Измеритель тяги камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, действующий в условиях присоединенного воздухопровода

Авторы патента:

G01M15/14 - Испытание машин и двигателей (испытание топливовпрыскивающей аппаратуры F02M 65/00; испытание зажигания двигателей внутреннего сгорания, например проверка синхронизации F02P 17/00; обнаружение стуков в двигателях внутреннего сгорания G01L 23/22)

Владельцы патента RU 2766963:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (RU)

Изобретение относится к устройствам для испытаний камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), в частности к измерителям реактивной тяги камер сгорания, действующим в условиях огневых испытаний по схеме присоединенного воздухопровода. При подаче воздуха в камеру сгорания с различными термогазодинамическими параметрами имитируется работа камеры сгорания в составе двигателя в различных условиях полета летательного аппарата. Техническим результатом является возможность измерения тяги - параметра, характеризующего эффективность камеры сгорания. Измеритель тяги содержит металлический корпус, к которому с одной стороны присоединено сопло подогревателя воздухопровода. В корпусе измерителя тяги имеются кольцевые канавки, расположенные зеркально относительно друг друга, в каждой из которых размещены герметичные резиновые трубки кольцевой формы, заполненные жидкостью. Между трубками установлен круглый металлический диск (мембрана), по периметру которого с двух сторон диска выполнены два кольцевых выступа. Толщина выступов равна диаметру трубок. Кольцевые выступы мембраны входят в кольцевые канавки корпуса, где находятся с двух сторон в контакте с кольцевыми резиновыми трубками, к которым подключен дифференциальный датчик перепада давлений. Мембрана жестко связана с входным фланцем камеры сгорания. 2 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.

Предлагаемое устройство создано впервые, прямое измерение тяги камеры сгорания ПВРД в процессе огневых стендовых испытаний в условиях присоединенного воздухопровода камеры сгорания ПВРД, с включением измерителя непосредственно в испытательный комплекс, ранее никогда не применялось. Получение данных о тяговой характеристике камеры сгорания в процессе испытаний позволяет скорректировать программу испытаний, с целью уточнения направления исследований, и в этом заключается главное достижение, связанное с разработкой измерителя тяги. На предшествующем уровне техники тяга камеры сгорания, как один из основных параметров характеристики эффективности двигателя, практически никогда не определялась, а если и могла быть определена, то только аналитически. Это связано с тем, что проблемой, предшествующей аналитическому определению тяги камеры сгорания после проведенного испытания, является необходимость предварительного определения коэффициента полноты сгорания, а также потерь полного давления (весьма объемные вычислительные блоки), без чего вычисление тяговой характеристики невозможно [O.Dessornes, D.Scherrer, Tests Of The Japhar Dual Mode Ramjet Engine, Aerospace Science And Technology, 9(2005) Pp.211-221; Картовицкий Л.Л., Яновский Л.С. Оценка входного импульса сопла огневого подогревателя воздуха при испытаниях прямоточного воздушно-реактивного двигателя // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. №7. c. 325–334]. Временные затраты на эту работу большие, что сильно задерживало программу испытаний. При этом известно, что газодинамические методы расчета коэффициента полноты сгорания топлива весьма сложны, и характеризуются неопределенностью в достоверности вычислений. Реально, исследования камер сгорания ограничивались расчетом полноты сгорания и потерь полного давления.

Техническим результатом является возможность измерения тяги, основного (суммарного) параметра, характеризующего эффективность камеры сгорания. Измерение тяги исключает из методики исследований необходимость проведения аналитических расчетов эффективности горения топлива и потерь давления в текущем процессе испытаний, что предотвращает большие потери времени.

