Установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов Российский патент 2023 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения аэродинамических испытаний авиационной и ракетной техники.

Создание высокоскоростных летательных аппаратов большой дальности требует обеспечения высоких аэродинамических характеристик аппарата. При больших сверхзвуковых скоростях полета оптимальная интеграция элементов планера с силовой установкой позволяет значительно улучшить аэродинамические характеристики летательного аппарата. Одним из путей решения такой задачи является проведение наземных высотных испытаний, моделирующих аэродинамические условия работы двигателей высокоскоростных летательных аппаратов.

Известна установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов, содержащая испытательную камеру с подводящим трубопроводом, выхлопным диффузором и средствами измерения параметров рабочей среды, источник давления воздуха с напорной магистралью, предварительный подогреватель воздуха, подключенный входом к напорной магистрали, а выходом - к подводящему трубопроводу испытательной камеры (патент США №7174797, 2007 г.)

В известном устройстве для подогрева воздуха используется рекуперативный теплообменник, установленный в выхлопном диффузоре.

Однако известное устройство не может обеспечить имитацию натурных условий при стендовых испытаниях работы образцов авиационной и ракетной техники в воздушном потоке с заданными термическими и скоростными параметрами, т.к. поток воздуха, подаваемый в подводящий трубопровод испытательной камеры в объеме, необходимом для проведения испытаний, не может нагреваться с помощью рекуперативного теплообменника до температуры порядка 1000°С без предварительного подогрева.

Наиболее близким по технической сути аналогом изобретения является установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов, содержащая испытательную камеру с подводящим трубопроводом, выхлопным диффузором и средствами измерения параметров рабочей среды, источник давления воздуха с напорной магистралью, предварительный подогреватель воздуха, подключенный к напорной магистрали, и регулируемый электрический нагреватель проточного типа, связанный с источником электропитания и системой автоматического управления и подключенный входом к предварительному подогревателю воздуха, а выходом - к подводящему трубопроводу испытательной камеры с регулятором расхода (патент РФ №2609819, 2015 г.).

В известной установке предварительный нагрев атмосферного воздуха позволяет осуществлять подачу высокотемпературного потока воздуха в требуемом диапазоне скоростей этого потока, моделирующего аэродинамические условия обтекания двигателя летательных аппаратов.

Однако, функциональные возможности известной установки по воссозданию реальных аэродинамических условий обтекания и регулированию параметров потока сжатого воздуха в процессе испытаний существенно ограничены. Выполнение предварительного подогревателя воздуха нерегулируемым приводит к тому, что его работа становится инерционной, т.е. требующей значительного периода времени для перехода с одного стабильного скоростного режима испытаний на другой.

Поэтому известная установка не позволяет моделировать аэродинамические условия обтекания на переходных режимах полета, характеризующихся резким изменением скорости обтекания потока - от средней к сверхзвуковой и наоборот, т.к. инерционность регулирования температуры потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру, приводит к несоответствию тепловых параметров обтекаемого потока его скоростному режиму.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является обеспечение моделирования аэродинамических скоростных параметров обтекания на переходных режимах полета, характеризующихся резким изменением скорости обтекания потока, и воссоздания тепловых параметров высокоскоростного потока воздуха, подаваемого в испытательную камеру, соответствующих скоростным параметрам потока во всем требуемом диапазоне режимов испытаний.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей установки за счет оптимизации регулирования скоростных и тепловых параметров потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру.

Технический результат достигается за счет того, что установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов содержит испытательную камеру с подводящим трубопроводом, выхлопным диффузором и средствами измерения параметров рабочей среды, источник давления воздуха с напорной магистралью, предварительный подогреватель воздуха, подключенный к напорной магистрали, и регулируемый электрический нагреватель проточного типа, связанный с источником электропитания и системой автоматического управления и подключенный входом к предварительному подогревателю воздуха, а выходом - к подводящему трубопроводу испытательной камеры с регулятором расхода. Установка снабжена буферной емкостью, установленной в подводящем трубопроводе испытательной камеры, и ресивером подогретого воздуха, регулируемый электрический нагреватель выполнен, по меньшей мере, трехсекционным, каждая секция которого представляет собой входной и выходной ресиверы и набор трубок из жаропрочного токопроводящего материала с клеммами для подключения к источнику электропитания, сообщенных с входным и выходным ресиверами, и сменных критических сопел, установленных между трубками и входным ресивером, подключенным к напорной магистрали через двухпозиционный переключатель, предварительный подогреватель воздуха выполнен в виде противоточного рекуперативного теплообменника с входным и выходным коллекторами и полостью теплоносителя, подключенной к выхлопному диффузору испытательной камеры, ресивер подогретого воздуха, подключен через двухпозиционные переключатели к входным ресиверам каждой секции регулируемого электрического нагревателя, а через трехпозиционный переключатель - к выходному коллектору противоточного рекуперативного теплообменника, входной коллектор которого подключен к напорной магистрали через управляемый клапан и дополнительный регулятор расхода, причем выходной ресивер каждой секции регулируемого электрического нагревателя подключен к буферной емкости через затворный клапан, а к ресиверу подогретого воздуха - через дополнительный затворный клапан и трехпозиционный переключатель.

