Опыт и практика создания ЖРД закрытой схемы показали, что одной из наиболее трудных проблем было обеспечение запуска и других переходных режимов двигателей. Решение задачи осложнялось высокой быстротечностью аварийных процессов, протекающих за десятые и даже сотые доли секунды и приводящих к "разносам" ТНА и возгоранию элементов конструкции двигателей. Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в ЦИАМ и НИИТП при тесном сотрудничестве с ОКБ, позволили создать методы математического и гидродинамического моделирования и разработать эффективные способы управления процессом запуска двигателей без больших материальных затрат и проведения огневых пусков. С помощью математического эксперимента в наиболее полной постановке стало возможным решение сложных вопросов, связанных с управлением и отработкой переходных режимов ЖРД и анализом аварийных ситуаций. Гидродинамическое моделирование предогневых процессов на натурных двигателях позволило оптимизировать и контролировать циклограммы запуска двигателя в лабораторных условиях. Разработанные методы нашли широкое применение в практике двигательных ОКБ, а цикл работ ЦИАМ по теории управления ЖРД и гидродинамическому моделированию процессов запуска отмечен премией имени профессора Н.Е. Жуковского.

Характеристики турбин, работающих на стационарных режимах на сухом парогазе, при относительно небольших отклонениях от расчетного режима достаточно хорошо изучены. Вместе с тем, динамические характеристики турбин на режимах запуска и на других переходных режимах, связанных с очень быстрым изменением рабочих параметров, могут существенно отличаться от стационарных.

Для решения практических задач отработки запуска и других динамических режимов ЖРД особенно важно иметь правильные количественные представления о влиянии на мощность и пропускную способность турбин таких специфических факторов, как степень влажности первых порций парогаза, поступающих в начальный период запуска в турбину, а также очень высокие темпы разгона и спада режима по частоте вращения ротора, давлению и температуре газа на входе в турбину и на выходе из нее.

Требуется также правильно оценивать величины осевых и радиальных сил, действующих на ротор турбины.

Следует отметить, что необходимых сведений по этим вопросам опубликовано недостаточно. Настоящая статья посвящена результатам исследования динамических характеристик турбин ЖРД методом гидродинамического моделирования при работе турбин на сухом и влажном рабочем теле с различными темпами разгона и при различных гидравлических сопротивлениях и объемах газового тракта после турбины.

Влияние высоких темпов разгона, свойственных переходным режимам ЖРД и степень реактивности турбин исследовалось на осевых и центростремительных турбинах натурных ЖРД.

Исследования проводились в системе ТНА - при работе турбин на сжатом воздухе, а служивших нагрузкой насосов - на воде. Величины темпов разгона и конечного уровня установившегося режима изменялись путем варьирования давления на входе в турбину в пределах 5...10 МПа. Числа Рейнольдса в турбинах находились в пределах (1,5…3)o106, что соответствует автомодельной области по к.п.д. На протяжении времени переходных процессов малоинерционной аппаратурой регистрировались частота вращения, давление на входе, выходе и в зазоре турбин, а также входная и выходная температуры воздуха. Для определения мощности нагрузок регистрировались аналогичные параметры по тракту насосов и расходы жидкости на входе в насосы.

К.п.д. турбин определялся в зависимости от мгновенного перепада температуры воздуха на турбине. Мощность трения определялась по выбегу ротора ТНА, к.п.д. насосов - по мгновенным значениям напоров и перепадов температур. Степень реактивности турбин определялась по статическому давлению в осевом зазоре и перепаду давлений на турбине.

Сравнение значений к.п.д. и степени реактивности турбины на переходных и установившихся режимах показывает, что указанные параметры близки между собой и их отличия не выходят за пределы разброса экспериментальных точек. Это свидетельствует о слабом влиянии переходных процессов по частоте вращения на к.п.д. и степень реактивности осевых сверхзвуковых турбин. Аналогичные результаты получены и для дозвуковых реактивных центростремительных турбин со степенью расширения, равной 1,5.

Проведенное исследование показало, что мощностные характеристики осевых и центростремительных турбин при темпах разгона ТНА, характерных для переходных процессов современных ЖРД, можно считать квазистационарными. Приведенная методика позволяет с достаточной точностью оценивать мощностные характеристики насосов и турбин в составе ТНА на этапе создания и доводки двигателя при отсутствии автономных гидравлических стендов для исследования этих агрегатов.

