ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ В АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛОСТЯХ КАМЕР СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЖРД
GENERATOR OF PRESSURE PULSES IN COMBUSTION CHAMBER ACOUSTIC CAVITIES AND LIQUID-PROPELLANT ENGINE GAS GENERATOR

Изобретение относится к испытательной технике и, в частности, к испытаниям камер сгорания и газогенераторов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с целью оценки высокочастотной устойчивости процесса горения.
Одной из важных характеристик работы камер сгорания и газогенераторов ЖРД, преимущественно ракет-носителей, является устойчивость рабочего процесса к высокочастотным колебаниям (ВЧК) давления. Это связано с тем, что в камерах сгорания при самопроизвольном возбуждении высокочастотных колебаний давления большой амплитуды нарушается рабочий процесс горения, что приводит к ухудшению условий защиты стенок камер сгорания от высокой температуры, а также к возникновению вибрационных колебаний, приводящих к разрушению камер сгорания. Следует отметить, что устойчивость рабочего процесса в камерах сгорания к ВЧК существенно зависит от таких важных параметров рабочего процесса, как давление в камере сгорания и коэффициента соотношения компонентов топлива.
В связи с этим все создаваемые камеры сгорания и газогенераторы ЖРД необходимо проверять на склонность к самовозбуждению высокочастотных колебаний давления в широком диапазоне рабочих параметров (в рабочем диапазоне по давлению и соотношению компонентов).
Наиболее надежный способ определения устойчивости рабочего процесса камеры сгорания и газогенератора ЖРД к высокочастотным колебаниям давления заключается во введении через канал в стенке камеры сгорания в ее внутреннюю полость импульса давления. В настоящее время такие импульсы давления создаются с помощью генераторов импульсов давления (внешних возмущающих устройств (ВВУ)), в которых тепловая энергия импульса создается при сгорании навески взрывчатого вещества (ВВ). Поскольку испытания камер сгорания являются очень дорогостоящими, целесообразно оценку (проверку) камер сгорания на устойчивость к ВЧК во всем рабочем диапазоне проводить в течение одного испытания, для чего целесообразно использовать многоимпульсный генератор давления.
Известен многоимпульсный генератор давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащий корпус, в котором выполнены форкамера и каналы, соединенные с камерами, заполненными зарядами взрывчатого вещества, к которым присоединены электроды, при этом к форкамере присоединен патрубок для сообщения полости корпуса с полостью камеры сгорания или газогенератора ЖРД [см. Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines. Testing and Development Practices in Russia. Mark L. Dranovsky. Edited by Vigor Yang, Fred E.C. Culick. Douglas G. Talley. Progress in Astronautics and Aeronautics. Frank K. Lu, Editor-in-Chief. Volume 221, p.136 Fig. 9.10, 135]. Заряды BB отделены от каналов металлическими, например из алюминия, мембранами. Подрыв зарядов взрывчатого вещества осуществляется подачей электрического напряжения на электроды.
Генератор работает следующим образом.
После выхода камеры сгорания на заданный режим работы подрывается заряд взрывчатого вещества в ВВУ. Вследствие сгорания ВВ в замкнутом объеме зарядной камеры происходит кратковременное выделение тепловой энергии с образованием газообразных продуктов сгорания, что обеспечивает резкий подъем в ней давления. При достижении определенного давления в зарядной камере мембрана прорывается и волна давления в виде импульса поступает через патрубок в камеру сгорания и, отражаясь от ее стенок, возбуждает в ней акустические колебания. После завершения работы камеры сгорания на первом режиме камера сгорания переводится на следующий режим работы, после чего подрывается следующий заряд и т.д. При этом, если рабочий процесс в камере сгорания не поддерживает колебания давления, они прекращаются. В противном случае колебания будут продолжаться, что указывает на склонность рабочего процесса в камере сгорания к возбуждению высокочастотных акустических колебаний от случайных импульсов давления.
