Способ определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания жрд с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении и установка для его осуществления

Изобретение относится к области испытательной техники, а более конкретно к области исследования границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельных камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) применительно к смесительным головкам с натурными двухкомпонентными форсунками, и может быть использовано при разработке и создании ЖРД. Определение границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания с натурной двухкомпонентной форсункой осуществляется при истечении из нее струй воздуха или инертных газов, обеспечивающих воспроизведение особенностей процесса смешения компонентов топлива при сохранении принципиального подхода к последовательности проведения способа как в прототипе. Для реализации способа предложена установка в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, содержащая основание в виде горизонтальной плиты, на которой вертикально установлена съемная модельная камера сгорания, выполненная в виде цилиндрической оболочки, и в которой закреплена натурная двухкомпонентная форсунка, соединенная с источниками подачи рабочих компонентов, и средства измерения температуры, давления и расхода рабочих компонентов, а также пульсаций давления в модельной камере сгорания, согласно изобретению оси модельной камеры сгорания и форсунки совпадают, при этом в полости модельной камеры сгорания напротив форсунки и осесимметрично с ней размещен с возможностью осевого перемещения газодинамический имитатор зоны горения - хонейкомб, выполненный в виде блока из плотно упакованных тонкостенных трубочек диаметром 2…3 мм, обеспечивающих его геометрическую проницаемость 0,71…0,77, длину которых выбирают из условия обеспечения отсутствия резонанса собственных частот поперечных тангенциальных колебаний в модельной камере сгорания с собственными частотами продольных колебаний в трубочках хонейкомба, а его диаметр - из условия обеспечения перекрытия нижним торцом его блока расширяющейся двухкомпонентной струи рабочих компонентов, при этом диаметр и длину модельной камеры сгорания выбирают из условия равенства собственных акустических частот в модельной камере сгорания и натурной камере сгорания, а в качестве рабочих компонентов используют воздух или инертные газы. Изобретение обеспечивает упрощение способа определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания с натурной двухкомпонентной форсункой и установки для его осуществления, а также в снижении трудоемкости и упрощении обслуживания и эксплуатации установки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области испытательной техники, а более конкретно к области исследования границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельных камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) применительно к смесительным головкам с натурными двухкомпонентными форсунками, и может быть использовано при разработке и создании ЖРД.

Основной проблемой при разработке и создании жидкостных ракетных двигателей является обеспечение высокочастотной устойчивости рабочего процесса в камерах сгорания к возбуждению высокочастотных колебаний давления на собственных акустических частотах камеры сгорания [1, стр.94]. Известно, что условия возбуждения колебаний на наиболее вероятной (опасной) низшей частоте поперечных колебаний определяются особенностями организации рабочего процесса форсунками смесительных головок, обеспечивающими распыл, турбулентное смешение и сгорание топлива. Поэтому решение проблемы выбора лучших конструктивных вариантов форсунок с целью обеспечения устойчивости рабочего процесса в камерах сгорания к возбуждению поперечных высокочастотных колебаний давления является актуальной задачей. Производить такой выбор по результатам стендовых испытаний натурных камер сгорания на натурных компонентах с использованием натурных смесительных головок является трудоемким, дорогостоящим и сложным процессом. Поэтому для снижения трудоемкости, затрат и упрощения оценки устойчивости рабочего процесса разрабатываемой (проектируемой) камеры сгорания должны проводиться огневые модельные испытания при низком (близком к атмосферному) давлении на полноразмерных или модельных камерах сгорания с одной натурной двухкомпонентной форсункой разных конструкций на натурных или модельных газообразных компонентах со значительно уменьшенными массовыми расходами [1, стр.95, 97]. После этого делается вывод о том, с какими форсунками разрабатываемая камера сгорания будет более устойчива к возбуждению поперечных высокочастотных колебаний давления. При определении границ устойчивости в модельных камерах сгорания в качестве модельного горючего используются такие газообразные компоненты топлива, как метан, пропан, аммиак, водород, парообразный керосин, а в качестве модельного окислителя - кислород, воздух, кислородно-воздушные смеси. Использование газообразных компонентов при моделировании неустойчивости горения вместо жидких компонентов объясняется тем, что в практике создания ЖРД преобладают двигатели с высоким уровнем внутрикамерного давления, а один компонент уже является газообразным (в камерах сгорания схемы «газ-жидкость»). При этом высокий уровень давления в камерах сгорания и высокий температурный уровень в зоне горения способствуют интенсивному протеканию процессов дробления, испарения и химического взаимодействия [2, стр.212]. Кроме того, жидкие компоненты топлива (в том числе и в камерах сгорания ЖРД схемы «жидкость-жидкость») подаются в камеру сгорания в условиях сверхкритических значений по давлению, а по температуре - близких к этим условиям. Известно, что при сверхкритических значениях давления и температуры жидкие компоненты по своим свойствам приближаются к свойствам плотного газа, поэтому процессы дробления, распыла, испарения не являются определяющими в общем комплексе физико-химических превращений топлива [2, стр.212]. Скорость протекания рабочего процесса в этом случае определяется и может моделироваться скоростью процессов перемешивания газовых потоков горючего и окислителя [1, стр.96].

