СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕМПФЕРА Российский патент 2015 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), снабженных устройствами гашения колебаний (демпферами). Изобретение предназначено, в частности, для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой и расчета на основании полученных данных оптимальных параметров демпфера, при которых его эффективность максимальна.

При создании и эксплуатации ракет-носителей (РН) часто возникает проблема их продольной устойчивости, суть которой заключается в том, что в процессе полета возбуждаются колебания РН, которые могут приводить к выходу из строя как составных элементов РН, так и изделия в целом (вплоть до его полного разрушения). Причина этого явления заключается в потере устойчивости контура: корпус РН - гидравлическая магистраль подачи компонентов топлива - жидкостный ракетный двигатель, т.е. колебания давления компонентов на входе в двигатель приводят к колебаниям тяги двигателя, что, в свою очередь, приводит к колебаниям корпуса ракеты-носителя, а это усиливает колебания в магистралях подвода компонентов. Система входит в резонанс. В результате происходит существенное увеличение первоначальной амплитуды колебаний, что, в конечном счете, и ведет к указанным негативным последствиям. Для борьбы с данным явлением часто применяют установку устройства гашения колебаний (демпфера) на одну из гидравлических магистралей двигателя.

Для принятия мер по устранению продольной неустойчивости РН необходимо знать амплитудно-фазовые частотные характеристики (АФЧХ) магистрали с установленным демпфером и двигателя как расчетные, так и полученные экспериментальным путем для конкретного ЖРД.

Демпфирующие устройства представляют собой газовые емкости, устанавливаемые в конце трубопроводов на минимально допускаемых компоновкой ракеты расстояниях от входов в соответствующие насосы двигателя. Конструкция демпферов не предусматривает использование сильфонов для изоляции газовой полости от компонентов, а также каких-либо устройств, регулирующих уровень жидкости в газовой полости демпфера. Подобного рода решение обеспечивает простоту конструкции, однако сохраняет необходимость экспериментальной отработки на специально созданных с этой целью экспериментальных установках. Необходимость проведения дополнительных экспериментальных работ связана с колебаниями давления в трубопроводе, вызываемых переходными процессами, возникающими при наддуве газовой полости демпфера, а также включением или изменением режима работы двигателя.

Радикальным методом снижения амплитуд колебаний давления жидкости в трубопроводе на переходных режимах является установка в горловине демпфера перфорированной перегородки (перфовставки). Установка перфорированной перегородки существенно снижает амплитуды колебаний давлений при переходных процессах за счет внесения дополнительного рассеивания энергии.

Однако необходима оптимизация конструктивных параметров перфовставки. К этим конструктивным параметрам относятся размеры и число отверстий перфовставки, а также ее толщина. Отсутствие надежных данных по коэффициентам сопротивления отверстий перфовставки в условиях нестационарных течений, а также значений присоединенных масс, которые необходимо учитывать при расчетах инерционного сопротивления перфовставки, приводит к необходимости экспериментального определения этих величин.

Из уровня техники известен источник: Фенвик Дж. Р., Джонс ДЖ. Г., Джевел Р.Э. «Результаты частотных испытаний основного двигателя МТКК «СПЕЙС ШАТТЛ» в приложении к проблеме ПОГО-устойчивости», ГОНТИ-8, 1982, стр. 13-15, (The Shock and Vibration Bulletin tom 52 part 2). В указанном источнике раскрыт способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, который включает измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний, создаваемых пульсатором.

Известное решение является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.

К недостаткам известного технического решения можно отнести невысокую точность определения АФЧХ, поскольку в известном решении получают серии откликов параметров для одной неизменяемой заданной величины амплитуды колебаний. Также недостатком является необходимость проведения комплекса сложных специальных испытаний, что существенно удорожает процесс определения АФЧХ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения АФЧХ газового демпфера.

Для достижения технического результата предложен способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, включающий измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний. При осуществлении способа демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода, заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление, наддувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем. Затем формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии. Измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами.

Величину амплитуды колебаний давления каждой серии можно задавать наложением пульсаций давления на часть постоянного суммарного расхода рабочей жидкости.