Заявленный технический результат достигается тем, что измеритель тяги камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, действующий в условиях присоединенного воздухопровода, содержит металлический корпус, к которому с одной стороны присоединяется сопло подогревателя воздухопровода; в корпусе измерителя тяги имеются кольцевые канавки, расположенные зеркально относительно друг друга, в каждой из которых размещены герметичные резиновые трубки кольцевой формы, заполненные жидкостью, между кольцевыми резиновыми трубками установлена мембрана, выполненная в виде круглого металлического диска, по периметру которого с двух сторон выполнены два кольцевых выступа, толщина выступов равна диаметру кольцевых резиновых трубок, при этом в сборе кольцевые выступы мембраны входят в кольцевые канавки корпуса, где находятся в контакте с кольцевыми резиновыми трубками, к которым подключен дифференциальный датчик перепада давлений; кроме того, мембрана жестко связана с входным фланцем камеры сгорания.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ"

Предложенное техническое решение позволяет устранить выявленные технические проблемы, а именно, позволяет решить следующую задачу: реализовать процесс прямого и непрерывного измерения реактивной тяги камеры сгорания ПВРД в условиях стендовых огневых испытаний по схеме присоединенного воздухопровода с высокой точностью измерений и чувствительностью метода, включая нестационарные режимы работы, а также с удовлетворительной частотной характеристикой, в широком диапазоне изменения внешних условий, моделирующих числа Маха полета летательного аппарата в диапазонах скоростей М = 3-8 и высот Н = 15-30 км.

Диапазон изменения температур торможения воздуха в экспериментах, соответствующих приведенным полетным условиям, находится в области 650-2800К. Конструкция измерителя в испытаниях почти не подвергается нагреву и выполнена в неохлаждаемом варианте. Устройство не вносит возмущений в поток, является компактным и не сложным в изготовлении.

Измеритель тяги камеры сгорания ПВРД содержит металлический корпус с установленной внутри дисковой мембраной. Корпус измерителя соединен фланцевым соединением с соплом подогревателя воздуха, подающего модельный воздух в исследуемую камеру сгорания. Мембрана установлена внутри корпуса измерителя тяги между кольцевых резиновых трубок, заполненных жидкостью, и в контакте с ними. Мембрана жестко соединена с входным фланцем камеры сгорания, которая установлена на стапеле стенда в свободном горизонтальном состоянии на скользящих подвесных опорах. Это необходимо, чтобы исключить воздействие на камеру сгорания любых внешних сил (например, сил воздействия на корпус камеры дренажных трубок, ведущих от корпуса к датчикам давления или, вследствие консольного крепления камеры сгорания на мембране, момента, создаваемого силой тяжести камеры сгорания, и приложенного к мембране), способных внести ошибку в процесс измерения тяги. Осевые силы, развиваемые камерой сгорания, передаются через мембрану кольцевым резиновым трубкам и воспринимаются жидкостью, наполняющей эти трубки. Датчик перепада давлений фиксирует перепад давлений в трубках, пропорциональный тяговой эффективности камеры сгорания.

Измеритель осевого усилия способен фиксировать как силу, развиваемую моделью и направленную против потока (тягу), так и по потоку, когда газодинамические силы в потоке, направленные на преодоление сил внутреннего сопротивления (сила трения или силы, затраченные на преодоление аэродинамических сил на обтекание элементов конструкции проточной части камеры сгорания), преобладают над тягой.

В качестве компонента, передающего датчику перепада давлений сигналы, принимаемые мембраной от камеры сгорания, используется жидкость, поскольку, как известно, жидкость обладает практической несжимаемостью. В качестве такой жидкости, заливаемой в трубки и сохраняющей форму и частоту сигнала, используется, например, дистиллированная вода или масло, обладающее пониженной вязкостью - техническое или минеральное.

Дифференциальный датчик перепада давлений. применяющийся в схеме измерений, обладает высокой чувствительностью и воспринимает продольные колебания камеры сгорания в широком диапазоне частот. Жидкость, которой заполнены резиновые трубки, находится в замкнутом объеме и перед испытаниями, с целью повышения чувствительности системы измерений давление в жидкости поднимают до 50-60 бар. В процессе испытаний измерение тяги ведется непрерывно, включая нестационарные режимы работы стенда, с частотной характеристикой до 100 герц.

