Регулирование ЖРД-1. Жрд как объект регулирования
 Скачать 243.58 Kb.
|
|
ЖРД как объект регулирования Режимом работы ЖРД управляют в общем случае три системы: система настройки ЖРД, внутридвигательная система peгулирования и система управления летательным аппаратом. С помощью системы настройки частично компенсируются ошибки производства, неизбежные при изготовлении узлов и aгрегатов ЖРД. В систему настройки входят дроссельные устройства, устанавливаемые в разных сечениях газовых или гидравлических трактов. Изменение гидравлического сопротивления дросселей настройки в процессе проливок агрегатов, а также при специальных технологических испытаниях ЖРД позволяет так подобрать их характеристики, чтобы до минимума уменьшить отклонения основных параметров – давления в камере сгорания, соотношения компонентов и т. д. В качестве элементов системы настройки могут служить и агрегаты системы регулирования ЖРД, которые поднастраиваются по результатам проливок или технологических испытаний. Внутридвигательная система регулирования обеспечивает более точное поддержание параметров ЖРД, чем система настройки. Эти две системы не исключают, а наоборот, обычно дополняют друг друга. Система настройки снимает часть нагрузки с системы регулирования, уменьшая необходимый диапазон регулирования. Если система регулирования обеспечивает и поддержание (стабилизацию) основных параметров ЖРД, и изменение режима по команде системы управления летательным аппаратом, имея достаточный диапазон регулирования, то можно обойтись без системы настройки. В состав системы регулирования входят один или несколько регуляторов (стабилизаторов), поддерживающих или изменяющих по программе (команде) основные параметры ЖРД. Система регулирования может быть построена на базе гидромеханических (пневмомеханических) регуляторов и бортовой ЭВМ, связанной с измерителями в обратной связи и приводами, передвигающими исполнительные органы – дроссели. Для системы управления летательным аппаратом ЖРД являются исполнительными органами, обеспечивающими изменение (или стабилизацию) положения аппарата в пространстве, изменение уровня тяги, а также равномерное опорожнение баков с компонентами. Управление ЖРД как исполнительным органом осуществляется путем изменения режима работы с помощью специальных устройств (дросселей, клапанов и т.д.), путем изменения настройки регуляторов системы регулирования либо путем изменения его положения в пространстве или положения его частей для изменения направления тяги. Остановимся здесь только на системе регулирования, считая систему настройки ЖРД ее частью. Система регулирования необходима для обеспечения возможности компенсировать действие возмущений, которые нарушают стабильность режима работы ЖРД. К внешним возмущениям относятся изменение давления, плотности, температуры компонентов топлива, поступающих в ЖРД, изменение давления во внешней среде, действие ускорения летательного аппарата (перегрузки) и колебаний его корпуса. Внутренние возмущения определяются отклонениями от расчетных значений конструктивных параметров отдельных узлов и агрегатов ЖРД, связанными с допусками на их изготовление. Отклонения конструктивных параметров отдельных деталей приводит к разбросу характеристик агрегатов, собранных из этих деталей. К примеру, насосы имеют разброс напорных и мощностных характеристик, турбина – коэффициента расхода сопел и КПД, продукты, поступающие из газогенератора, – работоспособности (комплекса RT) газа при заданном соотношении компонентов, показателя адиабаты и т.д. Все параметры ЖРД связаны между собой и разброс характеристик его агрегатов приводит к отклонению режима работы ЖРД от расчетного, т.е. к изменению его тяги, соотношения компонентов и т.д. В результате действия внешних и внутренних возмущений параметры работы ЖРД могут достаточно существенно отклониться от номинальных значений, что может привести к изменению удельного импульса и соотношения компонентов, т. е. к ухудшению его энергетических характеристик и характеристик летательного аппарата. Кроме того, из-за указанных отклонений параметры ЖРД могут выйти из диапазонов, в которых он отработан, что может явиться причиной развития неисправностей (прогаров камеры сгорания из-за недостаточного охлаждения, высокочастотных колебаний и т.