Динамическое взаимодействие продуктов сгорания с конструктивными элементами камеры сгорания РДТТ

УДК 621.454.3.026.8.001.57

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ С КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ РДТТ

ПЕТРОВА Е. Н., САЛЬНИКОВ А. Ф.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

АННОТАЦИЯ. В работе рассмотрены условия частотного взаимодействия, влияющие на акустическую устойчивость работы ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) и их влияние на изменение уровня колебаний давления при продольных колебаниях газа в камере сгорания (КС). Приведены исследования КС при оценке устойчивости работы ракетного двигателя. Анализ устойчивости работы РДТТ в большинстве случаев рассматривается в контексте определенных процессов, протекающих в камере сгорания, как горение твердого топлива, формирование потока продуктов сгорания и истечение из сопла и т.д., что существенно снижает интегральную оценку работы РДТТ, как механической колебательной системы в случае возникновения неустойчивости, связанной с колебаниями давления в камере сгорания и тяги двигателя.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: камера сгорания, ракетный двигатель, динамика, конструктивные элементы.

Формируемая нестабильность в потоке вызывает акустические колебания газа и при определенных условиях эта нестабильность может инициировать значительные по амплитуде колебания, связанные с установившимися автоколебаниями по одной из собственных частот газового столба. Влияние условий формирования газового потока, особенностей изменения геометрических характеристик канала камеры сгорания РДТТ достаточно изучено. Однако, в данных исследованиях практически не рассматриваются вопросы влияния конструктивных элементов в условиях возникновения автоколебаний в РДТТ, как механической системы, в которой вынуждающей силой является колебание давления в камере сгорания

Корректного алгоритма, который мог бы связать динамическое взаимодействие продуктов сгорания с конструктивными элементами камеры сгорания на сегодня практически нет, поэтому разработка такой модели является одной из актуальных задач. Она позволит связать не только процессы течения газового потока и его динамику при выгорании топливного заряда, но и определить условия возможного возникновение акустической неустойчивости в камере сгорания РДТТ в процессе его работы.

В данной работе рассматривается методика оценки динамического взаимодействия газодинамических процессов в камере сгорания РДТТ и колебаний его элементов. Разработанный алгоритм предполагает варьирование в широком диапазоне как конструктивными, так и газодинамическими параметрами. Методика позволяет выявить основные газодинамические источники акустических колебаний в газовом потоке.

При формировании газодинамических источников существенную роль играет геометрия проточной части камеры сгорания. Для влияния конструктивных элементов проточной части КС на возникновение продольной акустической неустойчивости при работе РДТТ проводились исследования на экспериментальной установке на «холодном» газе «Эхо» (рис. 1). Продувки проточной части КС позволили решить проблему поиска источников притока акустической энергии в КС при обтекании газом ее конструктивных элементов [1].

1- динамическая головка внешнего источника;

2- подвод рабочего тела;

3- корпус двигателя;

4-датчики акустического давления;

5-пористый материал;

6-звукоизоляционный материал

Рис. 1. Экспериментальная установка

На экспериментальной установке проводилось частичное моделирование с использованием критериев подобия.

На основании полученных исследований была получена рабочая гипотеза формирования слоя скольжения потока в газодинамическом тракте изделия, которая позволяет через локализацию колебаний элементов массы получить продольную стоячую волну. Исследования позволили выделить четыре характерные зоны (рис. 2) [2].

Первая зона - (М = 0,01 ^ 0,03; БЬ = 0,1) характеризуется появлением упорядоченных крупномасштабных вихревых структур по потоку. Скорость газового потока, вдуваемого с «горящей» поверхности, близка к скорости осевого потока. Образуется чередующееся вихревое движение по всему объему канала камеры сгорания. Приток акустической энергии невелик, поэтому продольная акустическая неустойчивость отсутствует.

