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

Наиболее распространенной является следующая классифи­ кация колебаний в Ж РД по диапазонам частот:

— 'низкочастотные общедвигательные колебания с частотой

/= 1—50 Гц;

—низкочастотные колебания в отдельных агрегатах или кон­

турах двигателя с частотой f= 50—300 Гц;

— высокочастотные акустические колебания в камере сгора­ ния или газогенераторе с частотой от 300 Гц и выше.

Общедвигательные низкочастотные колебания могут быть связаны с неустойчивостью системы «двигатель — регулятор», с ка-витационными явлениями в насосах или потерей устойчивости

вкоторых давление падает ниже давления насыщенного пара.

Внасосах Ж РД кавитация может при­

давления в тракте компонента, и именно в шнеке в первую оче­ редь появляется кавитация. Опыт создания шнекоцентробежных насосов показывает [63, 73], что в шнеках практически всегда имеется местная кавитация. В некоторых случаях в результате взаимодействия кавитационной каверны в шнеке со всем гидрав­ лическим трактом в системе возникают колебания, которые на­ звали кавитационными [63] *.

Возникновение кавитационных колебаний связано с тем, что объем кавитационной зоны (рис. 1.35) зависит от угла атаки а, под которым поток жидкости набегает на лопатку шнека. Вели­ чина кавитационной каверны определяет степень загромождения

* Первые исследованиякавитационных колебаний были проведены М. С. Натанзоном в начале шестидесятых годов.

57

ею пространства между лопатками и соответственно падение давления жидкости во входной части шнека. С другой стороны, угол атаки зависит от скорости жидкости, которая в свою оче­ редь зависит от давления. Указанная цепочка взаимодействия создает положительную обратную связь, приводящую к возник­ новению колебаний.

Сак и Нотейдж [73] предложили теоретическую модель раз­ вития кавитационных колебаний в шнеке центробежного насоса. Оста­ новимся на некоторых качествен­ ных выводах, полученных в этой ра­ боте.

Результаты экспериментов и тео­ ретических расчетов, приведенных в работе [73], показали, что амплиту-

0/1 0/Ь5 0,28 0,315 ЦЗ* 0,385рвх,МПа

да колебаний давления на входе в насос существенно зависит от уровня этого давления (рис. 1.36). При низком давлении колеба­ ния практически отсутствуют, по мере повышения давления на входе в насос амплитуда колебаний увеличивается, а затем, пройдя через максимум, начинает резко падать. Таким образом, существует некоторый диапазон величины давления на входе в насос, при котором в насосе возникают кавитационные коле­ бания.

58

Следует обратить внимание на то, что амплитуда колебаний давления на выходе из шнека больше, чем на входе в него. Это одна из характерных особенностей кавитационных колебаний [63]. Колебания большой амплитуды на входе в насос часто имеют типичную форму (рис. 1.37): острый пик давления вбли­ зи максимума и пологую, иногда почти горизонтальную, кривую изменения давления вблизи минимума.

Колебания возникают не в области явной кавитации, в кото­ рой напор насоса резко падает, а в области с некоторым кави-

тационным запасом, для которой напор, развиваемый насосом, практически не отличается от номинального (см. рис. 1.34). Ча­ стота колебаний по мере роста давления на входе в насос уве­ личивается [63] (рис. 1.38).

На устойчивость системы оказывает влияние инерционность столба жидкости на входе и выходе из_ насоса. Увеличение инерции столба жидкости во входном тракте и ее уменьшение в тракте на выходе из насоса стабилизирует систему. Учет сжи­ маемости жидкости во входном тракте несколько расширяет об­ ласть устойчивости.

С учетом указанных обстоятельств можно сделать вывод, что для проверки насоса или двигателя на кавитационные колеба­ ния входные трубопроводы должны быть по своим динамиче­ ским характеристикам близки к натурным (см. § 3.9). Проверка на устойчивость по отношению к кавитационным колебаниям

59

Корпус ракеты представляет из себя упругую систему, в ко­ торой могут возникнуть колебания из-за действия возмущений,

представлена кривая формы первого тона продольных колеба­ ний корпуса ракеты ß(%) *>.

