Способ регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке

Изобретение относится к области сертификационных испытаний авиационной техники и, в частности, к технологии имитации атмосферного облака, а также имитации перемежающейся облачности при испытаниях противообледенительных систем (ПОС) основных узлов летательного аппарата и его двигателя на наземных стендах.

Под «имитацией атмосферного облака» в рамках настоящей заявки понимается искусственное воспроизведение условий воздействия капельной влаги атмосферного облака на узлы летательного аппарата, имеющих место в реальном атмосферном облаке, в частности создание в набегающем потоке воздуха при испытаниях ПОС летательного аппарата определенной концентрации водяных капель - водности, соответствующей таковой в реальном атмосферном облаке при различных траекториях полета летательного аппарата и различных атмосферных условиях.

Соответствующий диапазон требуемых водностей имеет широкие пределы, в которых водность может изменяться более чем в 15 раз. При этом водораспыливающие форсунки должны обеспечивать нормируемую дисперсность распыла по среднему медианному размеру капель воды, поступающих в поток воздуха. Нормируемая дисперсность обеспечивается в диапазоне расходной характеристики существующих форсунок от максимума до минимума не более чем в 3-5 раз (А.Н. Антонов. «Разработка методов и средств для проведения испытаний двигателей и элементов летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения в наземных высотно-климатических камерах», Диссертация на соискание степени доктора технических наук, Москва, ЦИАМ, 2004 г., с. 292).

Из указанного выше источника известен способ регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке при стендовых испытаниях авиационных двигателей, в котором подают воду, а затем распыливают воду в воздушном потоке, при этом уменьшения водности в имитируемом облаке достигают изменением расхода воды в каналах, обеспечивающих подачу воды в форсунки.

Также известен способ (RU 2273008, 2006) регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке при стендовых испытаниях авиационных двигателей, в котором подают воду, а затем распыливают воду в воздушном потоке.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ регулирования водности в воздушном потоке (RU 154759, 2015) при стендовых испытаниях авиационных двигателей, в котором подают воду, а затем распыливают воду в воздушном потоке, при этом водность регулируют посредством изменения расхода воды.

В известных способах, для создания водности в потоке воздуха, при обеспечении нормируемой дисперсности распыла воды, в диапазоне, превышающем расходную характеристику форсунок, используют последовательно несколько наборов форсунок с различными расходными характеристиками, перекрывая таким образом различные участки полного диапазона изменения водности.

При переходе от одного к другому набору форсунок в блоке форсунок необходим останов испытания, перемонтаж форсунок, после чего требуется выполнение калибровки равномерности распыла нового набора форсунок, что существенно увеличивает временные затраты на проведение испытаний. Кроме того, отсутствует техническая возможность в одном испытании выполнить требование по обеспечению изменения водности при имитации траектории летательного аппарата в условиях перемежающейся облачности (различная водность).

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости создания способа, позволяющего обеспечить указанные требования по обеспечению изменения водности в одном испытании без остановки последнего.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в расширении диапазона водностей при обеспечении нормируемой дисперсности распыла воды.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе регулирования водности в воздушном потоке при стендовых испытаниях авиационных двигателей подают воду, а затем распыливают воду в воздушном потоке, при этом водность регулируют посредством изменения расхода воды, воду подают в импульсном режиме, при этом устанавливают дисперсность распыла, обеспечивающую формирование капель, средний медианный размер которых не превышает 20 мкм, а расход воды изменяют посредством регулировки скважности импульсов.

Перед подачей воды могут выравнивать давление в каналах, обеспечивающих поступление воды, посредством настройки расхода воды через каждый канал.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием осуществления способа регулирования водности в воздушном потоке при стендовых испытаниях авиационных двигателей.

Имитацию атмосферного облака осуществляют путем обдува объекта испытаний соответствующим образом организованным и настроенным водовоздушным потоком, образуемым воздушным потоком, подаваемым от источника, и блоком установленных в аэродинамической трубе рабочих форсунок, к которым подводится вода. Водяной поток распыливается из форсунок в виде капель с заданным средним медианным размером, не превышающим 20 мкм, и в заданном количестве, определяемом программой испытаний.

Вода подается в форсунки в импульсном режиме с определенной частотой и скважностью, которую устанавливают в зависимости от требуемой водности имитируемого облака.

В качестве форсунок могут быть использованы центробежные двухконтурные форсунки, в центральное сопло которых подается вода, а в коаксиально расположенное сопло второго контура - сжатый воздух. Блок форсунок может содержать параллельно включенные участки, расположенные по высоте, каждый из которых выполнен в виде питающей трубки, на которой размещены одна или несколько форсунок.

