УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПЛА

МПК G01M 13/00
Установка для исследования сопла
Полезная модель относится к технике, связанной с испытанием сопл, и может быть использована при проведении модельных испытаний для определения угла выхода потока и коэффициента скорости сопл, преимущественно плоских, которые широко применяют для двигателей в судостроении, авиации, космонавтике, в мобильных электростанциях и других областях техники.
Известен стенд для испытания сопла, содержащий ресивер, снабженный отверстием, размещенным на его боковой поверхности, причем горловина отверстия снабжена съемными фланцевыми накладками, выполненными с возможностью крепления в них испытываемого сопла в двух взаимно перпендикулярных направлениях, однокомпонентные датчики силы, закрепленные на корпусе ресивера, измерительные штанги которых размещены в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а их концы уперты в корпус ресивера с возможностью его удержания, подводящий трубопровод, снабженный упругими вставками и сообщенный с полостью ресивера посредством пары соосных патрубков, снабженных упругими вставками (см. патент РФ № 135799, МПК G01M 13/00, 2013г.).
Данная конструкция стенда выполнена с возможностью смещения ресивера посредством упругих вставок.
Однако упругие вставки работают лишь на сжатие-растяжение и изгиб, поэтому измерительные средства не в состоянии учесть их скручивающие усилия, возникающие при повороте ресивера вокруг его поперечной оси, что приводит к погрешностям измерений и отрицательно сказывается на эффективности испытаний сопла.
В качестве ближайшего аналога принят стенд для испытания сопла, содержащий ресивер, на боковой поверхности которого выполнено отверстие, снабженное съемными фланцевыми накладками, выполненными с возможностью крепления в них испытываемого сопла в двух взаимно перпендикулярных направлениях, измерительные средства в виде однокомпонентных датчиков силы, закрепленных на корпусе ресивера, измерительные штанги которых размещены в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а их концы уперты в корпус ресивера с возможностью его удержания, подводящий трубопровод, снабженный упругими вставками и сообщенный с полостью ресивера через упругие вставки посредством пары соосных патрубков (см. патент РФ № 148270, МПК G01M 13/00, 2014г.).
Данная конструкция стенда выполнена с возможностью учета однокомпонентными датчиками силы скручивающих усилий упругих вставок, возникающих при повороте ресивера вокруг его поперечной оси.
Недостатком ближайшего аналога является большое количество сильфонов (8 штук), каждый из которых обладает своей жесткостью и соответственно из-за этого общая погрешность при измерениях увеличивается. Для работы данной установки требуется наличие 2 патрубков, опирающихся на подшипники. Подшипники надо крепить к вертикальной плоскости и при этом необходимо соблюсти соосность патрубков друг с другом, с четверниками и ресивером. Если же не будет соблюдена соосность между элементами, то возникнет сила, которая будет изгибать сильфоны и может нарушить работу стенда. При этом конструкция ближайшего аналога имеет четверники, которые опираются на сильфоны, сжимая их, т.е. жесткость этих сильфонов выше, чем у остальных, что негативно скажется на измерениях.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка конструкции установки, позволяющей произвести необходимые измерения простым способом и с высокой точностью и эффективностью.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении точности измерения и эффективности испытаний сопла в силу следующих факторов:
- уменьшение количества сильфонов и как следствие уменьшение общей погрешности измерения;
- в конструкции отсутствуют подшипники, которые необходимо крепить к вертикальной поверхности, что упрощает конструкцию, а сокращение количества элементов позволяет более четко обеспечить соосность элементов по горизонтальной оси;
- отсутствуют четверники, которые давили бы на сильфоны и повышали бы их жесткость.
Указанная задача решается тем, что в установке для исследования сопла, содержащей подводящий трубопровод, снабженный упругими вставками и сообщенный с полостью ресивера через упругие вставки посредством пары соосных патрубков, ресивер, на боковой поверхности которого выполнено отверстие, снабженное съемными фланцевыми накладками, выполненными с возможностью крепления в них испытываемого сопла в двух взаимно перпендикулярных направлениях, измерительные средства в виде однокомпонентных датчиков силы, закрепленных на корпусе ресивера, измерительные штанги которых размещены в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а их концы уперты в корпус ресивера с возможностью его удержания, и источник рабочего тела, ресивер ориентирован вертикально, соосные патрубки подведены к его торцевым поверхностям и их общая ось совмещена с продольной осью ресивера, подводящий трубопровод имеет взаимно перпендикулярные оси симметрии и сообщен через упругие вставки с источниками рабочего тела, причем вертикальная ось симметрии подводящего трубопровода совмещена с продольной осью ресивера, а горизонтальная ось симметрии подводящего трубопровода совмещена с общей осью его упругих вставок, и размещена в горизонтальной плоскости симметрии ресивера, кроме того подводящий трубопровод установлен с возможностью его поворота относительно продольной оси ресивера, для чего его основание оперто на упорный подшипник.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
На фиг.1 изображен вид установки спереди с установленным испытываемым соплом.
На фиг.2 изображен вид установки сбоку с установленным испытываемым соплом.
На фиг.3 изображен продольный разрез испытываемого сопла.
На фиг.4 изображена схема разложения реактивной силы.