К недостаткам известного многоимпульсного генератора давления следует отнести низкую стабильность величины импульса для одинаковых по массе навесок взрывчатого вещества, что связано с нестабильными характеристиками этого вещества и мембран. Характеристики взрывчатого вещества зависят от плотности заряда, от влажности, от длительности его хранения, от его состава. Характеристики мембран, в свою очередь, зависят от материала, из которого они изготовлены, от технологии изготовления, от величины разброса ее толщины. Кроме того, мембрана или ее куски после прорыва газов из генератора попадают в камеру сгорания с высокой скоростью, вследствие чего могут повредить ее.
Известен 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 0,02...0,5 мм, концы которой присоединены к электродам, установленным вдоль корпуса, другие концы которых предназначены для подключения к источнику высокого напряжения [см. Патент РФ на полезную модель №96635, МПК F23R 7/00, 2010].
Генератор работает следующим образом. Запускают камеру сгорания и выводят ее на заданный режим работы. В определенный момент времени на электроды подают высокое напряжение от предварительно заряженного конденсатора. В результате течения через проволочку 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 газообразной среде, заполняющей форкамеру. Вследствие нагрева газообразной среды в форкамере резко поднимается давление и, как следствие, через патрубок в камеру сгорания ЖРД поступает импульс давления. Поступающий в камеру сгорания импульс давления возбуждает в камере сгорания волну давления, которая, отражаясь от стенок камеры сгорания, вызывает колебания давления с акустической частотой. Оценка устойчивости рабочего процесса камеры сгорания осуществляется также, как и в аналоге в ВВУ.
В отличие от вышерассмотренного ВВУ, использующего ВВ, генератор с взрывающейся проволочкой обеспечивает высокую стабильность величины импульса давления и безопасность обслуживания, но не позволяет подавать в камеру сгорания на одном и том же испытании несколько импульсов давления, что увеличивает материальные затраты при его использовании для оценки высокочастотной устойчивости процесса горения камеры сгорания в широком диапазоне рабочих параметров. Установка же нескольких таких генераторов на камере сгорания приведет к снижению ее прочности, ухудшению и усложнению охлаждения ее стенок.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке генератора импульсов давления, обладающего высокой стабильностью величины импульса и обеспечивающего создание и подачу нескольких импульсов в акустические полости камер сгорания и газогенераторов ЖРД в течение одного испытания.
Указанная задача решается тем, что в генераторе импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащем корпус с подсоединительным патрубком и форкамерой, в которой размещен источник тепловой энергии, выполненный в виде металлической проволочки диаметром 0,02…0,5 мм, концы которой присоединены к электродам, размещенным во втулке из диэлектрика, установленной в корпусе, другие концы которых предназначены для подключения к источнику высокого напряжения, а концы электродов, размещенных внутри форкамеры, выполнены с утолщением, согласно изобретению он снабжен дополнительными электродами, при этом один из электродов установлен по оси форкамеры и является общим, а остальные электроды расположены по окружности с одинаковым зазором между собой, торцы которых расположены в одной плоскости и каждый из которых соединен металлической проволочкой с общим электродом, причем к форкамере подсоединен штуцер для подачи азота продувки.
Кроме того, на торцах электродов могут быть выполнены риски, в которых размещены концы металлических проволочек, при этом на концах электродов, расположенных по окружности, со стороны осевого электрода выполнены впадины.
Причем по окружности расположено четное число электродов, которые установлены под острым углом к осевому электроду, на конце которого в радиальном направлении к электродам, расположенным по окружности, выполнены сквозные радиальные пересекающиеся каналы, в которых размещены металлические проволочки, концы каждой из которых соединены с соответствующей парой противолежащих электродов, расположенных по окружности, причем в торце осевого электрода выполнено глухое отверстие с резьбой, пересекающее сквозные радиальные каналы, в котором установлен винт, прижимающий металлические проволочки к внутренним кромкам сквозных каналов осевого электрода.