Вторая зона - (М = 0,05 ^ 0,2; БЬ = 0,4 ^ 0,7) Течение характеризуется неупорядоченным вихреобразованием в пограничном слое, который достаточно велик. Формируется осевой поток, где скорость значительно превышает скорость вдува с боковой поверхности. Шум турбулентного течения имеет широкий спектр, с незначительным увеличением амплитуды на частотах, близких к собственным колебаниям газового столба полости модельного двигателя. Возможность появления продольной акустической неустойчивости.

Третья зона - (М = 0,2 ^ 0,6; БЬ = 0,9 ^ 1,0) характеризуется упорядоченным вихревым движением в пограничном слое. Частотный спектр акустических колебаний такого движения лежит в области собственных частот камеры сгорания одной или нескольких первых мод колебаний. Слой скольжения потока является значительным усилителем и источником акустических колебаний в камере сгорания.

Четвертая зона - (М > 0,6; БЬ > 1,0) характеризуется уменьшением вихревого шума. Интенсивность акустических колебаний в модельной камере в целом падает, но возрастает уровень шума струи за срезом сопла.

а) Ь)

Рис. 2. Вихревая структура слоя скольжения: а) -/ =1224 Гц, Ь) -/ = 846 Гц

Существующие математические методы позволили определить особенности течения продуктов сгорания в КС РДТТ, обусловленные существенной неодномерностью, влиянием градиентов давления, сжимаемостью и турбулентностью. Основная математическая модель газодинамического моделирования базируется на уравнениях Навье-Стокса с различными условиями описания турбулентного взаимодействия в потоке и на границе, имитирующей выгорание топливного заряда в процессе его работы. Динамическая модель колебаний элементной базы РДТТ описывается моделью с распределенными параметрами с использованием алгоритма, описанного Ильгамовым М. А. для колебаний оболочки с вязким наполнителем и газом, доработанная для возможности ее использования с переменными значениями масс и физико-механическими свойствами конструктивных элементов [3]. Данный алгоритм позволяет учитывать влияние изменения частоты колебания конструктивных элементов в процессе работы двигателя и изменение амплитуды колебания давления на границе топливо-газ. Расчетные алгоритмы верифицированы по результатам экспериментальных исследований, как на модельных двигателях, так и по результатам ОСИ.

С помощью разработанного алгоритма условий динамического взаимодействия были проведены оценки различные конструкции газового тракта базового варианта РДТТ ОКБ «Новатор».

Анализ результатов математического моделирования только условий формирования потока и динамики его течения показал, что рекомендованные изменения по расположению щелевого компенсатора и количества щелей позволяют существенно снизить величину размаха колебания давления в газодинамическом тракте изделия.

Необходимо отметить, что частота вихревого источника на входе в утопленное сопло «плавает» в диапазоне частот от 240 до 280 Гц для базового варианта (рис. 3) и в диапазоне от 190 до 242 Гц в начальный момент работы газохода. Проведенные исследования с помощью физического моделирования на установке «ЭХО» подтвердили результаты математического моделирования. Совместно с ОКБ «Новатор» была доработана конструкция газового тракта изделия (рис. 4). Физическое моделирование доработанного изделия показал, что вход в утопленное сопло инициирует возбуждение колебаний в камере сгорания более существенно, чем газодинамическое взаимодействие по каналу, но интегральная характеристика динамики возбуждения колебаний изменилась, хотя частотный диапазон изменился не существенно. Падение амплитуды колебаний в новом варианте составлял менее 0,65 %, что обеспечивало выполнение требований технического задания для данного изделия.

Анализ результатов математического моделирования показал, что рекомендованные изменения по расположению щелевого компенсатора и количества щелей позволяют существенно снизить величину размаха колебаний в камере сгорания в процессе выгорания топливного заряда. С помощью математического алгоритма был проведен анализ изменений конструктивных элементов проточной части, что позволило выбрать наиболее оптимальный вариант и дать рекомендации по изменению его базового варианта геометрии проточной части.

Рис. 4. Общий вид газодинамического тракта

Результаты исследования различных вариантов газового тракта, приведенные в табл. 1 и 2, показывают возможность снижения ожидаемого уровня колебаний давления в 2,93 раза по сравнению с базовым вариантом.