Как почти для любого средства измерения, для подготовки измерителя тяги к работе требуется его градуировка в составе сборки в стендовых или автономных (лабораторных) условиях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.

На фиг.1 приведен общий вид измерителя реактивной тяги в стендовых условиях.

1- сопло подогревателя воздуха;

2-измеритель тяги;

3-камера сгорания.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема измерителя тяги.

4 – металлический корпус

5 - мембрана;

6 - резиновые трубки с жидкостью;

7 - фланец крепления сопла подогревателя;

8 - фланец крепления камеры сгорания;

9 - гарантированный зазор;

10 - дифференциальный датчик перепада давления жидкости в трубках (условно).

Изобретение реализуется следующим образом.

Измеритель тяги - 2 применяется в стендовых условиях огневых испытаний в схеме присоединенного воздухопровода, см.фиг.1. Измеритель тяги монтируется между соплом подогревателя воздуха - 1 и камерой сгорания - 3.

Измеритель реактивной тяги камеры сгорания ПВРД (см. фиг. 2) содержит металлический корпус - 4 с установленной внутри дисковой мембраной - 5. Между внутренней стенкой корпуса измерителя - 4 и мембраной - 5 (фиг. 2), а также между срезом сопла подогревателя и плоскостью входа в камеру сгорания (см. в сборе узла, фиг. 1) обеспечивается гарантированный зазор - 9 около 1 мм. Корпус измерителя - 4 (фиг. 2) соединяется фланцевым соединением - 7 с соплом подогревателя воздуха - 1 (фиг. 1), подающего модельный воздух в исследуемую камеру сгорания - 3. Мембрана 5- выполнена в виде круглого металлического диска, по периметру которого с двух сторон диска выполнены два кольцевых выступа, толщина которых равна диаметру кольцевых резиновых трубок 6. Трубки – 6 размещаются в кольцевых канавках корпуса – 4. Мембрана - 5 (фиг. 2) закрепляется в контакте с герметичными резиновыми трубками - 6, заполненными внутри жидкостью. Мембрана - 5 жестко соединяется с камерой сгорания - 3 (фиг. 1) посредством фланца - 8 (фиг. 2). Камера сгорания установлена на стапеле стенда в свободном горизонтальном состоянии на скользящих подвесных опорах. Это необходимо, чтобы исключить воздействие на камеру сгорания любых внешних сил способных внести ошибку в процесс измерения тяги (см. раздел "РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ").

Осевые силы, развиваемые камерой сгорания, передаются через мембрану - 5 (фиг. 2) кольцевым резиновым трубкам - 6 и воспринимаются жидкостью, находящейся в этих трубках. Дифференциальный датчик перепада давлений - 10 фиксирует перепад давлений жидкости в трубках, пропорциональный силе тяги, развиваемой камерой сгорания. Измеритель тяги способен фиксировать как силу, развиваемую камерой сгорания по потоку, так и направленную против него (см. раздел "РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ").

Обычно, для проведения очередного испытания по программе требуется срочная обработка вновь полученных результатов. Расчету тяги предшествуют обязательные расчеты коэффициента полноты сгорания, потерь давления и пр. При подготовке исходных данных также требуются большие временные затраты (см. раздел "ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ"). С целью экономии времени и, согласно традиционных технологий исследований, экспериментаторы идут на расширение предполагаемой зоны поиска. Цена таких исследований возрастает многократно, зачастую это приводит к материальным потерям. Это связано с фактом высокой технической сложности экспериментов, проходящих, при высоких температурах и давлениях. Риск потерь материальной части объекта испытаний обычно снижается путем использования не слишком дорогих материалов для конструкций, уменьшением времени и упрощением программы испытаний.