д.). Система управления летательным аппаратом также может скорректировать режим работы ЖРД по сигналам своих измерителей, однако это происходит с существенным запаздыванием, так как летательный аппарат как объект регулирования имеет постоянную времени на несколько порядков больше, чем постоянные времени ЖРД. Кроме того, для компенсации погрешностей в работе ЖРД с помощью системы управления летательным аппаратом необходимо расширять диапазон регулирования ЖРД системой управления, что достаточно сложно, а часто просто невыгодно. Поэтому в каждом ЖРД в том или другом виде присутствует система регулирования, поддерживающая режим его работы. Необходимая точность поддержания параметров ЖРД, с одной стороны, определяется особенностями системы управления летательным аппаратом, а с другой — параметрами самого ЖРД. Для нормальной работы системы управления необходимо, чтобы точность поддержания тяги ЖРД (давления в камере сгорания) была порядка 2...4%. Необходимая же точность поддержания соотношения компонентов зависит от схемы управления аппаратом. Если в системе управления имеется система опорожнения баков (СОБ), то можно ограничиться точностью по этому параметру в пределах 3...5%, что обеспечивается настройкой ЖРД. Если же СОБ отсутствует, то точность поддержания соотношения компонентов будет оказывать влияние не только на характеристики ЖРД. но и на характеристики летательного аппарата через массу гарантийного запаса компонентов в баках. Поэтому без СОБ желательно иметь точность поддержания соотношения компонентов не более 3%. Кроме регуляторов, поддерживающих в заданных пределах основные характеристики ЖРД, в систему его регулирования можно дополнительно вводить другие регуляторы, цель которых – повышение надежности ЖРД. К таким регуляторам можно отнести стабилизатор соотношения компонентов в газогенераторе, регулятор расхода жидкости через тракт охлаждения камеры сгорания и т.д. Точность регулирования этих дополнительных регуляторов находится в пределах 4…5%. Введение в схему ЖРД регуляторов усложняет его, приводит к появлению новых зависимостей между параметрами. С одной стороны, усложнение схемы путем введения новых агрегатов приводит к уменьшению его надежности, с другой уменьшение разброса параметров работы ЖРД при введении регуляторов должно повысить его надежность. Одна из основных задач разработчиков системы регулирования заключается в том, чтобы обеспечить такой положительный эффект, получаемый за счет введения регуляторов, который заведомо превалирует над возможными отрицательными последствиями из-за увеличения числа агрегатов в ЖРД. С введением в схему ЖРД регуляторов возникает еще одна проблема – обеспечение устойчивости системы регулирования. Потеря устойчивости системы ЖРД — регулятор для ЖРД, устойчивого без регулятора, определяется появлением при введении регулятора новых связей с большими коэффициентами связи (коэффициентами усиления). Как уже отмечалось при анализе устойчивости используются математические модели ЖРД и регулятора, при этом находятся границы устойчивости системы регулирования в параметрах регуляторов. При выборе параметров регулятора для обеспечения устойчивости системы следует учитывать необходимость определенного запаса устойчивости (точка, характеризующая параметры регулятора, должна находиться на определенном расстоянии от границы устойчивости ЖРД). Запас устойчивости обусловливается тем, что граница устойчивости и точка характеризующая параметры регулятора, соответствуют номинальным характеристикам как ЖРД, так и регулятора, т.е. являются их математическими ожиданиями. Естественные отклонения характеристик отдельных агрегатов от номинальных приводят не только к разбросу статических характеристик ЖРД и регулятора, но и к разбросу их динамических характеристик. Так как границы устойчивости и параметры регулятора определяются динамическими характеристиками как ЖРД, так и регулятора, то они тоже имеют определенный разброс, т. е. носят вероятностный характер. Для того чтобы при наличии разбросов вероятность потери устойчивости системой двигатель — регулятор была минимальной, расчетная точка регулятора должна находиться на достаточном удалении от границы устойчивости. Влияние разброса динамических и статических характеристик ЖРД и регулятора на устойчивость системы проявляется в том, что в ряде случаев колебательные режимы