Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью
Розглянуто механізми теплогідродинамічної нестійкості в агрегатах рідинного реактивного двигуна. Встановлено, що автоколивання помпажу в системі подачі компонентів палива можуть збуджуватися при в цілому стійкій, монотонно спадаючій характеристиці шнековідцентрового насоса. Обгрунтований раніше неві...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30005 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью / Б.И. Басок, В.В. Гоцуленко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 88-93. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30005 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Басок, Б.И. Гоцуленко, В.В. 2012-01-17T10:49:10Z 2012-01-17T10:49:10Z 2010 Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью / Б.И. Басок, В.В. Гоцуленко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 88-93. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30005 629.7:533.6.001 Розглянуто механізми теплогідродинамічної нестійкості в агрегатах рідинного реактивного двигуна. Встановлено, що автоколивання помпажу в системі подачі компонентів палива можуть збуджуватися при в цілому стійкій, монотонно спадаючій характеристиці шнековідцентрового насоса. Обгрунтований раніше невідомий механізм вібраційного горіння. Визначено вплив нестаціонарності витікання із сопла на коливання в камері згоряння. Mechanisms of the thermohydrodynamical instability in inits of a liquid jet engine are considered. It is established that surge self-oscillations in the supply system of components of fuel can be raised at a generally stable monotonously decreasing characteristic of a screw — centrifugal pump. The new mechanism of vibration burning is proved. The influence of instability of expirations from a nozzle on fluctuations in the chamber of combustion is determined. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Теплофізика Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью Self-oscillations in inits of a liquid jet engine caused by a thermohydrodynamical instability Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| spellingShingle |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью Басок, Б.И. Гоцуленко, В.В. Теплофізика |
| title_short |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| title_full |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| title_fullStr |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| title_full_unstemmed |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| title_sort |
автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью |
| author |
Басок, Б.И. Гоцуленко, В.В. |
| author_facet |
Басок, Б.И. Гоцуленко, В.В. |
| topic |
Теплофізика |
| topic_facet |
Теплофізика |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Self-oscillations in inits of a liquid jet engine caused by a thermohydrodynamical instability |
| description |
Розглянуто механізми теплогідродинамічної нестійкості в агрегатах рідинного реактивного двигуна. Встановлено, що автоколивання помпажу в системі подачі компонентів палива можуть збуджуватися при в цілому стійкій, монотонно спадаючій характеристиці шнековідцентрового насоса. Обгрунтований раніше невідомий механізм вібраційного горіння. Визначено вплив нестаціонарності витікання із сопла на коливання в камері згоряння.
Mechanisms of the thermohydrodynamical instability in inits of a liquid jet engine are considered. It is established that surge self-oscillations in the supply system of components of fuel can be raised at a generally stable monotonously decreasing characteristic of a screw — centrifugal pump. The new mechanism of vibration burning is proved. The influence of instability of expirations from a nozzle on fluctuations in the chamber of combustion is determined.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30005 |
| citation_txt |
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного двигателя, обусловленные теплогидродинамической неустойчивостью / Б.И. Басок, В.В. Гоцуленко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 88-93. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT basokbi avtokolebaniâvagregatahžidkostnogoreaktivnogodvigatelâobuslovlennyeteplogidrodinamičeskoineustoičivostʹû AT goculenkovv avtokolebaniâvagregatahžidkostnogoreaktivnogodvigatelâobuslovlennyeteplogidrodinamičeskoineustoičivostʹû AT basokbi selfoscillationsininitsofaliquidjetenginecausedbyathermohydrodynamicalinstability AT goculenkovv selfoscillationsininitsofaliquidjetenginecausedbyathermohydrodynamicalinstability |
| first_indexed |
2025-11-25T22:49:42Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:49:42Z |
| _version_ |
1850574574845952000 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
8 • 2010
ТЕПЛОФIЗИКА
УДК 629.7:533.6.001
© 2010
Член-корреспондент НАН Украины Б.И. Басок, В.В. Гоцуленко
Автоколебания в агрегатах жидкостного реактивного
двигателя, обусловленные теплогидродинамической
неустойчивостью
Розглянуто механiзми теплогiдродинамiчної нестiйкостi в агрегатах рiдинного реак-
тивного двигуна. Встановлено, що автоколивання помпажу в системi подачi компо-
нентiв палива можуть збуджуватися при в цiлому стiйкiй, монотонно спадаючiй ха-
рактеристицi шнековiдцентрового насоса. Обгрунтований ранiше невiдомий механiзм
вiбрацiйного горiння. Визначено вплив нестацiонарностi витiкання iз сопла на коливан-
ня в камерi згоряння.