При этом втулка из диэлектрика взаимодействует с корпусом по конусу, а концы электродов, размещенных внутри форкамеры, выполнены в виде усеченных конусов.
На фиг.1 представлен продольный разрез генератора импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД. На фиг.2 и фиг.3 изображены соответственно сечение А-А и фрагмент Б фиг.1 в увеличенном масштабе.
Генератор импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД содержит корпус 1, внутри которого установлена втулка 3 из диэлектрического материала, взаимодействующая с ним с целью обеспечения герметичности - по конусу 14, с образованием в корпусе 1 форкамеры 6. Во втулке 3 выполнены сквозные каналы: осевой и шесть - по окружности с одинаковым зазором между собой, выполненные под острым углом к осевому каналу, при этом во всех каналах герметично установлены электроды: осевой 9 и по окружности 10. Втулка 3 уплотняется и удерживается в корпусе 1 с помощью накидной гайки 4 и нажимного кольца 5. Форкамера 6 соединена каналом 7 через ниппель с гайкой 8 с акустической полостью камеры сгорания или газогенератора. Осевой общий электрод 9 и электроды 10 соединены соответственно с клеммами разной полярности источника высокого напряжения, например конденсатора (не показан). Для предупреждения выдавливания электродов 9 и 10 из каналов во втулке 3 давлением газов их концы выполнены с утолщением 11, например, в виде усеченного конуса 12. Концы с противоположной стороны электродов 9 и 10 выполнены с резьбой и на них размещены взаимодействующие с установленными во втулке 3 трубками 2 гайки 13, с помощью которых электроды 9 и 10 герметизируются во втулке 3. Трубки 2 при этом предназначены для повышения надежности электроизоляции электрода 9 от электродов 10. Осевой электрод 9 соединен с электродами 10 металлическими проволочками 19. В одном из вариантов генератора с любым числом электродов 10 (четным или нечетным) для удобства их монтажа они укладываются на торцах электродов 9 и 10 в специально выполненные на них риски (углубления). При этом для сокращения поперечных габаритов генератора при одинаковой рабочей длине проволочек 19 на торцах электродов 10 со стороны, обращенной к осевому электроду 9, выполнены впадины (углубления) 17 в виде ступенек, на верхней полке которых закрепляются проволочки 19. Проволочки 19 выбирают толщиной 0,02...0,5 мм (проволочка толщиной меньше 0,02 мм не обеспечивает достаточной прочности, а толщиной больше 0,5 мм требует слишком большого тока для испарения металла). При четном числе электродов 10 (для нашего случая их 6) в боковой поверхности конца осевого электрода 9 в плоскости торцов электродов 10 выполнены сквозные радиальные пересекающиеся каналы 15 (для нашего случая их 3), в которых размещены (одна на другой) проволочки 19, концы каждой из которых соединены с соответствующей парой противолежащих электродов 10. При этом для обеспечения одинаковой длины проволочек 19, соединяющих электрод 9 и электроды 10, торцы электродов 10 лежат в одной плоскости. Кроме того, расположение электродов 10 по окружности одного радиуса, т.е. на одинаковом расстоянии от осевого электрода 9, также обеспечивает одинаковую длину всех проволочек 19 и, соответственно, создание одинаковых по величине импульсов давления. Причем в торце осевого электрода 9 выполнено глухое отверстие с резьбой, пересекающее сквозные радиальные каналы 15, в котором установлен винт 16, прижимающий металлические проволочки 19 к внутренним кромкам сквозных каналов 15 осевого электрода 9, обеспечивая надежный контакт проволочек 19 с каждым электродом 10. Свободные концы проволочек 19 уложены в риски 18 на торцах электродов 10 и закреплены с помощью пайки. Наличие винта 16 упрощает технологию крепления проволочек 19 к осевому электроду 9. Практически это осуществляется следующим образом: в три канала 15, выполненных, для нашего случая, под 60° в поперечном сечении электрода 9, вводят три отрезка проволочек 19, концы которых располагаются на торцах электродов 10. Затем, вворачивая в резьбовое отверстие торца электрода 9 винт 16, прижимают проволочки 19 к внутренним кромкам сквозных каналов 15, обеспечивая их надежный контакт с электродом 9. Свободные концы проволочек 19 размещают в рисках на торцах электродов 10 и припаивают. Излишние концы проволочек 19 удаляют. Для предупреждения попадания высокотемпературных продуктов горения из камеры сгорания ЖРД в форкамеру 6 она через канал 20 в корпусе 1 и штуцер 21 подсоединена к источнику продувки ее нейтральным газом, например азотом.