Известен способ определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, включающий подачу к форсунке рабочих компонентов с объемными расходами, включая и заданные натурные объемные расходы, причем расход рабочего компонента по линии горючего в заданном диапазоне изменяют ступенчато, при этом на каждой ступеньке расход рабочего компонента по линии подачи окислителя изменяют от значения, соответствующего работе модельной камеры сгорания на устойчивом режиме, до значений, соответствующих диапазону границ устойчивости, при которых наступает режим самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления, после чего расход рабочего компонента по линии окислителя уменьшают до прекращения колебаний с регистрацией на всех режимах расходов компонентов, а также частоты и амплитуды автоколебаний, при этом границы устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления определяют по совокупности значений расходов рабочего компонента по линии окислителя на тех расходах рабочего компонента по линии горючего, при которых зафиксированы режимы самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления [1, стр.98, 100].

Известна установка для определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, содержащая основание в виде горизонтальной плиты, на которой вертикально установлена съемная модельная камера сгорания, выполненная в виде цилиндрической оболочки, и в которой закреплена натурная двухкомпонентная форсунка, соединенная с источниками подачи рабочих компонентов, и средства измерения температуры, давления и расхода рабочих компонентов, а также пульсаций давления в модельной камере сгорания [1, стр.100].

На фиг.1 изображена схема установки для определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой, работающей на газообразных компонентах топлива при атмосферном давлении в модельной камере сгорания, а на фиг.2 представлен график положения границы области неустойчивости, полученный на модельной камере сгорания с одним вариантом двухкомпонентной форсунки, в координатах: U_o - скорость истечения окислителя из форсунки, U_г - скорость истечения горючего, где:

о - устойчивый режим работы камеры сгорания (без автоколебаний);

• - режим возбуждения автоколебаний (режимы на границе устойчивости).

Рядом с экспериментальными точками проставлены порядковые номера зарегистрированных режимов.

Установка содержит модельную камеру сгорания ЖРД, которая представляет собой охлаждаемый водой цилиндр 1 с открытыми торцами, установленный вертикально и с возможностью перемещения на горизонтальной металлической охлаждаемой плите 2, в которой выполнено отверстие, в котором закреплена натурная двухкомпонентная форсунка 3. Диаметр и длина модельной камеры сгорания 1 выбираются из условия обеспечения в ней натурных значений собственных акустических частот поперечных и продольных колебаний [1, стр.97]. Подвод компонентов топлива - горючего и окислителя (газообразные метан и кислород) к форсунке 3 осуществляется соответственно по трубопроводам 4 и 5, на которых установлены расходомеры 6. Расходы компонентов топлива регулируются дроссельными вентилями 7. Регистрация пульсаций давления в модельной камере сгорания 1 осуществляется пьезоэлектрическим датчиком пульсаций 8, выход из которого через широкополосный усилитель 9 соединен с персональным компьютером (ПК) 10. Модельная камера сгорания 1 сдвигается на плите 2 относительно форсунки 3 таким образом, что стенка камеры сгорания 1 располагается рядом с форсункой 3, как изображено на фиг.1. Это связано с тем, что пучность давления для наиболее вероятных низших поперечных мод тангенциальных колебаний находится вблизи цилиндрической стенки камеры сгорания, поэтому исследуемую форсунку в модельной камере сгорания располагают вблизи стенки камеры сгорания для реализации максимальной амплитуды автоколебаний при возбуждении неустойчивости.

