№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.45:621.375:662.612
ПИКОВЫЕ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ
ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОСПЛАМЕНЕНИИ
© 2015 г. С.Г. РЕБРОВ, В.А. ГОЛУБЕВ
ГНЦ ФГУП "ЦЕНТР КЕЛДЫША", г. Москва E-mail: rebrov_sergey@mail.ru
Исследован вопрос о пиковых давлениях, возникающих в камерах сгорания ракетных двигателей (РД) при лазерном воспламенении топлива с использованием метода оптического пробоя — лазерной искры. В качестве определяющих параметров рассматривались безразмерные параметры — отношение пикового давления к стационарному давлению и безразмерное время (отношение задержки воспламенения к времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания). Проанализировано влияние расходонапряженности камеры сгорания на пиковые давления.
Ключевые слова: Камера сгорания, лазерное зажигание, оптический пробой, пик давления.
PEAK PRESSURE IN A COMBUSTION CHAMBER AT LASER IGNITION
S.G. REBROV, V.A. GOLUBEV
SSC FSUE Keldysh Research Centre, Moscow E-mail: rebrov_sergey@mail.ru
Investigations of appearance of peak pressure at inflammation moment in a combustion chamber with laser ignition of fuel by initiating of laser induced optical breakdown have been carried out. Key parameters in analyzing the results of experiments were dimension-less parameters — the ratio of peak pressure to a steady pressure and dimensionless time — the ratio of the ignition delay to the residence time of combustion products in the combustion chamber. Effect of the flow-rate on the peak pressure in combustion chamber has been analyzed. Results of investigations allow to assess value of the peak pressure in combustion chamber when laser ignition will be implemented at new rocket engines.
Key words: Combustion chamber, laser ignition, optical breakdown, peak pressure.
ВВЕДЕНИЕ
Воспламенение компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания двигателя или газогенератора, является ответственным моментом запуска ракетного двигателя (РД). Особенно усложняется организация начала горения при использовании несамовоспламеняющихся компонентов топлива типа кислород-керосин. В этом случае в состав РД необходимо включить специальную систему, обеспечивающую зажигание.
5* 131
К настоящему времени разработаны и эксплуатируются различные схемы и способы зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. В кислородно-керосиновых ЖРД применяются пиротехнический (РД107, РД108 и их модификации) и химический способы зажигания (РД180, РД171М и РД191).
Пиротехнический способ зажигания предусматривает использование нескольких пиротехнических запалов, установленных непосредственно в камере сгорания, факел горения от которых воспламеняет смесь компонентов топлива. Преимущество этого способа — высокая надежность запуска, недостаток — одноразовость использования и сложность в монтаже устройств.
При химическом способе зажигания используется пусковое горючее, расположенное в специальной ампуле и подводимое через дополнительные трубопроводы, клапаны и соединительные элементы [1]. Способ отличается высокой надежностью и может применяться для многократного включения, но при этом система существенно усложняется, что приводит к увеличению габаритов и массы ЖРД. Недостатком является то, что пусковое горючее токсично, взрыво- и пожароопасно.
Электроискровой способ зажигания используется главным образом при запуске кислородно-водородных ЖРД, его недостаток — нестабильность воспламенения топлива [2].
Современное развитие ЖРД определяют необходимость перехода на перспективный способ зажигания компонентов топлива, он должен быть многоразовым, обеспечивающим стабильность воспламенения, отличаться простотой конструкции, небольшими габаритно-массовыми характеристиками и оптимальной стоимостью. Перечисленным требованиям более других соответствует лазерный способ зажигания. В цикле работ ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" [3—7] приведены данные о разработке технологии лазерного зажигания на различных топливных парах с варьированием параметров лазерного излучения (длительность и энергия импульса, количество и частота импульсов за рабочий цикл и др.). В результате отмечены следующие преимущества лазерного способа зажигания:
— возможность выбора оптимальной зоны зажигания;
— расширенные диапазон по соотношению компонентов и ресурс работы при организации оптического пробоя и воспламенения в объёме среды;
— возможность пространственного разнесения зоны ввода энергии поджига и зоны воспламенения.
При переходе к практическому внедрению лазерного зажигания на реальных двигателях, важным этапом стали исследования, проведенные в НПО "Энергомаш" [8, 9], в которых моделировались условия, приближенные к штатным условиям запуска рулевых и основных камер двигателей РД107 и РД108. На модельной установке с многофорсуночной смесительной головкой проведено успешное воспламенение топлива с использованием лазерного зажигательного устройства в широком диапазоне варьирования параметров.
Полученные экспериментальные результаты позволяют обобщить данные о такой важной характеристике процесса зажигания в камере сгорания, как динамика изменения давления в камере сгорания, в частности, пиковое давление.
