергию к колебательной системе. Важнейшими вопросами, требующими разъяснения при изучении неустойчивости РДТТ, являются выявление механизма возбуждения (или подавления) колебаний, определение границ** или порога возникновения колебаний, их амплитуды и частоты. В ранних исследованиях считалось, что механизм низкочастотной неустойчивости определяется запаздыванием изменений скорости горения (вследствие температурного градиента на поверхности) по отношению к возмущениям давления и расхода газов из камеры. В настоящее время считается, что механизм возбуждения неакустических низкочастотных колебаний может быть объяснен с акустической точки зрения. Поэтому причины неустойчивости РДТТ в общем случае следует искать во взаимодействии полости камеры сгорания и поверхности горящего топлива (см. рис.4). Скорость горения растет с увеличением давления, поэтому при небольших флуктуациях давления вблизи поверхности горения происходит местное повышение скорости горения (вследствие возрастания теплового потока в зону горения), которое способствует новому росту давления; последнее опять увеличивает скорость горения и т. д. В результате этого амплитуда колебаний возрастает, что и приводит к неустойчивости. Кроме этого фактора, причиной колебательных режимов является наличие пульсирующего теплового потока, идущего к поверхности заряда. Такие пульсации теплового потока определяют наличие затухающей температурной волны внутри твердого топлива, в результате чего на гребнях этой волны скорость разложения топлива (согласно экспоненциальному закону Аррениуса) будет превышать нормальную скорость горения в большей степени, чем замедляться на впадинах. Суммарный эффект действия такого пульсирующего теплового потока приводит к повышению скорости разложения. Поэтому, если топливу свойственна экзотермическая реакция, способствующая усилению температурной волны, то такое топливо более чувствительно к высокочастотным колебаниям. Очевидно, что в случае эндотермических реакций топлива температурные волны будут самозатухающими. Все эти явления учитываются в различных теоретичесих моделях колебательных режимов РДТТ. Такая качественная картина возникновения неустойчивых режимов работы РДТТ тем не менее в ряде случаев не может объяснить причину появления колебаний.
* Под механизмом в данном случае понимают и физико-химические процессы, объединенные причинной связью. ** Граница устойчивости рабочего процесса в камере сгорания представляет собой совокупность значений режимных параметров, разделяющую области устойчивости и неустойчивости
ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ РДТТ
1. С точки зрения теории решение задачи о высокочастотной неустойчивости РДТТ сводится к решению уравнения акустической волны с учетом акустических внутренних характеристик камеры (естественно, с соответствующими граничными условиями). Накопленный экспериментальный материал позволил выделить следующие специфические для этого режима особенности: а) в камерах РДТТ появляются акустические колебания с большими амплитудами, достигающими иногда величины среднего рабочего давления; б) такие колебания появляются, как правило, спорадически, причем в процессе работы двигателя может возбуждаться одна определенная мода колебаний или несколько с тем, чтобы исчезнуть, а через некоторое время устойчивой работы снова возникнуть в новой комбинации мод, которая может включать, а может и не в) для воспроизведения частотно-временного спектра неустойчивого режима необходимо со скрупулезной точностью повторить условия испытаний с соблюдением неизменности состава топлива, внешних условий и т. п.; г) довольно часто колебания с большой амплитудой сопровождаются увеличением средней скорости горения топлива. 2. Для теоретического описания такого сложного явления, как высокочастотная неустойчивость РДТТ, необходимо камеру рассматривать как акустический резонатор, имеющий множество резонансных частот, при которых он будет наиболее легко возбуждаться. Будут ли любые малые возмущения возбуждать одну или более Рис.6. Факторы, воздействующие на устойчивость двигателя
Факторы, воздействующие на устойчивость двигателя, включают: А- поверхность горения, связывающая давление и скорость газа; В- тепловое излучение; С- вязкоупругие потери в топливе; D- эффекты в камере сгорания, в том числе демпфирующее действие частиц в потоке, другое вязкотермическое затухание, релаксационные затухания, остаточные химические реакции; Е- корпус двигателя, определяющий эффекты вязкотермических потерь на стенках, внешнего влияния и др.; F- эффекты демпфирования сопла. Поверхность горения является источником акустической энергии, а все остальные факторы - ее потерями. Так как неустойчивость возможна до тех пор, пока акустические потерн не превзойдут акустические усиления, то определение акустических потерь отнюдь немаловажно. Представляет интерес знание акустических характеристик зоны горения, которые можно количественно описать удельной акустической проводимостью поверхности горения или передаточной функцией топлива. Характеристики твердого топлива определяются с точки зрения акустики двумя модулями упругости, действительные части которых связаны со скоростью распространения возмущений за счет сдвига и расширения, а мнимые части выражают потери энергии, вызываемые этими возмущениями. Что касается зоны горения, то се толщина существенно меньше по сравнению с сантиметровыми или большими длинами акустических волн, и поэтому ее можно считать принадлежащей поверхности. Это позволяет поверхность горения и другие граничные поверхности камеры характеризовать их акустическими проводимостями, действительная часть которых описывает усиление или затухание акустических колебаний. 3. Теоретическое рассмотрение задачи о высокочастотной неустойчивости требует решения уравнений, описывающих с учетом указанных выше эффектов физические и химические процессы. Эти процессы протекают в объеме, содержащем твердую и газообразную среды, разделенные сложной границей, способной подводить дополнительную энергию в поле акустических колебаний. При этом основным вопросом становится выбор тех форм процесса, на которых следует акцентировать внимание; выбор допущений и упрощений, которые следует сделать при математическом описании модели, с тем, чтобы она была достаточно реальной, поддавалась ясной интерпретации и позволяла математически ее обработать. На этом пути имеется два направления. Одно - связано с изучением колебаний малой амплитуды на границе устойчивости, а решение задач осуществляется с помощью анализа малых возмущений, приводящего к линейным дифференциальным уравнениям. Основным в линейной теории является вопрос: будет ли расти амплитуда случайных малых возмущений давления, всегда имеющих место в ракетном двигателе или нет. Устойчивость при наличии малых возмущений является необходимым, но не достаточным условием для устойчивости вообще. По этой причине второе направление исследует также колебания с развитой амплитудой, которые описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-08; просмотров: 2631; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.221.41.214 (0.046 с.) |