книги из ГПНТБ / Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей

газогенераторе 5*\ а также (обратные связи) от расходов всех трех компонентов: G03, Gr3 и Gy.T.

Давление в газогенераторе 5 определяется расходом унитар­ ного топлива Gy.,, который в свою очередь зависит как от часто­ ты вращения ТНА п, так и от давления в газогенераторе ргг.

Двигатели управляются с помощью трех воздействий со стороны дросселирующих устройств «а магистралях окислите­ ля 2, горючего 3 и унитарного топлива 6 (с .площадью проходно­ го сечения соответственно F0z, Fr3, Ку.т). Кроме того, на двига-

Рис. 1.28. Структурная схема двигателя с двух«омттонёнтным газогене-

‘ратором:

'горючего газогенератора

тель действует три возмущающих фактора: изменения давления на входе в-насосы окислителя Р0о, горючего рог и унитарного

ТОПЛИВЗ роу.т •

Схемы регулирования для двигателей с различными вариан­ тами турбонасосной системы подачи имеют імного общего. В свя­ зи с этим целесообразно отдельно рассмотреть структурные схе­ мы двигателей различных типов, а затем уже перейти к анализу возможных структурных схем их систем 'регулирования.

Для наиболее распространенной схемы двигателя с двухком­ понентным газогенератором без дожигания (см. рис. 1.7) струк­ турная схема приведена иа рис. 1.28. В двигателе имеется четы­ ре жидкостных магистрали: 2, 3, 6 и 7, по которым компоненты из ТНА подаются в камеру сгорания 1 и газогенератор 5. Расхо­ ды компонентов в камеру сгорания G0з и Gr3 зависят от частоты

*) Температура в однокомпонентном газогенераторе практически не изме­

няется.

47

вращения п и давления в камере рк, а расходы в газогенератор Goi и Gri так же зависят от частоты вращения п и от давления в камере газогенератора ргг. В свою очередь величины расходов по каждой из четырех магистралей влияют «а частоту вращения ТНА п, которая, кроме того, зависит от давления ргг и темпера­ туры Ггг генераторного газа перед турбиной.

На всех четырех магистралях можно установить дроссельные устройства для создания управляющих воздействий путем изме­ нения площади их проходного сечения F01 , FrU F0 3 и Fr3. Одно­ временно на двигатель действуют возмущающие факторы со стороны топливоподающих трактов ракеты — изменения давле­ ния на входах® насосы ТНА р0о и рог.

На схемах, приведенных на рис. 1.27 и 1.28, обращает на себя внимание большое количество обратных и перекрестных связей. Крометого, почти все связи в системе подачи замыкаются на турбонасосном агрегате и воздействуют затем на камеру сгора­ ния только путем изменения частоты вращения.

Для схемы с двухкомпонентным газогенератором имеющиеся зависимости между расходами компонентов в газогенератор и расходами .их в камеру сгорания оказываются обычно относи­ тельно слабыми, так как они определяются только зависимостью напора, развиваемого насосом, от расхода компонентов, т. е. наклоном напорных характеристик насосов, который, как прави­ ло, у насосов Ж РД не велик.

газа в камере сгорания определяющее влияние на динамику дви­ гателя должно оказывать фильтрующее звено — турбонасосный агрегат. Фильтрующие свойства ТНА связаны с тем, что в дина­ мике этот агрегат описывается уравнением апериодического зве­ на первого порядка [12] с относительно большой * постоянной времени. При достаточно высокой частоте сигнала, поступающе­ го из.газогенераторам турбонасосный агрегат, его частота вра­ щения не успевает изменяться, а значит, не изменяется и режим работы камеры сгорания. Следует отметить, что сигнал может поступать в камеру сгорания по линиям связи, идущим помимо ТНА из топливоподающих трактов ракеты (ро0 или рог) или от управляющих органов на магистралях камеры сгорания (F0з или Fra). В этом случае ТНА не оказывает прямого фильтрующего действия на эти сигналы. Однако влияние этих возмущений при­ водит к .нарушению равновесия режима в двигателе. При низких частотах колебаний давлений под влиянием этих возмущений ТНА успевает изменять свою частоту вращения, переходя к но­ вому равновесному значению; при более высоких частотах коле­ баний частота вращения ТНА остается неизменной. В результате

* Имеется в виду по отношению к постоянным времени других элементов двигателя.

