4.6.3. Изменение давления в двигателе, барокамере и выхлопном диффузоре

В процессе изменения давления в РДТТ система сопло-выхлопной диффузор проходит несколько состояний; не запущены ни сопло, ни диффузор; сопло запускается раньше диффузора; запущены и сопло, и диффузор; диффузор срывается раньше, чем сопло.

Продукты сгорания, истекающие в диффузор после разрыва сопловой заглушки в период воспламенения твердого топлива, частично пере­мешиваются с воздухом, сжимают его и вытесняют из канала.

Резкие возрастание притока газов в диффузор (возникновение "газового" поршня) сопровождается появлением волны сжатия, рас­пространяющейся по нему со скоростью а.При отражении волны сжатия от выхода из диффузора возникает волна разрежения той же амплитуды, движущаяся в противоположном направлении. В момент t'=(2L+d)/a (промежуток времени d/a_H соответствует процессу отражения волны от открытого конца диффузора) волна разрежения приходит к входу в диффузор, и по всей его длине и в барокамере (малого объема) избыточное внутреннее давление уменьшается до нуля.

Зависимость между повышением давления в области контактной поверхности p /ри расходом газов из РДТТ имеет вид

.

После запуска диффузора относительное давление в барокамере вобщем случае зависит от следующих факторов:

отношения площади входного сечения диффузора к площади крити­ческого сечения F_BX/F;

угла наклона стенок входной части диффузора к его оси _ВХ;

состава газа, истекающего из сопла, и его термодинамических харак­теристик к и R;

угла наклона профиля сопла вблизи выходного среза _а;

числа Маха на выходе из сопла M;

толщины пограничного слоя на выходе из сопла;

притока (оттока) массы и энергии в барокамеру от других источни­ков (помимо начального участка струи ракетного двигателя).

Здесь рассматривается только такая длина диффузора, когда давле­ние в барокамере не зависит от нее, т.е. L/d>(L/d)_aвт. Приближенная оценка (сверху) давления в барокамере возможна на основе теории ' донного давления.

Отношение F_BX/F является главным определяющим параметром как для давления запуска диффузора, так и для давления разрежения .

Приближенно можно указать следующие границы для :

,

где определяется по. Имеет место соотношение (;;;):

.

При давлениер_б возрастает на 25 %.

Значение угла притекания граничной линии тока к стенке диффузора слагается из угла наклона стенки сопла_а, угла поворота границы струи и угла стенки входной части диффузора_ВХ. Угол поворота струи связан с отношением давления в волне, отходящей от кромкисопла:

; при сжатии .

Вследствие того, что ограничен, давление в барокамере возрас­тает с увеличением_а+_ВХ.

Снизить давление р_б можно несколькими способами:

увеличением диаметра входного сечения диффузора (при этом увеличивается также давление запуска);

уменьшением угла встречи границ струи со стенкой;

охлаждением газов в области разрежения;

уменьшением притока газов от сторонних источников, отсосом газа из области разрежения (так, отсос 0,3...1% расхода газов из двига­теля приводит к снижению давления разрежения примерно в три раза, М_а2).

Изменяя приток (отток) газов в область разрежения, можно регули­ровать высотные условия в процессе испытания.

При уменьшении давления в ракетном двигателе ниже уровня рабо­чего давления выхлопного диффузора (давления срыва) реактивная струя отсоединяется от его стенок, и в области отсоединения возникают две волны — сжатия, распространяющаяся к двигателю, и разрежения, движущаяся к выходу из диффузора. Волна сжатия может быть асим­метричной, и при ее набегании на сопловой блок последний испытывает ударную нагрузку как в осевом, так и в боковом направлениях. Волна разрежения, отразившись от выхода из диффузора, у которого давление превращается в волну сжатия, распространяющуюся в направлении к двигателю и барокамере. При отражении волн сжатия от стенок давле­ние возрастает еще больше, поэтому р_б может кратковременно превы­шать .По мере роста р_б происходит отрыв потока от стенки сопла, при отрыве перепад давлений на ней направлен снаружи внутрь сопла и сначала равен р_а—р_б=-0,5 М_ар_оп (М_а).

Отрыв может быть асимметричным, при этом возникают боковые нагрузки на сопло.

Пройдя срез сопла, волна давления распадается на две, одна из ко­торых, входит в сопло, а другая — в объем барокамеры, окружающий сопло. Внутреннее давление в период распространения распавшейся волны превышает наружное, но значение перепада может существенно превзойти рабочий уровень при безотрывном течении и номинальном давлении в двигателе; соответственно возрастает осевая нагрузка на соп­ло и искажаются тяговые характеристики.

Для защиты от возвратных течений и их вредных последствий на послесрывных (и предпусковых) режимах работы диффузоров при­меняются:

1. дополнительные паровые эжекторы, установленные вблизи вы­ хода из диффузора, или инжекторы, установленные вблизи входа в диф­фузор. Включение и выключение этих струйных аппаратов осуществ­ляется автоматически в зависимости от уровня давления в испытуемом двигателе;

2. продувка барокамеры инертным газом (азотом или гелием), включаемая перед окончанием работы двигателя (а также до запуска и во время работы двигателя с целью удаления окислительных элемен­тов из замкнутого объема);

3. перекрытие канала на выходе из диффузора с помощью быстро­ действующего клапана-заслонки;

4. охлаждение потока впрыском воды в барокамеру.

Сопловую часть испытуемого двигателя защищают от лучистого теплового потока или от циркуляции горячих газов в донной части с помощью теплозащитных экранов, дополнительной внешней теплоизо­ляции, завесы из водяных струй.

Нестационарные нагрузки на стенки сопла, барокамеры, выхлопного диффузора при запуске и останове РДТТ можно оценить путем числен­ного интегрирования системы газодинамических уравнений (например, с использованием разностной схемы С.К. Годунова).

Для оценки ударно-волновых нагрузок, возникающих в высотном стенде при возможном аварийном исходе испытания, используются:

1. численное интегрирование нестационарных уравнений газодина­мики в сферической, осесимметричной или пространственной поста­новке;

2. моделирование нагрузок с помощью заранее подготовленного разрыва газонаполненного сосуда;

3. моделирование нагрузок с помощью подрыва эквивалентного количества тринитротолуола для создания на заданном расстоянии заданной энергии (тротиловый эквивалент Э), заданного импульса(Э) или максимального избыточного давления (Э). Так, в табл. 4.19приведены эти тротиловые эквиваленты для моделирования разрыва сферы 0,35 м, наполненной продуктами сгорания твердого топлива при давлении 30 МПа (=29кг/м³); здесь же даны расчетные значения избыточного давления в скачке р, возникающем при разрыве этой сферы.

Таблица 4.19

Тротиловые эквиваленты при разрыве сферы,

наполненной продуктами сгорания ТРТ