Среди различных типов реактивных двигателей, используемых современной техникой, определенную область применения имеют прямоточные воздушно-реак­тивные двигатели. Схематически такой двигатель изобра­жен на рпс. 109. Отличительными особенностями этих

Рис. 109. Схема прямоточного воздушно реактив­ного двигателя.

Двпгателей надо считать следующие: во-первых, для сжигания горючего используется воздух, а во-вторых, давление этого воздуха пе повышается в различного рода компрессорах, имеющих механический привод. При дви­жении прямоточного двигателя в воздухе (справа налево на рнс. 109) встречный воздух попадает в диффузор а, где происходит торможение воздуха и связанное с этим повышение давления. За диффузором расположена камера сгоранпя б, которая заканчивается выходным соплом в.

Внутри камери сгорания помещается коллектор форсу­нок г для ввода горючего в воздух и стабилизатор пла­мени д. Как видно из этого краткого описания, идеализи­рованная схема прямоточного воздушно-реактивного дви­гателя может быть представлена в качестве трубы, внутри которой, главпым образом в зоне расположения стабили­затора происходит интенсивное горенпе. Более подроб­ное описание конструкции, принципов работы и других

Ряс. ІІО. Тишины© осциллограммы давления в прямоточном воздушно-реактивном двигателе (а—пормальное, о—жесткое, в— пуль опционное горение).

Характеристик подобных двигателей можно найти в спе­циальных руководствах, например книге М. М. Бонда — рюка и С. М. Ильященко1).

Названные авторы указывают в своей книге, что прп испытании прямоточных двигателей иногда наблюдаются колебания, имеющие акустическую частоту, характер­ную для двигателя в целом.

Неизбежные при техническом сжигании топлива малые и нерегулярные колебания давления и скорости принято ие выделять и такой процесс называть спокойным горе­нием. Если же амплитуды колебапий давления возрастают в несколько раз, по остаются существенно меньше сред­него избыточного давления и камере, а частота становится регулярной, то горепие принято называть «жестким». Если колебания давления достигают порядка среднего избыточного давления в камере сгорания прп регуляр­ном характере этих колебаний, то горение называют пульсацпонным. М. М. Бондарюк и С. М. Ильяшепко приводят типичные осциллограммы давления для этих случаев (а, б и в на рис. 110) и указывают, что жесткое и

Бондарюк М. М. и И л ь я ш е а к о С. М., Прямо­точные воздушно-реактивные двигатели, Оборонгиз, Москва, 1958.

Цульсациопное давление недопустимы в двигателях, так как онп могут привести к разрушению элементов его конструкции.

Очевидно, что в рассматриваемом случае наблюдается возбуждение акустических колебаний горением. Распо­ложенная в области стабилизатора зона интенсивного теплоподвода может возбудить продольные акустические колебания газового столба между входным сечением диф­фузора и выходным сечением сопла. Как известно из пре­дыдущих глав, для этого необходимо, чтобы фаза горепия (включая в это понятие и теплоподвод, и перемещение фронта пламени) была определенным образом увязана с фазой колебаний газового столба. Кроме того, должен существовать некоторый механизм обратной связп, кото­рый возмущал бы процесс горения в ритме акустических колебаний.

В экспериментах, специально поставленных Фенпом, Форни и Гармоном на модели камеры сгорапия прямоточ­ного воздушно-реактивного двигателя, для нзучеппя колебательных процессов в них, было зарегистрировано несколько типов колебания1). Один из этих типов обязан своим существо в аннем продольным акустическим колеба­ниям газового столба внутри тракта прямоточпого двига­теля. Авторы указанных экспериментов показали, что частота возникших колебаний в общем согласуется с час­тотой, определяемой по простейшей формуле типа фор­мулы (5.4), причем ими наблюдалось возбуждеппе только основного тона.