Особенности запуска двигателя при лазерном зажигании
При запуске двигателя в его камере протекают неустановившиеся процессы, в значительной мере определяющие надежность двигателя. Типичная картина изменения параметров по времени при разновременной подаче компонентов показана на рис. 1. Начальный момент времени совмещен с моментом подачи окислителя, то есть т0 = 0, подача горючего начинается в момент тг. При лазерном воспламенении инициирование горения происходит в результате серии импульсов лазерного излучения, сфокусированного в объем камеры сгорания, как показано на рис. 2.
На рис. 1 показаны три лазерных импульса в моменты тл1, тл2, тл3. Первый лазерный импульс происходит в момент опережающей подачи окислителя, второй — при подаче
Рис. 1. Типичное распределение параметров в камере сгорания на стадии запуска:
тл1> тл2, тл3 — моменты срабатывания лазера; тг — момент открытия клапана горючего; Атзвл — задержка воспламенения относительно момента прохождения поджигающего лазерного импульса; Атзв — задержка воспламенения относительно момента открытия клапана горючего
Рис. 2. Схема лазерного зажигания камеры сгорания РД: 1 — камера сгорания; 2 — форсуночная головка; 3 — лазер; 4 — область оптического пробоя и воспламенения топлива
двух компонентов, так что воспламенение начинается именно от этого поджигающего импульса. Одной из важнейших характеристик процесса запуска РД является период задержки воспламенения. При опережающей подаче окислителя, задержку воспламенения Дтзв целесообразно отсчитывать от момента подачи горючего тг.
Представляет интерес величина Дтзвл, которая определяет задержку воспламенения непосредственно от момента подачи поджигающего импульса. После прохождения импульса давление в камере сгорания начинает повышаться из-за накопления продуктов экзотермических предпламенных реакций, протекающих в жидкой и паровой фазах [10]. Эти продукты представляют собой активные вещества, при достаточно высокой их концентрации происходит тепловой "взрыв" газовой смеси. Скорость распространения фронта пламени в подготовленной к сгоранию активной смеси велика, и давление в камере сгорания интенсивно нарастает до тех пор, пока массовая ско-
рость выгорания топлива не будет равной расходу через сопло. Возникающее при этом давление Ркм является максимальным и превышает номинальное в камере сгорания давление Ркн. Пик давления Ркм является нежелательным и даже опасным, так как он может существенно превышать номинальное давление. Резкое сокращение расхода топлива, которое наблюдается при больших значениях Ркм, может привести к затуханию пламени, при последующем поступлении топлива возможен взрыв.
Расчетное определение величины Ркм затруднительно из-за ряда факторов [10]: неизвестна зависимость задержки воспламенения Дтзв от конструкции двигателя и режима его запуска, сложно определить количество топлива, накапливающегося в камере сгорания за время Дтзв. При лазерном зажигании заранее неизвестно влияние частоты следования лазерных импульсов на динамику и величину роста давления в камере сгорания.
Грубую оценку Ркм можно выполнить следующим образом. В камере сгорания с объемом Укс давлением Ркн при температуре Тк на установившемся режиме можно определить из уравнения состояния:
Ркн Тп^сум^кТк/^к, (1)
где тп — время пребывания топлива в камере сгорания; Осум — секундный суммарный расход топлива на установившемся режиме; Як — газовая постоянная.
При запуске двигателя за период времени, равный задержке воспламенения Дтзв, в камеру сгорания будет подано количество топливо СпускДтзв, где Спуск — среднее значение пускового секундного расхода топлива. Тогда, по аналогии с (1), можно записать:
Ркм = ДТ3в £пускЯкТк/Кк. (2)
Из (1) и (2) получаем соотношение между максимальным и номинальным давлением:
Ркм/Ркн = (ДТзв/Тп)(Спуск/^сум). (3)
Из (3) следует, что для запуска без перегрузок по давлению (Ркм /Ркн = 1), при соотношении расходов Спуск/Ссум = 1 необходимо, чтобы Дтзв/тп = 1. Предположение о мгновенном воспламенении всего накопившегося за время Дтзв топлива является крайним, поэтому допустимое значение Дтзв превышает тп. Если величина Дтзв заметно превышает тп, то для плавного запуска двигателя пусковой расход топлива должен быть меньше номинального, что достигается так называемым программированием запуска.
Анализ экспериментальных данных
Для анализа распределения давления в камере сгорания на стадии запуска при лазерном воспламенении будем использовать данные, приведенные в работах [8, 9, 11]. В [8, 9] исследования проводились на модельной установке (МУ) конструкции НПО "Энергомаш". Лазерное зажигательное устройство (ЛЗУ) устанавливалось перпендикулярно оси камеры (рис. 2). Используемый в ЛЗУ лазер имел следующие характеристики:
— режим работы: импульсно-периодический с частотой 10 Гц;
— энергия в моноимпульсе до 50 мДж при длительности 10 нс;
— метод воспламенения: оптический пробой в объем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.