СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯГИ СОПЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПОЛЁТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01L5/13 G01M15/00 

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно к испытаниям реактивных авиационных двигателей, и может быть использовано в способах и устройствах для измерения тяги турбореактивных (ТРД) и турбореактивных двухконтурных (ТРДД) двигателей для повышения их экономичности.

Уровень техники

Известен способ определения тяги ТРД, использующий способ измерения скоростного напора газового потока. Способ включает измерение усилия сопротивления двумя зондами в виде прямолинейных стержней с различными коэффициентами аэродинамического сопротивления, размещенными в газовом потоке сопла, определение измерения усилия сопротивления производят в полете на зондах, отклоненных от перпендикуляра к направлению потока на заданный угол α параметра, характеризующего отношение измеренных двумя зондами усилий, и определение скоростного напора газового потока с использованием предварительно полученной зависимостей параметра от числа М или разницы коэффициентов аэродинамического сопротивления зондов с последующим определением тяги.

Способ предлагает использование устройства для измерения тяги двигателя, включающем два зонда, выполненные в виде жестко закрепленных на срезе сопла двигателя прямолинейных стержней с различными по форме поперечными сечениями, снабженных силоизмерительными устройствами в виде калиброванных балок с тензорезисторами, связанными с входами блока определения тяги.(см. патент Р.Ф. №2100788 C1, G 01 L 5/13, 1997 г.)

Недостатком известных способа и устройства является то, что современные ТРДД с большой степенью двухконтурности при работе на земле имеют скорость потока в сопле W_с значительно меньшую, чем при работе в полете при разреженной атмосфере. Это обстоятельство приводит к невозможности использования полученных на земле таррировочных зависимостей для определения тяги сопла в полете во всем диапазоне режимов работы двигателя. Кроме того, современные ТРД и ТРДД с умеренной степенью двухконтурности характеризуются наличием в тяге сопла статического члена, зависящего от статического давления газового потока в сопле, значительно отличающегося от давления наружного воздуха в полете, что не учитывается в известном устройстве и способе. Таким образом, способ и устройство по патенту №2100788 не обладают достаточной точностью определения тяги сопла ТРД и ТРДД во всем диапазоне режимов работы в полете. Определение необходимых таррировочных зависимостей на земле требует постройки специальных дорогостоящих стендов с изменяемой плотностью воздушной среды, что неприемлемо в силу значительных затрат.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является создание такого способа определения тяги сопла современных ТРД и ТРДД, который обеспечил бы возможность определения тяги во всем диапазоне работы двигателей на земле и в полете с необходимой точностью. Кроме того, способ должен быть экономичным и простым в использовании для проведения испытаний на эксплуатируемых самолетах.

Более того, устройство для измерения тяги должно быть простым, надежным в работе, производить измерения тяги на всех режимах работы двигателей с достаточной точностью на земле и в воздухе.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что в способе определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете, включающем измерение усилия сопротивления двумя прямолинейными зондами с различными коэффициентами аэродинамического сопротивления, размещенными в газовом потоке сопла, определение параметра, характеризующего отношение измеренных двумя зондами усилий, и определение скоростного напора газового потока с использованием предварительно полученных зависимостей параметра от числа М или разницы коэффициентов аэродинамического сопротивления зондов с последующим определением тяги, измерение усилия сопротивления производят в полете на зондах, отклоненных от перпендикуляра к направлению потока на заданный угол α , определяют параметр, коэффициенты сопротивления зондов и скоростной напор по зависимостям, полученным на земле с зондами, размещенными перпендикулярно направлению газового потока, а тягу определяют по полученному значению скоростного напора, увеличенному в 1/cos²α^раз.

Кроме того, в зоне расположения зондов измеряют статическое давление потока, а тягу определяют с учетом статического компонента.

Более того, в устройстве для определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете, содержащем размещенные в области среза сопла измерительные зонды в виде прямолинейных стержней, жестко закрепленных одним концом на конструкции сопла с помощью кронштейна и несущих силоизмерительных устройства, связанные выходами с блоком определения тяги, стержни выполнены переставляемыми в узлах крепления к кронштейнам для обеспечения их поворота в вертикальной плоскости на заданный угол, а блок определения тяги снабжен задатчиком углов установки зондов.