Главной проблемой при разработке жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) является
обеспечение устойчивости рабочих процессов в его агрегатах. Сложность и недостаточная
их изученность требует значительного количества экспериментов с существенной затратой
средств и времени.
Основными потенциально неустойчивыми элементами двигателя являются: система по-
дачи компонентов, включающая параллельное соединение центробежных или шнекоцен-
тробежных насосов, камеры сгорания газогенератора и двигателя, а также сопло газогене-
ратора и реактивное сопло.
Известно, что шнековые насосы ЖРД работают перед срывом подачи в режиме кавита-
ции [1], и помпаж в таких системах возбуждается даже при в целом устойчивой монотонно
падающей характеристике H(Q) шнекоцентробежного насоса [2]. В камере сгорания са-
мовозбуждаются автоколебания вибрационного горения [3, 4], а при истечении из сопла
газогенератора или реактивного сопла наблюдаются автоколебания, обусловленные нисхо-
дящей ветвью на соответствующей характеристике сопла hc(Q), что было обнаружено при
истечении из твердотопливного двигателя [5]. Автоколебания, возникающие из-за образо-
вания нисходящей ветви на характеристике hc(Q), являются причиной возбуждения энтро-
пийных волн в камере сгорания, а также способствуют увеличению амплитуды колебаний
независимо от механизмов их поддержания.
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
Общим необходимым условием возбуждения перечисленных выше автоколебаний в агре-
гатах ЖРД является положительность потока акустической энергии A > 0 [6], которая
эквивалентна следующим неравенствам:
A > 0 ⇔
dH
dQ
> 0 ⇔
dhc
dQ
< 0 ⇔ τ > 0, (1)
где τ — запаздывание сгорания топлива; Q — объемный расход.
Известно, что необходимым условием помпажа лопастных нагнетателей [7] является
образование на напорной характеристике H(Q) восходящей ветви, где выполняется усло-
вие dH/dQ > 0, что обусловлено отрывными течениями, порождающими вихревые дви-
жения.
Экспериментально установлено [8], что монотонно падающая характеристика H(Q) цен-
тробежного насоса в режиме кавитации разветвляется. Кавитационные ее разветвления
H(Q,∆h), где ∆h — величина кавитационного запаса, в области малых подач представляют
собой восходящие ветви, что является причиной возбуждения автоколебаний, обладающих
свойствами помпажа.
Помпаж шнекоцентробежного насоса, как уже отмечалось, может возбуждаться при
устойчивой его характеристике в целом. Это обусловлено работой шнека в области восхо-
дящих кавитационных разветвлений H(Q,∆h) его напорной характеристики и образовани-
ем сепарационной кавитационной каверны между шнеком и центробежной ступенью, из-за
упругости которой система подачи становится динамической системой с двумя степенями
свободы [2]. Образование кавитационных восходящих разветвлений в области малых подач
составляет ранее неизвестный механизм помпажа при работе лопастных насосов в кавита-
ционном режиме.