До начала определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям на модельной установке с двухкомпонентной натурной форсункой при снятой с плиты 2 модельной камеры сгорания 1 создают «дежурный» факел путем подачи сначала минимального расхода горючего к форсунке 3 с последующим его поджигом и затем подачи минимального расхода окислителя для поддержания факела на двух компонентах. Затем устанавливают цилиндр 1 на плиту 2 так, как это описано выше (см. фиг.1).

Определение границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления на модельной установке с двухкомпонентной натурной форсункой осуществляется следующим образом.

Устанавливают заданный расход горючего к форсунке 3, соответствующий минимальному значению заданного диапазона расходов горючего. После этого увеличивают расход окислителя до момента самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления и производят регистрацию статических и динамических параметров на этих амплитудах. Затем снижают расход окислителя до момента прекращения колебаний давления с регистрацией в этот момент статических и динамических параметров. После этого снижают расход окислителя до исходного значения. Затем устанавливают второе значение расхода горючего из заданного диапазона значений его расходов, после чего увеличивают расход окислителя до момента самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления с регистрацией статических и динамических параметров на этих режимах. Повторяют эти операции для всех расходов горючего, включая максимальный и минимальный.

Такие же операции проводят на этой же модельной камере сгорания 1 с натурными двухкомпонентными форсунками 3 других конструкций. По результатам проведенных исследований получают зависимости положений границ областей устойчивости для модельных камер сгорания с разными вариантами конструкций двухкомпонентных натурных форсунок. Для каждого варианта форсунки строят график положения границы области неустойчивости в координатах: скорость истечения окислителя - скорость истечения горючего (см. фиг.2). Затем на каждый график наносят рабочую точку А номинального натурного режима, параметры которого известны. Далее по графику положения границы области неустойчивости определяют для каждого варианта форсунки запас устойчивости по минимальной удаленности параметрического показателя запаса устойчивости рабочей точки А номинального режима от границы устойчивости. Параметрический показатель запаса устойчивости вычисляют по формуле:

где ΔU₀, ΔU_Г - разность между скоростями истечения окислителя и горючего на границе устойчивости (U_O,ГР, U_Г,ГР) и номинальными значениями этих скоростей (U_O,A, U_Г,A). Лучшим вариантом форсунки является тот, у которого величина является максимальной. Поскольку, параметрами, определяющими устойчивость, являются не массовые расходы компонентов топлива, а скорости их истечения, изменяющиеся за счет изменения объемных расходов, то последние выбираются для моделируемого номинального режима, равными натурным объемным расходам в расчете на одну форсунку.

Недостатком известного способа является то, что на практике предварительно точно рассчитать акустические параметры модельной камеры сгорания 1 с учетом известных характеристик натурной камеры сгорания невозможно. Это связано с тем, что за счет подсасывания в модельную камеру сгорания 1 окружающего воздуха через ее открытый выходной торец невозможно точно рассчитать эффективную скорость звука в камере сгорания 1 и, следовательно, частоту собственных акустических колебаний. К тому же с увеличением суммарного расхода компонентов в камеру сгорания 1 также несколько изменяется скорость звука и собственная акустическая частота камеры сгорания. Все это затрудняет точный выбор геометрии модельной камеры сгорания 1, в связи с чем приходится изготавливать вместо одной охлаждаемой модельной камеры сгорания несколько дополнительных камер с близкими частотами. Это увеличивает затраты и трудоемкость изготовления модельных камер сгорания и увеличивает трудоемкость определения их границ устойчивости за счет проведения исследования областей неустойчивости в дополнительных модельных камерах сгорания.

Кроме того, при реализации известного способа для создания факела используются натурные газообразные компоненты топлива, вступающие в химическое взаимодействие. Как следствие, это приводит к необходимости использования воды охлаждения для защиты от перегрева стенок модельной камеры сгорания 1, поверхности плиты 2 и коллекторов подачи компонентов к форсунке 3, что требует создания системы хранения и подачи воды охлаждения. В целом это усложняет установку для реализации способа, т.к. требует создание специального стенда, снабженного индивидуальными системами хранения и подачи натурных газообразных компонентов топлива, а также системой пожаротушения, которые необходимы для работы установки по определению границ устойчивости. К таким системам предъявляются специальные требования по обеспечению техники безопасности и охраны труда. Это, в свою очередь, приводит к усложнению обслуживания и эксплуатации установки, а также к повышению трудоемкости и дополнительным материальным затратам.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении способа определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания с натурной двухкомпонентной форсункой и установки для его осуществления, а также в снижении трудоемкости и упрощении обслуживания и эксплуатации установки.

