содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

4.5.

ОТРЫВ ПОТОКА ОТ СТЕНОК СОПЛА В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

В косом скачке, отходящем от линии турбулентного отрыва сверх­звукового потока, линии тока отклоняются от первоначального на­правления, параллельного стенке, на конечный угол  вглубь основно­го потока (рис. 4.11). Тангенциальный разрыв между отклоненным потоком и газом находящимся у стенки, неустойчив и размывается в турбулентную область, которая представляет собой клин (в плоском случае). Угол при вершине клина * в случае несжимаемой жидкости равен 152° и для сжимаемой (табл. 4.16)

.

Рис. 4.11. Схема турбулентного отрыва сверхзвукового потока от стенки сопла:

1 – течение до отрыва; 2 – косой скачок, отходящий от точки отрыва; 3 – отклоненный поток; 4 – граница потенциального течения; 5 – турбулентная зона; 6 – действительное распределение давления на стенке; 7 – аппроксимация распределения давления.

Таблица 4.16

Угол клина

Приближенно перепад давлений  зависит линейно от числа М перед точкой отрыва: 1+0,5 М.

На основании изложенного по­следовательно рассчитываются следу­ющие параметры: М_т — число Маха перед точкой отрыва; d_T/d — место отрыва потока в сверхзвуковом сопле; Р_Т — тяга сопла при отрыве потока. В зоне свободной турбулент­ности, примыкающей к стенкам сопла, течение дозвуковое, градиенты давления относительно малы и давление приближенно равно давле­нию вокруг выходного среза. Следовательно, предполагается, что восстановление давления от р_Т (перед точкой отрыва) до р_Н происходит полностью в косом скачке (см. рис. 4.11). Тогда имеем

;

;

.

Приближено

.

Условие безотрывного течения на протяжении всего сопла имеет вид d_a/dd/d для заданного р_о/р_Н; условию запуска сопла соответст­вует равенство d_a=d_T.

До момента запуска сопла на участок, ограниченный снизу по тече­нию линией отрыва, а сверху - сечением, в котором давление равно наружному р_Н, действует сжимающий перепад давлений.

В момент запуска сопла линия отрыва потока совпадает с выходным срезом, а концевой участок находится под действием сжимающего пе­репада давлений

,

где р_оп — давление в двигателе при запуске сопла.

В действительности возрастание давления от р_Т до р происходит не скачкообразно, а постепенно, на участке длиной около 10, причем рост давления начинается еще до точки отрыва на расстоянии примерно 2,5, и к точке отрыва давление достигает уровня 0,6 (р₂ -.

Так, при к=1,15 F_BX/F30 имеем р_оп/р_вых.

Расход, температура торможения и состав газов изменяются при течении по диффузору в случае впрыска воды в пристеночный слой (с целью создания внутреннего охлаждения). Тогда проводится термодинамический расчет параметров смеси в выходном сечении диф­фузора (рис. 4.14, табл. 4.17). Суммарный эффект заключается в том, что приведенная скорость в выходном сечении увеличива­ется и пусковое давление воз­растает.   При некотором значении становится равной единице, что означает запира­ние диффузора. Такой режим течения недопустим, и отсюда вытекает ограничение по значению расхода воды в системе внутреннего охлаж­дения.

Рис. 4.14. Параметры равновесной сме­си продуктов сгорания твердого топ­лива и воды

Другие параметры, а именно: угол наклона профиля у выходного среза сопла , зазор между выходным срезом и входом в диффузор F_BX-F_a, число сопел в блоке (форма сечения истекающей струи), угловое отклонение оси сопла от оси диффузора (при F_BX=const), изгиб диффузора, слабо влияют на пусковое давление цилиндрическо­го диффузора длиной L/d 6...10.

Если истечение газов из каждого сопла многосоплового блока происходит в индивидуальный диффузор, то это позволяет: а) сократить длину стенда вследствие уменьшения абсолютной длины диффузора L=(6...10)d_ВХ=(8...12)d_a и б) снизить пусковое давление, так как при этом уменьшается F_BХ/F_a. Там, где это необходимо и возможно, вместо круглого диффузора может быть установлен диффузор с другой формой поперечного сечения или выполненный в виде решетки.

В случае, если при испытании двигателя сопло поворачивается толь­ко в одной плоскости, может оказаться целесообразным увеличение входного сечения диффузора лишь в этой же плоскости.

Таблица 4.17

Параметры смеси продуктов сгорания ТРТ с водой

Рис. 4.15, Изменение давления запуска ци­линдрического диффузора в зависимости от его длины.