При этом, устройство снабжено датчиком избыточного статического давления газового потока сопла, а приемник статического давления установлен в области установки измерительных зондов.

Предложенные способ и устройство позволяют производить определение тяги сопла во всем диапазоне работы двигателей на земле и в полете с необходимой точностью. Кроме того, способ экономичен и прост в использовании для проведения экспертной оценки тяговых характеристик двигателей эксплуатируемых самолетов за счет устранения необходимости использования дорогостоящего оборудования.

Более того, устройство для измерения тяги сопла просто по конструкции, надежно в работе, позволяет производить измерения тяги на всех режимах работы двигателей с достаточной точностью на земле и в воздухе.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 показывает зависимости коэффициентов сопротивления зондов от числа М потока;

фиг.2 показывает зависимость от числа М потока отношения суммы коэффициентов сопротивления к их разнице для зондов с прямоугольным и треугольным сечениями;

фиг.3 показывает зависимость разности сопротивления зондов с прямоугольным и треугольным сечениями от параметра, равного отношению суммы и разности этих же коэффициентов;

фиг.4 показывает узел установки зонда на сопле двигателя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Способ определения тяги сопла реактивного двигателя в полете реализуется следующим образом.

1. Ha требуемом режиме работы двигателя при заданных параметрах полета самолета (высота, скорость, угол атаки) в каждом цикле измерения тяги производят определение величины скоростного потока на выходе сопла:

А) измеряют усилия сопротивления двух зондов в виде прямолинейных стержней с различными коэффициентами аэродинамического сопротивления, размещенных в газовом потоке сопла. Измерение усилия сопротивления производят в полете на зондах, отклоненных от перпендикуляра к направлению потока на заданный угол установки α . При этом, угол установки выбирают из условия

где - π *c

- максимальная располагаемая степень расширения газов в выходном сечении реактивного сопла в земных условиях, π *кр=1,85.

Измеренные усилия - Р₁₁ и Р₂₁ соответственно в первом и втором зондах;

Б) по измеренным усилиям определяют параметр, характеризующий отношение усилий на зондах:

- отношение коэффициентов сопротивления стержней Сх₁₁ И Cх₂₁

- отношение суммы коэффициентов сопротивления к их разнице

В) по значениям параметров

По заранее полученным на земле зависимостям для зондов, расположенных перпендикулярно оси сопла (т.е. α =0) получаем

- Число М по

- по найденному числу М по графику Сх=f(M) находят Сх₁₁ и Сх₂₁, после чего определяют скоростной напор на каждом зонде

- определяют искомый скоростной напор газового потока в сопле двигателя как среднеарифметическое скоростных напоров, полученных для каждого зонда, умноженное на множитель

где α - угол установки зондов, F₁₁ и F₂₁ - площади омываемых поверхностей первого и второго зондов; Q_c - скоростной напор в сопле;

Г) по значениям параметров

По заранее полученным на земле зависимостям для зондов, расположенных перпендикулярно оси сопла (т.е. α =0) получаем:

- значение (Сх₁₁-Сх₂₁) по (Сх₁₁-Сx₂₁)=f,

или (Сх₁₁-Cх₂₁)=f

- по найденному значению (Сx₁₁-Cx₂₁) определяют скоростной напор

- определяют искомый скоростной напор газового потока в сопле двигателя

Определение скоростного напора может производиться либо отдельно по алгоритму п.В или п.Г, либо для повышения надежности и по алгоритму В и по алгоритму Г с усреднением полученных результатов.

2. В зоне расположения зондов измеряют избыточное статическое давление газового потока сопла - Δ Р_c относительно давления окружающего воздуха - Р_н.

3. Определяют тягу сопла двигателя в полете - R

R=Q_cF_c+F_cΔ_Рc

В наземных условиях - Δ Р_c=0 и тяга - R₀=Q_cF_c

Пример осуществления способа.

