СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ КРИТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСЛЕ ОГНЕВЫХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при экспериментальной отработке ракетных двигателей, у которых в процессе работы происходит изменение площади критического сечения сопла (унос материала, налипание конденсированной фазы и т.п.).

При огневых стендовых испытаниях (ОСИ) для определения внутрибаллистических (расходных) характеристик необходимо знать фактическую величину изменения площади критического сечения сопла после ОСИ.

Известен способ определения геометрических характеристик отверстий с последующим вычислением требуемых характеристик (в том числе площади поперечного сечения при помощи трехкоординатных машин (см. Д.Хофман. Техника измерений и обеспечение качества. Справочная книга. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр.289-291)). При этом производятся прямые измерения в дискретных точках по окружности с помощью измерительных головок и по полученным дискретным значениям пересчетом определяется площадь поперечного сечения. Однако ввиду большой неравномерности разгара, наличия локальных зон выкрашивания, наплывов как по периметру, так и вдоль оси критического вкладыша погрешность определения фактической площади критического сечения является недопустимо высокой, стоимость промышленной реализации чрезмерно велика. Кроме того, "геометрическая" площадь критического сечения в отличие от так называемой "эффективной" (σ ) не учитывает влияние конфигурации входной части, шероховатости, локальных искажений поверхности в околокритической зоне на расходные характеристики критического вкладыша

где μ - коэффициент расхода, зависящий от конфигурации и шероховатости входной части и (в меньшей мере) от вязкости жидкости.

Эти недостатки указанного способа особенно проявляются при анализе результатов ОСИ малогабаритных двигателей твердого топлива, в которых сопловые вкладыши выполнены из уносимых материалов. В этом случае величины уносов, локальных вымывов соизмеримы (сопостовимы) с диаметром критического сечения.

Этих недостатков лишен способ определения расходных характеристик при помощи проливки жидкости. Заявителю не известны примеры использования проливки для измерения именно площади критического сечения. Тем не менее это можно реализовать при помощи проливки, используя известную зависимость

где - объемный расход жидкости при проливке;

V - объем прошедшей через критическое сечение жидкости;

W - мгновенная скорость истечения;

- напор жидкости перед критическим сечением;

ρ - плотность жидкости.

Поскольку измерить мгновенное (текущее) значение расхода Q и, особенно, скорости истечения W через критическое сечение достаточно сложно, в широкой практике отечественного машиностроения используются методы проливки, основанные на измерении некоторого конечного объема V, прошедшего через критическое сечение за контрольное время t при обеспечении постоянства (за время проливки) скорости истечения W, т.е. перепада давления (см., например, книгу В.Г.Цейтлина "Расходоизмерительная техника". М.: издательство стандартов, 1977 г., стр.29-37). Можно (хотя примеры этого и не известны заявителю) использовать не прямое измерение площади критического сечения, а измерение ее отличий (отклонений) от номинального (эталонного), точно измеренного значения σ ₀

Причем, если V=V₀, то

Таким образом, измеряя время проливки одного и того же объема V через эталонный (t₀) и контролируемый (t) вкладыш при обеспечении постоянства (за время проливки и от одной проливке к другой) скорости истечения W (Δ p=const, ρ =const, μ =const), можно определить относительное отклонение площади критического сечения от номинального (начального, предопытного) значения.

Основным недостатком этого способа проливки, принятого за прототип, является сложность обеспечения постоянства скорости W (перепада давления Δ р) как по времени проливки, так и от одной проливки к другой.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка.

Технический результат достигается тем, что через критическое сечение сопла до и после огневых испытаний проливают самотеком один и тот же объем одной и той же жидкости, из одного и того же неподвижного сосуда с одинаковыми высотами зеркала жидкости в начале и конце проливки, при одной и той же температуре испытаний с измерением времени проливки, а изменение площади критического сечения относительно его первоначального значения определяют по формуле

где σ ₀, σ - площадь критического сечения до и после огневого испытания;

t₀, t - время проливки контрольного объема до и после огневого испытания.

Физическая суть предлагаемого метода проливки самотеком заключается в обеспечении независимости по времени проливки не скорости истечения W (как в прототипе), а величины V/W, допуская (предполагая) существенное изменение (непостоянство) скорости истечения W во время проливки.

