Результат интеллектуальной деятельности: Способ экспериментального определения параметров запуска двигателя при стендовых испытаниях

Предполагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к наземным испытаниям двигателей, при которых на стендах производится подтверждение их внутрибаллистических и тягово-энергетических параметров на соответствие техническому заданию.

При проведении экспериментальной отработки исследователи сталкиваются с задачей обеспечения надежного запуска двигателя для реализации расчетного режима воспламенения и горения заряда. Достоверная оценка параметров запуска двигателя позволяет подтвердить стабильность его работы при проведении стендовых испытаний.

Известен способ математического моделирования рабочих процессов в двигателях, позволяющий выполнить газо- и термодинамические расчеты при воспламенении заряда и выходе двигателя на рабочий режим. Для этого используется программный комплекс для математического моделирования (ДАН, т. 293, №1, 1987 с. 33-37).

Недостатком способа является большой объем вычислений при прямом моделировании процессов с высокой точностью, что по своей сути представляет собой вычислительный эксперимент по прикладным программам системы ЭВМ.

Известен способ оценки параметров процесса выхода двигателя на рабочий режим, в котором рассматриваются уравнения нестационарного (волнового на начальной стадии) течения продуктов сгорания навески воспламенителя и заряда с учетом догорания в кислороде воздуха, его прогрева и вспышки, начального прогрева элементов конструкции (А.А. Шишков, С.Д. Панин, Б.В. Румянцев. Рабочие процессы в РДТТ. Справочник. Москва. Машиностроение. 1989. Раздел 2.3, с. 54-58). Для расчета используются уравнения течения газа и горения заряда в квазистационарном приближении.

Недостатком способа является то, что реальные параметры выхода двигателя на рабочий режим заметно изменяются вследствие отклонения параметров воспламенителя и заряда двигателя от номинальных. Кроме того, результаты запусков экспериментальных двигателей с неустойчивыми режимами горения зарядов трудно поддаются изучению.

Известен способ определения параметров процесса воспламенения заряда двигателя, в котором предполагают, что все химические реакции протекают на поверхности заряда в зоне горения при малой осевой составляющей скорости продуктов сгорания. Экзотермическими реакциями в твердой фазе пренебрегают. Химические процессы и изменение скорости горения считают квазистационарными. Продукты сгорания воспламенительного состава и заряда считают идеальными газами. К поверхности заряда теплота поступает вследствие вынужденной конвекции от потока продуктов сгорания навески воспламенителя, излучения газов и выпадения раскаленных частиц (А.А. Шишков, С.Д. Панин, Б.В. Румянцев. Рабочие процессы в РДТТ. Справочник. Москва. Машиностроение. 1989. Раздел 3.5, с. 91-97). После начала истечения продуктов сгорания воспламенительного состава в канал заряда в нем возникают и распространяются волны сжатия, а газы перемещаются к выходному отверстию. После распространения нескольких волн заряд прогревается до условий воспламенения, и пламя начинает распространяться по поверхности канала заряда.

Недостатком способа являются трудности исследования процесса воспламенения, обусловленные сильным изменением теплового потока к заряду во времени, малым размером наиболее активного участка, неустойчивостью характера процесса воспламенения и др. Так, 10%-ная ошибка при определении расхода воспламенителя приводит к 20%-ной ошибке в расчете времени задержки начала воспламенения заряда двигателя.

Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение оптимальной эффективности процесса воспламенения заряда во время запуска двигателя при стендовых испытаниях.

Задача решается за счет того, что в способе экспериментального определения параметров запуска двигателя, основанном на проведении стендового испытания и регистрации диаграммы тяги изделия двух мостовым силоизмерительным датчиком, в период срабатывания воспламенителя до начала возгорания заряда испытуемого двигателя первым мостом силоизмерительного датчика регистрируют диаграмму тяги с типовой частотой опроса, а вторым мостом силоизмерительного датчика регистрируют параметры акустических волновых процессов в канале заряда двигателя с частотой опроса, пропорциональной отношению скорости звука в канале заряда к удвоенной длине канала заряда, и определяют по диаграмме, замеренной вторым мостом силоизмерительного датчика, параметры акустических волновых процессов: силовые возмущения - как величины амплитуд акустических колебаний; изменение давления в акустических волнах - как отношения силовых возмущений к площади канала заряда; а изменение температуры в канале заряда - как коэффициент пропорциональности, умноженный на квадраты отношений длины канала заряда к полупериодам акустических колебаний, при этом в качестве критерия оптимальной эффективности процесса воспламенения заряда принимают условие нахождения начала подъема давления в двигателе в диапазоне времен от достижения величины температуры вспышки заряда температурой в канале заряда при ее повышении до достижения величины температуры вспышки заряда температурой в канале заряда при ее спаде во время действия акустических волновых процессов в канале заряда двигателя.