Главной целью почти любого огневого испытания камеры сгорания является получение характеристики рабочего процесса, т.е. значений коэффициента полноты сгорания и потерь полного давления, без чего вычисление тяговой характеристики невозможно (см. раздел "ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ"). Тяга - есть суммарный параметр, демонстрирующий эффективность и совершенство камеры сгорания. Возможность прямого измерения тяги камеры сгорания в огневых испытаниях позволяет в промежуточной фазе исследований, т.е. в процессе отработки объекта испытаний, получить реальное представление об эффективности создаваемого ПВРД. Непосредственно в ходе проведения огневого испытания, исключается необходимость проведения дополнительных расчетов, и появляется возможность скорректировать выбор научного направления. Такая методика позволяет очень существенно уменьшить их объем, сэкономить время и, соответственно, значительные материальные средства.

Разработка предложенного способа прямого измерения тяги камеры сгорания в процессе огневых испытаний, проводимых по схеме присоединенного воздухопровода, позволяет впервые получить важнейшие научные и практические данные о динамике изменения осевой силы, в зависимости от множества термогазодинамических параметров потока, коэффициента избытка воздуха, критического сечения и геометрии сопла или других факторов.

Измеритель тяги камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, действующий в условиях присоединенного воздухопровода, содержащий металлический корпус, к которому с одной стороны присоединяется сопло подогревателя воздухопровода; в корпусе измерителя тяги имеются кольцевые канавки, расположенные зеркально относительно друг друга, в каждой из которых размещены герметичные резиновые трубки кольцевой формы, заполненные жидкостью, между кольцевыми резиновыми трубками установлена мембрана, выполненная в виде круглого металлического диска, по периметру которого с двух сторон выполнены два кольцевых выступа, толщина выступов равна диаметру кольцевых резиновых трубок, при этом в сборе кольцевые выступы мембраны входят в кольцевые канавки корпуса, где находятся в контакте с кольцевыми резиновыми трубками, к которым подключен дифференциальный датчик перепада давлений; кроме того, мембрана жестко связана с входным фланцем камеры сгорания.

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания авиационных газотурбинных двигателей. Техническим результатом является повышение достоверности проведения автономных испытаний систем зажигания при воспроизведении параметров воздействующих факторов, действующих на элементы системы зажигания, сокращение затрат на проведение испытаний свечей зажигания при проведении ресурсных испытаний газотурбинных двигателей.

Устройство для испытания и проверки работоспособности свечей зажигания // 2766315

Изобретение относится к технике проведения автономных испытаний свечей зажигания как в процессе проведения опытно-конструкторских работ по их разработке, так и при проведении автономных ресурсных испытаний свечей. Техническим результатом является повышение достоверности воспроизведения в автономных условиях параметров, воздействующих на свечи зажигания внешних воздействующих факторов, имеющих место на газотурбинном двигателе.

Способ определения плавности вращения редуктора // 2765520

Изобретение относится к машиностроению. Способ включает измерение вибрационных параметров редуктора, дополнительно проводят измерение вибрационных параметров заведомо исправного редуктора.

Стенд для испытаний шлиц-шарнира автомата перекоса вертолета // 2764324

Изобретение относится к испытаниям устройств вертолетов. Стенд для испытаний шлиц-шарниров автомата перекоса вертолета содержит раму (1) с закрепленным на ней нагружающим устройством, а также средства измерения.

Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания // 2762813

Изобретение может быть использовано при испытаниях и при техническом диагностировании машин. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач.

Телеметрический комплекс технического диагностирования судового валопровода // 2761142

Изобретение относится к области испытания и измерения параметров, возникающих на частях системы судового валопровода. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности телеметрического комплекса в части регистрации параметров работы подвижных и неподвижных частей системы судового валопровода в различных условиях эксплуатации, а также технического диагностирования.

Способ определения экологической безопасности технического обслуживания машин по удельной суммарной массе топливно-смазочных материалов, поступающих в почву // 2760953

Изобретение относится к техническому обслуживанию автотранспортных машин, в частности к способам определения экологической безопасности технического обслуживания автомобилей, тракторов, комбайнов и других самоходных машин. При определении экологической безопасности технического обслуживания машин по удельной суммарной массе топливно-смазочных материалов (ТСМ), поступающих в почву, фиксируют ТСМ на экран по видам обслуживания отдельной марки машины в полевых условиях и по каждому виду обслуживания находят среднюю массу этих материалов на экране, размещенном под обслуживаемой машиной.