48

комплексный коэффициент усиления двигателя (см. гл. II) по указанным каналам оказывается различным для низких и для более высоких частот.

Структурная схема Ж РД с двухкомпоиентным газогенерато­ ром 5 (с избытком окислителя, см. ірис. 1.9, где G02 , GrZ— рас­ ходы окислителя и горючего) и дожиганием генераторного газа после турбины в камере сгорания (рис. 1.29) внешне незначи­ тельно отличается от схемы двигателя без дожигания. Вместо подачи в камеру сгорания двигателя без дожигания (см.

Рис. 1.29. Структурная схема двигателя с дожиганием газа из окис­ лительного газогенератора:

/ — камера сгорания: 2 — газовая магистраль от турбины к камере сгорания; 3 —магистраль горючего в камеру сгорания; 4 — турбонасосный агрегат; 5 — газогенератор; 6 —магистраль окислителя газогенератора; 7 — магистраль горючего газогенератора

рис. 1.28) жидкого окислителя по магистрали 2, при схеме с до­ жиганием в камеру сгорания 1 по газовой магистрали (газово­ ду) 2 подается газообразный окислитель.

Указанное отличие является 'принципиальным, существенно влияющим на динамику двигателя. Действительно, если расход жидкого окислителя зависит только от частоты вращения ТНА п и давления в камере сгорания рк *\ то параметры газа в газоводе рф и Тф в основном зависят от давления ргг и температуры газа в газогенераторе Тгг и очень слабо зависят от п ТНА. Та­ ким образом, в схеме с дожиганием имеется прямая связь меж­ ду газогенератором и камерой сгорания через газовод, не име­ ющий фильтрующих свойств, подобных свойствам ТНА. В этом заключается основное отличие структурной схемы двигателя с

*> Как уже отмечалось, имеющаяся, кроме того, связь с расходом окисли­ теля в газогенераторе G01 обычно оказывается несущественной.

49

дожиганием генераторного газа от схемы двигателя без дожи­ гания.

При анализе структурных схем обращает на себя внимание факт, что как в схеме без дожигания, так и в схеме с дожигани­ ем имеется две группы контуров, внутри которых в основном за­ мыкаются все обратные связи—-это контуры «газогенератор — ТНА — магистрали газогенератора» и «камера сгорания — маги­ страли камеры сгорания (жидкостные или газовые)».

Структурная схема Ж РД с дожиганием типа «газ — газ» (см. рйс. 1.10) состоит из большего числа элементов (рис. 1.30), чем

газе; 5 —ТНА с турбпной, работающей на окислительном генераторном газе; 6 — восстановительный газогенератор; 7 —окислительный газогенератор; 8 — магистраль окислителя в восстановительный газогенератор; 9 — магистраль горючего в восста­ новительный газогенератор; 10 — магистраль окислителя в окислительный газогене­ ратор; И — магистраль горючего в окислительный газогенератор

схема двигателя типа «газ — жидкость» из-за -наличия второго ТНА 4, второго восстановительного газогенератора 6, дополни­ тельных жидкостных магистралей этого газогенератора 8 и 9 и газовой магистрали 2, по которой газ после турбины второго ТНА подается в камеру сгорания *.

* Расходы окислителя G oi и горючего Огі в восстановительный газогене­

ратор, G о2 и Gr2 — в окислительный газогенератор, ргп, А-п— параметры газа

в восстановительном газогенераторе, ргг2> Атг— в окислительном газогенера-

50

Ta« же «a« и для двигателей типа.«газ — жидкость» в схеме двигателя типа «газ — газ» имеется две группы контуров: конту­ ры «ТНА — 'газогенераторы — магистрали газогенераторов» и контур «камера'сгорания—-газовые тракты (газоводы»). В каж­ дом из контуров замыкаются внутренние обратные связи, а меж­ ду собой они связаны в основном только прямыми связями от ТНА ж камере сгорания. Имеющиеся обратные связи от газоводов к ТНА и к газогенераторам относительно слабые, так как перепады давления на турбинах достаточно велики.

