Результаты специальных огневых испытаний с введением внешних импульсов в камеры двигателя рд0124

Планировалось ввести в две камеры (КС2 и КС4) двигателя РД0124А восемь импульсов (отстрелов зарядов ВВ) по 4 импульса в каждую камеру, специально приспособленную под установку МВУ и замеров ПВВК, которые размещались в двух плоскостях, расположенных под углом 90º (рис. 3).

Рис. 3. Схема расположения МВУ и датчиков замеров ПВВК

При испытаниях часть зарядов сработала одновременно (попарно), поэтому на ряде режимов работы двигателя получены значительные импульсы возмущения, а коэффициенты «n» = А_max/ А_ш1, характеризующие отношение максимального давления импульса к среднему значению модуля сигнала до введения импульса, составили от 30 до 50. При этом время затухания колебаний от возмущения составило 0,002 – 0,003 с. По нормативным документам коэффициент «n» должен быть ≥ 15, время релаксации должно быть t_р ≤ 0,01с.

Зависимости «n» от режима при изменениях Р_к и К_m в пределах от плюс 10 до минус 6,4 % Р_к^ном и от плюс 10,6 до минус 9,6 % К_m^ном (превышает гарантийные диапазоны работы двигателей РД0124 и РД0124А) не получено.

Результаты огневых испытаний двигателя РД0124А с введением внешних возмущений показали, что рабочий процесс в камере сгорания устойчив к жесткому возбуждению высокочастотных колебаний.

Благодаря хорошей подготовки всеми службами ОАО КБХА эти сложные и ответственные испытания прошли успешно. Выполнены основные задачи:

- введены внешние возмущения в КС;

- при введении возмущений получены пиковые повышения амплитуд (А₀, А_max), значительно превышающие уровень шумов при испытании;

- оценено время релаксации (затухания) колебаний при внешнем возмущении;

- подтверждена устойчивость рабочего процесса в камерах сгорания двигателя РД0124А к «жесткому» возбуждению высокочастотных колебаний рабочего процесса.

Таблица 1 БМП (испытание № 5 дв. РД0124А № 8А)

№ плоскости КС	№ отстрела	Рк, % Ркном	Кm, % Кmном	Масса навески ВВ, г	А0, кгс/см2	Аmax, кгс/см2	τр сек	Аш1, кгс/см2	n = Аmax/Аш1	Аi max, кгс / см2	F, Гц
2	1	+ 1,9	+ 0,8	0,6	1,18	6,71	0,003	0,42	16	1,14	10560
2	2	- 5,2	-9,5	0,6	5,14	6,34	0,003	0,38	16,7	0,42	3840
2	3	+ 6,6	+ 10,6	0,6	7,64	13,2	0,002	0,46	28,7	2,4	10560
2	4	-5,25	+ 9,6	0,6	8,27	14,34	0,002	0,39	36,7	1,31	10560
4	5	-4,9	+9,2	1,0	3,59	22,7	0,002	0,39	58,2	0,82	5760
4	6	+6,9	+10	1,0	10,96	20,3	0,002	0,49	41,4	3,0	10560
4	7	+9,4	-8,8	1,0	-	-	-	-	-	-	-
4	8	+10	+0,4	1,0	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 2 БМП (испытание № 6 дв. РД0124А № 8А)

№ плоскости КС	№ отстрела	Рк, % Ркном	Кm, % Кmном	Масса навески ВВ, г	А0, кгс/см2	Аmax, кгс/см2	τр, сек	Аш1, кгс/см2	n = Аmax/Аш1	Аi max, кгс / см2	F, Гц
2	1	ном	ном	1,0	10,4	22,84	0,002	0,38	60,1	4,31	10720
2	2	+4,5	-9,2	1,0	9,22	18,86	0,002	0,4	47,1	3,22	10880
2	3	+4,12	+9,6	1,0	-	-	-	-	-	-	-
2	4	-6,4	-9,04	1,0	-	-	-	-	-	-	-
4	5	-5,8	+9,6	1,0	9,22	21,39	0,002	0,37	57,8	3,14	10560
4	6	+3,8	+9,6	1,0	7,66	22,68	0,0014	0,41	55,3	2,88	10560
4	7	-3,1	-9,08	1,0	-	-	-	-	-	-	-
4	8	ном	ном	1,0	-	-	-	-	-	-	-

Литература

1. Харье Д.Т., Рирдон Ф.Г. Неустойчивость горения в ЖРД. М.: Мир, 1978.

