Способ и стенд для испытания герметизирующей заглушки углового сопла Российский патент 2019 года по МПК F02K9/96 G01M15/14 F02K9/97 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к наземным испытаниям двигателей летательных аппаратов, при которых в стендовых условиях производится экспериментальная отработка и определение параметров, характеризующих работу герметизирующих заглушек сопел двигателей.

Работа герметизирующей заглушки сопла двигателя (далее по тексту - заглушка) характеризуется различными параметрами: давлением вскрытия, характером деформации, временем вскрытия, траекторией полета заглушки.

При угловом расположении сопла относительно камеры сгорания двигателя возникает режим течения в предсопловом объеме с неравномерными полями параметров (скорость, давление и т.д.) продуктов сгорания и, как следствие, неравномерными нагрузками на заглушку. Это приводит к ее неравномерному и разновременному разрушению по периметру прилегания к соплу, что вызывает отклонение траектории движения заглушки от оси сопла.

Опыт отработки герметизирующих заглушек показывает, что их параметры имеют большие и часто случайные разбросы, если не принимать к этому дополнительных мер. Поэтому существенное значение приобретает экспериментальное подтверждение параметров заглушки, особенно характера разрушения и траектории полета, включая зонудвижения за срезом сопла для оценки воздействия заглушки на другие элементы летательного аппарата.

Известны способы и стенды для испытания герметизирующих заглушек (И.М. Гладков, B.C. Мухамедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепов. «Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения». НТЦ Информтехника. М. 1993 г. ),

Способ (см. стр. 87-88), заключающийся в нагружении испытуемой заглушки избыточным давлением продуктов сгорания пороховой навески, воспламеняемой от пиропатрона. Регистрируют величину избыточного давления, принимая его максимальное значение в качестве давления вскрытия заглушки. Недостатком являются большие разбросы скорости роста избыточного давления в зависимости от массы навески, дисперсности порохового состава, начальной температуры, теплопотерь, что существенно влияет на фактическую величину давления вскрытия заглушки.

Способ (см. стр. 88-91), основанный на воздействии динамическим воздушным давлением на испытуемую заглушку с помощью подачи воздуха через линзу (дроссель) при открытии электропневмоклапана. Величину избыточного давления регистрируют и определяют его максимальное значение. Недостатком является сложность контроля процесса деформации заглушки при ее разрушении, так как заглушка закрыта пробкой.

Стенд (см. стр. 87, рис. 38), состоящий из емкости, имитирующей предсопловой объем. На емкости смонтировано приспособление для крепления испытуемой заглушки. Емкость соединена с камерой сгорания, в которой размещены пороховая навеска и пиропатрон. Полость емкости соединена измерительным каналом с гнездом датчика давления. Недостатком стенда является сложность обеспечения (из-за разбросов) заданной по программе испытаний скорости роста избыточного давления.

Стенд (см. стр. 88, рис. 39), состоит из емкости-имитатора предсоплового объема, приспособления для установки испытуемой заглушки, датчика давления, ресивера с краном для подачи пневмодавления, электропневмоклапана, дроссельной шайбы и датчика разрыва, наклеенного на испытуемую заглушку. Недостаток стенда заключается в том, что датчик давления фактически измеряет статическое (в потоке) давление воздуха, истекающего во время разрушения заглушки, а погрешность датчика разрыва зависит от конструкции заглушки и технологии наклейки датчика разрыва.

Известен способ испытания заглушек (И.М. Гладков, B.C. Мухамедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепов «Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения». НТЦ Информтехника. М. 1993 г. стр. 94-95), включающий нагружение внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим избыточным пневмодавлением, измерение параметров вскрытия заглушки и регистрацию деформации испытуемой заглушки при ее разрушении с помощью скоростных кино- и видеокамер. По зарегистрированной диаграмме избыточного давления определяется давление разрушения заглушки, как максимальное значение избыточного давления. Принят за прототип. Недостатком способа является сложность распознавания по кадрам характера деформации заглушки и момента начала ее разрушения.

Известен стенд для испытания заглушек (И.М. Гладков, B.C. Мухамедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепов «Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения». НТЦ Информтехника. М. 1993 г. стр. 94, рис. 43), состоящий из основания, емкости (ресивера) пневмодавления, приспособления для установки испытуемой заглушки, датчиков давления и вибрации, электропневмоклапана, дросселя и кинокамер. Принят за прототип. Недостаток стенда заключается в том, что приспособление является имитатором места крепления заглушек для осесимметричных сопел, датчик давления измеряет среднее давление в полости приспособления и траектория полета заглушки не контролируется.

Целью настоящего изобретения является повышение достоверности экспериментального определения параметров разрушения и полета заглушки в условиях неравномерности условий ее нагружения в угловом сопле.

