ПРИЕМНИК ВОЗДУШНЫХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01L19/00 G01P5/14 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости плоских (двухмерных) газовых потоков, а также числа Маха (см., например, Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. - 1996. - С.166). Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения направления и величины скорости газового потока. Приемник обладает наибольшей чувствительностью к углу скоса потока (измерение направления скорости).

Недостатком приемника является то, что в случае использования его для измерения статического давления, оно измеряется со значительными погрешностями, что связано с большой угловой чувствительностью приемника и, как следствие этого, со смещением точки на поверхности приемника, в которой давление равно статическому, при изменении направления скорости набегающего потока или при изменении углового положения самого приемника. К недостаткам приемника можно отнести и погрешности измерения числа Маха и величины скорости потока газа на больших дозвуковых и на сверхзвуковых скоростях, что связано с явлением стабилизации местных чисел Маха. При числах Маха М>0,75 потеря чувствительности приемника к величине скорости и числу Маха не восстанавливается. Недостатком приемника является и то, что он не может быть использован для измерений в пространственных потоках.

Причина, препятствующая получению у аналога требуемого технического результата, заключается в том, что на поверхности цилиндрического приемника происходит сильный разгон потока газа, что приводит к появлению на нем уже при числах Маха М≈0,75 местных сверхзвуковых зон, что, в свою очередь, вызывает значительную потерю чувствительности приемника и уменьшение точности измерений величины скорости потока газа и числа Маха, а высокая чувствительность приемника к углу скоса делает его непригодным для измерения статического давления за счет смещения точки, где давление равно статическому, при изменении углового положения приемника относительно потока газа.

Известен шестиствольный насадок ЦАГИ (аналог), представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы (см. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. - 1996. - С.229.), предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной полусферической части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения углов скоса потока.

Недостатком приемника является то, что с ростом скорости потока на поверхности полусферической носовой части проявляется эффект стабилизации местных сверхзвуковых скоростей и приемник теряет чувствительность к изменению скорости потока.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушного давления, представляющий собой тело цилиндрической формы (см. патент России № 1723879, G 01 L 19/00 от 02.01.90 - прототип). Приемник предназначен для измерения величины и направления скорости плоских потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части цилиндрической поверхности приемника, являющейся частью боковой поверхности круглого цилиндра, расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, служащие для определения направления и величины скорости потока газа. На грани цилиндрической поверхности, находящейся при измерениях с подветренной стороны, расположено приемное отверстие (донное), предназначенное для измерения числа Маха и статического давления.

Недостатком приемника является то, что он не может быть использован для измерений параметров пространственных потоков, а также то, что он создает значительные возмущения в потоке газа, т.к. имеет плохообтекаемую форму - верхнее плоское основание, обращенное к потоку, пересекает цилиндрическую поверхность с образованием острой кромки, что является одним из условий функционирования прототипа, тогда как хорошо обтекаемые тела (тела аэродинамической формы), мало возмущающие поток, должны иметь плавные обводы (см., например, рисунки аналогов - Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. 1996. С.167. С.229). Наличие вышеуказанной острой кромки приводит к появлению сильных возмущений, распространяющихся от приемника вверх по потоку.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения статического давления и числа Маха в пространственных потоках газа, а также на снижение возмущений, создаваемых приемником давлений в газовом потоке.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении (у прототипа) требуемого технического результата, заключается в том, что цилиндрическое тело (круговой цилиндр, часть кругового цилиндра) может быть использовано для определения параметров лишь плоских потоков газа, что связано с тем, что только при расположении приемных отверстий в плоскости поперечного сечения цилиндра обеспечиваются необходимые чувствительность и точность измерений. Наличие верхнего плоского основания у прототипа вызывает образование пространственных вихревых структур, приводящих к появлению и распространению дополнительных возмущений от приемника давлений.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в пространственных потоках газа, а также в снижении возмущений, создаваемых приемником, за счет придания ему аэродинамической хорошо обтекаемой формы.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике воздушных давлений, представляющем собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью, на которой расположены приемные отверстия, предназначенные для измерения числа Маха и статического давления, часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части сферической поверхности.

На чертеже изображен заявляемый приемник воздушных давлений.