При вибрационном горении самовозбуждение автоколебаний происходит вследствие за-
паздывания τ сгорания топлива (механизм Л. Крокко), а также непосредственно в связи
с выделением теплоты сгорания. Известно, что феномен Рийке обусловлен теплотой, подво-
димой от электроспирали в нижней части вертикальной трубы. При этом причиной фено-
мена является образование нисходящих ветвей на зависимостях гидравлических потерь по
длине hℓ(Q), а также тепловых потерь hT (Q), возникающих в области теплоподвода из-за
изменения скорости потока, вызванной уменьшением плотности среды, которые составляют
местное сопротивление, вызванное подводом теплоты.
Нисходящие ветви сопротивлений hℓ(Q) и hT (Q) порождают восходящую ветвь на на-
порной характеристике F (Q) теплоподвода, что определяет механизм термоакустических
автоколебаний в явлениях, происходящих при изменении теплового потока. Наряду с изве-
стным механизмом Л. Крокко запаздывания τ сгорания топлива образование восходящей
ветви на характеристике камеры сгорания из-за теплоподвода представляет ранее неизве-
стный второй механизм вибрационного горения.
При вибрационном горении в ЖРД [9] установлен диаметрально противоположный ха-
рактер изменения автоколебаний, порождаемых этими механизмами при изменении волно-
вого сопротивления Z =
√
La/Ca камеры сгорания, где La — акустическая масса, а Ca —
акустическая гибкость [7]. При возрастании Z амплитуда колебаний, обусловленных за-
паздыванием τ , увеличивается, а амплитуда колебаний, возникающих вследствие возра-
стающего по расходу изменения напора, уменьшается и наблюдается их полное исчезно-
вение. С уменьшением Z амплитуда колебаний, поддерживаемых механизмом запаздыва-
ния τ , уменьшается. Колебания, связанные с неустойчивым изменением напора, когда
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 89
Рис. 1. Схема рассматриваемого двухкомпонентного ЖРД
dF/dQ > 0, при гармонической форме увеличиваются по амплитуде, а затем с даль-
нейшим уменьшением Z преобразуются в релаксационные колебания с постоянной амп-
литудой.
Задачей данной работы является определение особенностей автоколебаний в ЖРД
(рис. 1) при проявлении рассмотренных выше механизмов термогидродинамической неу-
стойчивости в потенциально неустойчивых агрегатах двигателя.
Уравнения сохранения количества движения, массы и энергии применительно к дина-
мике в камере сгорания ЖРД запишем в виде:
∂
∂t
(ρ~υ) + ρdiv ~υ · ~υ + (~υ · ∇)(ρ~υ) = ρ~g − grad p+ div ~~τ,
∂ρ
∂t
+ div(ρ~υ) = 0, dq = di+ d
|~υ|2
2
+ dhT ,
(2)
где ~υ, ρ, p — скорость, плотность, давление среды; ~g — ускорение свободного падения; ~~τ —
тензор вязких напряжений; q — удельный тепловой поток; i — энтальпия потока; hT —
тепловое сопротивление.
Система уравнений (2) действием оператора дискретизации по пространственным пе-
ременным может быть, приближенно, приведена к конечномерной динамической системе.
Для этого область камеры сгорания Ω = Ω0
⋃
Ωt разбивается на Ω0 — подобласть холо-
дного потока и Ωt — подобласть нагретого потока, пересекающиеся по зоне теплоподвода.
На динамические параметры f(x, t) действие оператора дискретизации осуществляется по
правилу
〈f(x, t)〉 =
1
|Ω0|
∫
Ω0
f(x, t) dx при x ∈ Ω0,
1
|Ωt|
∫
Ωt
f(x, t) dx при x ∈ Ωt.
