ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ В АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛОСТЯХ КАМЕР СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к испытательной технике и, в частности, к испытанию 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 является высокочастотная устойчивость рабочего процесса к возникающим в их полостях колебаниям давления. Это связано с тем, что в камерах сгорания при самопроизвольном возбуждении высокочастотных акустических 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.
В связи с этим все создаваемые камеры сгорания и газогенераторы ЖРД необходимо проверять на склонность к самовозбуждению высокочастотных колебаний давления. Наиболее надежный способ определения устойчивости рабочего процесса камеры сгорания ЖРД и газогенератора к высокочастотным колебаниям давления заключается во введении во внутреннюю полость камеры сгорания импульса давления В качестве источника тепловой энергии в этом устройстве используется навеска взрывчатого вещества.
Известен генератор импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащий корпус, в полости которого размещен источник тепловой энергии, соединенный с электродами, при этом к корпусу присоединен патрубок для сообщения полости корпуса с полостью камеры сгорания иди 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, Fig.9.9].
Известный генератор содержит корпус с каналом, осесимметрично с которым на корпусе размещен заряд взрывчатого вещества. Заряд взрывчатого вещества отделен от канала металлической мембраной. Канал корпуса через патрубок соединен с полостью камеры сгорания. Поджиг заряда взрывчатого вещества осуществляется подачей электрического тока на электроды.
Устройство работает следующим образом.
После выхода камеры сгорания на заданный режим работы поджигается заряд взрывчатого вещества. Вследствие его сгорания в замкнутом объеме происходит кратковременное выделение тепловой энергии с образованием газообразных продуктов сгорания, что обеспечивает резкий подъем давления. При достижении определенного давления мембрана прорывается (давление разрыва мембраны определяется ее толщиной и материалом) волна давления в виде импульса поступает через патрубок в камеру сгорания, которая, отражаясь от стенок камеры сгорания, возбуждает в ней акустические колебания. 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 от случайных импульсов давления высокочастотных акустических колебаний и, как следствие, это может приводить к нарушению рабочего процесса, снижению эффективности охлаждения и к разрушению камеры сгорания.
К недостаткам известного устройства для создания импульсов давления в камерах сгорания ЖРД 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 устройства попадают в камеру сгорания с высокой скоростью, вследствие чего могут повредить ее. К недостаткам также следует отнести взрывоопасность зарядов взрывчатого вещества, от которых при случайных взрывах может пострадать обслуживающий персонал.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке генератора импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, обеспечивающего высокую стабильность величины импульса давления и безопасность обслуживания.
Указанная задача решается тем, что в генераторе импульсов давления в акустических полостях камеры сгорания и газогенераторов ЖРД, содержащем корпус, в полости которого размещен источник тепловой энергии, соединенный с электродами, при этом к корпусу присоединен патрубок для сообщения полости корпуса с полостью камеры сгорания или газогенератора ЖРД, согласно полезной модели источник тепловой энергии выполнен в виде металлической проволочки диаметром 0,02…0,5 мм, соединяющей концы электродов, установленных в полости, выполненной в виде форкамеры, вдоль корпуса, причем другие концы электродов предназначены для подключения к источнику высокого напряжения.
На чертеже представлен продольный разрез генератора импульсов давления в акустических полостях камеры сгорания и газогенераторов ЖРД.
Генератор содержит корпус 1 с выходным каналом 2. Вдоль корпуса 1 во внутренней полости 3, выполненной в виде форкамеры, параллельно друг другу размещены электроды 4, герметично установленные в нем посредством электроизолирующей втулки 5. Втулка 5 с электродами 4 уплотняется и удерживается в корпусе 1 с помощью гайки 6. К выходному каналу 2 корпуса 1 подстыкован патрубок 7, присоединяемый к штуцеру камеры сгорания или газогенератора испытуемого ЖРД (на чертеже условно не показаны) с помощью ниппеля 8 и гайки 9. К выходным концам электродов 4, расположенных внутри форкамеры 3 припаяна тонкая металлическая проволочка 10. Проволочка выбирается 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). Для предупреждения выдавливания электродов 4 из полости 3 давлением газов, их выходные концы выполнены с увеличенным диаметром. Во втулке 5 электроды 4 удерживаются с помощью цилиндрических гаек (патрубков с внутренней резьбой) 11. Свободные концы электродов 4 присоединены к источнику высокого напряжения, выполненного в виде конденсатора (на чертеже условно не показан).
От массы газа в форкамере и величины импульса тока зависят величина импульса давления и его длительность. В этой связи геометрические параметры форкамеры выбирают такими, чтобы при нагреве содержащегося в ней газа от тепла при взрыве проволочки электрическим током были получены требуемые величины импульса давления и его длительность.
В исходном состоянии с помощью ниппеля 8 и гайки 9 устройство подсоединено к штуцеру камеры сгорания ЖРД (или газогенератора) (на чертеже условно не показаны).
Генератор импульсов давления работает следующим образом. Запускают камеру сгорания и выводят на заданный режим работы. В заданный момент времени на электроды 4 подают заданное напряжение от предварительно заряженного конденсатора (на чертеже он не показан). В результате течения через проволочку 9 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 полости 3. Вследствие нагрева газообразной среды в форкамере полости 3 резко поднимается давление и, как следствие через патрубок 6 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. 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 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.
Генератор импульсов давления обладает следующими преимуществами по сравнению с известными. Одним из них является повышение стабильности величины импульса, которая в основном зависит от стабильности величины напряжения на конденсаторе, который разряжается через проволочку 9. Стабильность же величины напряжения на конденсаторе обеспечивается точностью современных вольтметров, погрешность которых не превышает 1%. Как показали эксперименты, вследствие больших значений величин напряжения (несколько киловольт), выбираемых при испытаниях, на величине получаемых величин импульсов давления практически не сказываются отклонения в толщине и длине использующихся при экспериментах взрывающихся проволочек.
При взрыве навесок взрывчатого вещества длительность взрыва (выделение тепла) измеряется миллисекундами, т.е. оно соизмеримо с периодом возбуждаемых колебаний давления в камере сгорания. А при взрыве проволочки длительность тепловыделения составляет несколько микросекунд, что не может оказывать влияние на характер возбуждаемых колебаний давления в камере сгорания.