От массы газа в форкамере 6 и величины импульса тока зависят величина создаваемого генератором импульса давления и его длительность. В этой связи геометрические параметры форкамеры выбирают такими, чтобы при нагреве содержащегося в ней газа от тепла при взрыве металлической проволочки при прохождении через нее электрического тока были получены требуемые величины импульса давления и его длительность.
В исходном состоянии генератор импульсов давления с помощью ниппеля с гайкой 8 подсоединен к камере сгорания ЖРД или газогенератора (показаны).
Генератор импульсов давления работает следующим образом.
Запускают камеру сгорания и выводят ее на заданный режим работы. Одновременно с запуском камеры сгорания в форкамеру 6 через штуцер 21 подают газообразный азот с давлением, превышающим давление продуктов сгорания. В соответствии с циклограммой работы камеры сгорания в определенный момент времени на электрод 9 и один из электродов 10 подают заданное напряжение от предварительно заряженного конденсатора. При этом для первого варианта генератора, когда каждая проволочка 19 одним концом соединена с осевым электродом 9, а другим - с каждым из электродов 10, ток течет только через ту проволочку 19, к концам которой через электрод 9 и соответствующий электрод 10 подведен ток. Во втором варианте генератора, когда пересекающиеся проволочки 19 прижимаются винтом 16 к внутренним кромкам сквозных каналов 15 осевого электрода 9, обеспечивая надежный контакт проволочек 19, ток потечет только по тому участку одной из проволочек 19, который соединяет осевой электрод 9 с соответствующий электрод 10, к которым подведен ток. В результате течения через участок соответствующей проволочки 19 большого электрического тока она мгновенно испаряется с образованием ионизированной плазмы, через которую окончательно разряжается конденсатор (см. «Взрывающиеся проволочки» перевод с английского, издательство иностранной литературы М., 1963 г., стр.239). При образовании плазмы выделяется тепловая энергия, которая через лучистый и конвективный теплообмен передается газообразной среде, заполняющей форкамеру 6. Вследствие нагрева газообразной среды в форкамере 6 резко поднимается давление и, как следствие, через ниппель с гайкой 8 в камеру сгорания ЖРД поступает импульс давления. Наличие утолщений в виде конусов 11 на концах электродов 9 и 10 препятствует выдавливанию электродов 9 и 10 из форкамеры 6 давлением нагретого газа. Поступающий в камеру сгорания импульс давления возбуждает в камере сгорания волну давления, которая, отражаясь от стенок камеры сгорания, вызывает 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. При этом можно сделать заключение, что рабочий процесс в исследуемой камере сгорания на этом режиме неустойчив к высокочастотным колебаниям давления. Если же колебания давления в камере сгорания прекращаются после ввода импульса давления, рабочий процесс в камере сгорания можно считать устойчивым по отношению к высокочастотным колебаниям давления. После затухания импульса давления камеру сгорания переводят на следующий режим работы и в камеру вводят следующий импульс давления, подавая высокое напряжение на осевой электрод 9 и другой электрод 10.
Предлагаемый генератор импульсов давления обладает следующими преимуществами по сравнению с известными ВВУ. Он не только обеспечивает создание заданного количества импульсов при проверке камер сгорания и газогенераторов ЖРД на устойчивость, но и повышает стабильность величины импульса, которая в основном зависит от стабильности величины напряжения на конденсаторе, который разряжается через проволочку.