Таблица 1

Влияние конструктивных особенностей щелевого компенсатора на амплитуду колебаний давления

в газодинамическом тракте

Температура наполнителя, °С Размах колебаний давления в расчетных вариантах тракта разных типов щелевого компенсатора (2А), МПа

базовый вариант пять щелей семь щелей восемь щелей пять парных примечание

5 °С начало 0,16 0,18 0,18 0,16 0,06 Последний вариант -рекомендованный по результатам экспериментально-теоретических исследований

средина 0,035 0,036 0,036 0,034 0,04

конец 0,028 0,030 0,029 0,027 0,027

15 °С начало 0,18 0,19 0,18 0,018 0,062

средина 0,038 0,039 0,038 0,036 0,04

конец 0,028 0,030 0,029 0,028 0,027

35 °С начало 0,22 0,21 0,19 0,2 0,071

средина 0,04 0,04 0,039 0,04 0,04

конец 0,03 0,03 0,025 0,029 0,027

Таблица 2

Влияние конструктивных особенностей щелевого компенсатора на частоту колебаний давления

в газодинамическом тракте

Температура наполнителя, °С Частота колебаний давления в расчетных вариантах тракта разных типов щелевого компенсатора, Гц

базовый вариант пять щелей семь щелей восемь щелей пять парных Примечание

5 °С начало 245/280 248/285 242/270 220/275 190/242 Колебания вихря на входе в утопленное сопло

средина 242 242 240 240 240

конец 240 240 240 240 240

15 °С начало 245/280 248/282 242/268 230/274 190/243

средина 242 242 240 240 240

конец 240 240 240 240 240

35 °С начало 245280 248/282 242/268 230/278 185/245

средина 242 242 240 240 240

конец 240 240 240 240 240

Приведенные выше экспериментальные результаты исследований и математического моделирования выполнены без учета влияния изменений частотных характеристик элементов проточной части камеры сгорания. Однако в реальных условиях работы РДТТ имеет место изменение собственных частотных характеристик конструктивных элементов ракетного двигателя. Изменение массы, тепловой нагрев, изменение напряжений в конструктивных узлах и элементах создают условия для перестройки собственных частот конструкции. Кроме того, диссипативные свойства конструктивных элементов также

изменяются, что в конечном итоге может привести к изменению динамического поведения РДТТ и, как следствие, изменение величины амплитуды колебаний давления в камере сгорания за счет дополнительного резонансного взаимодействия «газовая полость -конструкция РДТТ». Такой подход условий взаимодействия требует определенных дополнительных исследований при проведении ОСИ и в полете для измерения уровня вибраций конструктивных элементов и сопоставления их с уровнем колебания давления в камере сгорания. На сегодня данных таких нет. Поэтому разработка математических алгоритмов, в которых могли быть учтены физико-механические свойства конструктивных элементов, изменение граничных условий при расчете и изменения геометрии проточной части КС является актуальным.

Разработанный математический алгоритм определения частотного взаимодействия базируется на двух известных подходах. Первый связан с рассмотрением конструктивных элементов системы РДТТ, как системы точечных масс с определенными жесткостными и вязкостными свойствами [4]. Применительно к РДТТ данная схема рассматривается впервые. Второй подход связан с использованием модели с распределенными массами и базируется на исследовании волновых полей.

Исследование влияния конструктивных элементов в процессе работы двигателя показало, что возможно в определенные моменты времени работы двигателя резонансное взаимодействие колебательных процессов конструкции и газовой полости камеры сгорания, что может приводить к росту амплитуды колебаний давления в камере сгорания. В качестве примера на рис. 5 приведена зависимость изменения относительного значения амплитуды колебания давления в камере сгорания исследуемого двигателя (Арас/Атз). Из графической зависимости видно, что на 3 - 4 секунде возможны усиления колебания давления при выгорании твердотопливного заряда. Таким образом, рассмотренный подход в оценке изменения динамического поведения РДТТ, как механической системы позволяет существенно повысить понимание условий изменения амплитуд колебания давления в камере сгорания, а, следовательно, и тяги двигателя.