Если качание поворотного уст­ройства во время высотного испыта­ния не предполагается, то в таком случае можно к поворотному устрой­ству, закрепленному в отклоненном на угол    положении, присоединить выхлопной диффузор. Такой монтаж распространен при агрегатных и модельных испытаниях.

Пристыковка дозвукового диффузора в виде контура с полууглом раствора 5...10° и отношением диаметров около 2 позволяет частично восстановить давление.

Если давление в двигателе заметно больше , то мож­но использовать укороченные диффузоры. Они менее эффективны, чем диффузоры оптимальной длины L/d=8...10, но несколько проще (рис. 4.15).

В подавляющем большинстве случаев (при m_вых=т) отсутствует гистерезис между пусковым и рабочим давлениями цилиндрического диффузора, т.е. срыв работы диффузора происходит при таком же дав­лении в двигателе, как и запуск. Впрочем, иногда наблюдается гистере­зис характеристик цилиндрических диффузоров, укороченных или присоединенных впритык к выходному срезу сопла d_BX=d_a.

Между выходным сечением сопла испытуемого двигателя (сечение а - а) и входом в диффузор (сечение вх — вх, в котором границы струи, истекающей из сопла, присоединяются к стенкам диффузора, площадью F_BX) может по условиям испытаний иметься участок свободной струи длиной, сравнимой с ее диаметром: l=l/d_a. Вследствие турбулентного перемешивания на границе ядра (струи) постоянной массы возникают потери полного давления.

Рассмотрим случай расчетного истечения струи в барокамеру. Для приведенной скорости во входном сечении имеем,

где  (табл. 4.18).

По известной приведенной скорости _вх находим:

а) коэффициент восстановления давления торможения

;

б) площадь входа

;

Таблица 4.18

Коэффициент потерь полного давления на начальном участке свободной струи

в) производную для величины, обратной к коэффициенту восстановления давления торможения на участке свободной струи

.

Общий коэффициент восстановления давления торможения рассматриваемой схемы течения участка свободной струи и прямого скачка

.

Относительная величина производной для изменения коэффициента восстановления давления с ростом  отрицательна и пропорциональна коэффициенту трения _стр:

.

Давление запуска в этом случае возрастает:

.

4.6.3. ИЗМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ, БАРОКАМЕРЕ И ВЫХЛОПНОМ ДИФФУЗОРЕ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

В процессе изменения давления в РДТТ система сопло-выхлопной диффузор проходит несколько состояний; не запущены ни сопло, ни диффузор; сопло запускается раньше диффузора; запущены и сопло, и диффузор; диффузор срывается раньше, чем сопло.

Продукты сгорания, истекающие в диффузор после разрыва сопловой заглушки в период воспламенения твердого топлива, частично пере­мешиваются с воздухом, сжимают его и вытесняют из канала.

Резкие возрастание притока газов в диффузор (возникновение "газового" поршня) сопровождается появлением волны сжатия, рас­пространяющейся по нему со скоростью а. При отражении волны сжатия от выхода из диффузора возникает волна разрежения той же амплитуды, движущаяся в противоположном направлении. В момент t'=(2L+d)/a (промежуток времени d/a_H соответствует процессу отражения волны от открытого конца диффузора) волна разрежения приходит к входу в диффузор, и по всей его длине и в барокамере (малого объема) избыточное внутреннее давление уменьшается до нуля.

Зависимость между повышением давления в области контактной поверхности p и расходом газов из РДТТ имеет вид

.

После запуска диффузора относительное давление в барокамере  в общем случае зависит от следующих факторов:

отношения площади входного сечения диффузора к площади крити­ческого сечения F_BX/F;

угла наклона стенок входной части диффузора к его оси _ВХ;

состава газа, истекающего из сопла, и его термодинамических харак­теристик к и R;

угла наклона профиля сопла вблизи выходного среза _а;

числа Маха на выходе из сопла M;

толщины пограничного слоя на выходе из сопла;

притока (оттока) массы и энергии в барокамеру от других источни­ков (помимо начального участка струи ракетного двигателя).

Здесь рассматривается только такая длина диффузора, когда давле­ние в барокамере не зависит от нее, т.е. L/d>(L/d)_aвт. Приближенная оценка (сверху) давления в барокамере возможна на основе теории '   донного давления.

Отношение F_BX/F является главным определяющим параметром как для давления запуска диффузора, так и для давления разрежения .

Приближенно можно указать следующие границы для :

,

где  определяется по . Имеет место соотношение (; ; ):

.

