СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СМЕШАННОГО ПАРОГАЗОВОГО ПОТОКА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ЗАРЯДА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ В КАМЕРЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ, ОХЛАЖДЕНИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе на стенде, оборудованном камерой локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания (КЛОН).

Основной целью предлагаемого способа и устройства является экспериментальное определение одного из основных технологических параметров - скорости движения продуктов сгорания в секциях КЛОН при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе.

Известна «Автоматизированная система контроля испытаний газотурбинных двигателей», где представлен способ и измерительная система для контроля и регистрации технологических параметров (давления, температуры, частоты и т.д.) при испытаниях авиационных двигателей. Статья в журнале: «Современные технологии автоматизации». 1/2002, стр.48-53.

В качестве прототипа способа авторами приняты материалы, изложенные в статье СТА, 1/2002, стр.48-53.

К недостаткам указанного прототипа на способ необходимо отнести следующее:

- отсутствует способ и устройство для регистрации скорости движения газового потока продуктов сгорания;

- измерительная система используется для определения технологических параметров работы непосредственно авиационного двигателя и нет способа регистрации скорости движения газового потока продуктов сгорания в жестких условиях - типа секций КЛОН, где необходимо (в целях технологической безопасности) определять скорость движения высокоскоростного, высокотемпературного парогазового потока при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе.

Известны устройства для измерения и регистрации скорости парогазовых потоков в трубопроводах через расход путем преобразования линейного движения во вращательное с помощью различных лопастных турбин (турбинные счетчики).

В качестве прототипа на устройство принят турбинный счетчик Вольтмана с поворотным чувствительным элементом, представленный в справочнике «Измерения в промышленности», М.: «Металлургия», 1990, стр.175-179.

К недостаткам прототипа на устройство следует отнести следующее:

- невозможно конструктивно использовать такое устройство в крупногабаритных секциях КЛОН (где диаметр секций от 3 до 10 м), а также в жестких условиях из-за высокой температуры и давления продуктов сгорания, образующихся в полузамкнутом пространстве секций КЛОН при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе;

- невозможно определять скорость движения в различных слоях смешанного парогазового потока продуктов сгорания.

Технической задачей заявленных изобретений является повышение технологической безопасности при ликвидации крупногабаритного заряда ракетного двигателя на твердом топливе на стенде, оборудованном секциями КЛОН, которая состоит из цилиндрических секций, скрепленных между собой фланцевыми соединениями, и где производится локализация, охлаждение и нейтрализация продуктов сгорания путем орошения водой и нейтрализующим раствором из форсунок, встроенных в каждой секции КЛОН. В результате этого в секциях КЛОН образуется смешанный парогазовый поток продуктов сгорания.

Эта задача решается путем определения оптимальных скоростных режимов движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания в секциях КЛОН с целью:

- определения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания в секциях КЛОН и газоходе;

- определения скорости поступления смешанного парогазового потока в газоприемник для установления условий и режимов разделения конденсированной и газообразной фаз продуктов сгорания;

- определения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания в различных слоях полузамкнутого пространства для оценки зон торможения и турбулентности на границе: смешанный парогазовый поток - внутренняя стенка секций КЛОН.

Смешанный парогазовый поток продуктов сгорания, образованный в результате охлаждения продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя на стенде, оборудованном секциями КЛОН, представляет собой высокоскоростную, высокотемпературную парогазовую смесь с агрессивной средой, движущейся в дозвуковом режиме (от 50-200 м/с в зависимости от ликвидируемого заряда).

Эти относительно жесткие условия выдвигают ряд требований к выбору и использованию первичных датчиков, которые устанавливаются внутри секций КЛОН и в газоходе, а именно:

- сохранение целостности конструкции при прохождении высокоскоростного, высокотемпературного смешанного парогазового потока продуктов сгорания в течение всего процесса ликвидации заряда;

- устойчивость к агрессивной среде смешанного парогазового потока продуктов сгорания заряда ракетного двигателя, в котором находятся при повышенных температурах, водно-солевые компоненты, кислоты, различные окислы, твердые частицы и т.д.