Существенность отличительных признаков установки для аэродинамических испытаний подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - расширение функциональных возможностей установки за счет оптимизации регулирования скоростных и тепловых параметров потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру.

Предложенное изобретение поясняется описанием конструкции установки для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов и ее работой со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1 представлена общая схема установки;

на фиг. 2 показан общий вид секции регулируемого электрического нагревателя;

на фиг. 3 представлен вид секции регулируемого электрического нагревателя в поперечном сечении по А-А.

Установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов содержит (фиг. 1) испытательную камеру 1 с подводящим трубопроводом 2, выхлопным диффузором 3 и средствами измерения 4 параметров рабочей среды, источник давления 5 воздуха с напорной магистралью 6, предварительный подогреватель 7 воздуха, подключенный к напорной магистрали 6, и регулируемый электрический нагреватель 8 проточного типа, связанный с источником электропитания 9 и системой 10 автоматического управления.

Регулируемый электрический нагреватель 8 подключен входом к предварительному подогревателю 7 воздуха, а выходом через регулятор расхода 11 - к подводящему трубопроводу 2 испытательной камеры 1 и выполнен, по меньшей мере, трехсекционным. Каждая секция 12 регулируемого электрического нагревателя 8 представляет собой (фиг. 2) входной ресивер 13, выходной ресивер 14 и набор трубок 15 из жаропрочного токопроводящего материала с клеммами 16 для подключения к источнику электропитания 9, сообщенных одним концом с входным ресивером 13, а другим концом с выходным ресивером 14, и сменных критических сопел 17, установленных между трубками 15 и входным ресивером 13. Каждая секция 12 регулируемого электрического нагревателя 8 подключена входным ресивером 13 к напорной магистрали 6 через двухпозиционный переключатель 18.

Предварительный подогреватель 7 воздуха выполнен в виде противоточного рекуперативного теплообменника 19 с входным коллектором 20, выходным коллектором 21 и полостью теплоносителя 22, подключенной к выхлопному диффузору 3 испытательной камеры 1.

Установка снабжена буферной емкостью 23, установленной в подводящем трубопроводе 2 испытательной камеры 1, и ресивером 24 подогретого воздуха, подключенным через двухпозиционные переключатели 18 к входным ресиверам 13 каждой секции 12 регулируемого электрического нагревателя 8, а через трехпозиционный переключатель 25 - к выходному коллектору 21 противоточного рекуперативного теплообменника 19. Входной коллектор 20 противоточного рекуперативного теплообменника 19 подключен к напорной магистрали 6 через управляемый клапан 26 и дополнительный регулятор расхода 27.

Выходной ресивер 14 каждой секции 12 регулируемого электрического нагревателя 8 подключен к буферной емкости 23 через затворный клапан 28, а к ресиверу 24 подогретого воздуха - через дополнительный затворный клапан 29 и трехпозиционный переключатель 25. Для регулирования потока воздуха, подаваемого в каждую секцию 12, и требуемого соотношения этих потоков между отдельными секциями 12 на входе входного ресивера 13 могут быть установлены пропорциональные регуляторы расхода 30. При этом, в каждой секции 12 трубки 15 из жаропрочного токопроводящего материала, например, нихрома, выполнены волнообразными и подвешены на стойках 31 с помощью крепежных средств 32 (фиг. 3).

В напорной магистрали 6 на выходе из источника давления воздуха 5 установлены пусковой клапан 33 и регулятор давления 34. Утилизатор тепла 35, установленный на выходе из полости теплоносителя 22 противоточного рекуперативного теплообменника 19 выполнен в виде термического электрогенератора, преобразующего тепловую энергию в электрическую с использованием эффекта Зеебека и является источником электропитания для различного оборудования установки. Контроль работы противоточного рекуперативного теплообменника 19 осуществляется блоком управления 36, подключенным к системе автоматического управления 10.

Установка работает следующим образом.

Запуск установки для аэродинамических испытаний на пусковом режиме работы осуществляется по команде от системы автоматического управления 10 открытием пускового клапана 33 На пусковом режиме работы установки все системы и агрегаты установки продуваются горячим сжатым воздухом. Поскольку противоточный рекуперативный теплообменник 19 на пусковом режиме не работает, предварительный нагрев воздуха осуществляется в одной из секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8.