Это достигается тем, что в известном способе определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, включающий подачу к форсунке рабочих компонентов с объемными расходами, включая и заданные натурные объемные расходы, причем расход рабочего компонента по линии горючего в заданном диапазоне изменяют ступенчато, при этом на каждой ступеньке расход рабочего компонента по линии подачи окислителя изменяют от значения, соответствующего работе модельной камеры сгорания на устойчивом режиме, до значений, соответствующих диапазону границ устойчивости, при которых наступает режим самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления, после чего расход рабочего компонента по линии окислителя уменьшают до прекращения колебаний с регистрацией на всех режимах расходов компонентов, а также частоты и амплитуды автоколебаний, при этом границы устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления определяют по совокупности значений расходов рабочего компонента по линии окислителя на тех расходах рабочего компонента по линии горючего, при которых зафиксированы режимы самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления, согласно изобретению в качестве рабочих компонентов используют воздух или инертные газы, при этом перед настройкой расхода рабочего компонента по линии горючего на каждой ступеньке осесимметрично напротив форсунки размещают газодинамический имитатор зоны горения - хонейкомб на расстоянии L_нач от торца форсунки, равном длине начального участка зоны горения на натурных компонентах при объемном расходе натурного горючего, равном объемному расходу рабочего компонента по линии горючего на этой ступеньке.

При этом расстояние L_нач от торца форсунки до хонейкомба предварительно определяют путем продувок исследуемой двухкомпонентной форсунки воздухом или инертными газами на заданных режимах по расходам, имитирующим расходы натурных компонентов с одновременным измерением распределения динамического давления по оси струи, истекающей из форсунки, а величину L_нач определяют по моменту начала снижения динамического напора струи от его установившегося значения. Это достигается тем, что в известной установке для определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, содержащей основание в виде горизонтальной плиты, на которой вертикально установлена съемная модельная камера сгорания, выполненная в виде цилиндрической оболочки, и в которой закреплена натурная двухкомпонентная форсунка, соединенная с источниками подачи рабочих компонентов, и средства измерения температуры, давления и расхода рабочих компонентов, а также пульсаций давления в модельной камере сгорания, согласно изобретению оси модельной камеры и форсунки совпадают, при этом в полости модельной камеры сгорания напротив форсунки и осесимметрично с ней размещен с возможностью осевого перемещения газодинамический имитатор зоны горения - хонейкомб, выполненный в виде блока из плотно упакованных тонкостенных трубочек диаметром 2…3 мм, обеспечивающих его геометрическую проницаемость 0,71…0,77, длину которых выбирают из условия обеспечения отсутствия резонанса собственных частот поперечных тангенциальных колебаний в модельной камере сгорания с собственными частотами продольных колебаний в трубочках хонейкомба, а его диаметр - из условия обеспечения перекрытия нижним торцом его блока расширяющейся двухкомпонентной струи рабочих компонентов, выходящей из двухкомпонентной форсунки, на расстоянии L_нач от ее торца, при этом диаметр и длину модельной камеры сгорания выбирают из условия равенства собственных акустических частот в модельной камере сгорания и натурной камере сгорания, а в качестве рабочих компонентов используют воздух или инертные газы. При этом плита и модельная камера сгорания выполнены неохлаждаемыми.

Сущность изобретения заключается в следующем: определение границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания с натурной двухкомпонентной форсункой осуществляется при истечении из нее струй воздуха или инертных газов, обеспечивающих воспроизведение особенностей процесса смешения компонентов топлива при сохранении принципиального подхода к последовательности проведения способа как в прототипе. Для реализации способа определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой во внутреннюю полость модельной камеры сгорания вводят на определенном расстоянии от форсунки - хонейкомб (выравнивающую решетку), который для смешиваемых струй воздуха или инертных газов, истекающих из форсунки, выполняет роль усилителя колебаний давления в зоне смешения, практически совпадающей с зоной горения для факела в прототипе. Истекающие из отверстий форсунок струи компонентов топлива в модельной камере сгорания прототипа взаимодействуют с зоной горения, представляющей для них в определенном смысле препятствие. Поэтому при разработке способа и установки для определения границ устойчивости в условиях без горения был использован известный эффект возбуждения звука при натекании струи на препятствие [7, стр.44]. В качестве препятствия, устанавливаемого на пути распространения истекающего из форсунки потока, был выбран хонейкомб (выравнивающая решетка).