Рис. 1.31. Принципиальная схема управления дви­ гателем с помощью перепуска жидких компонен­ тов и генераторного газа:

Управление двигателем возможно с помощью дросселирую­ щих элементов путем изменения -гидравлического перепада «а всех четырех гидравлических трактах 8, 9, 10 и 11, по которым в газогенераторы подаются компоненты. '

Для всех вариантов Ж РД с турбонасоеной системой подачи (см. рис. 1.27—1.30) управление можно обеспечить е помощью трех-четырех дросселирующих устройств, установленных на жид­ костных магистралях двигателя. Возможны и другие способы управления, в частности, с помощью перепуска жидкости на на­ сосах (воздействия Ап.0 и Fns) или газа па турбинах двигателя (воздействие Ап.т) (рис. 1.31). В этом случае в ПГС появляются дополнительные элементы — тракты .перепуска, т. е. схемы ста­

51

новятся более сложными. Кроме того, схемы управления с помо­ щью перепуока жидкости после насосов недостаточно эффектив­ ны и в то же время приводят к 'необходимости ощутимо увели­ чить мощность насосов. Схема с перепуском генераторного газа помимо турбины по эффективности не уступает другим схемам, однако при создании регулятора для горячего газа могут встре­ титься некоторые трудности.

Регулируемыми параметрами для Ж РД являются (см. § 1.4) тяга двигателя, соотношение компонентов в двигателе и иног­ д а — соотношение компонентов в газогенераторе. Как уже отме­ чалось, непосредственное, прямое регулирование всех указан­ ных параметров оказывается неосуществимым. Тягу двигателя и соотношение массовых расходов компонентов непосредственно измерить трудно, так как нет достаточно простых и легких дат­ чиков, пригодных для этой цели [55].

Достаточно строго тяга следует за изменением давления в камере сгорания. Однако при создании регуляторов давления в камере сгорания также встречаются Определенные трудности. В первую очередь эти трудности связаны с тем, что чувствитель­ ный элемент регулятора или датчик сообщается через импульс­ ную линию (трубку) с емкостью, в которой находится газ с тем­ пературой, существенно более высокой, чем температура плавле­ ния материалов импульсной трубки и самого чувствительного элемента. При незначительной негерметичностіі или при случай­ ном забросе в трубку горячего газа возможно разрушение труб­ ки или датчика.

Элемент возможной ненадежности узлов системы регулирова­ ния заставляет относиться к этой схеме с определенной насторо­ женностью и из-за этого выбирать менее точную, но более на­ дежную систему с регулированием тяги по другим косвенным параметрам: расходам компонентов в камеру сгорания или газо­ генератор, давлению компонента перед форсунками камеры сго­ рания и т. д. Следует также отметить, что при непосредственном регулировании давления в камере сгорания встречаются опреде­ ленные трудности с обеспечением устойчивости системы «двига­ тель— регулятор» (см. § 8.2).

Аналогичное положение имеет место также и при регулирова­ нии массового (весового) соотношения, компонентов, так как су­ ществующие датчики дают информацию [55] или об объемном расходе (вертушки), или о величине, средней между объемным

имассовым расходами (дроссельныерасходомеры).

Всхемах регулирования соотношения компонентов исполь­ зуют оба типа датчиков. При этом для камеры сгорания двига­ теля без дожигания (типа «жидкость — жидкость»), а также для двухкомпонентного газогенератора в качестве дроссельных рас­ ходомеров можно .использовать форсуночные головки камеры сгорания или газогенератора [17]. Если перепады давления на

форсунках окислителя и горючего одинаковы, то соотношение

52

компонентов 'сохраняется 'неизменным при поддержании равны­ ми величин давления перед форсунками окислителя и горючего.

