Жидкостные ракетные двигатели (стр. 31 из 36)

При больших значения dP/drи большом забросе давления появляется опасность разрушения и даже взрыва камеры, как вследствие потери ее прочности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива.

Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива t₃. Очевидно, чем больше значение т₃, тем больше успеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс даатения.

Рис87

Изменение давления в камере при запуске:

1 - плавный запуск; 2 - ступенчатый запуск; 3 - жесткий запуск;

t, - время задержки воспламенения

При плавном запуске воспламенение происходит при небольшом расходе топлива и с последующим сравнительно плавным нарастанием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбона-сосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Продолжительность запуска определяется в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»).

Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (или предварительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двигателей больших тяг. Необходимость введения промежуточной ступени обуслов-

лена тем, что с ростом тяги, а, следовательно, и мощности ТНА время, расходуемое на раскрутку ТНА (инерционность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ничтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного режима.

При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев камеры и образование надежного факела.

Пушечным называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавливаются устройства, смягчающие запуск. Запуски, близкие к пушечному, возможны при использовании вытеснительных систем подачи.

9.2. Влияние условий запуска двигателя

Начальная температура топлива. Изменение начальной температуры приводит к изменению химической активности топлива, а также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вязкость, поверхностное натяжение). С уменьшением начальной температуры t₃ увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с -10 до -30 °С время задержки воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 сек, т. е. более чем в два раза.

Начальное давление в камере сгорания. Вопрос о влиянии начального давления в камере на воспламенение очень важен при организации запуска двигателя в высотных условиях. Понижение давления приводит к увеличению t₃ и, как следствие, к увеличению заброса давления при запуске. Некоторые самовоспламеняющиеся топлива при большом уменьшении давления могут вообще утратить способность к самовоспламенению. Такие условия могут, в частности, возникнуть при запуске двигателя в космосе, где давление окружающей среды равно нулю. Однако, в таких случаях топливо, поступающее в камеру с давлением близким к нулю, оказывается в перегретом состоянии. Происходит очень быстрая возгонка топлива и за счет образовавшихся паров давление в камере сгорания повышается.

Состав топлива. На величину t₃влияет как изменение соотношения компонентов топлива, так и наличие различных, иногда неизбежных (например, вода), а иногда специально вводимых разбавителей или добавок.

Наименьшее значение t₃ ряда топлив не соответствует стехиометриче-скому соотношению.

Рис.88

Влияние состава топлива (а) и опережения впрыска на

(б)

Так, например, для топлива «азотная кислота + 50% ксилидина и 50% фурфурилового спирта» изменение t₃при изменении коэффициента избытка окислителя

происходит, как показано на рис. а и минимальное значение соответствует =1,1.

Аналогичные графики можно получить и для других топлив. В каждом случае наименьшему значению

будет соответствовать свое а.

Различные добавки в топливе могут увеличивать или уменьшать

Так, например, увеличение содержания воды в азотной кислоте приводит к росту t₃.

Опережение подачи одного из компонентов. В ЖРД трудно обеспечить одновременную подачу окислителя и горючего, запаздывание же одного из них может привести к увеличению, а иногда к уменьшению

Так, из графика изменения в зависимости от опережения подачи t для топлива «азотная кислота + фурфуриловый спирт», рис.88 б, видно, что для данного топлива опережение подачи окислителя уменьшает т. е. улучшает запуск. Величина рационального опережения подачи того или иного компонента зависит от состава топлива, а также от конструкции головки, так что для каждого топлива и конструкции головки имеется свой наиболее целесообразный порядок подачи компонентов.

Иногда при выборе опережения подачи горючего или окислителя учитывают также, что при догорании несгоревшей в камере части горючего за соплом двигателя образуется мощный факел.

Прочие влияния. На t3и запуск двигателя, кроме указанных основных факторов, оказывают влияние также физические свойства топлива, перепад давления на форсунках dР_Ф (увеличение dР_Ф обычно уменьшает

), форма и объем камеры, количество подаваемого компонента (увеличение количества подаваемого топлива часто приводит к уменьшению ), многократность запуска и т. д.

149

9.3. Способы воспламенения горючих смесей

В классификации задач, возлагаемых на системы управления ДУ, задача воспламенения горючих смесей отнесена к обеспечению нестационарного процесса запуска двигателя и решается с помощью автономных систем воспламенения топлив в камерах и газогенераторах ЖРД.

Под системой воспламенения топлив предусматривается полный цикл мероприятий по организации не только начального этапа воспламенения компонентов топлива, но также и весь цикл обеспечения этого процесса без аномальных явлений (срывов горения, незапусков, пульсации, забросов давлений и других возможных видов отказов на этапе запуска).

Естественно, что принудительного воспламенения требуют несамовоспламеняющиеся топлива. Ими являются углеводородные горючие, работающие с кислородом или с азотнокислотными окислителями, а также кислородно-водородное топливо.

Существует несколько способов воспламенения горючих смесей.

Химический способпредусматривает на начальном этапе запуска использование самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые запасают в трубопроводах или специальных емкостях перед камерами двигателя и отделяют их от основного топлива мембранами свободного прорыва. Запас пусковых порций самовоспламеняющегося топлива должен обеспечивать работу камеры на пусковом топливе, примерно равном 80 % времени запуска. Целесообразность применения этого способа ограничивается ДУ однократного включения.

Добавка триэтилбора или триэтилалюминия («2 — 3 %) к керосину обеспечивает надежное одно- и многократное его воспламенение с кислородом. Однако высокая токсичность этих добавок сдерживает их широкое практическое применение, так как токсичным становится не только горючее, но и продукты сгорания, содержащие эти добавки.

Пиротехнический способвоспламенения горючих смесей предусматривает установку на стартовых позициях внутрь камеры двигателя системы пирс-зарядов, одновременное срабатывание которых обеспечивает надежное воспламенение пусковой части топлива, рис.89. Число пирозарядов зависит от размеров камеры двигателя. Для одновременного воспламенения многокамерных двигателей в каждой камере должно быть размещено не менее шести зарядов, ориентированных друг относительно друга так, чтобы первый воспламенившийся заряд поджигал соседний с ним. Для обеспечения надежного воспламенения горючих смесей необходима определенная мощность тепловыделения в короткий промежуток времени, которая способна не только инициировать горение топлив, но и уменьшить начальную задержку его воспламенения.