ДА а 1

О

Щк - собственная частота корпуса, Щ - собственная частота газа внутри камеры сгорания

Рис. 5. Изменение относительного значения амплитуды калебаний давления в камере сгорания ракетного двигателя во время его работы

Кроме того, разработанный алгоритм определения частот и их изменения в процессе работы двигателя позволяют провести оценку относительного значения амплитуды калебаний давления в камере сгорания при частотном взаимодействии его конструктивных элементов с первой продольной (или иной) модой колебания газа в камере сгорания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сальников А. Ф., Петрова Ек. Н., Петрова Ел. Н. Экспериментальное исследование перекачки энергии колебательных процессов горения в колебания газа в камере сгорания // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 4. С. 420-430.

2. Сальников А. Ф., Петрова Е. Н., Балуева М. А. Влияние конструктивных элементов камеры сгорания твердотопливного ракетного двигателя на величину амплитуды колебаний давления // Вестник Пермского государственного технического университета. Аэрокосмическая техника. 2006. № 26. С. 16-20.

3. Ильгамов М. А. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ. М.: Наука, 1969. 182 с.

4. Кашина И. А., Сальников А. Ф. Методы определения собственных частот элементов системы РДТТ // Электронный журнал «Труды МАИ». 2013. № 65. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35841 (дата обращения 24.09.2013).

DYNAMIC INTERACTION COMBUSTION WITH STRUCTURAL ELEMENTS COMBUSTION CHAMBER SPRE

Petrova E. N., Salnikov A. F.

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

SUMMARY. In this article frequency interaction conditions, that affect on acoustic stability of solid-propellant rocket engine (SPRE) action, and its influence on level change of pressure fluctuations with longitudinal gas oscillations in the combustion chamber (CC) are considered. Studies of CC in the assessment of the operating rocket engine stability are reported. In most cases, stability analysis of operating SPRE is discussed in the context of certain processes, which are going in combustion chamber. For example, burning of solid propellant, forming of postcombustion flow and nozzle flow, etc. It dramatically reduces integral estimation of SPRE action, as a mechanic oscillation system in case of instability occurrence, associated with the pressure fluctuations in combustion chamber and engine thrust.

KEYWORDS: combustion chamber, rocket engine, dynamics, structural elements.

REFERENCES

1. Sal'nikov A. F., Petrova Ek. N., Petrova El. N. Eksperimental'noe issledovanie perekachki energii kolebatel'nykh protsessov goreniya v kolebaniya gaza v kamere sgoraniya [Experimental research of conservation of energy from instability combustion to fluctuation in gas in the engine combustion chamber]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mezoskopiya], 2008, vol. 10, no. 4, pp. 402-409.

2. Sal'nikov A. F., Petrova E. N., Balueva M. A. Vliyanie konstruktivnykh elementov kamery sgoraniya tverdotoplivnogo raketnogo dvigatelya na velichinu amplitudy kolebaniy davleniya [The impact of structural components of the combustion chamber solid rocket motor on the value of the pressure oscillation amplitude]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika [Bulletin of Perm State Technical University. Aerospace equipment], 2006, no. 26, pp. 16-20.

3. Il'gamov M. A. Kolebaniya uprugikh obolochek, soderzhashchikh zhidkost' i gaz [Fluctuations in elastic shells containing the liquid and gas]. Moscow: Nauka Publ., 1969. 182 p.

4. Kashina I. A., Sal'nikov A. F. Metody opredeleniya sobstvennykh chastot elementov sistemy RDTT [Methods for determination of the natural frequencies of the elements SRM system]. El. zhurnal Trudy MAI [El. journal Proceedings of the MAI], 2013, no. 65. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35841 (accessed September 24, 2013).

Петрова Елена Николаевна, кандидат технических наук, доцент ПНИПУ, тел. 79128813739, e-mail: pen77@mail.ru

Сальников Алексей Федорович, доктор технических наук, профессор ПНИПУ, e-mail: afsalnikov_1 @mail. ru