При  давление р_б возрастает на 25 %.

Значение угла притекания граничной линии тока к стенке диффузора  слагается из угла наклона стенки сопла _а, угла поворота границы струи  и угла стенки входной части диффузора _ВХ. Угол поворота струи  связан с отношением давления в волне, отходящей от кромки сопла:

; при сжатии .

Вследствие того, что  ограничен, давление в барокамере возрас­тает с увеличением _ВХ.

Снизить давление р_б можно несколькими способами:

увеличением диаметра входного сечения диффузора (при этом увеличивается также давление запуска);

уменьшением угла встречи границ струи со стенкой;

охлаждением газов в области разрежения;

уменьшением притока газов от сторонних источников, отсосом газа из области разрежения (так, отсос 0,3...1% расхода газов из двига­теля приводит к снижению давления разрежения примерно в три раза, М_а2).

Изменяя приток (отток) газов в область разрежения, можно регули­ровать высотные условия в процессе испытания.

При уменьшении давления в ракетном двигателе ниже уровня рабо­чего давления выхлопного диффузора (давления срыва) реактивная струя отсоединяется от его стенок, и в области отсоединения возникают две волны — сжатия, распространяющаяся к двигателю, и разрежения, движущаяся к выходу из диффузора. Волна сжатия может быть асим­метричной, и при ее набегании на сопловой блок последний испытывает ударную нагрузку как в осевом, так и в боковом направлениях. Волна разрежения, отразившись от выхода из диффузора, у которого давление  превращается в волну сжатия, распространяющуюся в направлении к двигателю и барокамере. При отражении волн сжатия от стенок давле­ние возрастает еще больше, поэтому р_б может кратковременно превы­шать . По мере роста р_б происходит отрыв потока от стенки сопла, при отрыве перепад давлений на ней направлен снаружи внутрь сопла и сначала равен р_а—р_б=-0,5 М_ар_оп (М_а).

Отрыв может быть асимметричным, при этом возникают боковые нагрузки на сопло.

Пройдя срез сопла, волна давления распадается на две, одна из ко­торых, входит в сопло, а другая — в объем барокамеры, окружающий сопло. Внутреннее давление в период распространения распавшейся волны превышает наружное, но значение перепада может существенно превзойти рабочий уровень при безотрывном течении и номинальном давлении в двигателе; соответственно возрастает осевая нагрузка на соп­ло и искажаются тяговые характеристики.

Для защиты от возвратных течений и их вредных последствий на послесрывных (и предпусковых) режимах работы диффузоров при­меняются:

1)  дополнительные паровые эжекторы, установленные вблизи вы­
хода из диффузора, или инжекторы, установленные вблизи входа в диф­фузор. Включение и выключение этих струйных аппаратов осуществ­ляется автоматически в зависимости от уровня давления в испытуемом двигателе;                                                                                            

2)  продувка барокамеры инертным газом (азотом или гелием),
включаемая перед окончанием работы двигателя (а также до запуска
и во время работы двигателя с целью удаления окислительных элемен­тов из замкнутого объема);

3)  перекрытие канала на выходе из диффузора с помощью быстро­
действующего клапана-заслонки;

4)  охлаждение потока впрыском воды в барокамеру.

Сопловую часть испытуемого двигателя защищают от лучистого теплового потока или от циркуляции горячих газов в донной части с помощью теплозащитных экранов, дополнительной внешней теплоизо­ляции, завесы из водяных струй.

Нестационарные нагрузки на стенки сопла, барокамеры, выхлопного диффузора при запуске и останове РДТТ можно оценить путем числен­ного интегрирования системы газодинамических уравнений (например, с использованием разностной схемы С.К. Годунова).

Для оценки ударно-волновых нагрузок, возникающих в высотном стенде при возможном аварийном исходе испытания, используются:

1)    численное интегрирование нестационарных уравнений газодина­мики в сферической, осесимметричной или пространственной поста­новке;            

2)    моделирование нагрузок с помощью заранее подготовленного
разрыва газонаполненного сосуда;

3)    моделирование нагрузок с помощью подрыва эквивалентного
количества тринитротолуола для создания на заданном расстоянии
заданной энергии (тротиловый эквивалент Э), заданного импульса
(Э) или максимального избыточного давления (Э). Так, в табл. 4.19
приведены эти тротиловые эквиваленты для моделирования разрыва
сферы  0,35 м, наполненной продуктами сгорания твердого топлива
при давлении 30 МПа (=29кг/м³); здесь же даны расчетные значения
избыточного давления в скачке р, возникающем при разрыве этой
сферы.

