УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ИЗДЕЛИЕ, ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТРУЕЙ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G01L9/00 G01L23/24 

Изобретение относится к экспериментальной газодинамике, а именно к разработке устройства определения пульсаций давления, действующих на элементы конструкции, подвергающиеся воздействию высокотемпературной струи с быстроменяющимися в процессе этого воздействия газодинамическими и температурными характеристиками. Предложенное изобретение может быть использовано в ракетной и авиационной технике при создании летательных аппаратов (ЛА) различного назначения: ракет-носителей (РН), самолетов с вертикальным взлетом и посадкой и других ЛА для измерения пульсаций давления от воздействия нестационарной струи реактивного двигателя (РД) на элементы конструкции ЛА, стартового оборудования и других элементов конструкции.

Изобретение может быть также использовано в других отраслях техники, например в атомной промышленности, теплоэнергетике и других отраслях при измерении пульсаций давления, действующих на оборудование промышленных объектов.

Известен датчик давления для определения пульсаций давления, действующих на изделие, например вентилятор, обтекаемый потоком воздуха, содержащий чувствительный элемент, приемное отверстие, сообщенное каналом с чувствительным элементом датчика [1].

Недостаток этого технического решения - его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные применением датчика в условиях обтекания изделия только набегающим потоком воздуха при низких тепловых потоках.

Известны датчики для измерения пульсаций давления на изделии, например на стенке камеры сгорания различного типа РД, выполненного с аблирующими стенками, с регенеративным охлаждением или неохлаждаемой стенкой [2].

Для этих датчиков разработан ряд конструктивных элементов для предохранения датчиков от перегрева при воздействии высокотемпературной струей РД: предохранительные мембраны с протоками жидкости между ними, система подвода охлаждающего агента в камеру, аблирующие покрытия и т.д., что приводит к сложности их конструкции из-за наличия в их составе системы охлаждения чувствительного элемента и конструктивных элементов для защиты при непосредственном воздействии струи.

Техническое решение ([2] , рис. 9.71) принято авторами за прототип. Устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержит чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя с приемными отверстиями.

Его недостатки - также сложность конструкции. К тому же понижается точность измерения, обусловленная влиянием пульсаций давления в тракте охлаждения, искажающих искомые пульсации давления, действующие на изделие.

Задачей изобретения является повышение точности определения пульсаций давления в энергонесущем диапазоне частот колебаний давления, генерируемых струей РД, при одновременном упрощении конструкции устройства.

Задача решается за счет того, что в предложенное устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержащее чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя, дополнительно введена демпфирующая емкость, сообщенная отверстиями с каналами забора массы газа, в которой размещен вкладыш с зазором в виде лабиринтного канала, сообщенного с чувствительным элементом, причем вкладыш выполнен из материала с высоким коэффициентом удельной теплопроводности.

Задача решается также за счет того, что предложенное устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержащее чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя, дополнительно введена демпфирующая емкость, в которой размещен вкладыш, выполненный из пористого материала.

Кроме того, в демпфирующей емкости перед чувствительным элементом устройств установлена защитная сетка.

Техническим результатом изобретения является:
- повышение точности измерений за счет исключения пульсаций давления от струи охлаждающей жидкости;
- упрощение конструкции устройства за счет исключения системы охлаждения жидкостью;
- расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет уменьшения температуры исследуемого объема массы газа.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена конструкция предложенного устройства с демпфирующей емкостью с лабиринтным каналом (вариант 1), где:
1 - чувствительный элемент;
2 - каналы забора массы газа;
3 - приемные отверстия;
4 - демпфирующая емкость;
5 - отверстия газовой связи;
6 - лабиринтный канал;
7 - вкладыш;
9 - защитная сетка.

На фиг. 2 приведена конструкция предложенного устройства с демпфирующей емкостью, заполненной материалом пористой структуры (вариант 2), где:
1 - чувствительный элемент;
2 - каналы забора массы газа;
3 - приемные отверстия;
4 - демпфирующая емкость;
5 - отверстия газовой связи;
8 - вкладыш, выполненный из пористого материала;
9 - защитная сетка.

На фиг. 3 приведена расчетная оценка относительного 1/3-октавного спектра (разность между уровнями спектра в 1/3-октавных полосах частот L_1/3 и суммарным уровнем L_сум) пульсаций давления, генерируемых струей РД на поверхности стартового сооружения, позволяющая определить энергонесущий диапазон частот исследуемых пульсаций давления.

На фиг. 4 приведена экспериментально определенная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Δ исследуемого объема массы газа (1) по сравнению с линейной АЧХ (2).

Устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, содержит чувствительный элемент 1, каналы забора массы газа 2 реактивной струи двигателя с приемными отверстиями 3 каналов 2.

В него введена демпфирующая емкость 4 с отверстиями газовой связи 5. Демпфирующая емкость 4 сообщена с каналами забора массы газа 2 посредством отверстий газовой связи 5. Демпфирующая емкость 4 является одновременно устройством охлаждения чувствительного элемента 1 устройства.

В варианте 1 демпфирующая емкость 4 может быть выполнена с образованием лабиринтного канала 6, сообщенного с отверстиями газовой связи 5, с одной стороны, и чувствительным элементом 1 устройства - с другой. В демпфирующую емкость 4 может быть помещен вкладыш 7, выполненный из материала с высоким коэффициентом удельной теплоемкости.

