Анализ зависимости удельного импульса тяги двигателя рд0124 от времени испытания

Анализ полученных при огневых испытаниях (ОИ) значений удельного импульса (I_уп,) по режимам показывает, что имеется повышение расчетного значения I_уп, пропорционально отработанному времени.

Например, при проведении длительных ОИ № 1 двигателей только на номинальном режиме удельный импульс возрастал на 3,922 м/с (0,4 с) через каждые 100 с, и к концу испытания (к 450 с) увеличение составляло 9,8 м/с (1,0 с) по отношению к первому номинальному режиму. Такое несоответствие потребовало выяснения причин его возникновения.

Анализу были подвергнуты возможные изменения с течением времени испытания параметров, влияющих на экономичность (I_уп,):

- давления газов в камере сгорания - Р_к.;

- площади критического сечения камеры - f_кр.;

- суммарного расхода компонентов топлива - m_∑.

При ОИ расходы компонентов топлива по линиям горючего и окислителя четырехкамерного двигателя измеряются на входе в двигатель высокоточными средствами измерений и приводятся по входным температурам. Так как разница в соотношениях компонентов К_m на первом номинальном и последующих режимах незначительная (до 0,3 %), изменение расходов компонентов не может являться причиной возрастания I_уп.

Изменений геометрических размеров минимального (критического) сечения камеры не происходит. Разницы между средними значениями диаметров минимального сечения КС, измеренных про изготовлении и после ОИ, не выявлено (контроль проводится в соответствии с требованиями КД на двигатель).

При огневых испытаниях двигателя РД0124 давления в камерах сгорания не измеряются, а определяются с использованием измерений при ОИ давлений горючего до форсунок камер – ДГФК1 - ДГФК4 и перепадов давлений (сопротивлений) на форсунках горючего Р_фг, зарегистрированных при проливках камер. Соответствующие «приведения» к номинальным условиям и расходам проводятся по КД. Измерения параметров ДГФК производятся высокоточными датчиками давления ПДВИ-200.

Исходя из достоверности измерения ДГФК был выполнен анализ всех факторов, которые могут изменить сопротивление Р_фг на значение, отличное от измеренного при проливке. Такими факторами являются:

- наличие в полости второго компонента – горячего окислительного газа;

- взаимодействие жидкого горючего и окислительного газа внутри сопла форсунки горючего;

- истечение двухфазной смеси 2.

К реальным факторам, которые могут привести к фактическому увеличению сопротивления Р_фг относительно данных, полученных при проливке, при увеличении длительности испытания следует отнести:

- изменение геометрических размеров сопел линии горючего (диаметра, конфигурации острой выходной кромки);

- изменение характера взаимодействия газообразного и жидкого компонентов топлива.

Для выявления такого влияния был проведен анализ поведения параметра ДОФК (давления окислителя до форсунок камеры). Изменение ДОФК от режима к режиму меняется так же, как и ДГФК.

Анализ температур горючего до форсунок камеры ТГФК1 - ТГФК4 показал, что их значения практически не меняются с течением времени работы на одном и том же режиме, что так же, как и массовые расходы компонентов топлива, свидетельствует о неизменности рабочего процесса в камерах сгорания.

Остается проанализировать изменение сопротивления форсунок смесительной головки. Существенный фактор – наличие сажи в газожидкостных форсунках внутри сопла горючего каждой форсунки (сажа выявляется при осмотрах после каждого ОИ). В форсунках «крестовых» сажи не обнаружено: согласно металлографическому анализу в каналах шнеков имеется только окисление до темно-серого цвета.

Для выявления влияния конденсата в виде сажи и отложений нагара в газожидкостных форсунках проанализированы ОИ двух двигателей, прошедших несколько испытаний с отличиями по межпусковой обработке камер: с очисткой внутренних поверхностей сопел газожидкостных форсунок от сажи и нагара и без очистки.

При ОИ с промежуточной очисткой форсунок от сажи после предыдущего испытания имеется «возврат» к значению удельного импульса тяги на предшествующем режиме. При этом разница между I_уп на последующем испытании, по сравнению с предыдущим, составляет примерно 2,94 - 4,9 м/с (0,3 - 0,5 с);

При ОИ без промежуточной очистки форсунок при КТС двигателя «возврата» не прослеживается. Удельный импульс тяги увеличивается плавно, с замедлением ко времени наработки более 2000 с.

Эти результаты указывают на то, что с течением времени испытания изменяется (увеличивается) сопротивление форсуночной головки по линии горючего Р_фг из-за взаимодействия горячего окислительного газа с горючим внутри газожидкостной форсунки с соплом Лаваля по линии газа. Данный вывод подтверждается результатами испытаний, при которых измерялись давления в огневой полости камер сгорания.

Градиент повышения удельного импульса тяги составляет примерно 2,45 - 2,94 м/с (0,25 - 0,3 с) на каждые 100 с испытания, что соответствует повышению перепада давлений на форсунках горючего примерно на 1,3 % от данных, полученных при проливке смесительной головки камеры. При промежуточной межпусковой очистке форсунок от нагара (сажи) изменение I_уп происходит с тем же градиентом, что и при первом испытании этого экземпляра двигателя.

Представления, объясняющие «физику» происходящих процессов, можно найти в работе Стернина Л.Е. 3, согласно которой повышение статического давления обусловлено наличием частиц в истекающем газовом потоке. Частицы – следствие конденсации.

В работах 2], [3 указывается, что в процессе конденсации важную роль играет промежуток времени, в течение которого создается пресыщение.

Размер облака непрерывно меняется: количество паров увеличивается за счет испарения жидкости и уменьшается вследствие их диффузии в продукты горения. Причем диффузия массы капли в область продуктов горения протекает очень быстро.

При движении полидисперсного потока вначале на стенку выпадают мелкие частицы, а затем крупные, причем доля частиц, попадающих на стенку, с ростом частиц сначала возрастает, а затем уменьшается. Это связано с тем, что мелкие частицы хорошо следят за движением газа и их оседание невелико, а крупные не успевают попадать на стенку до конца сопла форсунки.

С учетом картины течения жидкости в газе можно утверждать, что коэффициент расхода определяется характером взаимодействия газовой струи с капельными пучками.

Таким образом, установлено, что причиной повышения расчетного значения удельного импульса тяги I_уп при длительных ОИ двигателя РД0124 является изменение не рабочего процесса в камерах сгорания, а изменение (увеличение) сопротивления форсуночной головки Р_фг из-за взаимодействия горячего окислительного газа с горючим внутри газожидкостной форсунки с соплом Лаваля по линии газа, которое «учитывается» изменением ДГФК при отсутствии изменения давления в КС.

Следует оценивать удельный импульс тяги на «первых» 100 с как первого, так и последующих испытаний (без учета предыдущей наработки). Очистка форсунок после КТИ и между испытаниями обязательна.