Влияние конструктивных параметров регулятора расхода на его статические и динамические характеристики

Полный текст

Регуляторы расхода, применяемые в ЖРД, разде- пользуются как стабилизаторы расхода. Так, в двига-ляются на регуляторы прямого и непрямого действия. теле РД301 установлены два регулятора, один из них -В современных ЖРД широкое применение нашли в канале управления тягой, а второй выполняет функ-регуляторы расхода прямого действия. Они исполь- ции стабилизатора расхода. Он установлен в магист-зуются для поддержания, как в двигателях РД253 и рали на входе в тракт охлаждения камеры сгорания РД120, или для контролируемого изменения расхода, (КС) и после запуска двигателя вследствие прогрева как в двигателях РД170, РД180, РД191, в каналах компонента топлива в рубашке охлаждения КС проуправления их тягой. В некоторых случаях они ис- исходит увеличение гидравлических потерь давления 109 Авиационная и ракетно-томическая техника в ней. По мере их увеличения происходит перераспределение перепада давления между регулятором расхода и трактом охлаждения КС, и таким образом происходит сохранение необходимой величины расхода компонента топлива для охлаждения КС. Исследованию работы регуляторов расхода посвящено немного работ, среди них следует выделить работы [1-6]. В этих работах приводятся общие данные по регуляторам прямого действия, рассматриваются их статические и динамические характеристики, приводятся основные уравнения, описывающие динамику работы регуляторов, но в них не показано влияние основных конструктивных параметров на статические и динамические характеристики регуляторов. В данной статье на примере малорасходного регулятора представлено влияние основных конструктивных параметров на его статические и динамические характеристики. На рис. 1 приведена схема регулятора прямого действия, а на рис. 2 и 3 приведены его статические характеристики. Основные конструктивные характеристики этого регулятора расхода следующие: - площадь золотника 5,0 см2; - жесткость пружины 20,0 кг/см; - площадь демпфирующих отверстий 0,0353 см2; - форма золотниковых отверстий треугольник; - толщина кромки золотника 0,06 см. Номинальная величина расхода через регулятор составляет ~ 0,6 кг/с при перепаде давления на нём 2,5 МПа. Современные ЖРД, как правило, многорежимные, поэтому очень важно, чтобы регулятор расхода обладал статическими и динамическими характеристиками, обеспечивающими устойчивую работу двигателя в широком диапазоне изменения его параметров с заданной точностью. Система уравнений, описывающая работу регулятора расхода, достаточно подробно изложена в [1-3; 5]. При исследовании влияния геометрических параметров регулятора расхода на его статические и динамические характеристики использована математическая модель, изложенная в [1]. Основным уравнением регулятора расхода, описывающим его работу, является уравнение перемещения золотника, которое записывается в следующим виде: m-^.cPh/dt1 + R^.dh/dt + K^.h = = Fx(px -p2) - Рпру + Ргд, (1) где m^ - приведенная масса; R^ - приведенный коэффициент трения; Кпру - жесткость пружины; F1 -площадь золотника; Рпру - усилие предварительного натяжения пружины; Ргд - гидродинамическая сила; p1 - давление на входе регулятора; p2 - давление внутри регулятора; h - ход золотника. Это уравнение устанавливает баланс сил, действующих на золотник. Из этого уравнения следует, что наряду с влиянием площади золотника, жесткости пружины, приведенных перемещаемой массы и коэффициента трения, определенный вклад в баланс сил вносит гидродинамическая сила. Эта сила связана с падением давления в золотниковых отверстиях ни же, чем давление во внутренней полости регулятора р2. В результате чего появляется сила (названная гидродинамической), направленная в сторону закрытия золотниковых отверстий. 1 2 3 Рис. 1. Схема регулятора расхода: 1 - дроссель регулятора; 2 - золотник; 3 - перекрываемые золотником отверстия; 4 - демпфирующие отверстия; 5 -пружина; 6 - привод дросселя; 7 - корпус; pi - давление на входе регулятора; p2 - давление внутри регулятора; p3 -давление на выходе регулятора; F1 - площадь золотника; апр - угол привода дросселя т. кг/с /1 щ и ЛР = 2.5 ИПа 25 30 35 40 45 50 55 |гр«я) Рис. 2. Настроечная характеристика т. кг/с ДР. Ml 1а Рис. 3. Нагрузочная характеристика 110 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 На рис. 4 приведено изменение проходной площади золотниковых отверстий (К.