Способ определения технического состояния турбокомпрессора дизеля // 2759782

Изобретение относится к определению технического состояния лопаточных машин в процессе эксплуатации транспортного средства. Целью изобретения является повышение точности определения технического состояния турбокомпрессора.

Способ контроля технического состояния жидкостного ракетного двигателя на переходных режимах стендового испытания // 2758781

Изобретение может быть использовано для анализа функционирования широкого класса технических систем, в частности, в ракетно-космической технике для контроля состояния жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на переходных режимах огневых стендовых испытаний. Для принятия решений о возникновении неисправности, прекращении испытания и определении неисправного агрегата на переходных режимах стендового испытания статистической оценке на основе критерия Стьюдента подвергаются временные ряды значений градиентов изменения измеряемых параметров, обладающие свойством стационарности, обусловленное тем, что при стендовых испытаниях, проводимых по заданной циклограмме, на переходных режимах управление двигателем обеспечивается изменением угла привода агрегата управления по линейному закону.

Стенд для исследования цифровой системы управления комбинированной энергетической установки // 2758418

Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в ускорении процесса по подготовке к проведению исследований, а также внесении корректировок в систему управления без отрыва от процесса проведения исследований и испытаний.

Способ испытания высокотемпературной газовой коррозии, абразивной и температурной стойкости материалов и покрытий газотурбинных двигателей в высокоскоростных газовых потоках относится к области аэрокосмического и энергетического машиностроения и может использоваться для нанесения регламентированных коррозионных повреждений, одновременных испытаний коррозионной, абразивной и температурной стойкости материалов и сплавов в среде продуктов сгорания жидких и/или газовых топлив, загрязненных оксидами серы, углерода, азота, пылью, парами воды, хлористым водородом, солями и другими коррозионно-активными агентами. Предложен способ испытания высокотемпературной газовой коррозии, абразивной и температурной стойкости материалов и покрытий газотурбинных двигателей в высокоскоростных газовых потоках, включающий размещение исследуемых образцов во вращающейся кассете, которая вращается с заданной скоростью и снабжена коллектором ввода охлаждающего воздуха, подачу и регулирование расхода горючего газа в реакторе, подачу и регулирование расхода воздуха для охлаждения исследуемых образцов снаружи и по внутренним каналам посредством системы распределения сжатого воздуха, подающей воздух, необходимый для внутреннего охлаждения образцов, внутрь вращающейся кассеты, и холодный воздух на поверхность исследуемых образцов, ввод абразивных частиц в солевой раствор, который далее впрыскивают в реактор, ввод и вывод исследуемых образцов в факел пламени посредством серверного электродвигателя с приводом, размещенного на подвижной платформе, передвигающейся по рельсам, расположенным перпендикулярно потоку пламени. Причем ход привода задан таким образом, чтобы исследуемые образцы в одном крайнем положении находились в зоне нагрева, а в другом - в зоне охлаждения. При этом для испытаний при высоких температурах в качестве горючего газа используют один из газов - пропан, водород или ацетилен, а абразивные частицы представляют собой измельченные порошки диоксида кремния и/или корунда и/или железа и/или вулканического пепла. Технический результат - обеспечение возможностей нанесения регламентированных коррозионных повреждений, одновременных испытаний коррозионной, абразивной и температурной стойкости в диапазоне 500-2350°С образцов сплавов, в том числе лопаток газовых турбин, охлаждаемых по внутренним каналам воздухом, в среде высокоскоростных потоков продуктов сгорания жидких и/или газовых топлив, загрязненных оксидами серы, углерода, азота, пылью, парами воды, хлористым водородом, солями и другими коррозионно-активными агентами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.