Накопление значительных масс опережающего компонента в газогенераторах при запуске двигателей закрытой схемы приводит к тому, что турбины этих двигателей на начальном этапе процесса разгона ТНА работают на газожидкостной смеси с очень большим (90 % и более) начальным содержанием жидкой фазы. В таких условиях пропускная способность турбин при наличии жидкой фазы ("запирающий эффект") сильно влияет на качество и надежность запуска. Запирающий эффект создает неблагоприятные энергетические условия для разгона и выхода ТНА на режим, поскольку при этом увеличивается время удаления из газогенератора жидкой фазы, снижающей работоспособность парогаза, и турбина работает на влажном рабочем теле при низком к.п.д. Для правильной организации процесса запуска требуется изучение механизма запирающего эффекта, а также динамических характеристик по к.п.д. и пропускной способности турбин при работе на парогазе с очень большим влагосодержанием.

Пропускная способность различных типов турбин исследовалась методом гидродинамического моделирования пускового процесса в натурном двигателе закрытой схемы с визуализацией картины истечения двухфазной среды из турбин. Объектами исследования являлись осевая и центростремительная турбины, спроектированные на одинаковые параметры, со степенью расширения газа 1,78.

Запуск моделировался при подаче в насосы воды по штатной циклограмме с варьированием времени опережения поступления избыточного компонента в газогенератор.

Расход жидкой фазы через турбину оценивался по показаниям турбинного датчика расхода опережающего компонента, а расход газовой фазы - по мгновенным значениям давления воздуха перед пусковыми соплами турбины. Для определения общего перепада давлений на турбине измерялись текущие значения давления двухфазного потока на выходе из газогенератора и на входе в газовод.

Полученные результаты свидетельствуют, что на предогневом режиме запуска двигателя оба типа турбин оказывают существенное влияние на прохождение через них жидкого компонента. Вследствие запирающего эффекта турбин в газогенераторе происходит накопление жидкости и повышение давления. Большим запирающим эффектом обладает центростремительная турбина (ее гидравлическое сопротивление, обусловленное запирающим эффектом, в 1,5...2 раза выше, чем у осевой). В ней основная часть жидкости в начальный момент запуска не проходит через рабочее колесо, и течение за турбиной в этот период времени характеризуется движением мелкораспыленной эмульсии в направлении вращения ротора турбины. Взаимодействуя с воздухом пневмостартера, жидкость перемещается по периферии канала к выходному сечению. При возрастании давления в газогенераторе наступает момент, когда напор двухфазной среды преодолевает запирающий эффект колеса турбины и жидкость интенсивным потоком начинает двигаться через турбину в газовод. В осевой турбине наблюдается

более равномерное прохождение жидкости через рабочее колесо. В этих опытах степень влажности рабочего тела турбин, определенная по средним массовым расходам жидкой и газовой фаз, превышала 85...90 %.

Из сопоставления параметров процессов при кубической зависимости мощности от частоты вращения ТНА следует, что на пусковом режиме в рассматриваемых условиях осевая турбина развивает мощность в 1,5...2,0 раза большую, чем центростремительная, и при этом превосходит последнюю по пропускной способности.

Сравнительные огневые испытания двигателя с осевой и центростремительной турбинами, проведенные в ОКБ, подтвердили высокие пусковые качества осевой турбины, выявленные при моделировании. С этой точки зрения в ЖРД закрытой схемы более целесообразно применение осевых турбин.

Существенное влияние на развиваемую турбиной мощность на нестационарных режимах оказывают динамические свойства газового тракта на выходе из турбин. В связи с этим моделирование проводилось при различных гидравлических сопротивлениях и различных объемах выхлопной системы за турбиной. Испытания турбин различных типов проводились при задании темпа повышения давления на входе в турбину с ускорениями 100...150 МПа/с.

Испытания турбины с затурбинной емкостью в виде газового коллектора объемом 60 л показали, что в этом случае время запаздывания переходного процесса по давлению на выходе составляет 0,45 с, что вызывает существенное повышение мощности турбины на переходном режиме. Аналогичная картина наблюдалась и на других турбинах. Полученные результаты свидетельствуют о сильном влиянии объема затурбинной емкости на энергетические соотношения, характерные для динамических систем двигателей закрытых схем на переходных режимах. Указанный эффект поддается достаточно точным расчетам в предположении квазистационарности расходных характеристик турбин. При расчетах используется уравнение неразрывности для системы "турбина - газовый тракт", состоящей из активного гидравлического сопротивления турбины, сосредоточенной затурбинной емкости и сосредоточенного гидравлического сопротивления на выходе из емкости.