ол) от перемещения золотника при различной форме отверстий. Суммарная проходная площадь золотниковых отверстий и ход золотника для всех форм одинаков. тельно, и разницу между давлением внутри регулятора р2 и давлением, действующим на кромку золотника. % , ----- пряь оуюлышк 0.1ЫШК _ 4 Х\ ч -•- круг S \ V \" ч N \ 0.5 h. см Рис. 4. Зависимость площади золотниковых отверстий при их различной форме от перемещения золотника Нагрузочная характеристика регулятора расхода при разных формах золотниковых отверстий представлена на рис. 5. Расход через регулятор на этом рисунке приведен в разных масштабах (т1 от 0,595 до 0,62 кг/с, а т2 от 0 до 0,7 кг/с) для сравнения и детального рассмотрения нагрузочной характеристики, так как при гидравлических испытаниях регулятора сложно, а чаще и невозможно обеспечить необходимую точность экспериментального определения расхода для таких малорасходных регуляторов. На рис. 5 видно, что при треугольной форме золотниковых отверстий диапазон перепада давления, в котором нагрузочная характеристика имеет положительный статизм, значительно шире по сравнению с круглыми и прямоугольными отверстиями. Как известно, наличие отрицательного статизма, когда с увеличением перепада давления на регуляторе расход через него уменьшается, может быть причиной неустойчивой работы двигателя [3]. Поэтому на всех последних современных ЖРД при проектировании регуляторов расхода выбирают форму золотниковых отверстий треугольную. На рис. 6 приведена нагрузочная характеристика регулятора расхода и зависимость гидродинамической силы, действующей на кромку золотника при различной её толщине. На этом рисунке видно, что с уменьшением толщины кромки золотника расширяется диапазон перепада давления, в котором статизм регулятора положителен, что напрямую связано с величиной гидродинамической силы. Величина этой силы зависит от толщины кромки золотника, перепада давления на золотниковых отверстиях и расхода компонента через регулятор. Два последних обстоятельства характеризуют величину скорости потока в золотниковых отверстиях, а следоват,. кг/с 0.615 0.595 4 И '1 А треугольник О круг 1 1 т:. кг/с 0.7 2.0 3.5 4.0 ДР. МПа Рис. 5. Нагрузочная характеристика регулятора при различных формах золотниковых отверстий Рис. 6. Нагрузочная характеристика регулятора и зависимость гидродинамической силы при разной толщине кромки золотника Чаще всего отрицательный статизм у регулятора расхода проявляется при одновременной реализации большого перепада давления на регуляторе в сочетании с большим расходом компонента топлива через регулятор (правый верхний угол на нагрузочной характеристике регулятора, рис. 3). При небольших перепадах давления на золотниковых отверстиях кромка самого золотника, перекрывающего эти отверстия, может быть выполнена очень тонкой. Толщина кромки лимитируется её прочностными свойствами. На рис. 7 приведена нагрузочная характеристика регулятора расхода при различной площади золотника. Из этого рисунка видно, что с увеличением площади золотника диапазон перепада давления, в котором нагрузочная характеристика приближается к горизонтальной, расширяется. Следует отметить, что с увеличением площади золотника увеличиваются габариты регулятора и его масса. 111 Авиационная и ракетно-коcмическая техника На рис. 8 приведена нагрузочная характеристика регулятора расхода при различной жесткости пружины. Жесткость пружина довольно сильно влияет на нагрузочную характеристику регулятора. При меньшей жесткости пружины регулятор начинает поддерживать расход с меньшего перепада давления на нём, нагрузочная характеристика приближается к горизонтальной, но при этом появляется отрицательный статизм. т. кг/с 0.614 /// ■ 4.0 кв см / *// А 5,0 кв см , * 6.0 кн см В данной статье приведены результаты исследования динамики регулятора в области частот от 0 до 20 Гц, так как система уравнений с сосредоточенными параметрами, которая использовалась при проведении исследований, не