2. Родионов В.Н., Сухотин В.П. Параметры упругих волн, полученных при сферическом взрыве в металлах различной прочности. ФГВ, т. 7, 1971.

3. Сулимов В.А., Ермолаев В.С. /Под редакцией А.Н. Дремина. Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация. Черноголовка, 1977.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газодинамика. М.:Наука, 1964.

УДК 532.5: 629.7.036.54-63

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ К ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ КОЛЕБАНИЯМ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРАХ И ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ ДВИГАТЕЛЯ РД0124

Гетманенко В. А. – КБХА

Денисов К. П. – ФКП «НЦП РКП», доктор техн. наук

Иванов В. Н. – ФКП «НЦП РКП»

Круглова Л. М. – КБХА, канд. техн. наук

Пикалов В. П. – ФКП «НЦП РКП», канд. техн. наук

Рубинский В. Р. – КБХА, доктор техн. наук

Приведен анализ быстроменяющихся параметров (БМП), характеризующих устойчивость к высокочастотным колебаниям давления в камерах и газогенераторе двигателя РД0124 при введении внешних импульсов.

Важнейшим этапом отработки ЖРД является проведение специальных огневых стендовых испытаний с вводом искусственных импульсных возмущений в реакционные объемы камеры и газогенератора с последующим анализом реакций рабочего процесса на введенные возмущения.

Если введенные достаточно интенсивные возмущения вызывают затухающие колебательные реакции по давлению, то процесс горения считается динамически устойчивым. Если реакция незатухающая, т.е. введенное возмущение приводит к возникновению периодических автоколебаний давления, то процесс горения считается динамически неустойчивым. При этом запас устойчивости исходного состояния определяется величиной минимального возмущения, вызывающего переход горения в автоколебательный режим.

Применительно к камерам оценка устойчивости рабочего процесса осуществлялась на основе результатов двух стендовых испытаний двигателя РД0124 № 8А с вводом тестирующих импульсных возмущений в реакционные объемы:

- испытания № 5 (ввод возмущений в камеры второй и четвертой плоскостей);

- испытания № 6 (ввод возмущений в камеры четвертой и второй плоскостей).

Искусственные импульсные возмущения вводились с помощью устанавливаемых на камеры специальных дистанционно управляемых внешних импульсных возмущающих устройств конструкции ОАО КБ химавтоматики с зарядными камерами конструкции ФКП «НИЦ РКП». Генерация импульсных возмущений осуществлялась путем подрыва зарядов взрывчатого вещества зарядных камер. Возмущения в реакционные объемы камер вводились радиально на расстоянии ~ 60 мм от огневого днища смесительной головки.

Регистрация откликов процесса горения на вводимые возмущения осуществлялась с помощью датчиков пульсаций давления, установленных в реакционные объемы камер.

На рис. 1 представлен проверочный квадрат режимов испытаний с вводом импульсных возмущений.

Рис.1. Проверочный квадрат режимов испытаний с вводом импульсных возмущений

Результаты проведенных испытаний показали, что на реализованных режимах работы двигателя ввод тестирующих импульсных возмущений в виде ударной волны от подрыва зарядов ВВ массой m = 0,6 г и m = 1 г не приводил к возбуждению высокочастотных автоколебаний: отклики камер сгорания на введенные возмущения во всех случаях были затухающими с временами релаксации в исходное невозмущенное состояние _R  0,003 с.

Типичный отклик процесса горения в камере на введенное импульсное возмущение (осциллограмма и спектральный состав) иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Реализация и спектрограмма отклика камеры сгорания четвертой плоскости на возмущение № 2 (испытание № 6)

Параметры затухающих реакций на импульсные возмущения находились в диапазонах:

где - максимальная амплитуда отклика;

- среднее квадратическое значение сигнала до ввода возмущения;

- время релаксации отклика в исходное невозмущенное состояние.

Проведенный анализ показал, что на исследованных режимах работы двигателя отклики камер на тестирующие импульсные возмущения формируются в основном за счет возбуждения второй тангенциальной моды собственных колебаний реакционного объема (f  10506 Гц). Первая тангенциальная мода (f  6400 Гц) практически не возбуждается.