Неустойчивость горения отождествляют с автоколебательным процессом, а камеру сгорания в этом случае отождествляют с потенциально автоколебательной системой. В автоколебательной системе можно выделить собственно камеру сгорания, источники энергии и механизм, подводящий энергию к колебательной системе [4, стр.75]. Применительно к камере сгорания ЖРД колебательной системой является газ, заключенный в полости камеры. Источником энергии для развития и поддержания колебаний при отсутствии горения является только кинетическая энергия движущегося потока газа. Обратная связь, ответственная за подвод энергии к колебательной системе в условиях без горения, замыкается через поперечную акустическую скорость на кромках форсунок: например, поперечные пульсации скорости вызывают периодический срыв вихрей с кромок форсунки, что в конечном итоге приводит к возбуждению автоколебаний.

Истекающие из отверстий форсунок струи в модельной камере сгорания прототипа взаимодействуют с зоной горения, представляющей для них в определенном смысле препятствие, поэтому при разработке способа и установки для определения границ устойчивости в условиях без горения ориентация была сделана на использовании известного [3, стр.44] эффекта возбуждения звука при натекании струи на препятствие. В качестве препятствия, устанавливаемого на пути распространения истекающего потока из форсунки в заявленном изобретении, был выбран хонейкомб (выравнивающая решетка).

На фиг.3 изображена схема установки для определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания с двухкомпонентной натурной форсункой при атмосферном давлении и с газодинамическим имитатором зоны горения - хонейкомбом.

Установка содержит основание в виде неохлаждаемой плиты 11, на которой вертикально установлена съемная модельная камера сгорания 12, выполненная в виде неохлаждаемого цилиндра, открытого с обеих сторон. При этом диаметр и длину модельной камеры сгорания 12 выбирают из условия равенства собственных акустических частот в модельной и натурной камерах сгорания. В неохлаждаемой плите 11 закреплена натурная двухкомпонентная форсунка 13. Модельная камера сгорания 12 устанавливается на плите соосно с форсункой 13. Кроме того, на плите 11 установлена конструкция, представляющая собой закрепленное на стойках 14 опорное кольцо 15, на котором размещена балка 16 с отверстием, в котором установлена штанга 17 с рамкой, на конце которой закреплен газодинамический имитатор зоны горения в виде хонейкомба 18 (выравнивающей решетки). Хонейкомб 18 выполнен в виде блока из плотно упакованных тонкостенных трубочек, имеющих, в частности, толщину δ=0,1 мм, длину 10…15 мм и внутренний диаметр 2…3 мм, обеспечивающих его геометрическую проницаемость 0,71…0,77 (см. фиг.3). При этом штанга 17 установлена с возможностью осевого перемещения хонейкомба 18 относительно выходного торца форсунки 13 и с последующей фиксацией его на балке 16 на заданном расстоянии L_нач от торца форсунки 13. В стенке цилиндра 12 закреплен датчик 19 для измерения пульсаций давления в модельной камере сгорания 12, соединенный с системой регистрации пульсаций давления через усилитель сигнала 20 с выводом на дисплей компьютера 21 изображения суммарного сигнала и его спектра для визуального контроля. Установка также содержит расходомеры расходов газа по линиям окислителя и горючего 22 и 23 к форсунке 13, а также средства измерения их давления и температуры (на чертеже условно не показаны). Форсунка 13 соединена через дроссельные вентили 24 и 25 трубопроводами 26 и 27 с источниками подачи рабочих компонентов, в качестве которых используется воздух или инертные газы.

Диаметр хонейкомба выбирают из условия обеспечения перекрытия нижним торцом его блока расширяющейся струи воздуха, выходящей из двухкомпонентной форсунки, на расстоянии L_нач от ее форсунки. Известно, что угол раскрытия α круглой осесимметричной струи диаметром d при обычной начальной турбулентности может изменяться в пределах α=15…22° [5, стр.144], т.е. в среднем составляет α_средн≈17°. С учетом вышеизложенного и ранее определенного значения L_нач рассчитывают диаметр хонейкомба.