Предварительно были получены зависимости коэффициентов C_x=f(M) (см. фиг.1) зондов с прямоугольным и треугольным с углом при вершине 30° поперечными сечениями стержней при следующих данных зондов.

при гонках двигателя с общим соплом с диаметром Ф_с=1,4135 м и площадью F_c=1,5685 м² и при перпендикулярном расположении стержней зондов относительно оси реактивного сопла (т.е. угол установки α =0).

Далее были получены расчетные зависимости

- см. фиг.3.

После чего зонды были установлены с углом (α =30° и были выполнены измерения тяги способом и устройством согласно настоящему изобретению и стендовой тягоизмерительной системой.

Показания стендовой тягоизмерительной системы дали следующие результаты: тяга двигателя R=16060 кгс, расчетное значение М_с=0,898, где М_с - число М газового потока на срезе сопла двигателя, газодинамический напор на срезе сопла составил pV2c

=10240 кгс/м².

Измерения заявляемым способом дали следующие результаты:

, Р▿ =83,56 кгс при следующих параметрах зондов:

, 1=1,6322 м, S=0,015:

где F - площадь омываемой поверхности зонда; 1 - длина омываемой части зонда; S - толщина омываемой части зонда.

Определяем параметр, характеризующий отношение усилий в зондах:

По алгоритму В.

По графику фиг.2 определяем М=0,775 для параметра 4,082.

По графику фиг.1 определяем для М=0,775:

; Cx▿ =0,887.

Нормальные (действующие по нормали к зонду) скоростные напоры, действующие на каждый зонд:

Определяем искомый скоростной напор

с относительной погрешностью Δ R=0,26%.

По алгоритму Г.

По графику фиг.3 определяем

для параметра 4,082.

Нормально действующий на зонды скоростной напор

Определяем искомый скоростной напор

Q_cг=ρ V2г

/cos²α^{=7667/0,75=10223 кгс/м2}

Определяем тягу сопла

R=Q_cгF_c=10223 1,5685=16034 кгс

С относительной погрешностью Δ R=-0,15%.

Определяем усредненное значение тяги

R=(R_в+R_г)/2=(16102+16034)/2=16068 кгс

С относительной погрешностью Δ R=0,05%.

Устройство для определения тяги сопла реактивного двигателя, реализующее вышеприведенный способ включает:

- размещенные в области среза сопла измерительные зонды в виде прямолинейных стержней, жестко закрепленных одним концом на конструкции сопла с помощью кронштейна и несущих силоизмерительные устройства;

- блок определения тяги;

- датчик избыточного статического давления газового потока сопла;

- блок питания;

- блок индикации.

Каждый из измерительных зондов выполнен (см. фиг.4) в виде прямолинейного стержня 2, закрепленного на сопле 1 двигателя с помощью кронштейна 5, установленного на наружной поверхности сопла. Стержень 2 выполнен переставляемыми в узле крепления к кронштейну 5 для обеспечения его поворота в вертикальной плоскости на заданный угол 8. Крепление стержня 2 выполнено с помощью шлицевого валика 4, размещенного в проушинах кронштейна 5, снабженных шлицевыми отверстиями. Сам стержень 2 выполнен на конце также с шлицевым отверстием и закреплен на валике 4 с помощью винта (не показано).

Стержень 2 на закрепленном конце несет силоизмерительное устройство в виде калиброванной балки 3, снабженной тензорезисторными элементами, связанными с устройством измерения (не показано).

Стержень 2 выполняется с определенным поперечным сечением. При этом, первый и второй зонды должны иметь разные по форме поперечные сечения для получения различных коэффициентов аэродинамического сопротивления, и могут быть выполнены, например, с сечениями прямоугольной и треугольной формы.

Конструктивные размеры стержней 2 определяются из условия максимального диаметрального перекрытия выходного сечения сопла двигателя. При этом, зонды устанавливаются попарно вблизи измеряемой зоны, но на некотором расстоянии друг от друга, исключающем их взаимное влияние друг на друга.

Сами стержни выполняются обычно из тугоплавких металлов, например, жаростойких стальных сплавов.