Достигнутые превышения амплитуд откликов на импульсные возмущения над средним квадратическим уровнем внутрикамерных пульсаций давления, предшествующих вводу возмущений (n), гарантируют достаточность запасов устойчивости к жесткому возбуждению автоколебаний на всех исследованных режимах работы камер.

Результаты проведенных испытаний с вводом импульсных возмущений в камеры подтвердили высокую эффективность мероприятий ОАО КБ химавтоматики, направленных на повышение динамической устойчивости процесса горения: профилирования газовых каналов форсунок, акустической настройки форсунок, внедрения антипульсационных перегородок из выдвинутых форсунок.

Оценка устойчивости рабочего процесса в газогенераторе двигателя проводилась на основе результатов двух огневых стендовых испытаний с вводом тестирующих импульсных возмущений в реакционный объем камеры сгорания:

- испытания двигателя РД0124А № 7А-3 (ввод двух возмущений от подрыва ВВ массой m₁ = 0,6 г);

- испытания двигателя РД0124А № 7АП (ввод двух возмущений, от подрыва зарядов ВВ массой m₁ = 1,0 г и m₂ = 1,0 г).

Ввод тестирующих импульсных возмущений осуществлялся от возмущающего устройства, устанавливаемого на камеру сгорания газогенератора, через радиальный канал диаметром d = 8 мм на расстоянии 208 мм от огневого днища.

Результаты испытаний состояли в следующем.

1. Статистический анализ внутрикамерного акустического шума газогенератора показал, что с динамической точки зрения все исходные (на различных режимах) стационарные состояния рабочего процесса, предшествующие вводу искусственных импульсных возмущений, могут быть классифицированы как соответствующие работе камеры сгорания (газогенератора) в режиме резонансной узкополосной фильтрации широкополосного шума горения, обусловленного пульсациями скорости тепловыделения (массовыделения), т. е. более или менее выделяющиеся узкополосные составляющие спектра внутрикамерных пульсаций давления могут быть отнесены к классу «линейный узкополосный шум» (ЛУШ) со следующими признаками принадлежности:

- плотность вероятности огибающей (амплитуды) близка к релеевской;

- плотность вероятности мгновенных значений сигнала в окрестности резонансной частоты близка к гауссовой (нормальной).

Этому классу соответствует «стандартное» локально устойчивое состояние рабочего процесса.

2. На реализованных стационарных режимах работы двигателя ввод тестирующих импульсных возмущений в реакционный объём газогенератора приводил к смене исходных стационарных состояний рабочего процесса новыми квазистационарными состояниями с отличающимся спектральным составом и существенно более высокими уровнями пульсационного давления (рис. 3). Продолжительность индуцированных импульсными возмущениями новых квазистационарных состояний составляла 0,037 – 0,43 с, после чего рабочий процесс возвращался в исходное невозмущенное состояние.

Рис. 3. Индуцированный импульсным возмущением динамический переход «шум 1 шум 2»:

а), б) – фрагменты осциллограмм; в) – спектр шума до ввода возмущений; г) – спектр шума после ввода возмущения

На рис. 3 и последующих аббревиатуры ПОВГ, ПОФГ, ПГФГ означают пульсации давления соответственно в газогенераторе, полости окислителя и в полости горючего газогенератора.

3. Существенной особенностью новых, индуцированных импульсными возмущениями состояний являлась широкополосность (многокомпонентность) спектров возбуждаемых пульсаций давления. При этом частоты возбуждающихся спектральных составляющих некратны какой-либо частоте. Эти обстоятельства побудили назвать возбуждающиеся колебания шумоподобными. Показательно, что вид возбуждающихся после ввода импульсных возмущений короткоживущих колебаний существенно отличался от «привычных» регулярных автоколебаний, возбуждающихся на основной частоте неустойчивой моды и кратных ей гармониках.

4. Классификация наиболее выделяющихся на шумовом пьедестале спектральных составляющих по признакам принадлежности к ЛУШ или автоколебаниям показала, что все составляющие, исключая составляющую на частоте f = 6591 Гц, принадлежат к классу ЛУШ (рис. 4), а именно:

– плотности вероятности мгновенных значений близки к гауссовой;

– плотности вероятности огибающих близки к релеевской.