Заявляемый приемник воздушных давлений представляет собой тело, ограниченное частью сферической поверхности 1, на которой расположено центральное 2 и периферийные 3, 4 и 5, 6 приемные отверстия, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа, а также плоскостью 7, на которой расположены приемные отверстия 8÷11 (донные), предназначенные для измерения числа Маха и статического давления, приемник имеет державку 12, которой он крепится к объекту.

Приемник давлений работает следующим образом.

Сначала для заявляемого устройства с целью установления взаимосвязи давлений, воспринимаемых приемными отверстиями, с параметрами плоского воздушного (или газового) потока: углами скоса, числом Маха, статическим давлением проводят продувки приемника в аэродинамической трубе, по результатам которых строят градуировочные зависимости. В общем случае для заявляемого приемника воздушных давлений и прототипа градуировочные зависимости могут определяться на основании одних и тех же формул, за исключением того, что заявляемый приемник измеряет дополнительный угол (угол атаки или угол скольжения). Для искомых параметров потока могут устанавливаться следующие зависимости: для угла скоса (угла атаки или скольжения)

для числа Маха

f_M(M)=P₂/P_8÷11

для статического давления

где P_i - давление, а индекс i соответствует номеру приемного отверстия (см. чертеже); ε - угол скоса (угол атаки или скольжения); М - число Маха; Р_cm - статическое давление.

Затем, при определении параметров воздушного потока или при определении параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды, используя найденные по приведенным выше (или по каким-либо другим) формулам градуировочные зависимости, решают обратную задачу - по измеренным давлениям находят: углы скоса (атаки, скольжения), число Маха, статическое давление, а уже по найденным значениям числа Маха и статического давления - скорость потока.

Рассмотрим особенности обтекания заявляемого приемника воздушных давлений и покажем, почему именно такое выполнение приемника позволяет обеспечить достижение указанного технического результата.

У заявляемого приемника давлений (см. чертеж) приемные отверстия размещаются на части сферической поверхности, ось симметрии которой расположена по направлению вектора скорости газа (при нулевых значениях углов атаки и скольжения), в связи с чем чувствительность и точность измерений параметров потока приемником достаточна для проведения измерений (одинакова) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, в которых расположены приемные отверстия 3, 2, 5 и 6, 2, 4, чем и обеспечивается измерение заявляемым приемником параметров пространственного потока газа. Прототип (цилиндрическое тело) своим верхним плоским основанием создает сильные возмущения в потоке воздуха, распространяющиеся по высоте, в том числе и за счет формирования дополнительной вихревой структуры. У заявляемого приемника отсутствует подобное плоское основание вследствие использования сферической поверхности, в связи с чем у него отсутствуют и подобные возмущения газового потока.

Таким образом, выполнение заявляемого приемника воздушных давлений в соответствии с формулой изобретения позволит проводить измерение параметров пространственных газовых потоков, а также повысить точность измерения статического давления и числа Маха за счет уменьшения возмущений, вносимых приемником в воздушный поток.

В связи с тем, что среди приемников воздушных давлений, характеризующихся следующей совокупностью признаков: \Тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями и секущей поверхность вращения плоскостью, на которой расположены приемные отверстия\, выполнение части поверхности вращения в виде части сферической поверхности является признаком, существенным для характеристики объекта изобретения в целом, и обеспечивает получение положительного технического результата только в совокупности всех перечисленных признаков, то, следовательно, заявляемое изобретение соответствует изобретательскому уровню.

Использование: для измерения параметров течения газообразных сред или для определения параметров движения транспортных средств: самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды. Сущность изобретения: приемник представляет собой тело, ограниченное частью сферической поверхности 1, с расположенными на ней центральным 2 и периферийными приемными отверстиями 3, 4, 5, 6, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей плоскостью, перпендикулярной оси симметрии сферической поверхности, на которой расположены отверстия 8, 9, 10, 11 для определения числа Маха и статического давления. Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в пространственных потоках газообразных сред, движущихся с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, а также в снижении возмущений, вносимых приемником в газовый поток. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, отличающийся тем, что часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части сферической поверхности.2. Приемник воздушных давлений по п.1, отличающийся тем, что на секущей поверхность вращения плоскости расположены дополнительные приемные отверстия для измерения числа Маха и статического давления.