Основной характеристикой пульсации тяги ЖРД является параметр пульсации q, представляющий собой отношение пульсации тяги к номинальному значению тяги. Этот параметр зависит от уровня тяги двигателя и частотной характеристики процесса пульсации. Определение параметра q проводится на основании анализа экспериментальных данных по определению пульсации тяги двигателей. Поскольку пульсация тяги носит случайный характер, рассматриваются случайные характеристики процесса пульсаций, позволяющие установить значение пульсации тяги для всего частотного диапазона, характерного для рассматриваемого двигателя.

 Степень интенсивности пульсации зависит от геометрических параметров насосов, уровня давлений, степени отклонения режима от расчетного, кратности чисел лопаток ротора и статора и от других факторов. К особому виду низкочастотных пульсаций давления, порождаемых насосами, относятся кавитационные и помпажные автоколебания, обусловленные сжимаемостью рабочего тела. Опыт показывает, что повышенные пульсации давления в системах подачи топлива ЖРД неблагоприятно влияют на: устойчивость рабочего процесса в огневых агрегатах; точность работы систем регулирования и др.

Поэтому при проектировании двигателей и их систем желательно знать закономерности возникновения и распространения пульсации в топливных трактах и иметь информацию об их интенсивности и спектральном составе.

Проводились исследования высоконапорные шнекоцентробежные насосы в составе ТНА. Насосы выполнены с двухзаходными шнеками и крыльчатками закрытого типа при относительных диаметрах входа 0,45…0,8. Насосы были оборудованы малоинерционными датчиками. Для киносъемки потока на выходе из колеса в корпусе спирального отвода насосов были установлены прозрачные профилированные вставки. Для записи давлений использовались датчики, рассчитанные на частотный диапазон до 6000 Гц. Пульсационное состояние потока в насосах исследовано на различных участках напорных характеристик насосов в широком диапазоне значений давлений на входе. Испытания проводились на воде при различных сопротивлениях сети. Исследования показали, что параметры пульсаций давлений на входе и выходе насосов сильно зависят от режимов их работы. На большинстве режимов, исключая кавитационные и срывные, зависимость амплитуд пульсаций от частоты вращения ротора насоса примерно квадратичная, а зависимость частоты пульсаций от того же параметра примерно линейная. Вследствие такой закономерности интенсивность пульсаций на выходе насосов существенно возрастает с ростом напорности и частоты вращения. Однако, поскольку абсолютный уровень давления за насосами также является примерно пропорциональным квадрату частоты вращения, то относительные значения амплитуд пульсаций в напорных магистралях оказываются для различных режимов работы по частоте вращения приблизительно одинаковыми. В проведенной серии опытов на рассматриваемых бескавитационных режимах основные частоты пульсаций были кратны числу лопаток шнека и колеса и лежали в диапазоне 160…1680 Гц. Характерно, что основная роторная частота в спектре пульсаций заметно не проявляется. На срывных режимах с очень малыми и очень большими расходами рассмотренные выше закономерности для амплитуд пульсаций давления на входе и выходе насоса нарушаются: их величины резко возрастают при неизменной частоте вращения ротора насоса.

Пульсации, создаваемые лопатками рабочего колеса, передаются на вход в широком диапазоне режимов работы насоса как при интенсивных обратных токах, возникающих на глубоком дроссельном режиме, так и при больших значениях расхода.

В режиме развитого срыва напора насоса, соответствующего срывной ветви характеристики, в диффузоре спирального отвода возникает отрыв потока в критическом сечении.
Исследование пульсации давления в трубке Вентури (модели диффузора) показало, что при уровне давлений, исключающем наличие развитой кавитации, амплитуды пульсации давления на выходе увеличиваются пропорционально квадрату скорости течения, а частоты срыва каверн примерно соответствуют частотам пульсаций давления.

Исследования пульсаций давления, возникающих при обтекании круглого цилиндра потоком воды в прямолинейном канале, показали, что регистрируемые частоты пульсаций давления также близки к частотам срыва вихрей, определяемым по кадрам скоростной киносъемки.

На кавитационных режимах насоса, вызываемых снижением давления на входе в насос, регистрируются низкочастотные (3...5 Гц) колебания давлений, которые с понижением давления уменьшают свою частоту и переходят в интенсивные пульсации давления с резкими пиками, существенно повышающими амплитуду колебаний на бескавитационных режимах.

 

Для турбонасосных систем подачи топлива ЖРД при характерных размерах участков внутридвигательных трубопроводов lхi<1...2 м и значениях скорости звука в жидкости a= 800…1200 м/с значения собственных частот первого тона колебаний жидкости в элементах системы являются достаточно высокими и составляют f>150...200 Гц. Поэтому в практических приложениях приведенным выше выражением передаточной функции можно пользоваться при анализе пульсаций давления в диапазоне частот от 0 до 100...200 Гц. Анализ вибрационных явлений в указанном диапазоне частот играет важную роль при отработке нестационарных режимов ЖРД, но является пока еще недостаточно обследованным.