Рис. 4. Отклик на возмущение. Спектральная составляющая f = 7405 Гц:

а) автокорреляционная функция; б) плотность вероятности мгновенных значений сигнала; в) плотность вероятности огибающей

Составляющая f = 6591 Гц принадлежит к классу «автоколебания» с возмущенным предельным циклом (рис. 5): плотность вероятности мгновенных значений сигнала явно не гауссова (двугорбая), а плотность вероятности огибающей – не релеевская (близка к нормальной).

Рис. 5. Отклик на возмущение. Спектральная составляющая f = 6591 Гц:

а) автокорреляционная функция; б) плотность вероятности мгновенных значений сигнала; в) плотность вероятности огибающей

Таким образом, шумоподобные состояния, индуцированные тестирующими импульсными возмущениями, соответствуют работе камеры сгорания газогенератора в динамическом режиме узкополосной резонансной фильтрации совместно с режимом генерации одночастотных периодических автоколебаний на частоте f = 6591 Гц.

Подобный «симбиоз» колебаний (многочастотность) с отсутствием межмодового взаимодействия между компонентами не является типичным для натурных камер сгорания, ибо анализ показывает, что повышение суммарного уровня пульсаций давления и вибраций конструкции, наблюдаемое после ввода импульсных возмущений, в основном происходит не за счет возбуждения периодических автоколебаний на частоте 6591 Гц, а за счет повышения уровня широкополосных пульсаций скорости тепловыделения в зоне горения и соответствующего повышения резонансного отклика реакционного объема камеры сгорания по давлению. Последнее же может произойти по причине смены режима стабилизации пламени в форсунках после ввода возмущения.

Повышенные уровни пульсаций давления, индуцированные импульсными возмущениями, за время их существования (до 0,43 с) не приводили к появлению каких-либо дефектов конструкции и потере работоспособности двигателя. Случаи самопроизвольной реализации динамических состояний, подобных наблюдаемым при вводе импульсных возмущений, в процессе отработки двигателя не наблюдались.

Полученные результаты позволяют квалифицировать рабочий процесс в газогенераторе двигателя РД0124А как динамически устойчивый, не склонный к самопроизвольному возбуждению высокочастотных колебаний давления.

УДК 629.7.036.54-63:662.61

Исследование эффективности рабочего процесса и охлаждения

в модельной камере, работающей на жидком кислороде

и сжиженном природном газе

Космачева В.П.– КБХА, канд. техн. наук

Макаревич А.Н.– КБХА

Рубинский В.Р.– КБХА, доктор техн. наук

Хрисанфов С.П.– КБХА, канд. техн. наук

Приведены результаты экспериментального исследования рабочего процесса и теплообмена в модельной камере, работающей на компонентах топлива кислород и сжиженный природный газ (СПГ), содержащий 92-98 % метана.

Проектные работы по разработке многоразовых носителей показали, что использование кислорода и СПГ в двигательных установках позволяет реализовать наивысшие энергомассовые совершенства многоразовых ракет космического назначения, при этом масса полезной нагрузки возрастает на 5-9 % по сравнению с массой при использовании керосиновых ЖРД. Кроме этого, хорошие эксплуатационные характеристики, низкая стоимость и неограниченная сырьевая база делают метан одним из перспективных компонентов топлива для использования в носителях космического назначения.

По двигателю, работающему по открытой схеме, для обеспечения высокой полноты сгорания топлива выполнены определенные конструктивные мероприятия.

Наружное охлаждение камеры осуществляется СПГ, обладающим высокими охлаждающими свойствами. На выходе из тракта охлаждения СПГ газифицируется и попадает в смесительную головку камеры сгорания в газообразном состоянии. Поэтому форсунки смесительной головки работают по схеме «газ - жидкость».

Исследование рабочего процесса проводилось в составе модельной камеры, работающей на жидком кислороде и СПГ. Конструктивно модельная камера (рис. 1) представляет собой разъемную блочную конструкцию, состоящую из следующих сборочных единиц (СЕ):

– смесительной головки, состоящей из блока окислителя (БО) и блока горючего (БГ);

– вставки зажигания (ВЗ);

– вставки замера пульсаций (ПКС);

– цилиндра (Ц);

– малого цилиндра (МЦ);

– вставки газоотборной (ГО);

– сопла, состоящего из дозвуковой (СД) и сверхзвуковой (СС) частей.