При проливке самотеком

где Н - текущая высота зеркала жидкости над уровнем расположения критического сечения;

S(H) -площадь зеркала жидкости на высоте Н.

Теперь

И далее

Предлагаемый способ предполагает обеспечение независимости (постоянства) величины не только от σ и времени единичной проливки, но и от одной проливки к другой без измерения ее фактического значения, а относительное изменение площади расходного отверстия (критического сечения сопла) определяется (как и в прототипе) с использованием измерения только одной величины - времени проливки

Неизменность (постоянство) величины А обеспечивается тем, что проливка проводится в одних и тех же условиях:

один и тот же объем проливки жидкости, из одного и того же неподвижного сосуда, с одинаковыми высотами зеркала (H₁=const, H₂=const), одной и той же жидкости при одной и той же температуре испытаний.

На чертеже представлена схема установки, с помощью которой реализуется предлагаемый способ. Установка включает емкость рабочей жидкости 1, заглушку 3, емкость для сбора отработанной жидкости 4, штатив 5 для крепления емкости рабочей жидкости и манометрическую прозрачную трубку 6 с контрольными метками. К емкости 1 присоединяется исследуемый сопловой вкладыш 2.

Порядок проведения проливки заключается в следующем.

1. В емкость 1, закрепленную в штативе 5 с установленной заглушкой 3, наливают жидкость (воду).

2. Извлекают заглушку 3. Жидкость самотеком через сопловой вкладыш 2 истекает из емкости 1 в емкость 4.

3. Фиксируется время (t) между прохождением уровнем зеркала жидкости верхней (Н₁) и нижней (Н₂) отметки на манометрической трубке 6.

4. Проводят работы по пп.1-3 для эталонного и контролируемого вкладыша.

5. Вычисляют относительное изменение эффективной площади критического сечения по зависимости

Оценим погрешность (δ ) определения

Принимая δ t₀=δ t и t≈ t₀

Из анализа зависимости (6) можно сделать следующие выводы.

1. Относительная погрешность определения (измерения) времени проливки должна быть не менее чем в два раза меньше заданной (необходимой) погрешности определения относительного изменения площади критического сечения.

2. Для уменьшения относительной погрешности измерения времени проливки следует

а) увеличивать время проливки t (т.е. увеличивать объем проливаемой жидкости);

б) дублировать каждую проливку

где (δ t)₁ - погрешность единичного измерения;

n - количество измерений одной и той же величины.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью измерять изменение эффективной площади критического сечения сопла после ОСИ без применения системы обеспечения и контроля избыточного давления. Этот способ, успешно опробованный на сопловых вкладышах с диаметром критического сечения 3,8 и 58,0 мм, может быть использован для контроля эффективной площади минимального проходного сечения других машиностроительных узлов типа жиклеров, форсунок, дроссельных шайб и т.п.

Способ определения изменения площади критического сечения сопла ракетного двигателя после огневых стендовых испытаний включает проливку через критическое сечение сопла до и после огневых испытаний самотеком одного и того же объёма одной и той же жидкости из одного и того же неподвижного сосуда с одинаковыми высотами зеркала жидкости в начале и конце проливки при одной и той же температуре испытаний с измерением времени проливки. Изменение площади критического сечения относительно его первоначального значения определяют по разности времен пролива объема жидкости через критическое сечение сопла. Изобретение позволит повысить точность и снизить стоимость определения изменения проходной площади критического сечения сопла после огневого стендового испытания ракетного двигателя. 1 ил.

Способ определения изменения площади критического сечения сопла ракетного двигателя после огневых стендовых испытаний проливкой жидкости, отличающийся тем, что через критическое сечение сопла до и после огневых испытаний проливают самотеком один и тот же объем одной и той же жидкости из одного и того же неподвижного сосуда с одинаковыми высотами зеркала жидкости в начале и конце проливки, при одной и той же температуре испытаний с измерением времени проливки, а изменение площади критического сечения относительно его первоначального значения определяют по формуле

где σ₀, σ -площадь критического сечения до и после огневого

испытания;

t₀, t - время проливки контрольного объема до и после огневого испытания.