ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ УСТАНОВКА МАЯТНИКОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения и предназначена для сравнительной оценки тяги реактивных сопел ракетных двигателей.
Известна дифференциальная установка маятниковой конструкции, содержащая вертикальную колонну, в основании которой расположен полый тензометрический стакан, а в верхней части колонны расположены три соосных горизонтально расположенных цилиндра, причем цилиндр большего диаметра (дифференциал) расположен в середине, на срезах двух (рабочих) цилиндров одинакового размера установлены круглые сопла Лаваля. Таким образом дифференциальная установка, состоящая из маятникового узла, расположена на полом тензометрическом стакане. Результатом испытаний является определение разности тяг двух сравниваемых сопел при одинаковом расходе воздуха через них. [Сергиенко А.А. Дифференциальная установка для сравнительных испытаний сопел. Труды НИИ-1, №28, 1959.].
Недостатком прототипа является невысокая точность измерения разности тяг сравниваемых реактивных сверхзвуковых сопел, работающих на режимах перерасширения, а также при сравнении мало отличающихся друг от друга по геометрии сопел и многосопловых блоков различных конструкций.
Целью настоящей полезной модели является повышение точности измерения на дифференциальной установке разности тяг двух сравниваемых реактивных сопел за счет использования для опосредованного их сравнения газового компенсатора - третьего сопла - авторегулируемого сопла с центральным телом.
Цель достигается тем, что на дифференциальной установке маятниковой конструкции, содержащей вертикальную колонну, в основании которой расположен полый тензометрический стакан, а в верхней части колонны расположены три соосных горизонтально расположенных цилиндра, причем цилиндр большего диаметра (дифференциал) расположен в середине, на срезе
одного из двух (рабочих) цилиндров одинакового размера установлено круглое сопло Лаваля, при этом на конце другого цилиндра установлен газовый компенсатор - сопло с центральным телом.
На фиг.1 изображена схема установки с газовым компенсатором. Дифференциальная установка состоит из вертикальной колонны 1, полого цилиндрического тензометрического стакана 2 с проволочными тензодатчиками 3, воздушного дифференциала 4, расположенного перпендикулярно колонне 1 и содержащего блоки делительных сопел 5, рабочих цилиндров 6 и 7, объединенных соосно с воздушным дифференциалом 4, газового компенсатора 8 и испытуемого сопла 9. Газовый компенсатор 8 и испытуемое сопло 9 установлены соосно с рабочими цилиндрами. Причем площади их минимальных сечений одинаковы. Вертикальная колонна 1, воздушный дифференциал 4, рабочие цилиндры 6 и 7, газовый компенсатор - сопло с центральным телом 8 и испытуемое сопло 9 составляют маятниковый узел установки, который установлен вертикально на полый тензометрический стакан 2. С целью создания максимального изгибного напряжения внутри стенки тензометрического стакана 3 его стенки выполняются тонкостенными. Толщина стенки определяется механической ее прочностью на воздействие давления сжатого воздуха, протекающего через него. Со стороны воздушного дифференциала 4 на входах рабочих цилиндров 6 и 7 установлены блоки делительных сопел 5, состоящие из пяти круглых звуковых сопел. Причем суммарная площадь минимальных сечений звуковых сопел одного блока делительных сопел 5 меньше площади минимального сечения рабочего сопла 9. В этом случае достигается одинаковый расход воздуха через блоки делительных сопел 5 в оба рабочих цилиндра 6 и 7. Два проволочных тензодатчика 3 наклеены на стенке тензометрического стакана с диаметрально противоположных его сторон. Они вместе с другими двумя тензодатчиками, установленными в усилителе, составляют тензометрический мост измерительной линии. Длина вертикальной колонны 1 маятникового узла
должна быть достаточной, чтобы создать во время работы установки требуемый для измерения тяги испытуемого сопла изгибный момент.
Установка работает следующим образом. Сжатый воздух через полый тонкостенный тензометрический стакан 2 по вертикальной колонне 1 попадает в воздушный дифференциал 4. Воздушный дифференциал с помощью делительных сопел 9 обеспечивает разделение воздуха к рабочим цилиндрам 5 и 6 в равном соотношении, обеспечивая равные расходы воздуха через газовый компенсатор 7 и испытуемое сопло 8. В результате возникновения разности тяг, создаваемых газовым компенсатором 7 и испытуемым соплом 8, тензометрический стакан 2 изгибается в плоскости действия разности тяг. Так как тензодатчики 3 наклеены на тензостакане 4 по мостовой схеме, то один из проволочных тензодатчиков растягивается, а другой - сжимается. В результате этого они меняют свое сопротивление, что приводит к нарушению баланса тензомоста и на его диагонали возникает электрическое напряжение. Электрический сигнал, пропорциональный величине разности тяг газового компенсатора 7 и испытуемого сопла 8, регистрируется прибором. После первого запуска производят замену круглого сопла Лаваля (эталон) вторым (рабочим) круглым соплом и повторяют запуск. Величину разности тяг между двумя сравниваемыми круглыми соплами Лаваля (между эталоном и рабочим соплом) находят путем вычитания одной разности тяг (тяга сопла с центральным телом минус тяга круглого сопла - эталона) от другой (тяга сопла с центральным телом минус тяга круглого рабочего сопла).