Для этого воздух под давлением из напорной магистрали 6 через двухпозиционный переключатель 18 подается во входной ресивер 13 одной из секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8, из входного ресивера 13 воздух распределяется через критические сопла 17 по трубкам 15, подключенным к источнику электропитания 9, подогревается до температуры предварительного нагрева и подается в выходной ресивер 14. Из выходного ресивера 14 предварительно нагретый воздух через дополнительный затворный клапан 29 и трехпозиционный переключатель 25 подается в ресивер подогретого воздуха 24, из которого через другой двухпозиционный переключатель 18 подается во входной ресивер 13 другой секции 12 регулируемого электрического нагревателя 8 (например, в средний на фиг. 1). Нагретый до требуемой температуры воздух под давлением из выходного ресивера 14 через затворный клапан 28 направляется в буферную емкость 23 и далее через регулятор расхода 11 подается в испытательную камеру 1 для предварительной продувки.

Запуск противоточного рекуперативного теплообменника 19 осуществляется после прогрева испытательной камеры 1 путем подачи отработавшего горячего воздуха из выхлопного диффузора 3 в полость теплоносителя 22 противоточного рекуперативного теплообменника 19, при этом воздух высокого давления из источника давления воздуха 5 через напорную магистраль 6, через управляемый клапан 26 и дополнительный регулятор расхода 27 поступает во входной коллектор 20 противоточного рекуперативного теплообменника 19.

Из входного коллектора 20 воздух поступает во внутренние каналы противоточного рекуперативного теплообменника 19 и далее через выходной коллектор 21 подается через трехпозиционный переключатель 25 в ресивер подогретого воздуха 24. Отработавший горячий воздух из полости теплоносителя 22 противоточного рекуперативного теплообменника 19 направляется в утилизатор тепла 35, выполненный в виде термического электрогенератора, преобразующего тепловую энергию в электрическую.

Одновременно прекращается работа одной из секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8 в режиме предварительного нагрева воздуха отключением ее входного ресивера 13 с помощью двухпозиционного переключателя 18 от напорной магистрали 6 и подключения его к ресиверу подогретого воздуха 24. При этом, выходной ресивер 14 этой секции 12 отключается от ресивера подогретого воздуха 24 закрытием дополнительного затворного клапана 29 и подключается к буферной емкости 23 через затворный клапан 28. В таком режиме работы установка готова к проведению испытаний.

В соответствии с программой испытаний системой автоматического управления 10 осуществляется порядок установления и смены режима работы установки, а также контроль и необходимая корректировка скоростных и тепловых параметров потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру 1.

В начальной стадии испытаний установка работает в режиме поддержания оптимальной температуры и низкой скорости воздушного потока, подаваемого в испытательную камеру 1, при этом нагрев воздуха осуществляется противоточным рекуперативным теплообменником 19 и одной из секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8. Скоростные и температурные параметры воздушного потока могут регулироваться с помощью регулятора расхода 11, дополнительного регулятора расхода 27, регулятора давления 34 и регулируемого электрического нагревателя 8.

В случае необходимости резкого изменения скоростных параметров воздушного потока или при переходе на новый режим испытаний в работу включается вторая секция регулируемого электрического нагревателя 8, которая с помощью двухпозиционного переключателя 18 и открытия затворного клапана 28 подключает эту секцию 12 параллельно работающей секции. При этом с помощью дополнительного расходомера 27 увеличивают расход воздуха через противоточный рекуперативный теплообменник 19. Для перехода на максимальные скоростные параметры воздушного потока в параллельную работу включаются все секции 12 регулируемого электрического нагревателя 8.

В случае необходимости резкого изменения температурных параметров воздушного потока две секции 12 могут быть подключены последовательно. Для этого воздух под давлением из напорной магистрали 6 через двухпозиционный переключатель 18 подается во входной ресивер 13 одной из секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8, из входного ресивера 13 воздух распределяется через критические сопла 17 по трубкам 15, подключенным к источнику электропитания 9, подогревается до температуры предварительного нагрева и подается в выходной ресивер 14. Из выходного ресивера 14 нагретый воздух через дополнительный затворный клапан 29 и трехпозиционный переключатель 25 подается в ресивер подогретого воздуха 24, из которого через двухпозиционный переключатель 18 подается во входной ресивер 13 другой секции 12 регулируемого электрического нагревателя 8. При этом, противоточный рекуперативный теплообменник 19 отключается.

