CC BY
83
УДК 621.454.2
АНАЛИЗ МЕТОДОВ УМЕНЬШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ УЗЛОВ ЖРД
Н. Е. Шогин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Производится анализ и сравнение различных методов по подавлению пульсаций в ракетных двигателях. Рассматривается понятие пульсаций, их влияние на работу двигателя и методы, разработанные для их уменьшения. Также рассматриваются различные узлы и агрегаты жидкостного ракетного двигателя.
Ключевые слова: пульсации, ЖРД, агрегаты, испытания.
ANALYSIS METHODS REDUCE RIPPLE HYDRAULIC SYSTEMS UNDER TESTING OF THE LRE
N. E. Shogin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Performed the analysis and comparison of various methods to suppress fluctuations in rocket engines. The concept of pulsations, their impact on the operation of the engine and the techniques developed to reduce them. Also discusses the various components and assemblies liquid rocket engine.
Keywords: pulsation, LRE, units, tests.
Для начала, хотелось бы начать разговор об узлах ракетных двигателях.
Ракетным двигателем называется двигатель, создающий тягу для перемещения автомата с помощью веществ и источников энергии, имеющихся на перемещаемом аппарате. Выделим основные агрегаты ЖРД:
Камера сгорания - важнейший агрегат ЖРД, работающий в весьма трудных условиях. Сгорание топлива происходит в малом объеме при высоких значениях температуры и давления. Распыление осуществляется форсуночной головкой, от хорошей работы которой зависит эффективность камеры сгорания ЖРД.
Сопло - канал поперечного переменного сечения, предназначенный для разгона рабочего тела до определенной скорости и придания направления.
Система подачи топлива - служит для подачи топлива из топливных баков.
Давайте рассмотрим понятие пульсаций поподробнее. Первыми, заметившими эффект пульсации давления заметили инженеры Георгий Дегтяренко и его заместитель Михаил Хитрик. Анализируя поведение системы РКС (регулирования кажущейся скорости), обратили внимание на непонятное поведение датчиков давления, которые играли в этой системе роль приборов обратной связи. Эти датчики следили за давлением в камерах сгорания боковых блоков. Датчик системы РКС, обладавший высокой разрешающей способностью, показал, что давление в камерах пульсировало с частотой от 9 до 13 герц. Эта частота совпадала с частотами собственных продольных упругих колебаний ракеты. Амплитуда этих колебаний к моменту прекращения записи достигла ± 0.456 Мпа или 4.64 технических атмосфер. Такие пульсации давления в камере должны вызвать соответствующие по частоте колебания в системе подачи горючего и окислителя. Что привело бы к колебаниям на входе в насосы. Также опасностью пульсаций является то, что они могут привести к неравномерной подачи топлива, что приведет к неравномерному горению и невозможности нормального управления ракетой.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 2
Простое увеличение жесткости не могло решить проблему, так как частота пульсаций тоже может возрасти. Результатом стало решение использовать специальные гидравлические демпфера в магистралях окислителя на входе в насосы. Этот метод включает в себя сложное и тяжелое оборудование, что значительно увеличивает себестоимость двигателя.
Другой метод заключается в подавлении неустойчивости горения в камере ЖРД. В частности, на смесительную головку устанавливались пластмассовые антипульсационные перегородки, способствовавшие затуханию пульсаций давления при возникновении неустойчивости. Достоинством конструкции перегородок является возможность их установки в камеру на любом этапе изготовления двигателя.
Рис. 1. Схема ракетного двигателя: 1 - газопровод; 2 - среднее днище смесительной головки; 3 - переднее (огневое) днище смесительной головки; 4 - форсунки, образующие антипульсационные перегородки (всего 54 шт.); 5 - основные форсунки; 6 - подвод воспламенительной смеси (4 форсунки, питаемые из отдельного коллектора); 7 -коллектор верхнего пояса завесы; 8 - коллектор подвода горючего для охлаждения цилиндрической части КС; 9 - коллектор среднего 26 и нижнего 27 поясов завесы; 10 - главный коллектор подвода горючего к КС; 11 - наружная силовая стенка КС; 12 - коллектор отвода горючего из тракта охлаждения сопла; 13 - внутренняя стенка КС; 14 - коллектор подвода горючего для охлаждения выходной части сопла; 15 - сопло; 16 - горючее движется к срезу сопла по четным (условно) и возвращается по нечетным каналам; 17 - подвод
горючего для охлаждения выходной части сопла; 18 - подвод горючего от насоса; 19 - подвод горючего к среднему и нижнему поясам завесы; 20 - перегородка в каналах; 21 - цилиндрическая часть КС; 22 - смесительная головка; 23 - центральная форсунка; 24 - газовая полость смесительной головки; 25 - перфорированное заднее днище смесительной головки; 26 - средний пояс завесы; 27 - нижний пояс завесы
Для подавления пульсаций давления начальная зона смесеобразования и горения, в которой, как правило, зарождаются высокочастотные колебания, разделена на семь примерно одинаковых объемов с помощью антипульсационных перегородок, состоящих из выступающих за огневое днище форсунок, которые неплотно прилегают друг к другу по своим цилиндрическим образующим. Благодаря этому резко повышаются собственные частоты колебаний в объемах между перегородками, смещаясь далеко от резонансных частот конструкции камеры сгорания. Кроме того, выступающие форсунки растягивают зону горения, что также уменьшает возможность возникновения высокочастотных явлений. Зазоры между неплотно прилегающими друг к другу выступающими форсунками оказывают дополнительное демпфирующее влияние.
/
Рис. 2. Схема расположения форсунок на смесительной головке: 1 - форсунки, образующие антипульсационные перегородки;
2 - наружная силовая стенка КС, припаянная к огневой стенке;
3 - огневая стенка с фрезерованными каналами
Для предотвращения разрушения насосов использованы такие средства, как повышение конструктивного совершенства и прочности за счет геометрии, материалов и чистоты отработки, а также введение новых технологий: изостатическое прессирования литых заготовок, применение гранульной технологии и другие виды.
Библиографические ссылки
1. Губанов Б. И. Триумф и трагедия «Энергии». М. : НИЭР, 2000.
2. Черток Б. Е. Ракеты и люди. Фили-Подлипки-Тюратам. М. : Машиностроение, 1999.
© Шогин Н. Е., 2015
