ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ В ЖИДКОСТНЫХ ПРЕДФОРСУНОЧНЫХ ПОЛОСТЯХ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК КАМЕР СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЖРД

Полезная модель относится к испытательной технике и, в частности, к испытаниям камер сгорания и газогенераторов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с целью оценки стабильности рабочего процесса в камерах сгорания этих агрегатов по отношению к возможному возбуждению в них высокочастотных колебаний давления от случайных возмущений в системе подачи жидких компонентов.
Одной из важных характеристик работы камер сгорания и газогенераторов ЖРД является устойчивость рабочего процесса в их реакционных полостях к высокочастотным колебаниям давления. Это связано с тем, что в камерах сгорания при самопроизвольном возбуждении высокочастотных акустических колебаний давления большой амплитуды нарушается нормальный режим процесса горения. Это приводит к ухудшению условий защиты стенок камер сгорания от воздействия высокой температуры продуктов сгорания, а также к возникновению вибрационных колебаний, приводящих к разрушению камер сгорания.
В связи с этим практически все создаваемые камеры сгорания и газогенераторы ЖРД необходимо проверять на склонность к самовозбуждению высокочастотных колебаний давления. Наиболее надежный способ определения устойчивости рабочего процесса в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД к высокочастотным колебаниям давления заключается во введении во внутреннюю полость камеры сгорания искусственного импульса давления, для чего используются генераторы импульсов давления. Однако для установки таких генераторов импульсов давления непосредственно на камере сгорания ЖРД и газогенераторов необходимо приварить бобышку, предварительно выполнив в теплонапряженной стенке камеры сгорания отверстие. Следствием выполнения отверстия на стенке камеры сгорания является повышение вероятности прогара камеры сгорания в этом месте из-за ухудшения охлаждения, что является большим недостатком подачи импульса давления в акустическую полость камеры сгорания.
Однако на практике высокочастотные колебания давления в камере сгорания могут возбуждаться от случайных возмущений, возникающих в системах подачи компонентов топлива и проникающих с компонентом в камеру сгорания через форсунки. В этой связи логично вводить искусственные возмущения непосредственно в систему подачи компонентов, например, в жидкостную предфорсуночную полость смесительной головки, моделируя тем самым случайные естественные возмущения.
Известен генератор импульсов давления в жидкостных полостях смесительных головок камер сгорания и газогенераторов ЖРД [Д.Т.Харье, Ф.Г.Рирдон. Неустойчивость горения в ЖРД. Издательство «Мир», М., 1975 г., с.801.], содержащий корпус с каналом, в котором установлен рабочий поршень, сообщенным с жидкостной полостью смесительной головки. К корпусу присоединен цилиндр, в котором установлен вспомогательный поршень с бойком. В этом поршне выполнена полость, в которой размещен заряд взрывчатого вещества (ВВ). Корпус генератора установлен на смесительной головке, а его канал соединен с предфорсуночной полостью.
Работает генератор следующим образом. После заполнения предфосуночных полостей смесительной головки компонентами топлива (например ЖРД работает по схеме жидкость+жидкость) оно заполняет и канал генератора. При выходе камеры сгорания на заданный режим работы подрывается заряд ВВ. Под давлением образовавшихся при этом газов дополнительный поршень с бойком перемещается и ударяет по рабочему поршню, который резко передвигаясь, выталкивает находящийся в канале жидкий компонент в предфорсуночную полость. Вследствие этого в жидкостной полости смесительной головки возникает импульс давления, который проходя через ее форсунки, кратковременно увеличивает расход и качество распыла компонента за счет увеличения перепада давления. Это приводит к тому, что в камере сгорания возникает импульс давления.
При этом если рабочий процесс в камере сгорания не поддерживает колебания давления, возникшие от введенного импульса давления, они затухают. Если колебания будут продолжаться и усиливаться, это указывает на склонность рабочего процесса в камере сгорания к возбуждению высокочастотных колебаний от случайных импульсов давления в предфорсуночной полости смесительной головки, что может приводить к нарушению рабочего процесса, снижению эффективности охлаждения и разрушению камеры сгорания.