оказываются плохо воспроизводимыми – в одном экземпляре ЖРД одного и того же типа колебания отсутствуют, а при тех же условиях в другом экземпляре – возникают. Запас устойчивости определяет качество переходного процесса чем ближе точка, характеризующая параметры регулятора, к границе устойчивости, тем больше колебательность переходного процесса. Выбрав достаточно большой запас устойчивости, можно практически избежать колебаний при переходном процессе. Параметры переходного процесса, как и частотные характеристики ЖРД, существенно зависят от параметров регуляторов, и поэтому требования к динамическим характеристикам ЖРД, в первую очередь, являются требованиями к схеме и параметрам его системы регулирования. Изменяя схему регулирования или параметры регуляторов (постоянные времени, коэффициент усиления), можно в определенных пределах изменять и динамические характеристики ЖРД. Если система регулирования включает несколько регуляторов (например, регулятор расхода горючего газогенератором и стабилизатор соотношения компонентов в камере сгорания), то неизбежно их взаимное влияние. Это влияние является дополнительным возмущением, поэтому при выборе схемы регулирования желательно свести к минимуму взаимное влияние регуляторов. Один из возможных вариантов исключения этой связи – введение специальных корректирующих связей между регуляторами. При анализе динамики системы управления летательным аппаратом, расчетах границ продольной устойчивости аппарата в полете в качестве исходных данных используются динамические частотные характеристики, рассчитанные для ЖРД вместе с системой регулирования. Для выбора параметров регуляторов ЖРД при анализе устойчивости системы регулирования в качестве исходных данных необходимы другие частотные характеристики ЖРД, рассчитанные по его математической модели без регулятора. Если в ЖРД имеется несколько регуляторов, то анализ устойчивости системы регулирования проводится с учетом их взаимного влияния. Как уже отмечалось, ЖРД обладает широкой полосой пропускания частот, однако применительно к задачам анализа устойчивости системы регулирования представляет интерес относительно узкий диапазон частот – до 50 Гц. Для таких частот можно ограничиться самым простым вариантом математической модели, в которой все агрегаты (кроме газового тракта, в котором обязательно нужно учитывать волны энтропии) рассматриваются как элементы с сосредоточенными параметрами. При этом никогда не следует забывать об ограниченном диапазоне частот, в котором пригодна используемая математическая модель. Высокая энергонапряженность ЖРД накладывает отпечаток на конструкцию aгpeгaтов регулирования, так как, с одной стороны, необходимо поддержать высокое давление и получить высокие прочность и надежность, а с другой – уменьшить массу агрегатов. Противоречивые требования часто разрешаются путем уменьшения размеров агрегатов, в том числе их проточных частей, что приводит к увеличению скоростного напора и соответственно к появлению мощных вихревых течений, создающий шум и вибрации элементов ЖРД, увеличению гидродинамических сил, действующих на дросселирующие части и чувствительные элементы регуляторов. Для уменьшения влияния этих неприятных явлений приходится устанавливать растекатели, решетки и т.д. Другим усложняющим фактором является высокая температура в основном агрегате ЖРД – камере сгорания. Учет этого фактора и необходимость повышения надежности ЖРД заставляют в ряде случаев отказываться от схемы регулирования, с помощью которой непосредственно поддерживается давление в камере сгорания, и остановиться на схеме, в которой режим работы ЖРД поддерживается по другим параметрам. Это приводит к уменьшению точности поддержания системой регулирования основного параметра – тяги ЖРД.  Рис. 1. Обобщенная схема ЖРД:1 – газогенератор, 2 – дроссель на тракте горючего камеры сгорания, 3 – камера сгорания, 4 – газовод, 5 – дроссель на тракте окислителя камеры сгорания, 6 – ТНА, 7 – дроссель на тракте окислителя газогенератора, 8 – БНО, 9 – БНГ, 10 – дроссель на тракте горючего газогенератора Управление и регулирование ЖРД По задачам, стоящим перед системой управления можно выделить две основные группы систем: Системы, обеспечивающие запуск и остановку ДУ. Системы, обеспечивающие поддержание заданного режима работы ДУ. Отличия от РДТТ: Нет необходимости компенсировать влияние начальной температуры топлива на  .