Устройство снабжено датчиком избыточного статического давления газового потока сопла, включающим корпус с приемной камерой и тензорезисторным устройством измерения давления, и приемник статического давления, связанный с приемной камерой импульсным трубопроводом. При этом, корпус датчика 7 и приемник статического давления 8 установлены на сопле двигателя в области установки измерительных зондов: корпус снаружи сопла, а приемник - в сопле с помощью удлинительной пластины 10. Установленные кронштейн 5 и корпус датчика 7 закрываются съемным обтекателем 6.

Измерительный прибор состоит из блока определения тяги, входы которого связан с выходами силоизмерительных устройств измерительных зондов и тензорезисторным устройством измерения давления датчика избыточного статического давления газового потока сопла. Выходы блока определения тяги связаны с блоком индикации, и в случае необходимости - с блоком регистрации. Блок определения тяги снабжен также задатчиком угла установки зондов.

Блок определения тяги представляет собой совокупность программируемых устройств различного назначения, функционирование которых происходит под управлением программы, размещенной в постоянном запоминающем устройстве - ПЗУ. В блоке можно выделить части:

- аналоговый блок, в состав которого входят устройства, обеспечивающие напряжение питания тензорезисторных элементов, нормирование сигналов датчиков, их коммутацию и усиление;

- вычислительный блок, в состав которого входят устройства, обеспечивающие выполнение управляющих и вычислительных операций, преобразование аналоговых сигналов в цифровой код, ввод-вывод данных с клавиатуры и на индикацию, сопряжение с внешним устройством по стандарту ИРПС и ИРПР;

- блок питания, вырабатывающий напряжение питания всех устройств.

Управление работой всех устройств осуществляется микро-ЭВМ по приборной шине связи, состоящей из трех шин: шины данных, шины адреса и шины управления.

В состав микро-ЭВМ входит центральный процессор (ЦП) с необходимыми схемами управления, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Индикация служебной информации и результатов измерения осуществляется с помощью блока индикации, который может быть выполнен, например, в виде пятиразрядного и трехразрядного табло и позиционных индикаторов.

Управление прибором и ввод служебной информации осуществляется кнопочными устройствами и цифровой клавиатурой.

Работает устройство следующим образом.

Перед полетом производят установку зондов на заданный угол установки - α , величину которого выбирают из условия:

cosα =π *c

/π *кр,

где π *c

- максимальная располагаемая степень расширения газов в выходном сечении реактивного сопла в земных условиях, π *кр=1,85.

Установку на заданный угол установки - α , кратный числу шлиц, выполняют путем перестановки шлицевого валика 4 вместе с стержнем 2 в шлицевых отверстиях проушин кронштейна 5.

При работе двигателей газовый поток 9 (см. фиг.4) оказывает давление на стержень 2.

При расположении стержня зонда 2 перпендикулярно оси сопла (т.е. угол установки α =0) усилие воздействия газового потока на него будет

P₁=Сх₁·_F1pV2c

/2,

где Сх₁=f(M_c) и М_c=f(V_c, Т_c), М_с - число М, а Т_c - температура газа на срезе реактивного сопла.

Расположив зонд под углом (α , получим, что на него будут действовать нормальная составляющая потока V_n=V_ccos α , и касательная составляющая Vτ =V_csinα . Для сильно вытянутых тел максимальное отношение осевой и нормальной компонент силы от действия потока составляет ≈ 0,004, что позволяет пренебречь влиянием касательной составляющей на усилие сопротивления и учитывать только нормальную составляющую - P₂, где

P₂=Сх₂ F₂ ρ V2n

/2=Сх₂ F₂ ρ V2c cos²α^{/2, откуда}

Таким образом, увеличив угол установки зондов в полете, получаем сдвиг по числу М для работы зонда в сторону его меньших значений, что позволяет определять скоростной поток в сопле в полетных условиях, пользуясь таррировочными данными, полученными на земле при числах М, определяемых значениями π *с

.

Стержень 2 воспринимает нагрузку по всей своей длине, передавая интегрированное усилие на калиброванную балку 3. Тензорезисторное устройство вырабатывает сигнал, пропорциональный перерезывающей силе на балке, равной усилию сопротивления стержня потоку 9.