На чертежах показаны подводящий трубопровод 1, его упругие вставки 2, ресивер 3, упругие вставки 4 соосных патрубков 5, съемные фланцевые накладки 6, испытываемое сопло 7, однокомпонентные датчики силы 8 и их измерительные штанги 9, продольная ось 10 ресивера 3, ось 11 упругих вставок 2 подводящего трубопровода 1, упорный подшипник 12.
Подводящий трубопровод 1 сообщен через упругие вставки 2 с источниками рабочего тела (на чертежах не показаны) и имеет взаимно перпендикулярные оси симметрии, причем вертикальная ось симметрии подводящего трубопровода 1 совмещена с продольной осью 10 ресивера 3, а горизонтальная ось симметрии подводящего трубопровода 1 совмещена с общей осью 11 его упругих вставок 2, и размещена в горизонтальной плоскости симметрии ресивера 3. Кроме того подводящий трубопровод 1 установлен с возможностью его поворота относительно продольной оси 10 ресивера 3, для чего его основание оперто на упорный подшипник 12.
Подводящий трубопровод 1 сообщен с полостью ресивера 3 через упругие вставки 4 посредством пары соосных патрубков 5, которые подведены к его торцевым поверхностям и их общая ось совмещена с продольной осью 10 ресивера 3.
Подводящий трубопровод 1 и соосные патрубки 5, снабженные, соответственно, упругими вставками 2 и 4, обеспечивают подвод рабочего тела и подвижность ресивера 3 в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а также возможность поворота ресивера 3 относительно его продольной оси 10.
Ресивер 3 ориентирован вертикально и выполнен цилиндрической формы для снижения трудоемкости изготовления, снижения материалоемкости и более равномерного распределения рабочего тела при испытаниях. Кроме того на боковой поверхности ресивера 3 выполнено отверстие, снабженное съемными фланцевыми накладками 6, выполненными с возможностью крепления в них испытываемого сопла 7 в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Съемные фланцевые накладки 6 выполнены симметричными, причем внутренний край каждой из съемных фланцевых накладок 6 отогнут под прямым углом для обеспечения возможности крепления между ними испытываемого сопла 7. Расстояние между параллельными внутренними краями закрепленных съемных фланцевых накладок 6 соответствует размеру испытываемого сопла 7.
Испытываемое сопло 3 выполнено преимущественно плоским.
Один конец каждой из измерительных штанг 9 однокомпонентных датчиков силы 8 фиксируется на ресивере 3, а другой конец снабжен завальцованым шариком, обеспечивающим возможность передвижения по однокомпонентным датчикам силы 8, и как следствие, возможность передвижения ресивера 3 по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Перемещения измерительных штанг 9 по однокомпонентным датчикам силы 8 незначительны и не оказывают существенное влияние при измерении реактивной силы.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно устанавливают подводящий трубопровод 1, который затем посредством патрубков 5 соединяют с ресивером 3, установленным с возможностью его удержания с помощью измерительных штанг 9, которые также обеспечивают возможность передвижения ресивера 3 по однокомпонентным датчикам силы 8.
Испытываемое сопло 7 присоединяют к боковой поверхности ресивера 3 с помощью съемных фланцевых накладок 6 в начальном положении, показанном на фиг. 1.
К установке от источников рабочего тела (на чертежах не показаны) подводят рабочее тело в виде сжатого воздуха, который проходит через упругие вставки 2 по подводящему трубопроводу 1 и далее через соосные патрубки 5, снабженные упругими вставками 4, в корпус ресивера 3. В испытываемом сопле 7 сжатый воздух расширяется до атмосферного давления. Реактивная сила, возникающая при истечении сжатого воздуха через испытываемое сопло 7, через измерительные штанги 9 передается на однокомпонентные датчики силы 8. При этом ресивер 3 совершает микроперемещения, необходимые для работы однокомпонентных датчиков силы 8, и поворот вокруг своей продольной оси 10, в результате чего происходит и передача реактивной силы на однокомпонентный датчик силы 8 через соответствующую измерительную штангу 9. После проведения необходимых измерений подвод сжатого воздуха прекращают.
Далее меняют положение испытываемого сопла 7 путем поворота на 90 градусов относительно начального положения и заново закрепляют с помощью съемных фланцевых накладок 6 на боковой поверхности ресивера 3. Затем возобновляют подачу сжатого воздуха и снимают показания однокомпонентных датчиков силы 8 при новом положении испытываемого сопла 7. Аналогично проводят необходимые измерения при положениях испытываемого сопла 7, полученных путем поворота относительно начального положения на 180 и 270 градусов.
На заключительном этапе проводят анализ полученных данных и определение расчетных характеристик.
Реактивную силу определяют по формуле:
, где
- реактивная сила, Н;
, ,  - проекции реактивной силы, Н, соответственно, на оси X, Y, Z.
Угол выхода потока определяют по формуле:
, где
- угол выхода потока, град.
Коэффициент скорости сопла определяют по формуле:
, где
- выходная скорость потока, м/с, определяемая по формуле:
, где
- расход потока, кг/с;
- теоретическая выходная скорость, определяемая по формуле:
, где
- адиабатный коэффициент воздуха;
- газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К);
- температура перед соплом, К;
- давление перед соплом, Па;
- давление за соплом, Па.
Таким образом, конструкция заявляемого стенда повышает точность и эффективность измерений.