Рассматривая соотношения, по которым определяются тяговые характеристики двигателя, можно установить, что тяга и удельная тяга ЖРД зависят от двух групп факторов, которые назовём геометрическими (конфигурация камеры сгорания и сопла) и режимными (давление в камере, состав топлива, давление окружающей среды и другие).

При неизменной геометрии камеры двигателя её тяговые характеристики могут быть изменены путём изменения режима работы. Понятие «режим работы» охватывает собой природу топлива и соотношение между его компонентами, расход топливо и внешние условия, из которых определяющим является давление окружающей среды

23 сентября и 12 октября 1958 года были проведены первые пуски ракет Р-7 в лунном варианте. Оба пуска закончились однотипными авариями − разрушением пакета на конечном участке полета первой ступени.
Подобного вида аварии наблюдались впервые. Никаких производственных дефектов, конструкторских ошибок или "разгильдяйства" испытателей при подготовке ракет первый анализ не обнаружил. Возникли подозрения о непознанном принципиальном недостатке пакетной схемы.
В состав отдела управления ОКБ-1 входила лаборатория динамики, инженеры которой анализировали динамику процессов управления после каждого полета, независимо от его результатов. Возглавлявший эту лабораторию Георгий Дегтяренко и заместитель Пилюгина Михаил Хитрик, анализируя поведение системы РКС − регулирования кажущейся скорости, обратили внимание на непонятное поведение датчиков давления, которые играли в этой системе роль приборов обратной связи. Эти датчики следили за давлением в камерах сгорания боковых блоков. Датчик системы РКС, обладавший высокой разрешающей способностью, показал, что давление в камерах пульсировало с частотой от 9 до 13 герц. Эта частота совпадала с частотами собственных продольных упругих колебаний ракеты. Амплитуда этих колебаний к моменту прекращения записи достигла 4,5 атмосфер.
Если это не электрические наводки в системе измерений, то такие пульсации давления в камере должны вызвать соответствующие по частоте колебания в системе подачи кислорода и керосина. Действительно, повторный микроанализ подтвердил, что давление окислителя на входе в насосы всех блоков пульсирует в этом диапазоне частот. Датчик осевой перегрузки подтвердил наличие расходящихся колебаний продольной перегрузки, совпадающих по частоте с пульсациями тяги двигателей.
Круг поисков замыкался в контуре: конструкция ракеты − пульсации давления кислорода на входе в насосы − пульсации тяги двигателей боковых блоков. В этом замкнутом контуре могут возникать расходящиеся по амплитуде колебания, если собственная частота, определяемая свойствами конструкции ракеты, совпадает с частотой пульсаций давления в камере сгорания. При этом деформации конструкции и, прежде всего, топливных трубопроводов на входе в насосы двигателей приводят к разрушению, за которым следует пожар, и взрыв.
Исследователи вернулись к записям этих параметров на предыдущих пусках и убедились, что пульсации, правда, значительно меньшей амплитуды, были почти на всех ракетах, но этому явлению никто не придавал особого значения. Обычно давление в камерах сгорания двигателей контролировалось по датчикам телеметрической системы. Они были рассчитаны на диапазон от 0 до 50 атмосфер, и поэтому пульсаций на них дешифровщики не заметили.

Одной из ключевых проблем при создании мощных ЖРД явилась высокая виброактивность турбонасосных агрегатов (ТНА), приводящая к разрушениям и разгарам элементов их конструкции. Решение этой проблемы потребовало от ОКБ и НИИ проведения большого объема научно-исследовательских работ, включавших создание специальных экспериментальных установок и разработку новых методов доводки ТНА.

Быстроизменяющиеся механические, гидравлические и газодинамические силы, действующие в ТНА, газогенераторе и камере сгорания ЖРД вызывают появление вибраций элементов системы подачи топлива. Вибрации, в свою очередь, порождают и усиливают пульсации в гидравлических и газовых трактах и соответствующие изменения параметров рабочего процесса в агрегатах. Вынужденные колебания жидкости могут приводить к различным нежелательным и даже опасным явлениям: нарушению управляемости двигателей и ракет, кавитационному срыву работы насосов, неравномерности подачи жидкости потребителям, потере устойчивости рабочего процесса в огневых агрегатах и др. Для прогнозирования условий возникновения подобных явлений необходимо установить характеристики виброчувствительности элементов системы. Влияние вынужденных механических колебаний конструкции на амплитуды пульсаций давления и расхода исследовалось в модельной системе подачи топлива ЖРД. В отличие от прочностных виброиспытаний целью данного исследования являлось определение функциональной виброчувствительности элементов топливных систем.