Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 174
Скачиваний: 2
ристиками удобно включать в уравнение гидравлических маги стралей.
При разработке регуляторов (так же, как и других агрегатов Ж РД ) естественно стремление уменьшить их вес и габариты. Кроме того, для обеспечения эффективности работы регулято ров приходится создавать на их дросселирующих элементах перепад давления, измеряемый несколькими МПА. В силу этого в проточной части регулятора жидкость движется с большой скоростью, создавая значительные гидродинамические силы, действующие на подвижные части регулятора и сильно влияю щие на характеристики регулятора.
Кроме того, при перемещении подвижных частей регулятора одновременно приходит в движение жидкость, заполняющая проточную часть и импульсные трубки, создавая эффект при соединенной массы, который необходимо учитывать при выводе уравнений динамики регуляторов.
Благодаря отмеченным особенностям динамические характе ристики звеньев Ж РД отличаются от относительно «спокойных» кривых частотных характеристик типичных звеньев, рас сматриваемых в теории автоматического регулирования. В пер вую очередь это отличие связано с тем, что динамические ха рактеристики основных звеньев — газовых емкостей и гидрав лических магистралей — описываются уравнениями с запазды ваниями: Кривые их амплитудно-фазовых характеристик (АФХ) имеют петли, много максимумов и при увеличении частоты не стремятся к началу координат, т. е. не обладают свойствами фильтра для достаточно высоких частот, которыми обладают основные типичные звенья.
С указанными особенностями динамических характеристик звеньев связан ряд специфических свойств Ж РД как объекта регулирования. Во-первых, ЖРД, особенно с дожиганием, имеет широкую полосу пропускания частот. Затем из-за широкой по лосы пропускания частот и наличия звеньев с запаздываниями двигатель склонен к возникновению колебаний в различных кон
турах и с различными частотами. |
|
возможны в |
конту |
|||
Низкочастотные колебания (3—30 Гц) |
||||||
ре «двигатель — регулятор». Колебания более |
высоких |
частот |
||||
(150—300 Гц) |
могут быть |
связаны |
с рабочим |
процессом в га |
||
зогенераторе или в камере сгорания |
(см. § |
1.7), |
или в основном |
|||
энергетическом |
контуре |
«газогенератор — магистрали — ТНА» |
при наличии крутильных колебаний вала ТНА. Колебания более высоких частот в газовых емкостях связаны с акустикой этих элементов.
Введение в схему двигателя регуляторов приводит не только к потенциальной опасности возникновения низкочастотных ко лебаний, но и существенно изменяет характер динамических характеристик двигателя в диапазоне низких частот. Собствен но говоря, причина этих двух фактов одна и та же — резкое из
41
менение структурной схемы двигателя из-за разрыва регулято ром одних связей и введения других — новых.
Если в схеме двигателя имеется несколько регуляторов, то> в силу их взаимного влияния возможно изменение как эффектив ности, так и устойчивости работы (вместе с двигателем) каждо го из регуляторов.
Представляют интерес динамические характеристики двига теля как без регулятора, так и с регуляторами. Первые необхо димы для правильного выбора параметров регулятора двигате
ля, для анализа |
его устойчивости, вторые — как исходные дан |
|
ные для расчетов |
продольной |
устойчивости и анализа систем |
управления ракеты [43, 48]. |
широкой полосой пропускания |
|
В связи с отмеченной выше |
частот, свойственной ЖРД, необходимо оговориться, что урав нения динамики отдельных звеньев выводятся с рядом предпо ложений, которые ограничивают область их применимости по> диапазону частот.
Кроме отмеченной энергетической напряженности процессов, Ж РД обладает еще одним свойством, неприятным с точки зре ния создания элементов системы его регулирования: высокими абсолютными значениями основных параметров (давление « температура) и высокой химической активностью среды в про точных частях двигателя. Эти факторы заставляют из сообра жений надежности двигателя в ряде случаев отказываться от схем регулирования, в которых регуляторы поддерживают непо средственно основные параметры двигателя, и переходить к схе мам, .в которых регулирование ведется не по основным, а по ко свенным параметрам, что в свою очередь приводит к уменьше нию точности поддержания системой регулирования основных параметров.
Характеристики основных агрегатов двигателя имеют поло гий характер, и в составе двигателя нет элементов (кроме регу лятора), имеющих типичные нелинейности. Благодаря этому при решении большинства задач динамики двигателя можно> пользоваться более простыми линеаризованными уравнениями.