Надо сказать, что этн опыты были интересны по той причине, что в них краевые условия на входе в камеру сгорания и па выходе из нео (камора включала не только зону горения за стабилизатором, по и большой участок течения от топливных форсунок до стабилизатора) были такими, какие характерны для сверхзвуковой скорости полета. В камеру сгорания с цилиндрическим участком подготовки смесн, расположенным перед стабилизатором пламени, специальным компрессором нагнетался воздух, так., что давление виутрп камеры доходило до 2,5 ата.

‘) Fenn Y. В., Forney II., Garni on R., Industrial and Engineering Chemistry 43, № 7, 1951. Русский перевод в сбор­нике «Вопросы ракетной техники», № 4 (10), 1952.

31 Б. в. Раушонбаг

В результате в выходном сопле реализовалась критиче­ская скорость (т. е. достигалась местная скорость звука). Иа входе в трубу, в зоне расположения форсунок, про — t ходные сечения для протока воздуха были столь малы, что с акустической точки зрения входное сечение трубы следовало считать «закрытым». Как уже говорилось выще (см., например, § 2G), существование в некотором сечешш трубы критической скорости приводит к тому, что коле­бания скорости в этом сечешш становятся невозможными. Таким образом как во входном, так и в выходном сече — пии опытной установки краевые условия имели следую­щий вид: у=0. Эти краевые условия в некотором смысле противоположны тем, которые были реализованы в экспе­риментах по вибрационному горению, описанных в гл. V. Поскольку в опнсапных ранее опытах течение па входе п выходе из трубы было дозвуковым, в ннх реализовались краевые условия вида р=0. Хотя теоретически переход от краевых условий впда и=0 к краевым условиям вида /;=0 почти ничего не меняет (кроме распределения обла­стей неустойчивости по длине трубы), экспериментальное подтверждение этого факта представляет несомненный интерес.

С точкп зрения полученных ранее выводов становится понятным и тот факт, что в описываемых опытах возбу­ждался основной тон колебапий. Общая длина трубы, в которой ставились опыты, колебалась от 1525 мм до 1780 мм, а длина горячей части имела при этом порядок 350 мм, т. е. была относительно коротка. Казалось бы, в системе должна была возбудиться одна из высших гар­моник. Действительно, в опытах, приведенных па рпс. 50 и 51, при топ же относительной длине горячей части, приблизительно равной 0,2, возбуждались 3-я п 4-я гар — мопики. Однако в опытах с критическим истечением краевое условие у выходного копца трубы нмеет внд v=0, а не р=0, как это было в опытах, результаты кото­рых приведены на рис. 50 и 51. Следовательно, окрест­ность открытого выходного копца была иа этот раз окрест­ностью пучности, а не узла давления. Но тогда возбу­ждаемые частоты должны быть такими, какие свойственны трубам, в которых теплоподвод осуществляется вблизи пучности давления. В обычных условиях, прн обоих открытых концах трубы этому соответствует положение зоны теплоподвода в средней части трубы или, для трубы с одним закрытым концом, у закрытого конца. В обоих названных случаях, как это, в частности, следует и нз рнс. 50 и 51, должен возбуждаться основной тон (первая гармоника).

К сожалению, авторы описанных здесь опытов не рас­смотрели вопроса о механизме обратпой связп, который заставляет процесс горепия возмущаться в ритме акусти­ческих колебаппй. Чтобы привести пример одного из вероятных механизмов обратной связи в воздушно-реак­тивных двигателях, можно сослаться на мнение Николь — сона и Радклиффа, изучавших аналогичные процессы в форсажных камерах турбореактивных двигателей[15]). Онп объясняют возбуждение акустических колебапий возникновением переменного теплоподвода вследствие за­висимости полноты сгорания от коэффициента избытка воздуха и от величины скорости потока перед зоной горения. Если согласиться с этой точкой зреппя, то весь анализ вибрационного горения можпо будет построить аналогично задаче, рассмотренной в § 23—25. Единствен­ным отличием будут иные краевые условия, однако это не может оправдать повторення всех выкладок в настоя­щем параграфе.