При подаче напряжения на прибор появляется импульс начальной установки. Процессор после импульса начальной установки выставляет на шине начальный адрес, читает первую команду, расположенную по этому адресу, и начинает выполнять действия в соответствии с кодом команды. После выполнения первой команды процессор читает и выполняет вторую команду, и далее последовательно выполняет всю программу, записанную в ПЗУ. Алгоритм и программа реализуют вычисления, приведенные выше.

Результаты вычислений отображаются в блоке индикации.

Предложенные способ и устройство позволяют производить измерение тяги на любых эксплуатируемых газотурбинных двигателях на земле и в полетных условиях при высоких числах М газового потока в сопле. При этом отпадает необходимость в использовании дорогостоящего оборудования: контрольно-измерительного для определения экспертной оценки тяговых характеристик, и оборудования для обеспечения на земле полетных условий при определении аэродинамических характеристик зондов.

Устройство просто по конструкции, надежно и удобно в эксплуатации, позволяет производить измерение тяги сопла с высокой точностью на земле и в полете.

Изобретение относится к технической физике, в частности к испытаниям реактивных авиационных двигателей, и может быть использовано в способах и устройствах для измерения тяги турбореактивных и турбореактивных двухконтурных двигателей. Способ заключается в измерении усилия сопротивления на зондах, которые отклонены от перпендикуляра к направлению потока на заданный угол α. При этом определяют параметр, коэффициенты сопротивления зондов и скоростной напор по зависимостям, полученным на земле с зондами, размещенными перпендикулярно направлению газового потока. Тягу определяют по полученному значению скоростного напора, увеличенному в 1/cos² α раз. Устройство для определения тяги сопла двигателя в полете содержит размещенные в области среза сопла измерительные зонды в виде прямолинейных стержней. Они жестко закреплены одним концом на конструкции сопла с помощью кронштейна и несут силоизмерительные устройства, связанные выходами с блоком определения тяги. При этом стержни выполнены переставляемыми в узлах крепления к кронштейнам для обеспечения их поворота в вертикальной плоскости на заданный угол. Блок определения тяги снабжен задатчиком углов установки зондов. Технический результат заключается в возможности производить определение тяги сопла во всем диапазоне работы двигателей на земле и в полете с необходимой точностью, обеспечении экономичности и простоты способа измерения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете, включающий измерение усилия сопротивления двумя прямолинейными зондами с различными коэффициентами аэродинамического сопротивления, размещенными в газовом потоке сопла, определение параметра, характеризующего отношение измеренных двумя зондами усилий, и определение скоростного напора газового потока с использованием предварительно полученных зависимостей параметра от числа М или разницы коэффициентов аэродинамического сопротивления зондов с последующим определением тяги, отличающийся тем, что измерение усилия сопротивления производят в полете на зондах, отклоненных от перпендикуляра к направлению потока на заданный угол α, определяют параметр, коэффициенты сопротивления зондов и скоростной напор по зависимостям, полученным на земле с зондами, размещенными перпендикулярно направлению газового потока, а тягу определяют по полученному значению скоростного напора, увеличенному в 1/cos² α раз.2. Способ определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете по п.1, отличающийся тем, что в зоне расположения зондов измеряют статическое давление потока, а тягу определяют с учетом статического компонента.3. Устройство для определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете, содержащее размещенные в области среза сопла измерительные зонды в виде прямолинейных стержней, жестко закрепленных одним концом на конструкции сопла с помощью кронштейна и несущих силоизмерительные устройства, связанные выходами с блоком определения тяги, отличающееся тем, что стержни выполнены переставляемыми в узлах крепления к кронштейнам для обеспечения их поворота в вертикальной плоскости на заданный угол, а блок определения тяги снабжен задатчиком углов установки зондов.4. Устройство для определения тяги сопла газотурбинного двигателя в полете по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком избыточного статического давления газового потока сопла, включающим корпус с приемной камерой, приемник статического давления и тензорезисторное устройство измерения давления, связанное своим выходом с блоком определения тяги, при этом приемник статического давления установлен в области установки измерительных зондов.