1
К
1
2
К
2
ΔР=Р-Р; ΔР=Р-Р,
1
2
К
1
2
1
2
где ΔР, ΔР - разность тяг между исследуемым соплом и газовым компенсатором; Р - тяга сопла-компенсатора: Р, Р - тяги сравниваемых сопел. Таким образом, ΔР=ΔР-ΔР - есть значение разности тяг сравниваемых сопел.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение точности результатов экспериментов за счет использования третьего сопла -
авторегулируемого сопла - компенсатора с центральным телом, которое всегда работает (при любом изменении атмосферного давления) на расчетном режиме, то есть создает максимальную тягу.
Во время испытаний высотных сопел на дифференциальной установке при их работе на режимах перерасширения происходит отрыв потока газа от стенок в сечении сопла, которое заранее предсказать невозможно. В связи с этим возникают дополнительные погрешности в измерении потерь тяги. Предлагаемый способ, в котором при испытании на одном из цилиндров установки помещено сопло с центральным телом (компенсатор), работающее на расчетном режиме, а на другом попеременно устанавливаются сравниваемые сопла (эталон и рабочее сопло), позволяет устранить этот недостаток.
Для оценки величины погрешности необходимо проведение целого ряда запусков - многократного повторения результатов экспериментов. Подтверждением положительного результата проведенных мероприятий по усовершенствованию установки и способов ее эксплуатации является определение величины погрешности измерений. Статистические испытания проводились на примере сравнения тяг круглого конического и эллипсного сопел двумя способами: по имеющейся ранее методике, когда сравниваются непосредственно два реактивных сопла, и вновь предложенной, когда сравнение двух сопел ведется с помощью третьего сопла -компенсатора -сопла с центральным телом.
Условно режимы работы круглых сопел разделяются на два:
а
н
a
- первый режим -0,1<р/р<0,5 - режим перерасширения (имеют место отрывные течения в сопле), где p - относительное давление на срезе;
а
н
- второй - 0,5<р/р<1 - автомодельный режим течения.
Обработка результатов экспериментов проводилась с помощью метода наименьших квадратов, суть которого заключается в аппроксимации экспериментальных точек математическими зависимостями, путем минимизации сумм их среднеквадратических отклонений. Соответствие
полученной теоретической зависимости экспериментальным значениям проверялось с помощью критерия Фишера. Величина разброса экспериментальных точек (величина дисперсии опытных данных) определяется:
i
ср
где n - число испытаний, ΔР и ΔР - текущие и среднее между ними значение экспериментальной величины разности тяг двух сравниваемых сопел.
По результатам 12 опытов определены величины дисперсий для каждого из двух испытаний описанными выше способами и они составили:
1. при использовании новой методики проведения испытаний:
1
- 1-й режим (режим перерасширения) σ(ΔP)=0,04 кГ., при искусственно обеспечиваемой средней разности тяг между компенсатором и испытуемым соплом ΔР=1+2 кГ,
2
- 2-ой режим (автомодельный) σ(ΔР)=0,03 кГ;
2. при использовании старой методики:
1
- 1-й режим (режим перерасширения) - σ(ΔР)=0,095 кГ при абсолютной разности тяг ΔР=0,1-1кГ;
2
- 2-ой режим (автомодельный) - σ(ΔР)=0,055 кГ.
По результатам эксперимента для трех вариантов зависимостей: линейной, квадратичной и кубичной проводится расчет коэффициентов регрессии, а также сумм остаточных квадратов. Анализ результатов испытаний по двум методикам проводится следующим образом.
SЛ
1. Проводится проверка соответствия полученных зависимостей и формы математической модели (для линейной и квадратичной форм): считаются степени свободы: f=n-m-1=10, где
n - количество запусков, m=1, 2 - количество коэффициентов модели.
Считаются выборочные дисперсии:
Считаются критерии Фишера
1
2
числ.
знам.
табл
Если полученное значение критерия Фишера значимо, т.е. F<F дополнительная информация, заложенная в квадратичной модели, существенна, то эта модель действительно точнее линейной модели. Далее при степени риска α=0,01, числе степеней свободы числителя f=10 и знаменателя f=12 получаем табличное значение критерия Фишера F=3,8.
Результаты проведенных оценок следующие:
1. На 1-ом режиме работы сопел (режиме перерасширения) есть основания для переходов к более точной (квадратичной) форме модели при использовании вновь предложенного способа проведения эксперимента. Переход к квадратичной модели позволяет учитывать более тонкие эффекты при проведении экспериментов (например, погрешность, возникающую из-за усреднения результатов двух запусков с переменой сопел местами, когда происходит непредсказуемый отрыв потока в эталонном сопле в каждом запуске из пары).
2. На 2-ом (автомодельном) режиме работы модели статистически не различимы, и проводить эксперимент возможно любым из 2-х способов.
1. Сергиенко А.А. Дифференциальная установка для сравнительных испытаний сопел. Труды НИИ-1, №28, 1959.
2. Мельников Д.А., Пирумов У.Г., Сергиенко А.А. Сопла реактивных двигателей. - В кн.: Аэромеханика и газовая динамика, М., 1976 г.
3.Сергиенко А.А., Семенов В.В., Талалаев А.А. и Ашаков А.Е. Тензометрический стакан. Авт. свид. №1547498, 1989 г.