В качестве рабочей жидкости можно использовать воду.

Способ осуществляют в рабочем диапазоне частот, например: 3±50 Гц.

Диаметр модели натурного трубопровода равен натурному диаметру (калибру) топливной магистрали двигателя, а ее длина равна двум или трем диаметрам (калибрам).

Диаметры магистралей, подводящих компоненты топлива к двигателям для первых ступеней современных ракет-носителей, достигают значений 0,5 метра и более, при этом расход компонентов топлива составляет 500-2000 кг/с, поэтому проведение испытаний с использованием укороченных магистралей и при уменьшенном расходе существенно упрощает и удешевляет задачу экспериментального определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит модель натурного трубопровода двигателя, выполненную с возможностью установки на ней газового демпфера, и устройство, задающее возмущающее воздействие, а также датчики давления, установленные в модели натурного трубопровода на входе в демпфер и в газовой полости демпфера. Устройство заполнено рабочей жидкостью. Причем устройство, задающее возмущающее воздействие, соединено с моделью натурного трубопровода и содержит пульсатор и регулирующий клапан, установленный параллельно пульсатору на его байпасе.

Изобретение поясняетсячертежом, на котором показана принципиальная схема устройства для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой.

Модель натурного трубопровода 1 представляет собой часть трубопровода двигателя натурного диаметра и малой длины. При этом при проведении эксперимента в качестве рабочей жидкости вместо компонента топлива используют воду. Расход воды составляет до 5 процентов, в частности 3-5 процентов, от номинального натурного расхода компонента топлива в двигателе. Функционально модель ракетного трубопровода можно рассматривать в качестве проточной емкости. Модель 1 оснащена натурным газовым демпфером 2, конструкция которого предусматривает установку перфовставки 3, а также клапанов 8 и 9, служащих для наддува и сброса газа из газовой полости. Рабочая жидкость (вода) поступает в модель ракетного трубопровода из питающей емкости 12, в которой поддерживается постоянное давление, на 5-10 атм (0,5-1 МПа) превышающее рабочее давление на входе в двигатель. Питающая емкость 12 и модель 1 натурного трубопровода двигателя соединены трубопроводом, на котором установлены отсечной клапан 10, расходомер 13, настроечный клапан 11. Диаметр трубопровода, соединяющего питающую емкость с моделью ракетного трубопровода 1, много меньше диаметра последнего, что обеспечивает большое значение инерционных сил, возникающих в нем при колебаниях давления в модели 1. Слив рабочей жидкости из модели 1 осуществляется посредством трубопровода 4 в сливную емкость 14 через настроечную шайбу 7. Пульсатор 5 охвачен байпасом с регулирующим клапаном 6. Пульсатор 5 используется для создания гармонических колебаний, действующих на демпфер 2.

Основными параметрами, измеряемыми в процессе эксплуатации установки, являются: статические значения давления и расход жидкости в модели ракетного трубопровода, а также уровень жидкости в демпфере, измеряемый датчиком 16. К числу динамических параметров, регистрируемых аналого-цифровым комплексом с целью дальнейшего анализа, относятся: колебания давления на входе в демпфер и колебания давления в газовой полости демпфера, измеряемые соответственно датчиками давления 15 и 17, а также угол поворота вала пульсатора.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Исходное состояние.

Отсечной клапан 10 закрыт. В питающей емкости установлено рабочее давление. Вал пульсатора установлен в среднем положении. Регулирующий клапан 6 байпаса открыт до некоторого заданного значения. Клапан сброса газа из газовой полости 9 открыт. Клапан наддува газовой полости 8 закрыт.

2. Настройка статического режима. Последовательность операций.

Открывается отсечной клапан 10. После заполнения всей системы жидкостью закрывается клапан 9. Путем изменения степени закрытия клапана 11 в модели ракетного трубопровода 1 устанавливается рабочее давление, после чего на отрезок времени, необходимый для установки в газовой полости демпфера заданного уровня жидкости, временно открывается клапан наддува 8. В результате осуществления всех описанных операций демпфер находится в состоянии, отличающемся от эксплуатационного только тем, что расход жидкости, протекающей в модельном трубопроводе, существенно меньше натурного. Последнее обстоятельство, как показывает дополнительный анализ, несущественно.