Исключение составляют некоторые типы регуляторов, в кото рых имеются элементы с типично нелинейными характеристика ми: гистерезисом, сухим трением, тупиковыми катарактами и т. д. Кроме того, линеаризованные уравнения непригодны для расчетов переходных процессов при глубоком регулировали» двигателя в случае изменения его параметров в широком диапа зоне (большем, например, чем на ±10% ).
1.6. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЖРД
Принципиальные или пневмогидравлические схемы (ПГС) для различных типов Ж РД (см. рис. 1.1—1.10) отражают связи между основными конструктивными элементами двигателя, осу
42
ществляемые с помощью жидкостных или газовых трактов. Про цессы в каждом из агрегатов, а также в трактах между ними описываются дифференциальными уравнениями, которые опре деляют связи между различными параметрами двигателя. Ко
личество параметров, необходимых для |
описания |
процессов |
в |
данном агрегате, зависит от сложности |
процессов, |
а иногда |
и |
от их изученности. |
|
|
|
Процессы в различных агрегатах двигателя связаны между собой, благодаря чему описывающие эти процессы обыкновен ные дифференциальные уравнения оказываются неоднородны ми, а для уравнений в частных производных неоднородными бу дут или граничные условия, или сами уравнения, или и то и дру гое одновременно.
Специфику связей между агрегатами или, что то же самое, между дифференциальными уравнениями, описывающими про цессы в этих агрегатах, хорошо отображает структурная схема двигателя. Структурная схема зависит от типа ПГС, но по свое му построению отличается от принципиальной схемы двигателя, так как в ней фигурируют не агрегаты, а динамические звенья двигателя. Кроме того, в структурной схеме, в отличие от ПГС, показаны не тракты, связывающие агрегаты, а связи между звеньями.
Если принципиальная схема Ж РД является однозначной для данного типа двигателя, то для этого же двигателя можно пред положить множество структурных схем в зависимости от спосо ба разбиения двигателя на звенья и выбранной системы пере менных, описывающих процессы в звеньях.
Агрегат или элемент агрегата с определенным процессом лю бой физической природы, описываемый одним уравнением или системой дифференциальных уравнений, называют д и н а м и ч е с к и м з в е н о м . В теории регулирования звенья классифици руются по типу дифференциального уравнения [12].
В зависимости от цели проводимого исследования или расче та изменяется необходимая подробность описания процессов, протекающих в элементах агрегатов. Например, при анализе ус тойчивости рабочего процесса в газогенераторе или камере сго рания Ж РД необходимо описать более или менее подробно эле менты рабочего процесса (распыл компонентов, их испарение, горение и т. д.), используя соответствующие дифференциальные уравнения. В то же время при расчетах продольной устойчиво сти ракеты вполне допустимо схематичное, упрощенное пред ставление математической модели рабочего процесса, благодаря чему число дифференциальных уравнений, описывающих процесс, уменьшается до двух.
Указанное обстоятельство является одной из основных при чин неоднозначности структурных схем объекта. В частности, для рассмотренного выше примера двухкомпонентного газогене ратора структурную схему можно представить двояким образом:
43
или разбить его на отдельные элементы (рис. 1.25, а) или пред ставить все эти элементы в виде единого динамического звена
(рис. 1.25, б).
Если подробно рассматривать процесс распыла и испарения топлива, пренебрегая в то же время объемом, занимаемым зо ной рабочего процесса, то головку газогенератора вместе с зо ной рабочего процесса целесообразно выделить в отдельный эле мент 1 (рис. 1.25, а). Аналогичное положение будет с сопловым аппаратом турбины, если рассматривать детали процесса, кото рые описываются отдельными дифференциальными уравнения-
Рітс. 1.25. Структурные схемы двухкомлонеитного газогенератора:
з —с разбиением на отдельные элементы: / —головка с зоной рабочего процесса; 2 — газовая емкость; 3 — сопловой аппарат турбины; б — газогенератор, как единое динами ческое звено; 6Г , G0 —расходы горючего и окислителя, GßX —расход продуктов сго
рания из зоны рабочего процесса; :Ггг, Ргг —температура и давление газа в емкости; Т С т -температура и расход газа через сопловой аппарат; 7’с — температура за соп ловым аппаратом
ми; например, распределенность отвода газа в сопле турбины по длине коллектора.
Иногда, наоборот, элементы нескольких агрегатов входят в одно динамическое звено, так как описываются одним уравнени ем. В частности, такое положение имеет место с гидравлически ми трактами двигателя. В состав гидравлического тракта как динамического звена удобно включить насосы ТНА (уравнения напорных характеристик). В то же время насосы (уравнение мощности) входят одновременно и в звено турбонасосного агре гата.