Практическая возможность глубокого регулирования величиной тяги (до 10 кратного). Более простые схемы регулирования вектора тяги по направлению и величине (КС отдельно от баков, регуляторы работают на хо…… компонентах). Нет проблем с многократным запуском. Устройства систем 1-ой группы определяется назначением ДУ. Основные требования: надежность запуска и остановки; обеспечение выхода на режим и полного прекращения работы ДУ за заданный интервал времени. Основные требования к устройствам 2-й группы: обеспечение надежной работы двигателя на заданном режиме; поддержание постоянных или заданных режимов тяги и соотношения компонентов. В зависимости от назначения ЖРД жесткость этих требований различна. Ориентировочно для баллистических ракет точность поддержания: тяги – до 2%, соотношения компонентов  – до 1,5%,  – до 2%, давления наддува баков – до 3%.Рассмотрим основные способы регулирования тяги двигателя и некоторые возможные схемы регулирования всей ДУ. Возможные способы регулирования  получаются из рассмотрения уравнения тяги: по  – затруднительно, на практике не применяют.по  – центральное тело (на практике широкого распространения не получило)Основным, наиболее распространенным, является способ изменения давления в камере путем изменения расхода компонентов. Метод дает возможность регулировать тягу в 3-5 раз. Отключением одной или нескольких камер многокамерного ЖРД. Недостаток – в ступенчатости изменения тяги; проигрыш в массе, так как отключенная камера – балласт. Основные способы регулирования путем изменения Изменение числа оборотов ТНА. изменение расхода рабочего тела на турбину при постоянной температуре ( = const) – при открытых схемах;изменение температуры рабочего тела путем изменения – распространен в замкнутых схемах, так как в них в первом приближении прямо пропорционально  .Недостаток: ухудшение работы ДУ из-за работы ТНА на нерасчетных режимах. Дросселирование расходов компонентов в КС. Возможно, и при вытеснительной и при насосной системе подачи. Недостаток: при вытеснительной – лишнее давление в баках, т.е. лишняя масса; при насосной – непроизводительная затрата мощности ТНА. Отключение части форсунок. Недостатки: те же, что и в п.2, кроме того, возможен прогар форсуночной головки. Закольцовка части расхода компонентов. Недостаток: лишние затраты мощности ТНА для прокачки закольцованного компонента. Изменение соотношения расходов компонентов в КС. Недостаток: ухудшение рабочих характеристик КС. При необходимости изменения тяги в диапазоне 10…15 % наиболее распространен метод 1. В качестве примера – типичная схема регулирования тяги баллистической ракеты для обеспечения заданного режима полета ракеты (рисунок 1).  Рисунок 1 - Типичная схема регулирования тяги баллистической ракеты для обеспечения заданного режима полета ракеты: 1 – датчик; 2 – привод; 3 – дроссельный регулятор; 4 – ЖГГ. Входным сигналом является давление в камере  По рассогласованию с заданным значением ЭВМ подает сигнал на привод дроссельных регулирующих клапанов изменить расход в ЖГГ, изменить обороты ТНА; изменить расход компонентов в КС; изменить , изменить P.Остальные способы также эффективны при небольшом изменении тяги. При больших изменениях тяги в однокамерных ЖРД сложность: изменяются характеристики рабочего процесса в КС (распыл, смешение, горение);  , кроме того, с  расхода топлива, расход охладителя в КС. Возможен прогар.Поэтому, при необходимости изменения тяги в широких пределах часто более целесообразно применение многокамерной установки. Для обеспечения заданного режима работы ДУ и получения требуемого закона изменения скорости ракеты по времени полета кроме тяги, необходимо регулировать еще целый ряд параметров (соотношение компонентов, подаваемых в КС и ЖГГ, наддув баков, работа рулевых двигателей, и тд.). В ДУ баллистической ракеты одной из основных является система управления соотношением компонентов. Назначение ее – поддержать соотношения расходов в установленных пределах и обеспечить одновременную выработку баков обоих компонентов (кроме того, без СОБ нарушается центровка). Эти системы обычно основываются либо на измерении уровня компонентов в баках, либо на измерении секундных расходов. Система регулирует соотношение компонентов. |