(3)
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
Рис. 2. Напорная характеристика i-го насоса, ее кавитационные разветвления и рабочая ветвь Fi(Gi,∆hi),
определяемая зависимостью ∆hi = ψi(Gi) в МПа
Поcле применения к (2) оператора дискретизации (3) система уравнений нестационарных
движений топлива в ЖРД, с учетом времени запаздывания сгорания топлива τ , запишется
в виде:
La,к.с
dG
dt
= F (G) − hT (G) − pc,
Ca,к.с
dpc
dt
= G(t− τ)−Gc,
(4)
где F (G) = pк.с — напорная характеристика потока топлива, подаваемого в камеру сгора-
ния; Gc = Sкрβ(k)pc/c(Tc) — расход продуктов сгорания через реактивное сопло; β(k) =
= k(2/(k+1))(k+1)/(2(k−1)) ; c(Tc) — скорость распространения звука в камере сгорания; G —
весовой расход топлива.
Функция F (G) определяет зависимость давления pк.с от расхода G, подаваемого вет-
вями параллельного соединения системы подачи компонентов, где i-я ветвь определяется
уравнением
pк.с = pнад.i + ρigZi −Ri(Gi) + Fi(Gi,∆hi) (i = 1; 2). (5)
Здесь pнад.i — давление наддува емкости, содержащей i-й компонент; Zi — высота столба
компонента перед входом в насос; Ri(Gi) — гидравлические потери в i-й ветви магистра-
ли подачи; Fi(Gi,∆hi) — характеристика i-го насоса и ее кавитационные разветвления.
Рабочая характеристика насоса при известной зависимости ∆hi = ψi(Gi) кавитационно-
го запаса от расхода является однозначной функцией расхода [10]. На рис. 2 представ-
лены зависимости характеристики центробежного насоса Fi(Gi,∆hi) и ее рабочая ветвь,
определяемые, согласно зависимости ∆hi = ψi(Gi). При возрастании расхода G в камере
сгорания из-за отклонения его от стационарного значения, что обусловлено нисходящими
зависимостями сопротивлений hT (G) и Ri(Gi), скоростной напор перед входом в i-й на-
сос возрастает. Если статическая величина давления при этом поддерживается постоянной,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 91
Рис. 3. Предельные циклы и соответствующие им формы автоколебаний в камере сгорания: а — при восхо-
дящей зависимости hc(G); б — при образовании на ней нисходящей ветви; а, б — τ = 0 c; в, г — τ = 10−5 c
зависимость ∆hi = ψi(Gi) является возрастающей. Поэтому рабочие ветви характеристик
насосов Fi(Gi,∆hi) в области восходящих кавитационных разветвлений [10] являются воз-
растающими, что определяет такой же характер функции F (G) и, согласно (1), составляет
необходимое условие возбуждения автоколебаний.
Выделяемая теплота сгорания или подводимая к потоку в различных явлениях порож-
дает тепловое сопротивление hT (G), которое определяется показателем политропы n [11].
Для изобарного процесса и сгорания топлива с постоянной температурой Tг, что свойствен-
но условиям ЖРД, тепловое сопротивление определяется зависимостью
hT (G) =
G2
ρS2
[
1−
(
Tг
T1
)2]
,
где S — площадь поперечного сечения камеры сгорания; T1 — температура испарившегося
топлива перед его воспламенением; ρ — плотность топлива при температуре T1.
Если с увеличением расхода топлива G изменяется соотношение между его компонен-
тами, что приводит к снижению температуры в камере сгорания, на характеристике сопла
образуется нисходящая ветвь, которая особенно значительна в сопловом аппарате камеры
сгорания газогенератора [3]. Это является причиной возбуждения энтропийных волн.
Определив зависимость F∑(G) = F (G) − hT (G), когда восходящая ее ветвь образует-
ся из-за кавитационных явлений в насосе и нисходящей ветви теплового сопротивления
hT (G), используя алгоритм [12], находим периодические решения системы (4), при возрас-
тающей характеристике сопла hc(G) (рис. 3, a) и в случае образования у нее падающей
ветви (рис. 3, б ).