Колебания корпуса ракеты приводят к возникновению коле­ баний жидкости в баках и трубах, которые вызывают появление периодической составляющей давления на днище бака и на вхо-

Рнс. 1.40. Блок-схема замкнутого динамического контура:

J — корпус ракеты; 2 —топливная магист­ раль; 3 — двигатель

ч-Рис. 4.39. Схема ракеты с ЖРД:

1 — камера сгораний двигателя; 2 — турбо­ насосный агрегат; 3 — корпус ракеты; 4 — сосредоточенная упругость (зона кавита­ ции в насосе); 5 — трубопровод; 6 —ниж- кий бак; 7 — верхний бак

де в двигатель. Колебания давления на входе в насос вызывают колебания тяги двигателя, возбуждающих, в свою очередь, колебания упругого корпуса ракеты. Динамический контур замкнулся (рис. 1.40), обнаруженная обратная связь может привести к потере устойчивости всей системы.

Определяющее влияние на устойчивость рассматриваемой системы оказывает собственная частота колебаний жидкости в топливных магистралях. Если собственная частота колебаний жидкости в одной из топливных магистралей совпадает с собст­ венной частотой колебаний корпуса, возникает явление резонан-

*> В американской литературе [69] из-за характерного вида кривой формы продольных колебаний корпуса все явление получило название POGO по ана­ логии с движением кнута, у которого колебания двух концов также происхо­ дят в противофазе.

61

са в топливоподающем тракте (рис. 1.41, кривая 2), амплитуда колебаний давления на входе в насос резко возрастает. Одно­ временно увеличиваются колебания тяги двигателя и, так как собственная частота колебаний корпуса совпадает , с частотой колебаний тяги двигателя, возникает резонанс продольных ко­ лебаний корпуса ракеты (рис. 1.41, кривая 1).

Совпадение значений собственных частот колебаний жидко­ сти в топливоподающем тракте и колебаний корпуса существен-

Ряс. 1.41. Типичные данные телеметрической информации при летных испы­ таниях ракеты «Сатурн V»:

/ — продольные ускорения в межбаковом отсеке; 2 — давление окислителя на входе в на* сос окислителя

но увеличивает эффективность обратной связи, обеспечивая значительное увеличение коэффициента усиления гидравличе­ ского тракта. Из-за резкого изменения фазы колебаний вблизи резонанса, фазовые соотношения, необходимые для потери си­ стемой устойчивости, практически всегда выполняются.

Результаты летных испытаний показывают [69], что при раз­ витии продольных колебаний корпуса амплитуда продольной перегрузки резко возрастает, что в некоторых случаях приводит

В связи с этим при создании новых ракет необходимо произво­ дить расчеты продольной устойчивости.

62

Потеря продольной устойчивости происходит в определенный период времени полета ракеты. По мере опорожнения баков ракеты собственная частота продольных колебаний корпуса уве­ личивается. Система обычно теряет устойчивость в момент совпадения собственной частоты жидкости в одном из трубо­ проводов с собственной частотой продольных колебаний кор­ пуса.

Собственная частота колебаний жидкости в топливоподаю­ щих трактах ракет как правило оказывается ниже, чем собствен­ ная частота акустических колебаний столба жидкости из-за по­ явления сосредоточенной упругости на выходе из трубы — ка­ витационной каверны на входе в насос [61, 69]. Таким образом, природа явлений, приводящих к кавитационным колебаниям и к снижению собственной частоты жидкости в топливоподающих трактах, оказывается одинаковой.

В рассмотренном выше автоколебательном контуре (см. рис. 1.40) определяющую роль играло совпадение собственных частот колебаний корпуса и жидкости в топливоподающем трак­ те. Возможен случай, когда ярко выраженную резонансную ха­

потеря устойчивости системой при совпадении собственной ча­ стоты корпуса е резонансной частотой двигателя.

Возможны и другие причины появления продольных колеба­ ний корпуса и связанных с ними колебаний в двигателе. В част­ ности, при первых полетах американской ракеты «Атлас» наблю­

летных испытаний показал, что колебания возникают вследст­ вие взаимодействия упругого корпуса и системы регулирования давления наддува бака окислителя.

При запуске ракеты возбуждаются продольные колебания корпуса ракеты, которые приводят к колебаниям объема и дав­ ления газовой подушки бака. На колебания давления в баке реагирует система регулирования наддува, и при малом объеме газовой подушки в начале полета возможно возникновение ав­ токолебаний. Естественно, что колебания давления в баке через топливоподающий тракт передаются в двигатель. Специфиче­ ской особенностью данного типа продольных колебаний корпуса является их возникновение сразу после старта ракеты и исчез­ новение через 10—20 с.

Для стабилизации ракеты по отношению к продольным ко­ лебаниям корпуса используются различные методы. Для обес­ печения устойчивости системы, в которой участвует регулятор наддува, необходимо изменить характеристики этого регулятора.

63