- надежность и достоверность подачи аналогового сигнала в измерительную систему;

- дешевизна, простота исполнения конструкции датчика и возможность установки его в полузамкнутом пространстве секций КЛОН для измерения скорости в различных слоях смешанного парогазового потока продуктов сгорания ликвидируемого заряда.

Технический результат способа заключается в том, что:

1. На внутренних стенках секций камеры локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания при ликвидации заряда ракетного двигателя на равном удалении друг от друга на расстоянии от 5...10 м по всей длине тракта камеры устанавливают телескопические модули с флажковыми датчиками с заданной длиной телескопического модуля от 0,1 до 2 м, которые регистрируют начало момента прохождения фронта смешанного парогазового потока продуктов сгорания и текущие значения изменения этой скорости путем подачи аналогового сигнала в регистрирующий вычислительный комплекс и получают результаты в виде цифровой информации.

2. Поворотный чувствительный элемент в виде флажка с площадью 0,002-0,004 м² и возвратной пружиной устанавливают на регулирующую ось резистора флажкового датчика, который помещают в защитный корпус с прорезью под углом не менее 110° и устанавливают на телескопический модуль с выдвижными стойками.

Предлагаемые изобретения позволяют определять:

- начальную скорость движения фронта смешанного парогазового потока по всему тракту секций КЛОН;

- изменение скорости движения смешанного парогазового потока в процессе локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания в секциях КЛОН.

Сущность изобретений заключается в получении аналогового сигнала с флажкового датчика, установленного на телескопическом модуле в секциях КЛОН при прохождении высокоскоростного, высокотемпературного парогазового потока продуктов сгорания. Аналоговый сигнал во флажковом датчике образуется в результате отклонения чувствительного поворотного элемента - флажка датчика и изменения сопротивления резистора и далее напряжения в блоке преобразования и нормализации (БПН), которое далее поступает в блок коммутации и управления (БКУ) и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП Е-440) с целью преобразования аналогового сигнала флажкового датчика в цифровую информацию с последующим выводом результатов на монитор регистрирующего вычислительного комплекса и печать.

Изобретения поясняются схемами:

На фиг.1 схематически показан телескопический модуль с флажковым датчиком, где:

1 - чувствительный поворотный элемент - флажок для отклонения регулировочной оси резистора при воздействии на него истекающего смешанного парогазового потока продуктов сгорания; 2 - флажковый датчик; 3 - выдвижные стойки; 4 - фланец для крепления телескопического модуля к внутренней стенке секции КЛОН; 5 - крепления для фиксации выдвижных стоек на заданном расстоянии.

На фиг.2 показана условная схема крепления телескопического модуля с флажковыми датчиками на внутренних стенках секций КЛОН, где:

6 - секции КЛОН; 7 - телескопические модули с флажковыми датчиками; 8 - смешанный парогазовый поток продуктов сгорания; 9 - ликвидируемый заряд ракетного двигателя на твердом топливе.

На фиг.3 схематично показан флажковый датчик в сборе и в разобранном видах, где:

10 - прорезь в защитном корпусе датчика с углом раскрытия не менее 110°; 11 - защитный корпус датчика; 12 - опорная пластина для крепления возвратной пружины; 13 - узел крепления датчика скорости к телескопическому модулю; 14 - возвратная пружина; 15 - поворотный чувствительный элемент - флажок датчика; 16 - резистор; 17 - клеммы подсоединения стыковочной линии с блоком преобразования и нормализации.