На фиг. 1 показаны диаграмма силовых возмущений акустических волновых процессов, диаграмма показаний датчика давления во внутренней полости двигателя, диаграмма тяги испытуемого двигателя.

На фиг. 2 показаны экспериментально-расчетные зависимости силовых возмущений, частот колебаний акустических волновых процессов, изменения давления в акустических волнах, изменения температуры в канале заряда двигателя и начала подъема давления в двигателе.

Указанный способ осуществляется следующим образом. В начале проведения испытания двигателя подают команду на зажигание навески воспламенителя. В зоне закрытого торца заряда (корпуса изделия), создается акустическая волна повышенного давления, которая с учетом площади сечения канала заряда вызывает появление силового возмущения (фиг. 1, диаграмма 1), при этом в зоне открытого торца канала заряда (выходного отверстия двигателя) давление в канале заряда остается равным атмосферному. Силовое возмущение имеет волновой характер, не сбалансировано и проявляется как внешний силовой фактор двигателя, регистрируемый одним из мостов двух мостового датчика силы стенда.

Акустическая волна давления движется в сторону открытого торца канала заряда, создавая повышенное давление в зоне выходного отверстия двигателя при торможении, с учетом площади сечения канала заряда. В зоне закрытого торца канала заряда (корпуса изделия) волна разряжения создает пониженное давление, близкое к атмосферному. Возникает силовое возмущение, аналогичное описанному выше, но противоположного направления.

Оно регистрируется тем же мостом датчика силы стенда, если датчик силы работает на «растяжение-сжатие». В случае использования датчика силы только на «сжатие», регистрации обратной акустической полуволны не происходит, и вид силового возмущения можно только интерполировать расчетом. Но, это не изменяет физической картины волнового процесса, происходящего в двигателе при его запуске.

Неоднократное прохождение волны по каналу заряда приводит к изменению в нем состава газовой смеси (атмосферного воздуха с продуктами сгорания навески воспламенителя), потере энергии акустической волны и увеличению температуры газовой смеси, а также к увеличению частоты акустических колебаний из-за повышения скорости звука в канале заряда двигателя при повышении температуры газовой смеси.

Далее, при воспламенении поверхности заряда, во внутренней полости двигателя повышается давление, регистрируемое датчиком давления (фиг. 1, диаграмма 2). По достижению заданного уровня давления в двигателе вскрывается заглушка, начинается истечение продуктов сгорания заряда из выходного отверстия и возникает реактивная тяга двигателя (фиг. 1, диаграмма 3), регистрируемая другим мостом датчика силы стенда.

Для получения достоверных данных при использовании данного способа регистрацию параметров акустических волновых процессов в канале заряда двигателя производят с частотой опроса, пропорциональной отношению скорости звука в канале заряда к удвоенной длине канала заряда, одним из мостов датчика силы стенда. Регистрацию диаграммы тяги двигателя производят с типовой частотой опроса с помощью другого моста датчика силы стенда.

После проведения испытания двигателя определяют:

- силовые возмущения (фиг. 2, диаграмма 4) - как величины амплитуд акустических колебаний;

- изменение частот колебаний (фиг. 2, диаграмма 5) акустических волновых процессов - как величины, обратно пропорциональные удвоенным полупериодам колебаний;

- изменение давления в акустических волнах (фиг. 2, диаграмма 6) - как отношения силовых возмущений к площади канала заряда;

- изменение температуры в канале заряда (фиг. 2, диаграмма 7) - как коэффициент пропорциональности, умноженный на квадраты отношений длины канала заряда к полупериодам акустических колебаний;

- время начала подъема давления (фиг. 2, диаграмма 8) в двигателе.

Затем по вышеуказанным параметрам проводят оценку оптимальной эффективности процесса воспламенения заряда, принимая в качестве критерия - условие нахождения начала подъема давления в двигателе τ_р (фиг. 2, диаграмма 8) в диапазоне времен (фиг. 2, диаграмма 7) от достижения величины температуры вспышки заряда (Т_всп) температурой в канале заряда при ее повышении (τ_1T) до достижения величины температуры вспышки заряда (Т_всп) температурой в канале заряда при ее спаде (τ_2T) во время действия акустических волновых процессов в канале заряда двигателя.

По экспериментально-расчетным данным испытания одного из двигателей определена зависимость изменения температуры в канале заряда 2,73⋅10^-3⋅(L_кан/τ_п.п.)², где: L_кан - длина канала заряда двигателя; τ_п.п. - время полупериода колебаний акустических волновых процессов в канале заряда двигателя. Эта зависимость позволила получить критерий оптимальной эффективности и стабильности процесса воспламенения этого двигателя.

Таким образом, предложенный способ позволяет проводить экспериментальное определение параметров и надежности запуска двигателя, оценку оптимальной эффективности процесса воспламенения заряда с помощью предложенного критерия, а также использовать полученные результаты при проектировании и наземной отработке аналогичных двигателей.