Таким образом, структурная схема отображает не' только принципиальную схему двигателя, но и те специфические осо бенности процессов в агрегатах двигателя, которые учитывают ся в математической модели двигателя как объекта регулирова ния.
Обычно структурные схемы рассматривали как чисто вспомо гательные построения, дающие наглядное представление о взаи модействии отдельных элементов двигателя и процессов в них при принятой математической модели двигателя.
В последнее время развилось новое направление теории ав томатического регулирования — теория граф, которая позволя ет с помощью 'Специальным образом построенных структурных, схем объекта проводить анализ особенностей его характеристик как объекта регулирования. Теория граф может найти примене ние и при анализе динамических особенностей ЖРД.
44
Ниже, при выводе уравнений динамики и при составлении структурных схем, в качестве переменных используются следу ющие параметры двигателя: давление и температура в газовых емкостях (газогенератор, камера сгорания, газовый тракт за тур биной), расходы компонентов по гидравлическим трактам двига теля, частота вращения турбонасосного агрегата, площадь про ходного сечения регулирующих органов,, давление на входе в насосы ТНА и давление в баках ракеты.
При рассмотрении отдельных элементов (газовые емкости, жидкостные тракты) как систем с распределенными нараметра-
Р'ію. 4.36. Структурная схема ЖРД с вытеснительной системой подачи п воздушным аккумулятором давления
ми число переменных увеличивается, так как оказываются неза висимыми параметры (давление, температура, расход) на входе
.и выходе элемента.
На рис. 1.26 представлена структурная схема двигателя, вы полненного по схеме с вытеснительной системой подачи и воз душным аккумулятором давления 8 (см. рис. 1.1). Давление рк в камере сгорания 1 зависит от расходов окислителя G03 и горю чего Gr3 в камеру, т. е. давление в камере сгорания рк является выходным параметром звена 1 — камеры сгорания, расходы Gоз и Gr3 — его входными параметрами. Аналогично для жидко стных магистралей окислителя 2 и горючего 3 входными пара метрами являются величины давления рб.о в баке окислителя 4 и Рб.г — в баке горючего 5 и, кроме того, давление в камере сго рания рк.
Следовательно, между жидкостными магистралями и каме рой сгорания существует как прямая связь, т. е. давление в каме ре сгорания зависит от расходов окислителя и горючего, так и обратная связь — расходы в свою очередь зависят от давления в камере сгорания. Такие же обратные связи имеются между жид костными магистралями и баками с компонентами: регулятор давления 7 охватывает обратной связью объект регулирова-
45
кия — баки с компонентами 4 и 5. Причем эта |
обратная связь |
|
всегда должна быть отрицательной (основной |
принцип |
регули |
рования), т. е. при увеличении регулируемого параметра |
(давле |
ния в баках) регулятор 7 вырабатывает сигнал обратного знака для исполнительного органа (дросселя) 6, т. е. сигнал на умень шение проходного сечения дросселирующего органа, что необхо димо для компенсаций изменения регулируемого параметра рв.
Согласно ПГС (см. рис. 1.1) и структурной схеме (см. рис. 1.26) двигателя с вытеснительной системой подачи давление
Рис. 1.27. Структурная схема двигателя с однокомпонентным
газогенератором:
/ —камера сгорания; 2 —магистраль окислителя; 3 — магистраль го рючего; 4 — турбонасосный агрегат; 5 — однокомпоиентиый газогенера тор; б — магистраль унитарного топлива
в двух баках (окислителя и горючего) поддерживается одним и тем же регулятором — воздушным редуктором. Возможны вари анты схемы с различными регуляторами давления в баках окис лителя и горючего (что важно с точки зрения надежности двига теля), а также с дополнительными регуляторами, поддерживаю щими, например, соотношение компонентов в камере сгорания. Вопрос о выборе оптимальной схемы регулирования решается путем анализа баллистических характеристик ©сего объекта
[см. ('1.4)].
На рис. 1.27 приведена структурная схема двигателя с тур бонасосной системой подачи, однокомпонентным газогенерато ром, топливом для которого служит третий компонент, подавае мый специальным насосом (см. рис. 1.4). Расходы окислителя Go3 и горючего Grз в камеру сгорания зависят как от давления рк в камере сгорания 1, так и от частоты вращения п ТНА. В свою очередь п зависит от давления ргг в однокомпонентно'М
46