Максимальные значения скоростных и температурных параметров достигаются при параллельном подключении двух секций 12 входным ресивером 13 к напорной магистрали 6, а выходным ресивером 14 - к ресиверу подогретого воздуха 24, и последовательном подключении третьей секции 12 входным ресивером 13 к ресиверу подогретого воздуха 24, а выходным ресивером 14 - к буферной емкости 23.

Возможность автоматического переключения заданной программой испытаний схемы подключения секций 12 регулируемого электрического нагревателя 8 позволяет во время проведения испытания моделировать аэродинамические условия обтекания двигателей высокоскоростных летательных аппаратов с переменной скоростью во всем требуемом диапазоне режимов испытаний.

Таким образом, в установке для аэродинамических испытаний обеспечивается моделирование аэродинамических скоростных параметров обтекания на переходных режимах полета, характеризующихся резким изменением скорости обтекания потока, и воссоздание тепловых параметров потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру, соответствующих скоростным параметрам потока во всем требуемом диапазоне режимов испытаний, что обеспечивает расширение функциональных возможностей установки за счет оптимизации регулирования скоростных и тепловых параметров потока воздуха высокого давления, подаваемого в испытательную камеру.

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения аэродинамических испытаний авиационной и ракетной техники. Установка содержит испытательную камеру с подводящим трубопроводом, выхлопным диффузором и средствами измерения параметров рабочей среды, источник давления воздуха с напорной магистралью, предварительный подогреватель воздуха, подключенный к напорной магистрали, и регулируемый электрический нагреватель проточного типа, связанный с источником электропитания и системой автоматического управления и подключенный входом к предварительному подогревателю воздуха, а выходом - к подводящему трубопроводу испытательной камеры с регулятором расхода. Установка снабжена буферной емкостью, установленной в подводящем трубопроводе испытательной камеры, и ресивером подогретого воздуха, регулируемый электрический нагреватель выполнен, по меньшей мере, трехсекционным, каждая секция которого представляет собой входной и выходной ресиверы и набор трубок из жаропрочного токопроводящего материала с клеммами для подключения к источнику электропитания, сообщенных с входным и выходным ресиверами, и сменных критических сопел, установленных между трубками и входным ресивером, подключенным к напорной магистрали через двухпозиционный переключатель. Предварительный подогреватель воздуха выполнен в виде противоточного рекуперативного теплообменника с входным и выходным коллекторами и полостью теплоносителя, подключенной к выхлопному диффузору испытательной камеры, ресивер подогретого воздуха подключен через двухпозиционные переключатели к входным ресиверам каждой секции регулируемого электрического нагревателя, а через трехпозиционный переключатель - к выходному коллектору противоточного рекуперативного теплообменника, входной коллектор которого подключен к напорной магистрали через управляемый клапан и дополнительный регулятор расхода, причем выходной ресивер каждой секции регулируемого электрического нагревателя подключен к буферной емкости через затворный клапан, а к ресиверу подогретого воздуха - через дополнительный затворный клапан и трехпозиционный переключатель. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей установки. 3 ил.

Установка для высотных испытаний двигателей летательных аппаратов, содержащая испытательную камеру с подводящим трубопроводом, выхлопным диффузором и средствами измерения параметров рабочей среды, источник давления воздуха с напорной магистралью, предварительный подогреватель воздуха, подключенный к напорной магистрали, и регулируемый электрический нагреватель проточного типа, связанный с источником электропитания и системой автоматического управления и подключенный входом к предварительному подогревателю воздуха, а выходом - к подводящему трубопроводу испытательной камеры с регулятором расхода, отличающаяся тем, что установка снабжена буферной емкостью, установленной в подводящем трубопроводе испытательной камеры, и ресивером подогретого воздуха, регулируемый электрический нагреватель выполнен, по меньшей мере, трехсекционным, каждая секция которого представляет собой входной и выходной ресиверы и набор трубок из жаропрочного токопроводящего материала с клеммами для подключения к источнику электропитания, сообщенных с входным и выходным ресиверами, и сменных критических сопел, установленных между трубками и входным ресивером, подключенным к напорной магистрали через двухпозиционный переключатель, предварительный подогреватель воздуха выполнен в виде противоточного рекуперативного теплообменника с входным и выходным коллекторами и полостью теплоносителя, подключенной к выхлопному диффузору испытательной камеры, ресивер подогретого воздуха подключен через двухпозиционные переключатели к входным ресиверам каждой секции регулируемого электрического нагревателя, а через трехпозиционный переключатель - к выходному коллектору противоточного рекуперативного теплообменника, входной коллектор которого подключен к напорной магистрали через управляемый клапан и дополнительный регулятор расхода, причем выходной ресивер каждой секции регулируемого электрического нагревателя подключен к буферной емкости через затворный клапан, а к ресиверу подогретого воздуха - через дополнительный затворный клапан и трехпозиционный переключатель.