Все СЕ модельной камеры, кроме блока окислителя, охлаждаются водой. Подвод и отвод воды в каждую СЕ производится автономно.

Рис. 1. Модельная камера

Основные технические характеристики модельной камеры приведены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование параметра	Значение параметра
Компоненты топлива	О2 + СПГ
Тяга R, кгс	1900
Расход кислорода , кг/с	5,0
Расход СПГ , кг/с	1,44
Давление в камере сгорания Рк, кгс/см2	70
Суммарный расход воды на охлаждение блоков , кг/с	64
Диаметр цилиндрической части камеры dц, мм	80
Диаметр критического сечения сопла d*, мм	46
Диаметр среза сопла dа, мм	152
Время пребывания продуктов сгорания в камере сгорания , мс	1,89

Проведено восемь огневых испытаний (ОИ) модельной камеры с двумя типами смесительных элементов. В первой смесительной головке применялись 19 соосно-струйных коаксиальных форсунок, во второй – 19 форсунок с закруткой кислорода (рис. 2).

Рис. 2. Типы форсунок

Для каждого испытания определялись параметры экономичности и устойчивости рабочего процесса в камере сгорания.

Экономичность рабочего процесса камеры оценивалась по характеристической скорости C_* и удельному импульсу тяги J_уд. Режимы испытаний и параметры экономичности, определенные по измеренным во время ОИ параметрам и приведенные к номинальным условиям, показаны в таблице 2 и на рис. 3, 4.

Таблица 2

№ исп	Тип форсунок	ТСН4, К	Wг, м/с	h, мм	km, -	, МПа	С*, м/с	Jуп, м/с	, м/с	, м/с		J
1	Соосно-струйные коаксиальные форсунки	257,4	150,7	3,7	3,52	4,117	1704,3	3083,0	1755,6	3152,3	0,9586	0,9618
2		257,0	69,9	3,7	3,64	6,774	1764,4	3146,7	1795,1	3219,5	0,9873	0,9777
3		251,3	66,7	5,8	3,47	6,847	1784,0	3182,1	1795,4	3227,4	0,9875	0,9800
4	Форсунки с закруткой кислорода	254,0	146,3	0,7	3,78	6,529	1673,5	2977,7	1713,2	3060,9	0,9423	0,9295
5		249,8	155,8	0,7	3,19	6,714	1760,1	3125,2	1755,6	3165,2	0,9656	0,9612
6		244,6	63,0	2,6	3,50	6,980	1758,4	3135,8	1774,5	3190,5	0,9760	0,9689
7		254,8	65,7	2,6	3,81	6,995	1753,8	3121,6	1798,2	3221,1	0,9890	0,9781
8		253,6	71,5	4,0	3,48	6,999	1781,2	3246,0	1788,9	3221,2	0,9839	0,9782

Здесь Т_СН4 – температура метана на входе в смесительную головку;

W_г – скорость метана на выходе из форсунки;

h – подрезка торца форсунки окислителя относительно торца форсунки горючего;

k_m – соотношение компонентов топлива в камере сгорания;

– давление в камере сгорания перед соплом;

С_* – характеристическая скорость;

J_уп – удельный импульс тяги в пустоте;

– приведенная к номинальным условиям характеристическая скорость;

J – приведенный к номинальным условиям удельный импульс тяги в пустоте;

_ – коэффициент полноты сгорания;

_J – коэффициент удельного импульса тяги.

Рис. 3. Приведенные значения характеристической скорости и удельного импульса тяги

Рис. 4. Коэффициенты полноты сгорания и удельного импульса тяги

С соосно-струйными форсунками проведено три ОИ модельной камеры. Эти испытания характеризуются:

– изменением скорости метана на выходе из форсунки от 150,7 до 66,7 м/с;

– изменением величины подрезки от 3,7 до 5,8 мм.

Сравнительный анализ величины полноты сгорания показывает:

– снижение примерно в два раза скорости метана на выходе из форсунки (исп. № 1, 2) увеличивает полноту сгорания на  2,2 %;

– увеличение подрезки более чем на один калибр форсунки кислорода (d_o = 4,0 мм,

исп. № 2, 3) существенно не влияет на величину полноты сгорания, но увеличивает риск подгара торца форсунки.