В варианте 2 в демпфирующую емкость 4 помещают вкладыш, выполненный из пористого материала 8.

Для обоих вариантов в демпфирующую емкость 4 перед чувствительным элементом 1 может быть установлена защитная сетка 9, в основном, для механической защиты чувствительного элемента от возможных механических частиц в реактивной струе двигателя.

При включении реактивного двигателя через приемные отверстия 3 предлагаемого устройства и каналы забора массы газа 2 и отверстия газовой связи 5 газы струи РД поступают в демпфирующую емкость 4, в которой производят охлаждение газовой массы, воздействующей на чувствительный элемент 1, изменяя конвективную составляющую теплового потока за счет изменения направления и скорости распространения массы газа в газовом тракте. Кроме того, уменьшение теплового потока может осуществляться за счет вкладыша 7 (вариант 1), выполненного из материала с высоким коэффициентом удельной теплоемкости и лабиринтного канала 6, либо за счет вкладыша, выполненного из пористого материала 8, с высоким коэффициентом удельной теплоемкости, размещенного в демпфирующей емкости 4 (вариант 2).

На фиг. 3 приведена расчетная оценка относительного 1/3-октавного спектра пульсаций давления в точках измерений на поверхности стартового сооружения. Видно, что основная (энергонесущая) часть спектров пульсаций давления на его поверхности при воздействии струй РД находится в частотном диапазоне от 10 Гц до 1.0 кГц.

Определяют АЧХ нового объема, сравнивая уровни пульсаций давления в новом и исходном объемах. Изменяют его АЧХ путем изменения объема и формы каналов демпфирующей емкости. Изменение АЧХ производят до достижения АЧХ, линейной в исследуемом диапазоне частот.

На фиг. 4 иллюстрируется АЧХ устройства, полученная по результатам испытаний, по сравнению с линейной АЧХ. Из графика следует, что равномерная (с точностью + 1.5 дБ) АЧХ устройства полностью перекрывает исследуемый диапазон частот.

Проведенные расчеты, в дальнейшем подтвержденные испытаниями со струей РД, показали, что тепловой поток к чувствительному элементу устройства, размещенного в основании газового тракта демпфирующей емкости, падает ~ в 10 раз, что обуславливает возможность применения штатных датчиков [3] с пониженными эксплуатационными температурами.

Таким образом, исключают влияние пульсаций от системы охлаждения на пульсации давления, генерируемые струей РД, что приводит к повышению точности определения пульсаций давления при одновременном упрощении конструкции устройства, т.е. реализации поставленной задачи.

Расширяются также эксплуатационные возможности устройства за счет возможности использования его при пониженных температурах, что также сокращает материальные затраты на создание устройства.

Определение же пульсаций давления, действующих на изделие, производят в демпфирующем объеме с его линейной АЧХ и температурой массы газа, не превышающей эксплуатационную.

К настоящему времени предложенное техническое решение подтверждено результатами экспериментальных исследований, проведенных на предприятии. Устройство подготовлено к эксплуатации в натурных условиях.

Элементы конструкций, входящих в состав предложенного технического решения, широко применяются в промышленности и не требуют дополнительного, специально разработанного оборудования для их производства.

Литература
1. Акустика турбулентных потоков, М.: Изд-во "Наука", 1983 г., стр. 190.

2. Неустойчивость горения в ЖРД, М.: Изд-во "Мир", 1975 г., стр. 649-654.

3. Вт 2.832.516 То. Преобразователь давления ДХС-516. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Изобретение относится к экспериментальной газодинамике, а именно к устройствам определения пульсаций давления, действующих на элементы конструкции, подвергающиеся воздействию высокотемпературной струи с быстроменяющимися в процессе этого воздействия газодинамическими и температурными характеристиками. Предложенное изобретение может быть использовано в ракетной и авиационной технике при создании летательных аппаратов различного назначения, в атомной промышленности, теплоэнергетике и др. отраслях при измерении пульсаций давления, действующих на оборудование промышленных объектов. В устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержащее чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя, дополнительно введена демпфирующая емкость, сообщенная отверстиями с каналами забора массы газа, в которой размещен вкладыш с зазором в виде лабиринтного канала, сообщенного с чувствительным элементом, причем вкладыш выполнен из материала с высоким коэффициентом удельной теплопроводности или из пористого материала. Кроме того, в демпфирующей емкости перед чувствительным элементом устройства установлена защитная сетка. Техническим результатом изобретения является: повышение точности измерений за счет исключения пульсаций давления от струи охлаждающей жидкости, упрощение конструкции устройства за счет исключения системы охлаждения жидкостью, расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет уменьшения температуры исследуемого объекта массы газа. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержащее чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя с приемными отверстиями, отличающееся тем, что в него введена демпфирующая емкость, сообщенная отверстиями с каналами забора массы газа, в которой размещен вкладыш с зазором в виде лабиринтного канала, сообщенного с чувствительным элементом, причем вкладыш выполнен из материала с высоким коэффициентом удельной теплопроводности. 2. Устройство для определения пульсаций давления, действующих на изделие, при воздействии струей реактивного двигателя, содержащее чувствительный элемент, каналы забора массы газа струи реактивного двигателя, отличающееся тем, что в него введена демпфирующая емкость, в которой размещен вкладыш, выполненный из пористого материала. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в демпфирующей емкости перед чувствительным элементом установлена защитная сетка.