Геометрическая проницаемость µ хонейкомба 18, равная отношению суммарной проходной площади отверстий трубочек хонейкомба 18 к общей его площади, выбирается таким образом, чтобы имела место имитация так называемого «теплового» сопротивления ξ_теп зоны горения, которое присутствует в горящем факеле вследствие уменьшения плотности и ускорения потока исходных компонентов топлива при прохождении их через зону горения. В соответствии с работой [5, стр.142, рис.13.6, фиг.5] ξ_теп=1,7…2,0. В частности, для оценки суммарного гидродинамического сопротивления форсунок обычно принимают ξ=1/µ². В соответствии с этой зависимостью получаем следующие значения геометрической проницаемости µ=0,71…0,77 хонейкомба 18, которая обеспечивается выбором внутреннего диаметра трубочек из диапазона 2…3 мм.

Длину трубочек ℓ_ТР хонейкомба 18 выбирают из условия обеспечения отсутствия резонанса собственных частот поперечных тангенциальных колебаний f_k в модельной камере сгорания 12 с собственными частотами продольных колебаний в трубочках хонейкомба 18 f_TP, т.е., чтобы f_тр>>f_K. Наиболее часто встречающиеся частоты поперечных колебаний в натурных камерах сгорания составляют f_K=1500…2000 Гц, а собственные частоты продольных колебаний в открытых с двух концов трубочках хонейкомба 18 в модельной камере сгорания без горения составят:

В частности, при ℓ_ТР=10…15 мм, f_ТР=17000…15000 Гц, что в ~8…10 раз превышает f_К.

До начала определения границ устойчивости в модельной камере сгорания определяют длину начального участка зоны смешения L_нач, сформированной истекающими из форсунки 13 струями воздуха. Эта длина L_нач соответствует длине начального участка зоны горения на натурных компонентах, и на которой должен размещаться хонейкомб 18. Для этого (при снятых с плиты 11 модельной камере сгорания 12 и хонейкомбе 18) напротив выходного сечения форсунки 13 по ее оси устанавливают зонд (на чертеже не показан), приемником обращенный навстречу потоку из форсунки 13. Причем зонд соединен с U-образным водяным манометром и предназначен для измерения распределения динамического давления по оси струи воздуха. В соответствии с техническим заданием для каждого разрабатываемого ЖРД для определения границ его устойчивости конструктор задает номинальные значения параметров, в том числе, давления в камере сгорания (Р_н) и коэффициента избытка окислителя (α_н), а также эти параметры с отклонениями, например: 1,15Р_н и 1,15α_н, 1,15Р_н и 0,85α_н, 0,85Р_н и 1,15α_н, 0,85Р_н и 0,85α_н (указываются в эскизном проекте на проектируемый ЖРД). По значениям указанных параметров для натурных компонентов рассчитывают заданные массовые расходы воздуха для заявляемой установки, соответствующие, в частности, объемным расходам натурных компонентов для воспроизведения их на модельных режимах, на которых и определяют длину начального участка зоны смешения L_нач, сформированной истекающими из форсунки 13 струями воздуха. С помощью вентилей 24 и 25 в форсунку 13 по линиям окислителя и горючего подают воздух с модельными расходами, обеспечивающие имитацию одного из режимов, например, с Р_н и α_н. При установленных постоянных расходах воздуха через форсунку производят ступенчатое перемещение приемника зонда вертикально вверх (по потоку) вдоль оси форсунки с измерением на каждой ступеньке локальных значений ее динамического напора. При этом фиксируется расстояние от устья струи до сечения, с которого начинается заметное (~5%) снижение динамического напора струи от его установившегося значения. Это расстояние в соответствии с известными экспериментальными данными [1, рис.14-4 на стр.144] принимается в качестве длины начального участка струи L_нач эквивалентной длине начального участка зоны горения L_зг на заданном режиме продувки, главным образом ответственным за усиление колебаний [1, стр.98], при этом концу начального участка, по экспериментальным данным заявителя, соответствует очень небольшая область, в которой достигается максимальная скорость сгорания. Поэтому для имитации максимального усиления колебаний зоной горения хонейкомб устанавливается на удалении от торца форсунки, равном длине начального участка зоны горения L_нач. После достижения этого расстояния подачу воздуха в форсунку 13 прекращают. Эти операции повторяют для остальных рассчитанных значений модельных расходов воздуха. По полученным значениям L_нач определяют осредненное значение L_нач.ср, которое и используют для определения границ устойчивости. Затем система измерений динамического давления демонтируется, и после этого приступают к определению границ устойчивости - границ самовозбуждения автоколебаний в модельной камере сгорания.