На фиг.4 показана монтажная схема подсоединения телескопического модуля с флажковым датчиком к регистрирующему вычислительному комплексу, где:

18 - фиксированное базовое расстояние между флажковыми датчиками; 19 - кабель сопряжения для передачи электрического сигнала; 20 - блок преобразования и нормализации, предназначенный для преобразования электрического параметра, снимаемого с датчиков, в напряжение постоянного тока от 0-5 В, для устранения электрических помех и дальнейшей оцифровки; 21 - коммутационный щит; 22 - кабель передачи сигнала от коммутационного щита в блок коммутации и управления; 23 - блок коммутации и управления, предназначенный для управления процессом измерения и контроля; 24 - коммутационный кабель аналогового сигнала; 25 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП Е-440) предназначен для оцифровки аналогового сигнала; 26 - кабель USB; 27 - регистрирующий вычислительный комплекс (РВК) на основе системного блока на базе процессора «Pentium-4», включающий монитор, клавиатуру и мышь; 28 - блок бесперебойного питания; 29 - принтер.

На фиг.5 показана электрическая схема подачи напряжения на резистор, установленный в флажковом датчике, где:

30 - модуль фирмы DATAFORTH SCM5B38-07, предназначен для преобразования сопротивления в напряжения; 31 - постоянный резистор; 32 - клеммы входного преобразуемого напряжения (In); 33 - клеммы выходного преобразованного напряжения (Out).

На Фиг.6 показан в качестве примера образец обработки аналогового сигнала, поступающего от двух флажковых датчиков в виде цифровой информации при ликвидации одного из зарядов ракетного двигателя на стенде, оборудованном секциями КЛОН, где:

34 - исходный сигнал до прохождения смешанного парогазового потока продуктов сгорания; 35 - начальная точка изменения сопротивления и далее напряжения в блоке преобразования и нормализации вследствие отклонения флажка датчика при подходе фронта смешанного парогазового потока продуктов сгорания; 36 - динамика изменения напряжения при отклонении чувствительного поворотного элемента - флажка датчика в процессе ликвидации заряда ракетного двигателя, где наблюдается синхронное отклонение флажков двух датчиков в момент прохождения смешанного парогазового потока продуктов сгорания.

Техническое решение в предлагаемом способе и устройстве реализуется следующим образом:

1. Перед началом установки ликвидируемого ракетного двигателя (9) на стенд производится установка и крепление телескопических модулей (7) с флажковыми датчиками (2) с помощью фланца (4) к секциям КЛОН (6) по всему тракту на фиксированном базовом расстоянии друг от друга и с заданной длиной, путем выдвижения и крепления стоек (3) с помощью креплений для фиксации выдвижных стоек (5). При необходимости измерения скорости на границе смешанного парогазового потока продуктов сгорания (8) и внутренней стенки секций КЛОН (6) флажковые датчики скорости (2) устанавливаются без телескопических модулей (7).

2. Флажковые датчики скорости (2) крепятся непосредственно на телескопический модуль с помощью узла крепления (13), а через клеммы (17) и соединительные кабели (19) с блоком преобразования и нормализации (20) и через коммутационный щит (21) и кабели передачи сигнала (22) с блоком коммутации и управления (23) и АЦП Е-440 (25), где производится преобразование аналогового сигнала в цифровую информацию, поступающих с флажковых датчиков (2) для дальнейшей обработки в регистрирующем вычислительном комплексе (27).

3. Включаются все технологические системы стенда по подготовке заряда ракетного двигателя (9) к ликвидации с использованием секций КЛОН (6), а именно подача хладагента в водоводы и распыливающим форсункам секций КЛОН для локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания (8).

4. Включается регистрирующий вычислительный комплекс (27) для регистрации и контроля скорости движения смешанного парогазового продуктов сгорания в секциях КЛОН.

5. Производится инициирование заряда ликвидируемого ракетного двигателя (9).

6. Во время прохождения смешанного парогазового потока продуктов сгорания (8) по тракту секций КЛОН (6) происходит отклонение поворотного чувствительного элемента - флажка (1) флажкового датчика (2), установленных на телескопических модулях (7), при этом происходит изменение сопротивления резистора и далее напряжения в блоке преобразования и нормализации (20) и этот аналоговый сигнал поступает через коммутационный щит (21) в блок коммутации и управления (23) и далее в регистрирующий вычислительный комплекс (27) по кабелям (22, 26), где преобразуется в цифровую информацию для дальнейшей обработки полученных результатов в виде матрицы и графического изображения на мониторе.