С форсунками с закруткой кислорода проведено пять ОИ модельной камеры. Эти испытания характеризуются:

– изменением скорости метана на выходе из форсунки от 155,8 до 63 м/с;

– изменением величины подрезки от 0,7 до 4,0 мм;

– изменением температуры метана на входе в смесительную головку.

Сравнительный анализ величины полноты сгорания показывает:

– максимальная величина полноты сгорания достигается при минимальной скорости метана на выходе из форсунки (исп. № 7, 8);

– снижение температуры метана на входе в смесительную головку на 10,2 К приводит к снижению величины полноты сгорания;

– увеличение подрезки (исп. № 7, 8) не привело к увеличению величины полноты сгорания.

Экспериментальные осредненные значения параметров экономичности приведены в таблице 3.

Таблица 3

	Смесительная головка с форсунками с закруткой кислорода
м/с	м/с
J м/с	J м/с
 = 0,9874	 = 0,9830
J = 0,9789	J = 0,9751

Во время испытаний регистрировались следующие быстроменяющиеся параметры (БМП):

– пульсации давления окислителя перед форсунками (ПОФК);

– пульсации давления горючего перед форсунками (ПГФК);

– пульсации давления продуктов сгорания в камере сгорания (ПКС).

Для оценки устойчивости рабочего процесса в камере использовались среднемаксимальные значения амплитуд пульсаций давления за интервалы времени, для которых рассчитывались параметры экономичности.

Среднемаксимальные значения амплитуд пульсаций давления приведены в таблице 4.

Таблица 4

Параметр Смесительная головка	ПОФК, кгс/см2	ПГФК, кгс/см2	ПКС, кгс/см2
С коаксиальными соосно-струйными форсунками, исп. № 1, 2, 3	1,1 – 2,5	1,1 – 1,3	2,1 – 4,4
С форсунками с закруткой кислорода, исп. № 4, 5, 6, 7, 8	1,3 – 6,9	1,3 – 2,8	2,7 – 4,2

Среднемаксимальные значения амплитуд пульсаций давления (ПОФК, ПГФК, ПКС) для каждого испытания представлены на рис. 5.

Рис. 5. Среднемаксимальные значения пульсаций давления кислорода перед форсунками (ПОФК), горючего перед форсунками (ПГФК) и давления в камере сгорания (ПКС)

Как видно из таблицы 4 и рис. 5, среднемаксимальные значения амплитуд пульсаций давления в камере сгорания и компонентов топлива на входе в смесительную головку на всех испытаниях не превышают 10 % номинального значения давления в камере сгорания.

Снижение скорости метана на выходе из соосно-струйных форсунок и увеличение подрезки привели к снижению среднемаксимальных значений амплитуд пульсаций давления в камере сгорания и давления компонентов перед форсунками.

Для ОИ модельной камеры проведена оценка тепловых потоков в огневое днище и стенку камеры. Для анализа влияния различных форсунок на распределение тепловых потоков по длине модельной камеры при ОИ проводились измерения:

– расхода воды на охлаждение каждого блока камеры;

– температуры воды на входе в каждый блок камеры;

– температуры воды на выходе из каждого блока камеры;

– давления в камере сгорания;

– расхода кислорода через смесительную головку;

– расхода СПГ через смесительную головку.

Анализ результатов ОИ проводился с приведением подогрева воды, идущей на охлаждение блоков камеры, и поверхностных плотностей тепловых потоков к номинальным значениям по расходу и режимам работы камеры сгорания по формуле:

,

где q – поверхностная плотность теплового потока, полученная при испытаниях;

, – давления в камере сгорания на номинальном режиме работы и при испытаниях соответственно;

S_н, S_исп – комплекс параметров газа в пристеночном слое при соотношении компонентов топлива и температуре стенки на номинальном режиме работы и при испытаниях соответственно S = f (k_m, Т_ст).

На рис. 6 приведены расчетные значения поверхностной плотности теплового потока по длине камеры и средние значения их на блоках, полученные при ОИ, для режима с давлением в камере 7 МПа и соотношением компонентов топлива 3,626. Как видно из приведенных результатов, на участках вставки ПКС и цилиндра значения поверхностной плотности существенно меньше расчетного значения, а на малом цилиндре, вставке ГО и сопле дозвуковом их уровень несколько больше расчетного значения.

