ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 629.76

Технічна механіка, 2022, 1, 3- 15

ОЦІНКА ЗАПАСІВ СТІЙКОСТІ КАМЕРИ ЗГОРЯННЯ ДО ВИСОКОЧАСТОТНИХ КОЛИВАНЬ НА ОСНОВІ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ «ІНЖЕКТОР-РАКЕТНА КАМЕРА ЗГОРЯННЯ»

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2022.01.003

Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д.

Ніколаєв О. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Башлій І. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Високочастотна нестійкість рідинного ракетного двигуна (РРД) при статичних вогневих випробуваннях часто супроводжується значним збільшенням динамічних навантажень на конструкцію камери згярання, що нерідко призводить до її руйнування. Це динамічне явище також може бути надзвичайно небезпечним для динамічної міцності РРД. Розрахунок параметрів акустичних коливань продуктів згоряння важливий при проєктуванні та статичних вогневих випробуваннях таких ракетних двигунів. Визначення параметрів коливання (власних частот та запасів стійкості по декременту коливань) є однією із задач, що вирішуються в період проєктування РРД в рамках розробки заходів із забезпечення стійкості двигуна.
      Основною метою роботи є розробка розрахункового підходу до визначення параметрів акустичних коливань продуктів згоряння в камері згоряння РРД з урахуванням особливостей конфігурації камер згоряння та змінності фізичних властивостей газового середовища в залежності від осьової довжини камер, акустичного імпедансу в критичній горловині та ефектів дисипації (експериментальні значення демпфування) в конструкції оболонки і газових середовищах в камері. Підхід, заснований на математичному моделюванні зв'язаної динамічної системи «оболонкова конструкція камери – газ» з використанням методу скінчених елементів і системи CAE (Computer Aided Engineering).
      Проведено тестування розробленого підходу та подальший аналіз результатів для двигуна РД 253 з використанням тетраоксиду азоту та несиметричного диметилгідразину в якості паливної пари. Визначено форми і частоти поздовжніх, тангенціальних і радіальних мод динамічної системи. Результати математичного моделювання динамічної системи свідчать про задовільне узгодження розрахункових декрементів першого тону поздовжніх коливань і третього тону тангенціальних коливань з експериментальними декрементами, отриманими за допомогою вогневих випробувань. З системного гармонічного аналізу камери згоряння випливає, що коефіцієнт динамічного підсилення тиску газу в камері на частоті першого тону в 1,6 рази більше, ніж коефіцієнт динамічного підсилення системи для тангенціальної моди. При цьому декремент коливання для тангенціальної моди системи в 2 рази менше, ніж декремент коливаннь для першої поздовжньої моди. Це означає, що тангенціальні коливання більш небезпечні і можуть призвести до нестабільності горіння РРД.
      Теоретично показано вплив динамічних властивостей форсунки на стійкість камери згоряння до термоакустичних коливань та можливість часткового придушення високочастотних коливань шляхом настроювання динаміки форсунки.
     

рідинний ракетний двигун, камера згоряння, високочастотна нестійкість, частоти коливань, логарифмічні декременти коливань

1. Натанзон M. C. Неустойчивость горения. М.: Машиностроение, 1986. 208 p.

2. Dranovsky M. L. Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines. Testing and Development Practices in Russia, AIAA Progress In Astronautics And Aeronautics. 2007. Vol. 221. Р. 321. https://doi.org/10.2514/4.866906

3. Ильченко М. А., Крютченко В. В., Мнацаканян Ю. С. Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995. 320 p.

4. Klein S., Borner M., Hardi J. S., Suslov D., Oschwald M. Injector coupled thermoacoustic instabilities in an experimental LOX methane rocket combustor during start up. CEAS Space Journal. 2020. Р. 267–279. https://doi.org/10.1007/s12567–019-00294-4

5. Oschwald M., Farago Z., Searby G., Cheuret F. Resonance Frequencies and Damping of a Combustor Acoustically Coupled to an Absorber. Journal of Propulsion And Power. 2008. Vol. 24, No. 3. Р. 524–533. https://doi.org/10.2514/1.32313

6. Мосолов С.В., Сидлеров Д.А. Исследование влияния антипульсационных перегородок на развитие рабочего процесса в камере сгорания кислородно-керосинового ЖРД с форсунками струйно-центробежного типа методом численного моделирования / Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2017. №2 (113). URL: https://cyberleninka.ru/article /n/issledovanie-vliyaniya-antipulsatsionnyh-peregorodok-na-razvitie-rabochego-protsessa-v-kamere-sgoraniya-kislorodno-kerosinovogo-zhrd-s (дата обращения: 10.12.2019).

7. Kalmykov G. P., Larionov A. A., Sidlerov D. A., Yanchilin L. A. Numerical simulation and investigation of working process features in high-duty combustion chambers. Journal of engineering thermophysics. 2008. Vol. 17. No. 3. P. 196–217. (in Russian). https://doi.org/10.1134/S1810232808030053

8. Crocco L., Cheng S.I. Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors. London. Butterworths Scientific Publications, New York. Interscience Publishers Inc., 1956. 200 p. URL: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1957JFM..2..100H/abstract (Last accessed: 25.10.2020). https://doi.org/10.1017/S0022112057210774

9. Kaess R., Koeglmeier S., Sattelmayer T., Schulze M., Oschwald M., Hardi J. HF Combustion Stability. Research Activities in Germany, Space Propulsion Conference. Rome. 2016. 12 p., SP2016_3124816. URL: https://elib.dlr.de/107846/1/Kaess2016_SP2016_3124816.pdf (Last accessed: 25.10.2020).

10. Gerhold T., Friedrich O., Evans J. & Galle M. Calculation of Complex Three-Dimensional Configurations Employing the DLR-TAU-Code. 1997. AIAA. paper 97-0167. https://doi.org/10.2514/6.1997-167

11. Marco L., Francesco N., Marcello O. Non-linear Analysis of low-frequency combustion instabilities in liquid rocket engines. Progress in Propulsion Physics. 2019. Vol. 11. Р. 295–316,

12. Пилипенко В. В., Задонцев В. А., Натанзон М. С. Кавитационные колебания и динамика гидросистем. М.: Машиностроение, 1977. 352 с.13. Kohnke P. Ansys Inc. Theory Manual. Twelfth Edition, Canonsburg, 2001. 1266 p.

13. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 541 c.

15. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: «Высшая школа», 1978. 448 с

16. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 618 с.

17. Бате К. Ю. Методы конечных элементов: пер. с англ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 1024 с.

18. Zienkiewicz O. C., Newton R. E. Coupled Vibrations of a Structure Submerged in a Compressible Fluid. Proceedings of the Symposium on Finite Element Techniques. University of Stuttgart, Germany. June, 1969. URL: https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A27785b4f-3709-4fa9-a189-6ce1d3365564 (Last accessed: 25.10.2020).

19. Лебединский Е.В., Натанзон М.С., Никифоров М.В. Экспериментальный метод определения динамических свойств газовых потоков. Акустический журнал. 1982. Т. XXVIII, Вып. 5. С. 660–664.

20. Челомей В. Н., Генин М. Д. Вибрации в технике. В 6 т. Т. 5. Измерения и испытания. М.: Машиностроение, 1980. 496 с.

Copyright (©) 2022 Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д.

Copyright © 2014-2022 Технічна механіка