Для этого собирают установку в составе, как показано на фиг.3, при этом модельную камеру сгорания 12 устанавливают на плите 11 таким образом, чтобы выходное сечение форсунки 13 располагалось в центре камеры сгорания 12, а хонейкомб 18 устанавливают осесимметрично от торца форсунки 13 на расстоянии L_нач.ср. Это расстояние будет соответствовать осредненной длине начального участка зоны горения. Наличие в «холодной» модельной камере сгорания 12 хонейкомба 18, как усилителя колебаний, позволяет в известной мере компенсировать снижение колебательной энергии по сравнению с энергией, генерируемой зоной горения в прототипе, из-за отсутствия в заявляемой установке процесса горения. Затем производят настройку систем регистрации и визуального контроля статических параметров (давлений, температур) и пульсаций давления на персональном компьютере.

Устанавливают заданный модельный расход воздуха по линии горючего 27 к форсунке 13, соответствующий минимальному значению заданного диапазона расходов горючего. После этого к форсунке 13 подают воздух по линии окислителя 26 и увеличивают его расход до момента самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления и производят регистрацию статических и динамических параметров на этих амплитудах. По мере форсирования расхода воздуха по линии окислителя 26 регистрируют и промежуточные устойчивые режимы, а также более высокие по расходу воздуха по линии окислителя 26 режимы возбуждения автоколебаний в области неустойчивости. Затем снижают расход воздуха по линии окислителя 26 до момента прекращения колебаний давления с регистрацией в этот период тех же статических и динамических параметров. После этого снижают расход воздуха по линии окислителя 26 до исходного значения. Затем устанавливают второе значение расхода воздуха по линии горючего 27 из заданного диапазона значений расхода, после чего увеличивают расход воздуха по линии окислителя 26 до момента самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления с регистрацией статических и динамических параметров на этих режимах. Повторяют эти операции для всех заданных расходов воздуха по линии горючего 27, включая максимальный. При регистрации статических и динамических параметров на каждом режиме производится запись давления и температуры в линиях подачи воздуха 26 и 27. Пульсации давления на всех указанных режимах регистрируются в память персонального компьютера 21 для последующей обработки спектров с определением таких показателей устойчивости как амплитуда пульсаций давления А и декремент колебаний δТ на присутствующих в спектрах интересующих частотах собственных акустических колебаний в модельной камере сгорания 12.

Такие же операции проводят на этой же модельной камере сгорания 12 с двухкомпонентными натурными форсунками 13 других вариантов конструкций. Совокупность модельных расходов воздуха по линии окислителя 26 с возбуждением колебаний при различных значениях модельного расхода воздуха по линии горючего 27 определяет положение границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания 12.

По результатам проведенных исследований получают зависимости положений границ устойчивости для модельной камеры сгорания 12 от конструктивных параметров исследованных двухкомпонентных натурных форсунок 13, строят графики областей неустойчивости в координатах скоростей истечения продувочного газа по линиям подачи окислителя 26 и горючего 27. Затем, применительно к заданной (разрабатываемой) натурной камере сгорания, основные параметры которой известны, по графику положений границ областей неустойчивости, определяют запас ее устойчивости для каждого исследованного варианта форсунки 13 в виде минимальной удаленности номинального режима от границ областей неустойчивости. Лучшим по устойчивости считается тот вариант форсунки, для которого запас устойчивости получен максимальным (определение запаса устойчивости проводится так же как для прототипа).

Применение предложенного изобретения позволит существенно упростить способ определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении за счет использования в качестве рабочих компонентов воздуха или инертных газов, а в качестве газодинамического имитатора зоны горения - хонейкомба, который для смешиваемых струй воздуха или инертных газов, истекающих из форсунки, выполняет роль усилителя колебаний давления в зоне смешения, практически совпадающей с зоной горения для факела в прототипе. Вследствие исключения из установки систем подачи газообразных натурных компонентов топлива, систем пожаротушения и подачи охлаждающей воды уменьшается трудоемкость реализации способа и упрощается установка, а также ее обслуживание и эксплуатация. Кроме того, вследствие использования в качестве рабочих компонентов воздуха или инертных газов исключается необходимость изготовления дополнительных типоразмеров модельных камер, поскольку из-за отсутствия неконтролируемого подсоса воздуха в модельную камеру, который имел место в прототипе, обеспечивается точное определение значений собственных акустических частот модельной камеры, равных собственным акустическим частотам в натурной камере сгорания.