К недостатку известного устройства для создания импульсов давления в жидкостных предфорсуночных полостях смесительных головок камер сгорания ЖРД следует отнести низкую стабильность величины импульса для одинаковых по массе навесок взрывчатого вещества, что связано с нестабильными характеристиками этого вещества. Кроме того, стабильность величины генерируемых импульсов будет зависеть от места расположения генератора в вертикальной плоскости при установке на стенке смесительной головки камеры сгорания. Это связано с тем, что канал может быть заполнен или жидкостью или газом или частично газом и жидкостью. Третьим его недостатком являются вибрации, которые возникают на корпусе смесительной головки в момент торможения рабочего поршня о корпус генератора после мощного удара, приводящие к искажению показаний датчиков давления и побочным влияниям на рабочий процесс в камере сгорания.
Известен также генератор импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащий корпус с подсоединительным патрубком и форкамерой, в которой размещен источник тепловой энергии, выполненный в виде металлической проволочки диаметром 0,2…0,5 мм, соединяющей концы электродов, установленных вдоль корпуса, другие концы которых предназначены для подключения к источнику высокого напряжения (см. патент на полезную модель РФ №96635, МПК F23R 7/00, 2010).
По большинству существенных признаков он выбран в качестве прототипа.
Известный генератор эффективно работает при подаче импульсов давления в газовые полости камеры сгорания и газогенератора, т.е. когда полость генератора и полость камеры сгорания заполнены газовой средой и его эффективность не зависит от места расположения на камере сгорания в вертикальной плоскости.
В тоже время генератор может быть использован для подачи импульсов давления в жидкостную предфорсуночную полость смесительной головки камеры сгорания. Однако в этом случае не удастся обеспечить расчетной величины и высокой стабильности получаемых импульсов давления. Это объясняется следующим. При установке генератора на поверхности смесительной головки камеры сгорания его эффективность будет зависеть от места расположения в вертикальной плоскости. Это связано с тем, что форкамера в момент подачи напряжения на проволочку может быть заполнена различными средами: или жидкостью или газом или частично газом и частично жидкостью. Если генератор будет находиться в верхней части смесительной головки, то при заполнении жидкостной полости камеры сгорания компонентом топлива форкамера генератора останется заполненной газообразной средой (газовым пузырем). В каких-то положениях генератора в верхней части смесительной головки форкамера может быть заполнена частично газом и жидкостью. Если он будет расположен в нижней части форкамера заполнится компонентом. Вследствие этого в каждом вышеприведенном случае значения генерируемых импульсов давления будут отличаться. Причем в первом и во втором случаях величина импульса не может быть ни стабильной, ни расчетной, что будет влиять на достоверность оценки устойчивости рабочего процесса в камере сгорания к высокочастотным колебаниям.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении стабильности величины импульса давления при генерировании импульсов давления в жидкостных предфорсуночных полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД при любом расположении генератора относительно направления силы тяжести.
Это достигается тем, что в генераторе импульсов давления в жидкостных предфорсуночных полостях смесительных головок камер сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащем корпус с подсоединительным патрубком и форкамерой, в которой размещен источник тепловой энергии, выполненный в виде металлической проволочки диаметром 0,2…0,5 мм, соединяющей концы электродов, установленных вдоль корпуса, другие концы которых предназначены для подключения к источнику высокого напряжения, согласно полезной модели к корпусу присоединен дополнительный патрубок с отсечным клапаном для подключения форкамеры к системе подачи жидкого компонента в камеру сгорания.
На фиг.1 изображен продольный разрез генератора импульсов давления в жидкостной предфорсуночной полости смесительной головки камеры сгорания ЖРД. На фиг.2 показана схема установки генератора импульсов давления на жидкостной предфорсуночной полости смесительной головки и его подключения к системе подачи жидкого компонента в камеру сгорания ЖРД (с дожиганием генераторного газа).