Результаты проведенных расчетов удовлетворительно сходятся с экспериментом. Они свидетельствуют о том, что для низкочастотных динамических процессов (0...100 Гц), характерных для запуска и управления переходными режимами, основным динамическим фактором, определяющим располагаемую мощность турбины и переходные процессы за турбиной, являются емкостные свойства системы "турбина-газовый тракт".

Приведенные результаты позволяют оценивать нестационарные энергетические характеристики турбин ТНА, но не касаются динамики нагружения их роторов радиальными и осевыми силами. В настоящее время практически отсутствует систематизированная информация о влиянии динамических свойств околодисковых полостей турбин на динамику осевого нагружения ротора ТНА, хотя, как показывает опыт, такое влияние в ряде случаев может быть значительным.

Объектом исследования явился ТНА, состоящий из осевой реактивной турбины и центробежного насоса. Рабочее колесо турбины с наружным диаметром 141 мм имело 29 лопаток высотой 21 мм, а сопловой аппарат - 27 лопаток. Зазор между колесом турбины и кромкой обтекателя, образующего переднюю околодисковую полость турбины, составлял 1 мм. Полость имела объем 0,5 л, что соответствовало полуторному объему проточной части турбины, охватывающей сопловые и рабочие лопатки. В процессе испытаний с помощью малоинерционных датчиков измерялись давления и температуры в гидравлическом тракте ТНА, а также в передней околодисковой полости турбины. Осевое усилие определялось с помощью тензодатчиков, установленных с двух сторон упорного подшипника. Исследования проводились по описанной выше методике при работе насоса на воде, а турбины - на сжатом воздухе. ТНА выходил на установившийся режим за 0,1...0,15 с.

Наиболее интенсивное возрастание давления на входе в турбину происходило в интервале времени 0,01...0,15 с и с ускорением роста давления на входе в турбину 100 МПа/с. Давление в передней околодисковой полости турбины изменялось вслед за давлением на входе в турбину с запаздыванием примерно в 0,03 с, что приводило к 50-процентному снижению осевой силы, действующей на ротор, на начальном этапе переходного режима. Запаздывания давления за турбиной практически не наблюдалось. Осевая сила, действовавшая на ротор, на начальном этапе переходного режима (0...0,06 с) была направлена от турбины к насосу, и ее максимальное значение составляло 1,5 кН. В дальнейшем направление силы изменялось на противоположное, а ее максимальное значение на установившемся режиме достигало 2 кН. Аналогичные результаты были получены и для других значений ускорения вращения ротора, свидетельствуя о существенном влиянии емкостных свойств передней околодисковой полости турбины на осевую силу при работе ТНА на переходных режимах.

В расчетно-теоретическом плане анализ происходящих процессов сводится к определению параметров нарастания давления газа в полости с заданным объемом и известной площадью проходного сечения на входе. При расчете влияния передней окододисковой полости турбины на переходные процессы по давлению в этой полости и на осевую силу, действующую на ротор, использовалась система уравнений, учитывающая только емкостные свойства газовой полости, и пренебрегалось инерцией столба газа, втекающего в полость.

Течение газа в осевом зазоре и распределение давлений по радиусу вращающегося диска на входе в полость являются чрезвычайно сложными. Существующие методы расчета параметров газа в околодисковой полости позволяют рассчитать расходы газа и распределение давлений только на стационарных режимах. В связи с этим расход газа через щель в околодисковой полости турбины определялся по приближенной формуле.

Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными показало, что принятая схема расчета удовлетворительно описывает основные особенности переходного процесса по давлению.

На основании полученных экспериментальных данных была проведена упрощенная оценка осевой силы, действующей на ротор на переходных режимах. Учет динамических характеристик полости обеспечивает существенное улучшение сходимости расчетных и экспериментальных данных.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при оценке осевых сил, действующих на ротор на переходных режимах, необходимо учитывать емкостные свойства околодисковых полостей турбин.