Указанная цель достигается за счет того, что в способе испытания герметизирующей заглушки углового сопла, основанном на нагружении внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением, измерении параметров вскрытия заглушки и видеорегистрации траектории ее полета за срезом сопла, одновременно с нагружением внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением регистрируют изменение давления на внешней поверхности заглушки по контуру ее прилегания к соплу, а после вскрытия заглушки регистрируют изменение амплитуд колебаний стенки раструба сопла вдоль его образующих, синхронизируя процесс видеорегистрации траектории полета заглушки с началом нагружения ее внутренней поверхности динамическим пневмодавлением по моменту пролета заглушкой среза сопла, который фиксируют при видеорегистрации как снижение освещенности среза сопла от светодиодного источника, включаемого одновременно с подачей команды на начало нагружения внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением.

Указанная цель достигается за счет того, что в стенде для испытания герметизирующей заглушки углового сопла, состоящем из основания, емкости пневмодавления, электропневмоклапана, дроссельной шайбы, переходника для монтажа испытуемой заглушки, имитатора раструба сопла, систем измерения и видеонаблюдения, переходник выполнен в виде имитатора предсоплового объема, на котором под углом к оси переходника закреплена съемная втулка с калиброванным отверстиемдля монтажа испытуемой заглушки, при этом в съемной втулке по контуру прилегания испытуемой заглушки выполнены радиальные измерительные каналы с датчиками давления, размещенные в одних плоскостях с датчиками вибрации, установленными на имитаторе раструба сопла вдоль его образующих, а в состав системы видеонаблюдения введен электрически соединенный с электропневмоклапаном светодиодный источник, размещенный напротив одной из камер системы видеонаблюдения и в плоскости среза имитатора раструба сопла.

На фиг. 1 изображены диаграммы нагружения заглушки, параметров ее разрушения и движения в сопле.

На фиг. 2 изображен общий вид стенда для испытаний заглушки.

На фиг. 3 изображен тракт подвода воздуха под давлением к испытуемой заглушке.

На фиг. 4 изображена схема монтажа испытуемой заглушки и размещения датчиков системы измерения стенда.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Подается команда на электропневмоклапан. После выхода на режим (фиг. 1, диаграмма 1) нагружение внутренней поверхности испытуемой заглушки, начиная с Р^н_кл, происходит с заданной по программе испытаний постоянной скоростью роста давления. В конце прямолинейного участка диаграммы 1 начинается процесс разрушения заглушки.

Из-за неравномерного поля давления нагружения, вызванного угловым расположением сопла, образуется местная щель между заглушкой и стенкой сопла, увеличиваясь до полного разрушения заглушки по контуру прилегания к соплу. Градиент роста давления постепенно уменьшается, достигая нулевого значения при равенстве прихода воздуха через дроссель и расхода воздуха через щель между заглушкой и стенкой сопла. Давление достигает максимального значения Р_загл, которое условно принимают за давление вскрытия заглушки, а соответствующее ему время

τ_разр - за время вскрытия испытуемой заглушки.

Во время разрушения испытуемой заглушки одновременно с нагружением ее внутренней поверхности динамическим пневмодавлением регистрируют (фиг. 1, диаграммы 2) изменение давления на внешней поверхности заглушки по контуру ее прилегания к соплу с помощью датчиков давления.

После вскрытия заглушки, при ее движении вдоль стенки сопла, регистрируют изменение (фиг. 1, диаграммы 3) амплитуд колебаний стенок сопла вдоль его образующих с помощью датчиков вибрации. Максимальное значение амплитуды колебаний указывает на место удара заглушки о стенку сопла, а последовательность ударов определяет изменение траектории полета заглушки внутри раструба сопла, так как видеокамера в теневой зоне может не фиксировать траекторию движения заглушки при видеорегистрации.

При движении заглушки внутри сопла давление нагружения переходит на новый режим. Поток воздуха выталкивает заглушку из сопла, и заглушка летит за срезом сопла, сопровождаемая воздушным потоком за срезом сопла. Момент пролета заглушки через плоскость среза сопла фиксируют во время видеорегистрации как снижение освещенности среза сопла от светодиодного источника, который включают одновременно с подачей команды на начало нагружения (команда на открытие электропневмоклапана) внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением.

Рост давления Р^к_кл в тракте подвода воздуха к испытуемой заглушке ограничивают по команде на закрытие электропневмоклапана. Давление в тракте падает до атмосферного значения.

Предлагаемый стенд (см. фиг. 2) состоит из основания 1, емкости пневмодавления 2, электропневмоклапана 3. На основании 1 имеется силовой стол 4 для монтажа переходника 5 с испытуемой заглушкой с помощью силовых болтов 6. Стенд снабжен тремя мерными воздухопроницаемыми экранами-ловушками 7, например сетчатойконструкции. Система видеонаблюдения включает несколько скоростных видеокамер 8, регистрирующих траекторию полета испытуемой заглушки в трехмерном пространстве, и светодиодный источник 9, который электрически соединен с электропневмоклапаном 3. Одна из видеокамер 8 и светодиодный источник 9 размещены напротив друг друга и в плоскости среза имитатора раструба сопла 10.