Рис. 6. Расчетные значения поверхностной плотности теплового потока по длине камеры и средние значения их на блоках, полученные при ОИ:

№ 1 — соосно-струйные, подрезка 3,7;

№ 2 — соосно-струйные, подрезка 3,7, уменьшена скорость метана;

№ 3 — соосно-струйные, подрезка 5,8, уменьшена скорость метана;

№ 4,5 — с закруткой кислорода, подрезка 0,7;

№ 6,7 — с закруткой кислорода, подрезка 2,6, уменьшена скорость метана;

№ 8 — с закруткой кислорода, подрезка 4,0, уменьшена скорость метана;

— расчетная поверхностная плотность теплового потока.

В таблице 5 приведены значения подогрева воды, полученные при ОИ на блоках камеры при различных вариантах форсунок.

Таблица 5

Варианты смесительных головок	№ исп	Подогрев воды в блоках, Т, К								Условно- суммарный подогрев, К
		БГ	ВЗ	ПКС	Ц	МЦ	ГО	СД	СС
	Расчет	5,8	13,05	19,3	52,1	23,2	16,3	20,5	27,6	176,05
Форсунки соосно-струйные, h=3,7 мм, Wг=150,7 м/с	1	6,3	8,6	11,5	31,6	22,0	16,0	19,7	20,3	129,7
Форсунки соосно-струйные, h=3,7 мм, Wг=69,9 м/с	2	5,0	10,9	7,9	29,4	25,2	20,0	22,8	20,7	136,9
Форсунки соосно-струйные, h=5,8 мм, Wг=66,7 м/с	3	3,8	11,0	8,9	30,7	26,5	20,8	22,8	20,5	141,2
Форсунки с закруткой кислорода, h=0,7 мм, Wг=146,3–155,8 м/с	4, 5	10,3	11,6	14,0	33,3	22,0	16,1	22,9	20,0	139,9
Форсунки с закруткой кислорода, h=2,6 мм, Wг= 63 – 65,7 м/с	6, 7	5,6	10,0	15,6	35,3	23,9	17,7	22,6	21,2	146,3
Форсунки с закруткой кислорода, h=4,0 мм, Wг= 71,5 м/с	8	11,0	13,8	17,3	35,7	22,1	17,0	23,4	20,4	149,7

Из таблицы следует:

- снижение скорости метана на выходе из форсунок приводит к увеличению суммарного подогрева для соосно-струйных форсунок на 5,5-8,9 %, для форсунок с закруткой кислорода на 4,5-7,0 %;

- увеличение подрезки торца форсунки окислителя относительно торца форсунки горючего также приводит к увеличению суммарного подогрева для соосно-струйных форсунок на  4,0 %, для форсунок с закруткой кислорода на  2,3 %;

- соосно-струйные форсунки обеспечивают более равномерное распределение теплового потока по длине камеры;

- использование в смесительной головке форсунок с закруткой кислорода обеспечивает повышенный на  5-6 % суммарный теплосъем по сравнению с соосно-струйными форсунками.

Выводы

1. По результатам ОИ модельной камеры тягой  1900 кгс на компонентах топлива жидкий кислород и СПГ с различными смесительными головками с учетом параметров экономичности, охлаждаемости и устойчивости рабочего процесса при разработке камер для перспективных двигателей, работающих на жидком кислороде и СПГ, целесообразно использовать смесительные головки с соосно-струйными форсунками.

2. Снижение скорости метана на выходе из соосно-струйной форсунки с 150,7 до 66,7 м/с приводит к увеличению полноты сгорания на  2,2 %.

3. Использование соосно-струйных форсунок позволяет получить высокую полноту сгорания компонентов топлива при воздействии меньших тепловых потоков в огневое днище и во внутреннюю стенку камеры на начальном участке.

УДК 662.61:629.7.036.54-63

Исследование рабочего процесса в камере ЖРД, работающеГО

НА ТОПЛИВЕ "СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ (СПГ) – КИСЛОРОД"

Ефимочкин А.Ф. – КБХА, доктор техн. наук

Кафарена П.В. – КБХА

Рубинский В.Р. – КБХА, доктор техн. наук

Хрисанфов С.П. – КБХА, канд. техн. наук

Федоров С.А. – КБХА

Получены экспериментальные данные по влиянию режимно-геометрических параметров смесительных элементов на полноту сгорания, устойчивость рабочего процесса и распределение теплового потока по длине модельной камеры сгорания, работающей по схеме «газ – газ».