Таблица 4.19

Тротиловые эквиваленты при разрыве сферы,

наполненной продуктами сгорания ТРТ

4.6.4 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫСОТНЫХ ИСПЫТАНИЙ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

В ходе подготовки и проведения высотного испытания РДТТ изме­ряются масса заряд т, масса уносимых элементов из теплозащитных и эрозионностойких материалов m, геометрические характеристики двигателя (площади критического F и выходного F_a сечений сопла; в случае, если барокамера охватывает только сопловую часть двигателя, измеряется площадь поперечного сечения двигателя F в месте зазора между стенками барокамеры и двигателя, тяга двигателя P(t) текущий интеграл тяги P(t)dt, давление в окрестности соплового блока р_б, давление в двигателе р_к (t) (у переднего дна) и давление вокруг двига­теля р (рис. 4.16). По результатам измерений определяется интервал времени работы РДТТ от t до t₂, в течение которого было обеспечено безотрывное расширение потока в сопле. Отсутствие отрыва потока контролируется по отношению p\p_a или по коэффициенту пустотной тяги К_Т=P/p_KF (значение К_Т на участках работы сопла с отрывом превышает значение К_Т при безотрывном течении), и участки 0...t...t_дв исключаются из рассмотрения.

При испытаниях на вертикальном стенде (в отличие от испытаний на горизонтальных стендовых установках) на датчик тяги воздействует Изменяющаяся масса двигателя, и это вносит дополнительную погреш­ность при определении пустотной тяги:

,

где m(t)dt — масса топлива, сгоревшая к моменту времени t;  g — ускорение свободного падения; m_д - начальная масса двигателя.

Рис. 4.16. Изменение относительного давления в двигателе (1), относительной тяги, измеряемой на вертикальном стенде (2), и давления разрежения в барокамере (3)

Суммарный импульс пустотной тяги вычисляется интегрированием этого выражения, содержащего измеряемые при испытании параметры:

.

Оценка погрешности, вносимой в это выражение двойным интегра­лом, получается с учетом статистических характеристик случайной функции расхода газов из двигателя:

.

Давление разрежения и разность F—F_a входят в формулу для I_п сомножителями. Следовательно, ошибка измерения р_б не будет сказы­ваться на определении I_п, если площадь проходного сечения диффузора внутри кольцевого зазора равна площади выходного сечения сопла.

Затем вычисляется пустотный удельный импульс двигателя:

,

где I_п — суммарный импульс пустотной тяги на участке работы двигате­ля в период t,  — относительные массы сгоревшей части заряда на участках работы двигателя в периоды 0...t и t₂...t_ДB.

Опытные значения p_K(t) и Р_П (t) на участке t...t₂ могут быть использованы для оценок коэффициента восстановления полного дав­ления (при F=const)

    или

увеличения площади критического сечения при t>t'

;

момент времени <t'<t₂ соответствует достаточно малым скоростям
течения газа: при t=1.                                   

Оценку  можно получить также по результатам измерения давления разрежения в барокамере р_б: .

Дублирующая оценка увеличения площади критического сечения сопла  вытекает из сравнения опытной зависимос­ти p(t) с расчетной (при t>t'):

.

Всего в процессе высотного испытания двигателя на установившихся и переходных режимах его работы измеряется примерно 10² параметров различной физической природы. При этом применяется автоматизиро­ванный информационно-измерительный комплекс, в задачи которого входят:

а) выбор рациональных режимов работы экспериментального обору­дования с учетом программ испытаний;

б) обеспечение запуска, вывода на режим и регулирования экспериментального комплекса;

в) восприятие, сбор, передача, преобразование, показ, запись, обработка и сравнение информации, получаемой в ходе испытания, с математической моделью двигателя и анализ результатов в темпе испытаний;

г) управление элементами двигательной установки;

д) обеспечение связи и взаимодействия персонала и оборудования.

После прекращения работы двигателя на стенде в общем случае осуществляется:

1) выдержка в течение некоторого времени испытуемого двигателя, для того чтобы остыли его нагретые элементы(в особенности, радиационно-охлаждаемая конечная часть сопла) ;

2)  охлаждение двигателя путем подачи воды (через сопло) и разбрызгивания ее на внутреннюю поверхность корпуса для повышения точности определения толщин теплозащитных и эрозионностойких материалов, оставшихся к концу горения заряда. В этом случае необходима последующая сушка двигателя;

3) восстановление давления в борокамере.

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..