3. Частотные испытания.

Искомой частотной характеристикой является отношение амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и на входе в демпфер (в модели ракетного трубопровода), а также фазовые сдвиги между этими колебаниями. Рабочий диапазон частот должен соответствовать представляющим интерес значениям частот колебаний и лежит в пределах от 3 до 50 Гц.

Гармонические колебания на входе в демпфер создаются пульсатором 5. Амплитуда колебаний, создаваемая пульсатором, зависит от сопротивления регулирующего клапана 6 байпаса. Каждая серия частотных испытаний осуществляется при фиксированном (но разном для каждой серии испытаний) сопротивлении регулирующего клапана байпаса, т.е. при фиксированной величине амплитуды, разной для каждой серии испытаний.

4. Отключение установки.

Отключение установки осуществляется путем закрытия отсечного клапана 10 с последующей продувкой системы воздухом, поступающим через клапан 8.

Таким образом, одновременно записываются три сигнала: колебания перед перфовставкой δP_∗, колебания в газовой полости $$\delta P_{*}^{\text{'}}$$ и синусоида, соответствующая углу поворота вала пульсатора. Последняя играет роль опорного сигнала. Непосредственно используя три перечисленные записи, с помощью использования специальных программ обработки записанных сигналов осуществляется построение искомых АФЧХ:

$$K_{*}\left(i\omega ,\left|\delta P\text{'}\right|\right)=\frac{\left|\delta P_{*}^{\text{'}}\right|}{\left|\delta P_{*}\right|}{e}^{i{\varphi }_{*}}$$ ,

где $$\left|\delta P_{*}\right|$$ и $$\left|\delta P_{*}^{\text{'}}\right|$$ - модули амплитуд колебаний на входе и в газовой полости

демпфера, φ_∗ - фазовый сдвиг между этими колебаниями.

Приведенная выше амплитудно-частотная характеристика записана в форме, явно указывающей на зависимость ее значений от амплитуды колебаний давления на входе в демпфер. Необходимость в подобной форме записи связана с тем, что перфовставка представляет собой нелинейный элемент, поскольку ее коэффициент сопротивления квадратично зависит от расхода протекающей через нее жидкости. Принятая форма записи соответствует использованию для исследования нелинейных систем, так называемого метода гармонического баланса.

Методика дополнительной обработки позволяет определить по серии частотных характеристик K_∗(iω,|δР'|), полученных при разных значениях δР', как результатыгармонической линеаризации гидравлического сопротивления перфовставки, так и инерционность жидкости в перфовставке с учетом присоединенной массы. Полученные данные являются достаточными для определения оптимальных параметров (геометрических размеров) элементов демпфера, при которых его эффективность максимальна.

Предлагаемый способ с использованием дополнительной методики обработки полученных данных позволяет определить динамические свойства демпфера, конструктивные параметры перфовставки демпфера и уточнить эмпирические коэффициенты, содержащиеся в уравнениях демпфера.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит снизить затраты при повышении точности и надежности определения амплитудно-частотных характеристик демпфера и, как следствие, найти оптимальные параметры демпфера.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), снабженных устройствами гашения колебаний (демпферами). Изобретение предназначено, в частности, для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, и расчета на основании полученных данных оптимальных параметров демпфера, при которых его эффективность максимальна. Способ включает измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний. При этом демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода. Заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление. Надувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем. Формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии. Измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами. Технический результат заключается в повышении точности определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, включающий измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний, отличающийся тем, что демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода, заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление, надувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем, формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии, измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину амплитуды колебаний давления каждой серии задают наложением пульсаций давления на часть постоянного суммарного расхода рабочей жидкости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочей жидкости используют воду.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочий диапазон частот составляет 3÷50 Гц.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель натурного трубопровода имеет диаметр, равный натурному диаметру топливной магистрали двигателя, и длину, равную двум или трем диаметрам.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что расход рабочей жидкости составляет 3-5% от натурного расхода топлива в двигателе.