В последнее время в России в связи с выполнением проектных работ по многоразовым ракетно-космическим системам усилилось внимание разработчиков этих систем к сжиженному природному газу как перспективному компоненту ракетного топлива, обладающему рядом преимуществ перед «традиционным» керосином [1].

Активизировались работы двигательных КБ по созданию жидкостного ракетного двигателя многоразового использования на топливе СПГ – кислород. В частности, в Конструкторском бюро химавтоматики (г. Воронеж) ведется разработка двигателя РД0162, рабочий процесс в камере которого организуется по схеме «газ – газ».

В обеспечение указанной разработки с целью исследований рабочего процесса и охлаждения камеры сгорания, работающей по схеме «газ – газ» на окислительном генераторном газе и газифицированном природном газе, была разработана и прошла огневые испытания модельная установка тягой 2 тс.

Общий вид модельной установки показан на рис. 1.

В состав модельной установки входят:

– газогенератор (1);

– модельная камера сгорания (2);

– запальные устройства камеры сгорания и газогенератора (3);

– стендовые системы подачи жидкого кислорода и природного газа;

– стендовые системы подачи воды на охлаждение блоков камеры сгорания и газогенератора;

– система аварийной защиты.

Модельная камера сгорания представляет собой разъемную конструкцию, в которую входят:

– смесительная головка (4);

– вставка для измерения пульсации давления (5);

– вставки (6);

– цилиндр (7);

– малый цилиндр (8);

– сопло (9).

Все блоки модельной камеры сгорания имеют автономный подвод воды на охлаждение.

Основные параметры модельной установки приведены в таблице 1.

В процессе огневых испытаний определялись параметры экономичности, устойчивости рабочего процесса и охлаждаемости элементов модельной установки.

А – А

Рис. 1. Общий вид модельной установки

Таблица 1

Основные параметры модельной установки

Наименование параметра	Значение параметра
Компоненты топлива двигателя	Кислород – СПГ
Компоненты топлива модельной камеры сгорания (КС)	Окислительный генераторный газ (ОГГ) – газифицированный природный газ (ГПГ)
Суммарный массовый расход компонентов топлива, кг/с	7,346
Суммарный расход ГПГ, кг/с	1,56
Соотношение компонентов топлива в КС	3,5
Температура окислительного генераторного газа на входе в смесительную головку, К	470-550
Температура ГПГ на входе в смесительную головку КС, К	250-300
Давление в КС, МПа	8,0
Давление окислительного генераторного газа на входе в смесительную головку КС, МПа	9,2
Давление ГПГ на входе в смесительную головку, МПа	9,5
Длительность испытания, с	30
Время пребывания компонентов топлива в КС, мс	1,68

При исследовании рабочего процесса определялись:

– оптимальные режимно-геометрические параметры смесительных элементов КС;

– условия взаимодействия компонентов топлива на начальном участке зоны горения;

– отношения скоростей и плотностей окислительного генераторного газа и ГПГ на выходе из форсунок;

– перепады давлений на форсунках с учетом взаимодействия и горения компонентов топлива внутри форсунок;

– оценка устойчивости рабочего процесса.

При исследовании охлаждения определялись:

– распределение теплового потока по длине камеры;

– расположение фронта горения компонентов топлива относительно огневого днища головки.

Испытывалось три варианта смесительных элементов (форсунок). Основные характеристики приведены в таблице 2 и на рис. 2.

Таблица 2

Основные характеристики трех видов смесительных элементов

№	Параметры	Время режима, с	Давление в КС, МПа	km в КС	Давление в ГГ, МПа	Расход ОГГ в КС, кг/с	Расход ГПГ в КС, кг/с
1	d0 = 6 мм d1 = 7,85 мм = 0,5  = 2 мм	30	8,0	3,5	13	5,785	1,56
2	d0 = 6,5 мм d1 = 8,35 мм = 0,8  = 2 мм
3	d0 = 7 мм d1 = 8,85 мм = 1,22  = 2 мм

Здесь – режимно-геометрический параметр;

k_m – соотношение компонентов топлива;

ГГ – газогенератор.

Рис. 2. Общий вид форсунки