УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ СКОРОСТНОЙ ВИДЕОСЪЕМКИ ПРОЦЕССОВ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ
DEVICE OF SYNCHRONISATION OF SPEED VIDEO FILMING OF VIBRATION BURNING PROCESSES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для видеорегистрации колеблющихся зон горения в камерах сгорания сверхзвуковых авиационных и ракетных двигателей при их экспериментальных исследованиях и доводке.
Диагностика процессов, происходящих при колеблющихся режимах горения, чрезвычайно важна при создании и доводке камер сгорания реактивных двигателей. При резонансных, неустойчивых режимах в форсажных камерах и в ракетных двигателях вибрационное горение приводит к разрушению двигателей. С другой стороны, существуют проблемы организации эффективного перемешивания компонентов топлива, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, за счет создания мощных акустических колебаний в потоках компонентов топлива в камерах сгорания гиперзвуковых двигателей. В обоих случаях диагностика колеблющихся зон горения, особенно представленная визуальной картиной структуры горящих вибрационных течений, является ценной информацией при проектировании и испытаниях реактивных двигателей. Обычно используются стробоскопические способы визуализации с использованием телевизионной техники.
Например, известен механический оптический затвор в комплексе с видеокамерой, позволяющий регистрировать колебания пламени в модельных условиях (статья Замащикова В.В. «Некоторые закономерности распространения газовых пламен в узких трубках», журнал «Физика горения и взрыва», 2004 г., том 40, №5, стр.56, 57).
В реальных камерах сгорания двигателей происходят нестационарные процессы с широким спектром частот, который определяется развитой турбулентностью течений.
Частоты основных гармоник колебаний в основных и форсажных камерах газотурбинных двигателей могут достигать сотен герц, в ракетных двигателях - нескольких килогерц, в гиперзвуковых камерах - десятки килогерц.
Вследствие существования нестационарности процессов горения от температурных и напряженно-деформированных изменений в конструкциях двигателей и вариациях в работе систем топливоподачи, частота основной гармоники колебаний зон горения подвержена смещениям.
Для визуализации зон горения, существующих в таких условиях, необходимо применение высокоскоростных видеокамер, а для регистрации тонкой структуры течений - использование коротких времен экспозиции. Современные камеры сгорания имеют высокую полноту сгорания, а отсюда низкое содержание сажистых частиц, и поэтому зоны горения обладают слабой светимостью. В связи с этим, при малых временах экспозиции не хватает чувствительности видеокамер, которая ограничена фундаментальными квантовыми закономерностями. Поэтому необходимо использование способа когерентного накопления на матрице видеокамеры ряда изображений зон горения, в одной фазе колебаний, полученных при малых экспозициях.
Для реализации такого способа нужна эффективная система фазовой синхронизации момента включения оптического затвора видеокамеры с выбранной экспериментатором фазой колебаний зон горения. Фазовый и частотный характер колебательного процесса горения может неплохо идентифицироваться пульсациями давления в области зон горения. С помощью датчика пульсаций давления, установленного в полость камеры сгорания, можно получить соответствующие электрические сигналы и выделить из них фазовые моменты времени, «привязанные» к колебательному процессу в зонах горения. Значительная составляющая турбулентных вихрей в зонах горения обуславливает появление соответствующих флуктуаций давления, что приводит к наложению высокочастотных гармоник в электрическом сигнале датчика давления, которые могут быть расценены, для данного приложения, как помехи шумового характера.
Известно устройство выделения полезного сигнала на фоне помех, описанное в авторском свидетельстве №1665538, «Устройство выделения полезного сигнала на фоне помех», 23.03.1991 г., H04N 5/14, G01S 7/36. Однако в нем формируется опорный уровень сравнения выше уровня помех и в этом случае невозможно корректно регистрировать фазовые характеристики основной гармоники колебаний. Наиболее достоверно использовать в качестве реперных точек моменты перехода синусоидального сигнала, характеризующего колебательный процесс, через ноль.
Если по нуль-переходу сигнала с датчика давления, содержащего наложенные высокочастотные компоненты, формировать импульс видеокамеры, то из-за указанных помех возникает фазовая нестабильность в когерентном накоплении изображений, что приводит к размазыванию контуров конечного изображения зон горения, а значит снижению качества информации. Известны также устройства электронных компараторов для выделения момента перехода электрического сигнала через ноль, в том числе в условиях наложенных помех (авторское свидетельство №1329333, «Устройство синхронизации пирометрической аппаратуры», по МПК G01J 5/14, 08.07.1985 г.
Однако и указанное устройство не решает поставленной задачи, так как предназначено для работы с индукционными датчиками, у которых в электрическом информационном сигнале, в момент сильного электромагнитного взаимодействия, помехи практически отсутствуют.
Целью изобретения является повышение качественного изображения зон вибрационного горения в широком классе реактивных двигателей.
Поставленная цель достигается тем, что устройство синхронизации скоростной видеосъемки процессов вибрационного горения, содержащее датчик синхросигналов, выход которого соединен с входом амплитудного нормализатора и компаратор по нуль-переходу. Между амплитудным нормализатором и компаратором установлен полосовой электрический фильтр, с управляемой напряжением частотой пропускания, управляющий вход которого через преобразователь частоты в напряжение соединен с выходом компаратора, который через дискретный фазовращатель подключен к синхронизирующему входу видеокамеры.
На фиг.1 представлено устройство синхронизации скоростной видеосъемки процессов вибрационного горения.
Устройство содержит датчик 1 пульсаций давления, пневматический вход которого соединен с исследуемой полостью камеры сгорания. Электрический выход датчика 1 подключен к входу усилителя - амплитудного нормализатора 2, имеющего функцию автоматического регулирования усиления, для поддержания на его выходе сигнала с квазипостоянной амплитудой, для обеспечения эффективной работы последующих элементов устройства, в частности полосового электрического фильтра 3 с управляемой напряжением частотой пропускания и последующего за ним формирователя импульсов 4. В фильтре 3, в зависимости от колебательных характеристик камеры сгорания, электрически устанавливается ожидаемое значение частоты пропускания, которое при работе подстраивается под фактическое значение следящей системой. Формирователь 4 генерирует последовательность импульсов, передний фронт которых совпадает с каждым нуль-переходом (одного знака производной) синусоидального входного сигнала, получаемого с выхода полосового электрического фильтра 3. Выход формирователя 4 соединен с входом дискретного фазовращателя 5 и входом преобразователя частоты в напряжение 7, выходное напряжение которого подается на управляющий вход фильтра 3 и подстраивает номинальное значение частоты пропускания фильтра 3 под основную частоту колебаний пульсаций воспринимаемых датчиком 1. Таким образом, звенья 3, 4 и 7 образуют систему автоматического слежения статического типа за частотой колебаний пульсаций зон горения. Выходные импульсы с дискретного фазовращателя 5 подаются на вход внешнего запуска экспозиции видеокамеры 6, что обеспечивает многократную экспозицию картины зон горения в одних и тех же фазах, следующих друг за другом, периодов колебаний процессов горения. Оператор вручную или по программе испытаний изменяет значение сдвига фазы запускающих импульсов, что дает возможность получать качественные изображения зон горения в разных фазах их колебаний.