Для выполнения требований нормативных документов (например, авиационных правил летной годности АП-33) по нормируемой дисперсности распыла проводится предварительная калибровка испытательного стенда, для которой пошагово выполняются следующие операции:

а) на стенде в аэродинамической трубе монтируется блок форсунок, а на определенном расстоянии от него в сечении воздушного потока, где планируется установка объекта испытаний (но без него) монтируется оборудование для измерения размеров капель;

б) подают воду, например, из бака с водой в блок форсунок с расходом, соответствующим требуемой водности, которая определяется путем деления суммарного расхода воды в блоке форсунок на расход рабочего потока воздуха, подаваемого в аэродинамическую трубу, а во второй контур форсунок подают дополнительный поток воздуха;

в) на основании измерений указанного оборудования определяют фактический среднеарифметический размер капель и в случае несоответствия его требуемому изменяют давление (расход) воздуха второго контура форсунок, воздействуя тем самым на характерный размер водяных капель в форсунках;

г) действия по операциям б) и в) выполняют, пока не будет достигнут требуемый фактический среднеарифметический размер капель;

д) изменяют расход воды, подаваемой в блок форсунок, например, с помощью настроечных дросселей, установленных в каналах, обеспечивающих подачу воды в блок форсунок, и повторяют действия по операциям б), в) и г);

е) в результате калибровки устанавливают диапазон расходов воды (водности) для данного типоразмера форсунок в блоке форсунок, в котором обеспечивается нормируемая дисперсность распыла по размеру капель, и значения из указанного диапазона принимают за номинальный расход воды.

В частности, для проведения сертификационных испытаний авиационной техники в искусственных условиях обледенения (имитация полета в обледеняющем облаке) воспроизводят двухфазный поток воздуха с частицами дистиллированной воды в виде капельной влаги при характерном среднем медианном размере капель равным 20 мкм.

При этом номинальный расход воды может составлять примерно 6 г/с при давлении примерно 8 атм. (примерно 800 кПа), а нормируемая дисперсность распыла по среднемедианному размеру - примерно 20 мкм может обеспечиваться от верхней (100%) до нижней границы (20%) установленного номинального расхода воды.

После этого устанавливается такое давление воды, при котором форсунки работают на установленном номинальном расходе и обеспечивают нормируемую дисперсность распыла воды.

Вода может подаваться из бака с водой насосом через настроечные дроссели, обеспечивающие при необходимости предварительное выравнивание давления в каналах, обеспечивающих поступление воды в различные участки блока форсунок. Например, разница в давлении между верхним и нижним каналом может составлять 2-2,5 м вод.ст. (примерно 20-25 кПа), что приводит к отличию расходов воды на разных участках блока форсунок. Выравнивание давлений выполняют с помощью настроечных дросселей, прикрывая/приоткрывая которые, добиваются одинакового расхода воды в каналах.

В частном случае импульсный режим может быть задан с помощью импульсов, генерируемых генератором импульсов, например, собранным на микроконтроллере PIC16F628A (описан на сайте http://www.kaligraf.narod.ru/generator.html), который выполнен с возможностью регулирования частоты и скважности импульсов.

Частоту импульсов задают таким образом, что период импульсов оказывается меньше устанавливаемого экспериментальным путем характерного времени тепловых процессов взаимодействия капель с поверхностью узлов испытываемого летательного аппарата.

После настроечных дросселей вода может проходить через блок модуляторов, который, в частности, содержит трубопровод с параллельно включенными участками, каждый из которых выполнен в виде отрезка трубы с установленным на нем модулятором, например, клапаном с электромагнитным приводом типа CK-11-DN15 фирмы РОСМА. Одновременно на группу входов управления блока модуляторов подают сигнал управления с генератора импульсов блока управления в виде импульсов с заданной частотой. При этом открытие и закрытие модуляторов происходит в соответствии с подаваемым на них сигналом управления. В период полностью открытых модуляторов форсунки работают на номинальном расходе, а в период полностью закрытых - вода в форсунки не поступает.

Далее, путем регулировки скважности импульсов, получаемых на выходе генератора импульсов, задают требуемый расход воды, который определяется программой испытаний (заданными условиями по водности). Для этого скважность импульсов должна быть равна отношению номинального расхода воды к требуемому.

Модуляторы выбираются такими, чтобы период, в течение которого модуляторы полностью открыты, превышал 10-20 раз период перехода модуляторов из открытого состояния в закрытое. В таком случае периоды открытия и закрытия модуляторов не оказывают существенного влияния на получаемую дисперсность распыла воды, поскольку при этом время работы форсунок при расходе воды ниже номинального составляет несущественную долю от времени работы при полном открытии модуляторов.

Таким образом, получаемая дисперсность распыла согласно изобретению зависит только от характеристик форсунок в период, когда соответствующие модуляторы расхода воды полностью открыты и форсунки работают на установленном номинальном расходе воды. Фактический расход воды, подаваемой через форсунки, зависит от скважности импульсов, подаваемых на модулятор. Такое осуществление способа обеспечивает нормируемую дисперсность распыла смонтированного набора форсунок в диапазоне расхода воды от нуля до верхней границы установленного номинального расхода воды, обеспечивая, таким образом, достижение заявленного технического результата - расширения диапазона водностей при обеспечении нормируемой дисперсности распыла. Данный технический результат позволяет решить существенную техническую проблему, поскольку с использованием заявленного способа не требуется остановка испытания в случае, когда нижняя граница требуемого в испытании диапазона расхода воды меньше, чем нижняя граница диапазона номинального расхода существующего набора форсунок.

Тем самым заявленный способ позволяет обеспечить в рамках одного испытания имитацию условий перемежающейся облачности и атмосферного облака с различной водностью.