7. Модуль SCM5B38-07 (30) представляет собой преобразователь сигнала моста, который с одних выходов (32) питает мостовую схему, а с других (33) снимает напряжение с выходов моста, которое подается на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП Е-440) (25). При отклонении флажка датчика происходит изменение сопротивления в резисторе R_ф (16), установленного в флажковом датчике, и соответственно напряжения на выходах (33).

8. Для защиты резистора флажкового датчика (16) от воздействия высокоскоростного, высокотемпературного смешанного парогазового потока продуктов сгорания (8) он помещен в защитный корпус (11), в котором имеется прорезь (10) с углом раскрытия не менее 110°, в котором осуществляется отклонение поворотного чувствительного элемента - флажка датчика (1) при воздействии на него смешанного парогазового потока продуктов сгорания (8) и обратный возврат с помощью пружины (14) при снижении (изменении) скорости смешанного парогазового потока.

9. Данные по фиксированным базовым расстояниям установки телескопических модулей с флажковыми датчиками (7) друг от друга, а также временные параметры и динамика отклонения флажка (1), поступающие в регистрирующий вычислительный комплекс (27), позволяют определять начальную скорость и скорость изменения смешанного парогазового потока продуктов сгорания (8) в течение всего процесса ликвидации заряда в секциях КЛОН (6).

Экспериментальные исследования, проведенные в ФГУП «НИИПМ» при ликвидации натурных зарядов (I, II, III ступеней) ракетного комплекса PC-22 массой до 50 т на стенде, оборудованном секциями КЛОН, показали эффективность и надежность данного способа и устройства для измерения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания.

Изобретения относятся к ракетной технике, а именно к ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе на стенде, оборудованном камерой локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания (КЛОН). Определение и контроль различных технологических параметров, в том числе и скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе на стендах, оборудованных секциями КЛОН, необходимы для решения ряда вопросов, связанных с технологической безопасностью проведения таких работ. Данное изобретение для измерения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания обеспечивает надежность и достоверность данных, полученных в сложных условиях полузамкнутого пространства секций КЛОН, где осуществляется дистанционный контроль движения высокоскоростного, высокотемпературного парогазового потока продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя. С помощью данного способа и телескопического модуля осуществляется контроль и измерение начальной скорости движения смешанного парогазового потока, динамика изменения этой скорости во время всего процесса, что в свою очередь позволяет определять оптимальные технологические режимы (в частности, количество подаваемого хладагента, гидравлические параметры, условия снижения скорости истечения продуктов сгорания и т.д.), обеспечивая при этом технологическую безопасность ликвидации заряда ракетного двигателя на стендах, оборудованных секциями КЛОН. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе в камере локализации, охлаждения и нейтрализации, включающий измерительную систему, отличающийся тем, что на внутренних стенках секций камеры, на равном удалении друг от друга, на расстоянии от 5 до 10 м по всей длине тракта камеры устанавливают телескопические модули с флажковыми датчиками с заданной длиной телескопического модуля от 0,1 до 2 м, регистрируют начало момента прохождения фронта смешанного парогазового потока продуктов сгорания и текущие значения изменения этой скорости путем подачи аналогового сигнала в регистрирующий вычислительный комплекс и получают результаты в виде цифровой информации.2. Телескопический модуль с флажковым датчиком для измерения скорости движения смешанного парогазового потока продуктов сгорания при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе в камере локализации, охлаждения и нейтрализации, включающий поворотный чувствительный элемент, отличающийся тем, что поворотный чувствительный элемент в виде флажка площадью 0,002-0,004 м² и возвратной пружиной устанавливают на регулирующую ось резистора, помещают в защитный корпус с прорезью под углом не менее 110° и устанавливают на выдвижные стойки.