При гармонической форме колебаний из-за нисходящей ветви зависимости hc(G), обра-
зующейся при изменении соотношения между компонентами топлива, амплитуда колеба-
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
ний (см. рис. 3) увеличивается. Амплитуда релаксационных автоколебаний в этом случае
не возрастает. Снижение интенсивности dhc/dG на падающей ветви hc(G) осуществляется
повышением сопротивления сопла и обеспечением неизменности величины соотношения
компонентов.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. В системах подачи ЖРД при работе центробежного насоса в кавитационном режиме,
перед срывом подачи, напорная характеристика которого является монотонно убывающей,
помпаж возбуждается из-за восходящих ветвей F (G,∆h) ее кавитационных разветвлений.
2. Наряду с известным механизмом запаздывания сгорания Л. Крокко, обоснован ранее
неизвестный механизм вибрационного горения, заключающийся в образовании восходящей
ветви на характеристике F∑(G) из-за выделяемой теплоты сгорания топлива.
3. В камере сгорания газогенератора нисходящая ветвь характеристики сопла hc(G)
порождает нестационарное истечение и появление энтропийных волн.
1. Чебаевский В.Ф., Петров В.И. Кавитационные характеристики высокооборотных шнеко-центробеж-
ных насосов. – Москва: Машиностроение, 1973. – 152 с.
2. Гоцуленко В. В. Об особенностях помпажа шнекоцентробежного насоса // Систем. технологии. –
2002. – № 3(20). – С. 3–7.
3. Натанзон М.С. Неустойчивость горения. – Москва: Машиностроение, 1986. – 247 с.
4. Басок Б.И., Гоцуленко В. В. Проблема термоакустических колебаний и вибрационного горения //
Техн. теплофизика и промышл. теплоэнергетика: Сб. науч. тр. – 2009. – Вып. 1. – С. 5–15.
5. Зельдович Я.Б., Лейпунский О.И., Либрович В. Б. Теория нестационарного горения пороха. – Моск-
ва: Наука, 1975. – 132 с.
6. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. – Москва: Физматтиз, 1961. – 500 с.
7. Казакевич В. В. Автоколебания (помпаж) в компрессорах. – Москва: Машиностроение, 1976. – 264 с.
8. Гоцуленко В.Н., Гоцуленко Н.Н. Экспериментальное исследование колебаний в системе, включающей
насос с монотонно убывающей напорной характеристикой // Энергомашиностроение. – 1975. – № 7. –
С. 22–24.
9. Гоцуленко В. В., Гоцуленко В.Н. Автоколебания вибрационного горения в ЖРД, самовозбуждаю-
щиеся из-за феноменологического запаздывания сгорания топлива, и их математическое моделиро-
вание // Математ. моделирование. – 2008. – № 1 (18). – С. 39–42.
10. Гоцуленко В. В., Гоцуленко В.Н. Автоколебания (помпаж) шнекоцентробежного насоса в режиме
кавитации // Промышл. гидравлика и пневматика. – 2009. – № 1 (23). – С. 56–60.
11. Гоцуленко В. В., Гоцуленко В.Н. Тепловое сопротивление как механизм возбуждения автоколебаний
теплоподводом // Сб. науч. тр. ДГТУ. – 2009. – Вып. 1 (11). – С. 95–100.
12. Гоцуленко В.В. Математическое моделирование снижения амплитуд колебаний вибрационного горе-
ния в крупных промышленных агрегатах // Математ. моделирование, РАН. – 2005. – 17, № 11. –
С. 16–24.
Поступило в редакцию 16.02.2010Институт технической теплофизики
НАН Украины, Киев
Corresponding Member of the NAS of Ukraine B. I. Basok, V.V. Gotsulenko
Self-oscillations in inits of a liquid jet engine caused by
a thermohydrodynamical instability
Mechanisms of the thermohydrodynamical instability in inits of a liquid jet engine are considered.
It is established that surge self-oscillations in the supply system of components of fuel can be raised
at a generally stable monotonously decreasing characteristic of a screw — centrifugal pump. The
new mechanism of vibration burning is proved. The influence of instability of expirations from a
nozzle on fluctuations in the chamber of combustion is determined.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 93
|