Изменение давления в двигателе, барокамере и выхлопном диффузоре

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 /р 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 _а + _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_а 2).

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 _а р _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

---

Дата добавления: 2015-07-16