Трубка Вентури является одним из возможных вариантов дроссельного расходомера, который удобно использовать в схе­ ме регулирования соотношения компонентов [55]. На трубках Вентури создается достаточно 'большой перепад давления, бла­ годаря которому можно обеспечить высокую точность измерения (а значит, и поддержания) расхода жидкости. В то же время трубка Вентури имеет диффузорную часть, в которой восстанав­ ливается давление, потерянное при ускорении жидкости «в сужа­ ющейся части трубки. Благодаря этому потери давления на труб­ ке Вентури составляют всего 5—10% от созданного ею перепада давления, в то время как на обычной измерительной шайбе теря­ ется до 60% от измеряемого перепада давления [55].

Приведенный выше краткий анализ показывает, что при выбо­ ре схемы системы регулирования Ж РД представляется широкий выбор регулируемых параметров. То же справедливо и в отно­ шении возможных способов внесения регулирующего воздейст­ вия: на двигателе любого типа регуляторы только на жидкост­ ных магистралях 'можно установить в трех или четырех местах. Если добавить возможные схемы с перепуоком или дросселиро­ ванием -генераторного газа, то число возможных мест установки регуляторов возрастет.

Для примера на рис. 1.32 приведена структурная схема с ука­ занием возможных мест установки регулятора режима работы двигателя с турбонасосной системой подачи, двухкомпонентным газогенератором без дожигания генераторного газа после тур­ бины (ем. рис. 1.7 и 1.28). Введение в схему двигателя дополни­ тельных управляющих воздействий — перепуска (FU,T) или дросселирования (Fт) газа и перепуска окислителя (Ді.о) и горю­ чего (Еп.г) после насоса на вход в насосы— потребовало введе­ ния в схему дополнительных элементов: трактов перепуска окис­ лителя 8, горючего 9 и генераторного газа 10. Соответственно появляется большое число дополнительных связей. Таким обра­ зом, в схеме данного двигателя имеется 8 возможных мест уста­ новки регулятора режима. Аналогичные схемы можно привести

идля двигателей других типов.

Сдругой стороны, как уже отмечалось, при схеме регулиро­ вания режима двигателя но косвенным параметрам число воз­ можных регулируемых параметров так же велико, как и число возможных мест установки регуляторов.

На рис. 1.33 для примера приведена структурная схема того же двигателя (см. рис. 1.28), на которой пунктиром показаны некоторые связи между возможными регулируемыми параметра­ ми и регулятором 8, установленном на магистрали окислителя газогенератора (воздействие изменением А0і). При этом в каче­ стве регулируемых указаны только параметры, принятые как ос­

новные в структурных схемах.

53

Количество возможных сочетаний мест установки регулято­ ра и регулируемых параметров очень івеллко. Естественно, что только часть из них может быть использована в схемах регулиро­ вания двигателей.

Параметры двигателя поддерживаются как ракетной систе­ мой управления, так и внутридвигательной системой регулирова­ ния, и для каждой из них необходимы органы управления на

Рис. -1.32. Структурная схема двигателя с двухкомпонентным газогенератором и дополнительными трактами перепуска жидких компонентов и генераторного газа:

1 — камера сгорания; 2 — магистраль окислителя в камеру сгорания; 3 — магистраль горючего в камеру сгорания; 4 —турбонасосный агрегат; 5 — двухкомпонентный газогенератор; 6 —магистраль окислителя в газогене­ ратор; 7 —магистраль горючего в газогенератор; S — магистраль перепус­ ка окислителя; 9 — магистраль перепуска горючего; 10 — магистраль пере­

пуска генераторного газа помимо турбины

трактах двигателя. Система управления ракетой может осуществ­ лять свое воздействие на двигатель или непосредственно, изме­ няя положение дросселирующего органа на одной из магистра­ лей двигателя, или через внутридвитательную систему регулиро­ вания, изменяя настройку соответствующего регулятора.