позволяет проанализировать более высокую область частот [2; 6]. На рис. 9 показано изменение коэффициента усиления регулятора при введении синусоидальных возмущений различной частоты на его входе при разной площади золотника. ДРвых/АРвх 4.0 . МПа Рис. 7. Нагрузочная характеристика регулятора расхода при различной площади золотника В динамике регулятор расхода может поддерживать заданную величину расхода при относительно медленных возмущениях давления как на входе, так и на его выходе. В качестве критерия, характеризующего динамические свойства регулятора расхода, можно рассматривать отношение величины приращения давления на выходе из регулятора к величине приращения возмущающего воздействия давления на его входе (коэффициент усиления регулятора расхода). При проведении исследований на входе в регулятор расхода задавались синусоидальные колебания давления с различными частотами и амплитудой 0,1 МПа. f. Гц Рис. 9. Влияние площади золотника на коэффициент усиления регулятора расхода Площадь золотника достаточно сильно влияет на коэффициент усиления регулятора расхода, так как при увеличении площади золотника возрастает сила, воздействующая на золотник, направленная на перемещение золотника в новое положение, которое обеспечивает стабилизацию расхода на исходном уровне. Вместе с тем увеличение площади золотника приводит к увеличению приведенных перемещаемой массы и коэффициента трения [3], а это, в свою очередь, снижает быстродействие регулятора. На рис. 10 приведено влияние площади демпфирующих отверстий на коэффициент усиления регулятора расхода на разных частотах. АРвых/АРвх 6.0Е-03 5.0Е-03 4.0Е-03 З.ОЕ-ОЗ 2.0Е-03 I.0E-03 О.ОЕ+ОО / -в- 0.0016 кв. с - 0.0354 кв. м / м о.об: 8 кв. см Рис. 8. Нагрузочная характеристика регулятора расхода при разной жесткости пружины О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 f, Гц Рис. 10. Влияние площади демпфирующих отверстий на коэффициент усиления регулятора 112 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 Само название этих отверстий говорит о их роли в регуляторе. На статические характеристики регулятора эти отверстия влияния не оказывают. Они влияют на скорость перемещения золотника при возникновении возмущений, и при их определённой величине они выполняют стабилизирующую роль в динамике поддержания расхода в системе, в которой установлен регулятор расхода. На представленном рисунке видно, что если площадь демпфирующих отверстий очень маленькая, то золотник перемещается медленно (гидравлический катаракт) и не успевает в полной мере парировать входящие возмущения. В то же время, начиная с определённой площади демпфирующих отверстий, их эффективность уменьшается. Следует отметить, что при уменьшении площади демпфирующих отверстий возрастают приведенные перемещаемая масса и коэффициент трения, которые, так же как и увеличение площади золотника, приводят к уменьшению быстродействия регулятора расхода. Проведенными исследованиями показано, что получение нагрузочной характеристики регулятора расхода с положительным статизмом в области заданного рабочего перепада давлений возможно при определенном сочетании его основных конструктивных параметров. Впервые подтверждено теоретически, что расширению области по перепаду давления, в которой ста-тизм регулятора будет положительным, способствует треугольная форма золотниковых отверстий. Это позволяет ЖРД работать в более широком диапазоне изменения их тяги. Динамические свойства регулятора расхода, установленного в технической системе, во многом определяются соотношением между площадью золотника и площадью его демпфирующих отверстий.

Об авторах

Евгений Николаевич Беляев

Московский авиационный институт

Email: kaf202@mail.ru
кандидат технических наук, доцент

Александр Иванович Коломенцев

Московский авиационный институт

Email: kaf202@mail.ru
кандидат технических наук, профессор

Леонардо Бартоломеу Насименто

Московский авиационный институт

Email: kaf202@mail.ru
магистр технических наук, стажер

Владимир Павлович Назаров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: dla@sibsau.ru
кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов

Список литературы

Дополнительные файлы