Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf

новятся более сложными. Кроме того, схемы управления с помо­ щью перепуока жидкости после насосов недостаточно эффектив­ ны и в то же время приводят к 'необходимости ощутимо увели­ чить мощность насосов. Схема с перепуском генераторного газа помимо турбины по эффективности не уступает другим схемам, однако при создании регулятора для горячего газа могут встре­ титься некоторые трудности.

Регулируемыми параметрами для Ж РД являются (см. § 1.4) тяга двигателя, соотношение компонентов в двигателе и иног­ д а — соотношение компонентов в газогенераторе. Как уже отме­ чалось, непосредственное, прямое регулирование всех указан­ ных параметров оказывается неосуществимым. Тягу двигателя и соотношение массовых расходов компонентов непосредственно измерить трудно, так как нет достаточно простых и легких дат­ чиков, пригодных для этой цели [55].

Достаточно строго тяга следует за изменением давления в камере сгорания. Однако при создании регуляторов давления в камере сгорания также встречаются Определенные трудности. В первую очередь эти трудности связаны с тем, что чувствитель­ ный элемент регулятора или датчик сообщается через импульс­ ную линию (трубку) с емкостью, в которой находится газ с тем­ пературой, существенно более высокой, чем температура плавле­ ния материалов импульсной трубки и самого чувствительного элемента. При незначительной негерметичностіі или при случай­ ном забросе в трубку горячего газа возможно разрушение труб­ ки или датчика.

Элемент возможной ненадежности узлов системы регулирова­ ния заставляет относиться к этой схеме с определенной насторо­ женностью и из-за этого выбирать менее точную, но более на­ дежную систему с регулированием тяги по другим косвенным параметрам: расходам компонентов в камеру сгорания или газо­ генератор, давлению компонента перед форсунками камеры сго­ рания и т. д. Следует также отметить, что при непосредственном регулировании давления в камере сгорания встречаются опреде­ ленные трудности с обеспечением устойчивости системы «двига­ тель— регулятор» (см. § 8.2).

Аналогичное положение имеет место также и при регулирова­ нии массового (весового) соотношения, компонентов, так как су­ ществующие датчики дают информацию [55] или об объемном расходе (вертушки), или о величине, средней между объемным

имассовым расходами (дроссельныерасходомеры).

Всхемах регулирования соотношения компонентов исполь­ зуют оба типа датчиков. При этом для камеры сгорания двига­ теля без дожигания (типа «жидкость — жидкость»), а также для двухкомпонентного газогенератора в качестве дроссельных рас­ ходомеров можно .использовать форсуночные головки камеры сгорания или газогенератора [17]. Если перепады давления на

форсунках окислителя и горючего одинаковы, то соотношение

52

компонентов 'сохраняется 'неизменным при поддержании равны­ ми величин давления перед форсунками окислителя и горючего.

Трубка Вентури является одним из возможных вариантов дроссельного расходомера, который удобно использовать в схе­ ме регулирования соотношения компонентов [55]. На трубках Вентури создается достаточно 'большой перепад давления, бла­ годаря которому можно обеспечить высокую точность измерения (а значит, и поддержания) расхода жидкости. В то же время трубка Вентури имеет диффузорную часть, в которой восстанав­ ливается давление, потерянное при ускорении жидкости «в сужа­ ющейся части трубки. Благодаря этому потери давления на труб­ ке Вентури составляют всего 5—10% от созданного ею перепада давления, в то время как на обычной измерительной шайбе теря­ ется до 60% от измеряемого перепада давления [55].

Приведенный выше краткий анализ показывает, что при выбо­ ре схемы системы регулирования Ж РД представляется широкий выбор регулируемых параметров. То же справедливо и в отно­ шении возможных способов внесения регулирующего воздейст­ вия: на двигателе любого типа регуляторы только на жидкост­ ных магистралях 'можно установить в трех или четырех местах. Если добавить возможные схемы с перепуоком или дросселиро­ ванием -генераторного газа, то число возможных мест установки регуляторов возрастет.

Для примера на рис. 1.32 приведена структурная схема с ука­ занием возможных мест установки регулятора режима работы двигателя с турбонасосной системой подачи, двухкомпонентным газогенератором без дожигания генераторного газа после тур­ бины (ем. рис. 1.7 и 1.28). Введение в схему двигателя дополни­ тельных управляющих воздействий — перепуска (FU,T) или дросселирования (Fт) газа и перепуска окислителя (Ді.о) и горю­ чего (Еп.г) после насоса на вход в насосы— потребовало введе­ ния в схему дополнительных элементов: трактов перепуска окис­ лителя 8, горючего 9 и генераторного газа 10. Соответственно появляется большое число дополнительных связей. Таким обра­ зом, в схеме данного двигателя имеется 8 возможных мест уста­ новки регулятора режима. Аналогичные схемы можно привести

идля двигателей других типов.

Сдругой стороны, как уже отмечалось, при схеме регулиро­ вания режима двигателя но косвенным параметрам число воз­ можных регулируемых параметров так же велико, как и число возможных мест установки регуляторов.

На рис. 1.33 для примера приведена структурная схема того же двигателя (см. рис. 1.28), на которой пунктиром показаны некоторые связи между возможными регулируемыми параметра­ ми и регулятором 8, установленном на магистрали окислителя газогенератора (воздействие изменением А0і). При этом в каче­ стве регулируемых указаны только параметры, принятые как ос­

новные в структурных схемах.

53

Количество возможных сочетаний мест установки регулято­ ра и регулируемых параметров очень івеллко. Естественно, что только часть из них может быть использована в схемах регулиро­ вания двигателей.