Генератор импульсов давления содержит корпус 1 с выходным каналом 2 и форкамерой 3. Вдоль корпуса 1 параллельно друг другу размещены в электроизолирующей втулке 4 электроды 5. Выходные концы электродов 4 размещены в форкамере 3. Втулка 4 с электродами 5 уплотняется и удерживается в корпусе 1 с помощью нажимной втулки 6 и гайки 7. К выходному каналу 2 корпуса 1 пристыкован патрубок 8, присоединяемый к штуцеру на смесительной головке 9 камеры сгорания или газогенератора испытуемого ЖРД с помощью ниппеля 10 и гайки 11. К выходным концам электродов 5 припаяна металлическая проволочка 12 толщиной 0,2…0,5 мм. Для предупреждения выдавливания электродов 5 из форкамеры 3 избыточным давлением среды, образующегося при перегорании проволочки 12, их выходные концы 13 выполнены с увеличенным диаметром. Во втулке 4 электроды 5 удерживаются с помощью цилиндрических гаек (патрубков с внутренней резьбой) 14. Свободные концы электродов 5 присоединены к источнику высокого напряжения, выполненного в виде конденсатора (на чертеже условно не показан). Форкамера 3 соединена дополнительным патрубком 15 с системой подачи жидкого компонента 16 в камеру сгорания 17. На дополнительном патрубке 15 установлен отсечной клапан 18. Клапан 18 предназначен для отключения генератора от магистрали подачи жидкого компонента в камеру сгорания 17 с целью направления импульса давления при работе генератора непосредственно в жидкостную предфорсуночную полость смесительной головки (в этом случае вся вытесняемая из форкамеры 3 жидкость направляется в жидкостную полость головки).
Генератор импульсов давления работает следующим образом. В соответствии с заданной циклограммой производят подачу компонентов топлива в узлы и агрегаты ЖРД (ТНА, ГГ и агрегаты автоматики) и производят запуск камеры сгорания 17. При этом жидкое горючее поступает в межрубашечное пространство камеры сгорания 17, а из него в предфорсуночную полость камеры сгорания 17. Перед запуском камеры сгорания 17 открывают клапан 18 и жидкий компонент поступает в форкамеру 3 корпуса 1 генератора импульсов давления, вытесняя из нее газовую фазу в предфорсуночную полость и далее через форсунки в камеру сгорания 17. После запуска камеры сгорания 17 закрывают клапан 18. Далее после выхода камеры сгорания 17 на заданный режим работы и в соответствии с заданной программой проверки камеры сгорания 17 на устойчивость на электроды 5 подают напряжение от предварительно заряженного конденсатора (на чертеже условно не показан). В результате течения через проволочку 12 большого электрического тока она мгновенно испаряется с образованием ионизированной плазмы, через которую окончательно разряжается конденсатор. При образовании плазмы выделяется тепловая энергия, которая через лучистый и конвективный теплообмен передается жидкой среде, заполняющей форкамеру 3. Вследствие мгновенного мощного нагрева проволочка 12 превращается в пар. Одновременно в пар высокого давления превращается окружающая проволочку часть жидкой среды. Этот образовавшийся пузырь паров высокого давления вытесняет из форкамеры 3 генератора в жидкостную предфорсуночную полость смесительной головки жидкий компонент (процесс испарения проволочки и окружающей ее жидкости происходит в течение примерно 1-3 микросекунд) и тем самым создает в жидкостной предфорсуночной полости смесительной головки камеры сгорания 17 импульс давления, который распространяется в виде волны давления по всей полости смесительной головки. Это приводит к тому, что импульс давления кратковременно увеличивает перепад давления на форсунках, что в свою очередь кратковременно увеличивает расход и качество распыления поступающего в камеру сгорания жидкого компонента. Этим самым импульс кратковременно возбуждает в камере сгорания 17 волну давления, которая, отражаясь от стенок камеры сгорания 17, вызывает в ней колебания давления с акустической частотой. Колебания давления воздействуют на рабочий процесс и, если рабочий процесс поддержит эти колебания, то это может привести к незатухающим колебаниям в камере сгорания. В этом случае можно сделать заключение, что рабочий процесс в исследуемой камере сгорания неустойчив к высокочастотным колебаниям давления. Если же колебания давления в камере сгорания затухают после ввода импульса давления - рабочий процесс в камере сгорания можно считать устойчивым по отношению к высокочастотным колебаниям давления.
Преимуществом предлагаемого генератора импульсов давления является высокая стабильность величины создаваемых импульсов давления, что обеспечивается заполнением форкамеры генератора компонентом топлива при любом его расположении на смесительной головке камеры сгорания относительно направления силы тяжести.