Тракт подвода воздуха под давлением к испытуемой заглушке (см. фиг. 3) включает переходник, состоящий из имитатора 11 предсоплового объема с резьбовым отверстием, ось которого выполнена под углом к оси имитатора 11 и дроссельной шайбы 12. В резьбовом отверстии имитатора 11 закреплена съемная втулка 13 с калиброванным отверстием для монтажа испытуемой заглушки.

В съемной втулке 13 по наружному контуру вклейки испытуемой заглушки (см. фиг. 4) выполнены радиальные измерительные каналы 14 с датчиками давления 15. На съемной втулке 13 с помощью резьбовой обоймы 16 закреплен имитатор раструба сопла 10, на котором закреплены датчики вибрации 17, размещенные вдоль образующих имитатора раструба сопла 10 и в одних плоскостях с датчиками давления 15, установленных на съемной втулке 13.

При этом, важно зафиксировать время начала роста давления в каждом измерительном канале 14. Полное или статическое (в потоке) давление регистрируют датчики давления 15.

Таким образом, предложенные способ и стенд для испытания герметизирующей заглушки углового сопла позволяют получить достоверные экспериментальные параметры вскрытия испытуемой заглушки.

Кроме этого, становится возможным оценить характер деформации испытуемой заглушки при разрушении, получить фактическую траекторию ее полета и определить реальную зону ее воздействия за срезом сопла.

Стенд для испытания герметизирующей заглушки углового сопла включает основание, емкость пневмодавления, электропневмоклапан, дроссельную шайбу, переходник для монтажа испытуемой заглушки, имитатор раструба сопла, системы измерения и видеонаблюдения. Переходник выполнен в виде имитатора предсоплового объема, на котором под углом к его оси и оси дроссельной шайбы закреплена съемная втулка с калиброванным отверстием для монтажа испытуемой заглушки. В съемной втулке по контуру прилегания испытуемой заглушки выполнены радиальные измерительные каналы с датчиками давления, размещенные в одних плоскостях с датчиками вибрации, установленными на имитаторе раструба сопла вдоль его образующих. В состав системы видеонаблюдения введен электрически соединенный с электропневмоклапаном светодиодный источник, размещенный напротив одной из камер системы видеонаблюдения и в плоскости среза имитатора раструба сопла. При проведении испытаний герметизирующей заглушки углового сопла нагружают внутреннюю поверхность испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением, измеряют параметры вскрытия заглушки и обеспечивают видеорегистрацию траектории ее полета за срезом сопла. Одновременно с нагружением внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением регистрируют изменение давления на внешней поверхности заглушки по контуру ее прилегания к соплу. После вскрытия заглушки регистрируют изменение амплитуд колебаний стенки раструба сопла вдоль его образующих, синхронизируя процесс видеорегистрации траектории полета заглушки с началом нагружения ее внутренней поверхности динамическим пневмодавлением по моменту пролета заглушкой среза сопла. Момент пролета заглушкой среза сопла фиксируют при видеорегистрации как снижение освещенности среза сопла от светодиодного источника, включаемого одновременно с подачей команды на начало нагружения внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением. Группа изобретений позволяет оценить характер деформации испытуемой заглушки углового сопла двигателя при разрушении и определить фактическую траекторию ее полета. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ испытания герметизирующей заглушки углового сопла, основанный на нагружении внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением, измерении параметров вскрытия заглушки и видеорегистрации траектории ее полета за срезом сопла, отличающийся тем, что одновременно с нагружением внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением регистрируют изменение давления на внешней поверхности заглушки по контуру ее прилегания к соплу, а после вскрытия заглушки регистрируют изменение амплитуд колебаний стенки раструба сопла вдоль его образующих, синхронизируя процесс видеорегистрации траектории полета заглушки с началом нагружения ее внутренней поверхности динамическим пневмодавлением по моменту пролета заглушкой среза сопла, который фиксируют при видеорегистрации как снижение освещенности среза сопла от светодиодного источника, включаемого одновременно с подачей команды на начало нагружения внутренней поверхности испытуемой заглушки динамическим пневмодавлением.

2. Стенд для испытания герметизирующей заглушки углового сопла, состоящий из основания, емкости пневмодавления, электропневмоклапана, дроссельной шайбы, переходника для монтажа испытуемой заглушки, имитатора раструба сопла, систем измерения и видеонаблюдения, отличающийся тем, что переходник выполнен в виде имитатора предсоплового объема, на котором под углом к его оси и оси дроссельной шайбы закреплена съемная втулка с калиброванным отверстием для монтажа испытуемой заглушки, при этом в съемной втулке по контуру прилегания испытуемой заглушки выполнены радиальные измерительные каналы с датчиками давления, размещенные в одних плоскостях с датчиками вибрации, установленными на имитаторе раструба сопла вдоль его образующих, а в состав системы видеонаблюдения введен электрически соединенный с электропневмоклапаном светодиодный источник, размещенный напротив одной из камер системы видеонаблюдения и в плоскости среза имитатора раструба сопла.