Кроме того, при использовании предложенного изобретения существенно упрощается проведение специальных измерений, например, измерений параметров акустического поля во внутрикамерном объеме с целью идентификации формы возбуждающихся автоколебаний.

Источники информации

1. Шибанов А.А., Агарков А.Ф., Нарижный А.А. Оптимизация по высокочастотной устойчивости горения конструктивных параметров форсунок для камер ЖРД методами огневого моделирования, Общероссийский научно-технический журнал «Полет», стр.94-101, 2009.

2. Натанзон М.С. Неустойчивость горения, М., Машиностроение, 1986.

3. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. Том 20, М., 1986.

4. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение, М.: Физматиздат, 1961.

5. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы, Госэнергоиздат, М., Л., 1959.

1. Способ определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, включающий подачу к форсунке рабочих компонентов с объемными расходами, включая и заданные натурные объемные расходы, причем расход рабочего компонента по линии горючего в заданном диапазоне изменяют ступенчато, при этом на каждой ступеньке расход рабочего компонента по линии подачи окислителя изменяют от значения, соответствующего работе модельной камеры сгорания на устойчивом режиме, до значений, соответствующих диапазону границ устойчивости, при которых наступает режим самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления, после чего расход рабочего компонента по линии окислителя уменьшают до прекращения колебаний с регистрацией на всех режимах расходов компонентов, а также частоты и амплитуды автоколебаний, при этом границы устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления определяют по совокупности значений расходов рабочего компонента по линии окислителя на тех расходах рабочего компонента по линии горючего, при которых зафиксированы режимы самовозбуждения поперечных высокочастотных колебаний давления, отличающийся тем, что в качестве рабочих компонентов используют воздух или инертные газы, при этом перед настройкой расхода рабочего компонента по линии горючего на каждой ступеньке осесимметрично напротив форсунки размещают газодинамический имитатор зоны горения - хонейкомб на расстоянии L_нач от торца форсунки, равном длине начального участка зоны горения на натурных компонентах при объемном расходе натурного горючего, равном объемному расходу рабочего компонента по линии горючего на этой ступеньке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние L_нач от торца форсунки до хонейкомба предварительно определяют путем продувок исследуемой двухкомпонентной форсунки воздухом или инертными газами на заданных режимах по расходам, имитирующим расходы натурных компонентов с одновременным измерением распределения динамического давления по оси струи, истекающей из форсунки, а величину L_нач определяют по моменту начала снижения динамического напора струи от его установившегося значения.

3. Установка для определения границ устойчивости к поперечным высокочастотным колебаниям давления в модельной камере сгорания ЖРД с натурной двухкомпонентной форсункой при атмосферном давлении, содержащая основание в виде горизонтальной плиты, на которой вертикально установлена съемная модельная камера сгорания, выполненная в виде цилиндрической оболочки, и в которой закреплена натурная двухкомпонентная форсунка, соединенная с источниками подачи рабочих компонентов, и средства измерения температуры, давления и расхода рабочих компонентов, а также пульсаций давления в модельной камере сгорания, отличающаяся тем, что оси модельной камеры сгорания и форсунки совпадают, при этом в полости модельной камеры сгорания напротив форсунки и осесимметрично с ней размещен с возможностью осевого перемещения газодинамический имитатор зоны горения - хонейкомб, выполненный в виде блока из плотно упакованных тонкостенных трубочек диаметром 2…3 мм, обеспечивающих его геометрическую проницаемость 0,71…0,77, длину которых выбирают из условия обеспечения отсутствия резонанса собственных частот поперечных тангенциальных колебаний в модельной камере сгорания с собственными частотами продольных колебаний в трубочках хонейкомба, а его диаметр - из условия обеспечения перекрытия нижним торцом его блока расширяющейся двухкомпонентной струи рабочих компонентов, при этом диаметр и длину модельной камеры сгорания выбирают из условия равенства собственных акустических частот в модельной камере сгорания и натурной камере сгорания, а в качестве рабочих компонентов используют воздух или инертные газы.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что плита и модельная камера сгорания выполнены неохлаждаемыми.