Параметры двигателя поддерживаются как ракетной систе­ мой управления, так и внутридвигательной системой регулирова­ ния, и для каждой из них необходимы органы управления на

Рис. -1.32. Структурная схема двигателя с двухкомпонентным газогенератором и дополнительными трактами перепуска жидких компонентов и генераторного газа:

1 — камера сгорания; 2 — магистраль окислителя в камеру сгорания; 3 — магистраль горючего в камеру сгорания; 4 —турбонасосный агрегат; 5 — двухкомпонентный газогенератор; 6 —магистраль окислителя в газогене­ ратор; 7 —магистраль горючего в газогенератор; S — магистраль перепус­ ка окислителя; 9 — магистраль перепуска горючего; 10 — магистраль пере­

пуска генераторного газа помимо турбины

трактах двигателя. Система управления ракетой может осуществ­ лять свое воздействие на двигатель или непосредственно, изме­ няя положение дросселирующего органа на одной из магистра­ лей двигателя, или через внутридвитательную систему регулиро­ вания, изменяя настройку соответствующего регулятора.

Основные регулируемые параметры двигателя (тягу и соот­ ношение компонентов) -могут поддерживать одновременно обе системы управления: и ракетная, и внутридвигательная. При

54

этом каждая из систем компенсирует только часть возмущений, приводящих к отклонению регулируемых параметров. Благодаря этому общая точность регулирования повышается, а нагрузка на каждую из систем оказывается меньшей. С этой точки зрения выгодно иметь два контура регулирования основных параметров

Рис. 1.33. Структурная схема двигателя с двухкомпонентным газогенератором, регулятором «а магистрали окислителя газо­ генератора и различными обратными связями:

/ — камера сгорания; 2 —магистраль окислителя в камеру сгорания; 3 — магистраль горючего в камеру сгорания; 4 —турбонасосный агрегат; 5 — газогенератор; 6 —магистраль окислителя в газогенератор; 7 — магистраль горючего в газогенератор; 8 — регулятор

Для выбора оптимальной схемы регулирования необходимо провести анализ точности и устойчивости рассматриваемых систем регулирования, оценить возможные потери в экономично­ сти и увеличение веса двигателя, связанные с системой регулиро­ вания '(см. § 1.4), т. е. рассмотреть целый комплекс подчас противоречивых требований, предъявляемых к системе 'регули­ рования.

Некоторые возможные схемы регулирования будут разобра­ ны в качестве примеров при рассмотрении вопросов устойчивости (§ 8.2) систем регулирования ЖРД.

1.7. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА В ЖРД

Одна из основных задач, которую необходимо решить в про­ цессе проектирования и доводки системы регулирования Ж Р Д ,— обеспечение устойчивой работы этой системы. Устой­

55

чивость контура «двигатель — регулятор» зависит от схемы си­ стемы регулирования и параметров регулятора, изменением ко­ торых можно устранить колебания в системе. К сожалению, система регулирования является не единственным и, вообще-то, не основным источником колебаний параметров двигателя.

Опыт доводки Ж РД показывает, что причины потери устойчи­ вости двигателя достаточно разнообразны. Поэтому в каждом конкретном случае важно установить (диагносцировать), какой агрегат или контур двигателя является основным источником ко­ лебаний. Дело в том, что благодаря отмеченному выше большо­ му числу связей между отдельными элементами двигателя коле­ бания в каком-нибудь одном из них распространяются на другие элементы и фиксируются там датчиками. В таких условиях диагностика первопричины возникновения колебаний часто весь­ ма затруднена.

Колебания различного происхождения и частоты являются одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций при работе ЖРД. Из-за колебаний параметров и связанных с ними вибрацпй элементов конструкции происходят поломки де­ талей агрегатов, обрыв трубопроводов, разрушение оболочек и т. д. Разрушения, как правило, возникают при совпадении соб­ ственных частот механических колебаний отдельных элементов конструкции с частотой пульсации параметров двигателя (т. е. при резонансе).

Если колебания и не вызывают разрушения двигателя, они могут явиться причиной ненормальной работы отдельных систем или агрегатов Ж РД и, в частности, — его системы регулирова­ ния, т. е. снижают надежность работы двигателя. Во всех случа­ ях необходимо принимать меры по ликвидации или снижению уровня амплитуд колебаний параметров двигателя, хотя это и требует больших затрат, удлиняет и удорожает этап доводки ЖРД.

Помощь в диагностике причин возникновения колебаний щ ЖРД могут оказать некоторые типичные признаки отдельных видов колебаний, приведен­ ные ниже. Следует отметить, что несмотря на большое значение для ракетной техники обеспечения устойчивой работы ЖРД, эта проблема далека от ре­ шения. Имеющиеся теоретические работы по устойчивости ЖРД в основном носят качественный характер. Причина такого положения кроется в недоста­ точной изученности сложных процессов в агрегатах двигателя (горения ком­ понентов в камере сгорания и газогенераторе, кавитации в насосах и т. д.).

Не вдаваясь ів подробности математического аппарата теории устойчивости процессов в элементах ЖРД, изложенной в ряде работ [7, 43, 46, 63 и др.], остановимся кратко только на качест­ венной картине причин возникновения колебаний, влиянии от­ дельных факторов на устойчивость и способах стабилизации системы. Для наглядности используем графики границ устойчи­ вости системы, взятые из указанных выше теоретических работ.

Колебания параметров Ж РД принято классифицировать или по частоте, или по их природе,

56