Основные регулируемые параметры двигателя (тягу и соот­ ношение компонентов) -могут поддерживать одновременно обе системы управления: и ракетная, и внутридвигательная. При

54

этом каждая из систем компенсирует только часть возмущений, приводящих к отклонению регулируемых параметров. Благодаря этому общая точность регулирования повышается, а нагрузка на каждую из систем оказывается меньшей. С этой точки зрения выгодно иметь два контура регулирования основных параметров

Рис. 1.33. Структурная схема двигателя с двухкомпонентным газогенератором, регулятором «а магистрали окислителя газо­ генератора и различными обратными связями:

/ — камера сгорания; 2 —магистраль окислителя в камеру сгорания; 3 — магистраль горючего в камеру сгорания; 4 —турбонасосный агрегат; 5 — газогенератор; 6 —магистраль окислителя в газогенератор; 7 — магистраль горючего в газогенератор; 8 — регулятор

Для выбора оптимальной схемы регулирования необходимо провести анализ точности и устойчивости рассматриваемых систем регулирования, оценить возможные потери в экономично­ сти и увеличение веса двигателя, связанные с системой регулиро­ вания '(см. § 1.4), т. е. рассмотреть целый комплекс подчас противоречивых требований, предъявляемых к системе 'регули­ рования.

Некоторые возможные схемы регулирования будут разобра­ ны в качестве примеров при рассмотрении вопросов устойчивости (§ 8.2) систем регулирования ЖРД.

1.7. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА В ЖРД

Одна из основных задач, которую необходимо решить в про­ цессе проектирования и доводки системы регулирования Ж Р Д ,— обеспечение устойчивой работы этой системы. Устой­

55

чивость контура «двигатель — регулятор» зависит от схемы си­ стемы регулирования и параметров регулятора, изменением ко­ торых можно устранить колебания в системе. К сожалению, система регулирования является не единственным и, вообще-то, не основным источником колебаний параметров двигателя.

Опыт доводки Ж РД показывает, что причины потери устойчи­ вости двигателя достаточно разнообразны. Поэтому в каждом конкретном случае важно установить (диагносцировать), какой агрегат или контур двигателя является основным источником ко­ лебаний. Дело в том, что благодаря отмеченному выше большо­ му числу связей между отдельными элементами двигателя коле­ бания в каком-нибудь одном из них распространяются на другие элементы и фиксируются там датчиками. В таких условиях диагностика первопричины возникновения колебаний часто весь­ ма затруднена.

Колебания различного происхождения и частоты являются одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций при работе ЖРД. Из-за колебаний параметров и связанных с ними вибрацпй элементов конструкции происходят поломки де­ талей агрегатов, обрыв трубопроводов, разрушение оболочек и т. д. Разрушения, как правило, возникают при совпадении соб­ ственных частот механических колебаний отдельных элементов конструкции с частотой пульсации параметров двигателя (т. е. при резонансе).

Если колебания и не вызывают разрушения двигателя, они могут явиться причиной ненормальной работы отдельных систем или агрегатов Ж РД и, в частности, — его системы регулирова­ ния, т. е. снижают надежность работы двигателя. Во всех случа­ ях необходимо принимать меры по ликвидации или снижению уровня амплитуд колебаний параметров двигателя, хотя это и требует больших затрат, удлиняет и удорожает этап доводки ЖРД.

Помощь в диагностике причин возникновения колебаний щ ЖРД могут оказать некоторые типичные признаки отдельных видов колебаний, приведен­ ные ниже. Следует отметить, что несмотря на большое значение для ракетной техники обеспечения устойчивой работы ЖРД, эта проблема далека от ре­ шения. Имеющиеся теоретические работы по устойчивости ЖРД в основном носят качественный характер. Причина такого положения кроется в недоста­ точной изученности сложных процессов в агрегатах двигателя (горения ком­ понентов в камере сгорания и газогенераторе, кавитации в насосах и т. д.).

Не вдаваясь ів подробности математического аппарата теории устойчивости процессов в элементах ЖРД, изложенной в ряде работ [7, 43, 46, 63 и др.], остановимся кратко только на качест­ венной картине причин возникновения колебаний, влиянии от­ дельных факторов на устойчивость и способах стабилизации системы. Для наглядности используем графики границ устойчи­ вости системы, взятые из указанных выше теоретических работ.

Колебания параметров Ж РД принято классифицировать или по частоте, или по их природе,

56