СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ 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.
Известна конструкция стенда для исследования единичных малых сопел, содержащая трубопровод, присоединенный к емкости для сборки рабочего тела, которая выполнена с возможностью установки испытываемого сопла в двух плоскостях с помощью фланцевого соединения и возможностью опирания на силоизмерительные средства (см. Наталевич А.С., «Воздушные микротурбины», 2 изд., перераб. и доп. - М., Машиностроение, 1979, стр. 92-93., 192 с, ил.).
Недостатком технического решения является недостаточная эффективность измерений, которые проводят в одном направлении, повышенная трудоемкость эксплуатации из-за необходимости использования весов и игольчатой подставки, а также низкая точность из-за отсутствия учета правильности (соосности) установки испытываемого сопла на емкости для сборки рабочего тела и возможности наличия систематической погрешности в ходе испытаний.
В качестве ближайшего аналога принята конструкция стенда для испытания сопла (см. патент РФ №135799, МПК G01M 13/00, 2013 г.)., содержащая ресивер, снабженный отверстиями, одно из которых размещено в его торце, а другое на его боковой поверхности, ориентированные взаимно перпендикулярно, выполненные с возможностью разъемного закрепления испытываемых сопел, 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, средства подвода рабочего тела, выполненные в виде пары патрубков, жестко закрепленных на корпусе ресивера, соосно друг другу, и сообщенных с его полостью, причем соосные патрубки снабжены упругими вставками и их продольные оси размещены в одной плоскости с продольной осью ресивера.
Недостатком ближайшего аналога является низкая эффективность испытаний сопла из-за отсутствия учета измерительными средствами скручивающих усилий упругих вставок, возникающих при повороте ресивера вокруг его поперечной оси, что приводит к погрешностям измерений.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка конструкции стенда, позволяющего 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 благодаря возможности учета однокомпонентными датчиками силы скручивающих усилий упругих вставок, возникающих при повороте ресивера вокруг его поперечной оси.
Указанная задача решается тем, что в стенде для испытания сопла, содержащем ресивер, снабженный отверстиями, одно из которых размещено в его торце, а другое на его боковой поверхности, ориентированные взаимно перпендикулярно, причем горловины отверстий имеют одинаковые сечения и снабжены съемными фланцевыми накладками для разъемного закрепления в них испытываемого сопла, 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, средства подвода рабочего тела, выполненные в виде пары патрубков, жестко закрепленных на корпусе ресивера, соосно друг другу, и сообщенных с его полостью, причем соосные патрубки снабжены упругими вставками и их продольная ось размещена в одной плоскости с продольной осью ресивера, концы соосных патрубков выполнены в виде втулок, размещенных с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения в полостях соответствующих подводящих цилиндров, через отверстия в торцах которых пропущены участки соосных патрубков между втулками и упругими вставками, причем диаметр соосного патрубка меньше диаметра втулки.
Кроме того максимальное расстояние от торца втулки до внутренней поверхности торца соответствующего подводящего цилиндра составляет не менее разницы длин упругой вставки при максимальном и минимальном расстоянии от торца подводящего цилиндра, снабженного отверстием, до боковой поверхности ресивера при его перемещении в соответствующем направлении.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
На фиг. 1 изображен вид стенда сбоку с установленным испытываемым соплом.
На фиг. 2 изображен вид стенда спереди с установленным испытываемым соплом.
На фиг. 3 изображен продольный разрез испытываемого сопла.
На фиг. 4 изображена схема разложения реактивной силы.
На чертежах показаны ресивер 1, съемные фланцевые накладки 2, испытываемое сопло 3, однокомпонентные датчики силы 4, измерительные штанги 5 однокомпонентных датчиков силы 4, патрубки 6, упругие вставки 7 и общая продольная ось 8 патрубков 6, продольная 9 и поперечная 10 оси ресивера 1, втулки 11, подводящие цилиндры 12, заглушка 13.
Ресивер 1 выполнен цилиндрической формы для снижения трудоемкости изготовления, снижения материалоемкости и более равномерного распределения рабочего тела при испытаниях. Кроме того ресивер 1 снабжен отверстиями, одно из которых размещено в его торце, а другое на его боковой поверхности, ориентированные взаимно перпендикулярно, причем горловины отверстий имеют одинаковые сечения и снабжены съемными фланцевыми накладками 2 для разъемного закрепления в них испытываемого сопла 3.
Съемные фланцевые накладки 2 выполнены симметричными, причем внутренний край каждой из съемных фланцевых накладок 2 отогнут под прямым углом для обеспечения возможности крепления между ними испытываемого сопла 3. Расстояние между параллельными внутренними краями закрепленных съемных фланцевых накладок 2 соответствует размеру испытываемого сопла 3.
Испытываемое сопло 3 выполнено преимущественно плоским.
Один конец каждой из измерительных штанг 5 однокомпонентных датчиков силы 4 фиксируется на ресивере 1, а другой конец снабжен завальцованым шариком, обеспечивающим возможность передвижения по однокомпонентным датчикам силы 4, и как следствие, возможность передвижения ресивера 1 по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Перемещения измерительных штанг 5 по однокомпонентным датчикам силы 4 незначительны и не оказывают существенное влияние при измерении реактивной силы.
Средства подвода рабочего тела выполнены в виде пары патрубков 6, жестко закрепленных на корпусе ресивера 1, соосно друг другу, и сообщенных с его полостью, причем соосные патрубки 6 снабжены упругими вставками 7 и их продольная ось 8 размещена в одной плоскости с продольной осью 9 ресивера 1.
При этом концы соосных патрубков 6 выполнены в виде втулок 11, размещенных с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения в полостях соответствующих подводящих цилиндров 12, через отверстия в торцах которых пропущены участки соосных патрубков 6 между втулками 11 и упругими вставками 7, причем диаметр соосного патрубка 6 меньше диаметра втулки 11.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно устанавливают в пространстве средства подвода рабочего тела в виде пары патрубков 6, сообщенных с полостью ресивера 1, который установлен с возможностью его удержания с помощью измерительных штанг 5, которые также обеспечивают возможность передвижения ресивера 1 по однокомпонентным датчикам силы 4.
Испытываемое сопло 3 присоединяют к торцу ресивера 1 с помощью съемных фланцевых накладок 2 в начальном положении, показанном на фиг. 1. Горловину отверстия, расположенного на боковой поверхности ресивера 1, закрывают с помощью заглушки 13.
К стенду от компрессорной установки (на чертежах не показана) подводят рабочее тело в виде сжатого воздуха, который проходит через патрубки 6, снабженные упругими вставками 7, а также корпус ресивера 1. В испытываемом сопле 3 сжатый воздух расширяется до атмосферного давления. Реактивная сила, возникающая при истечении сжатого воздуха через испытываемое сопло 3, через измерительные штанги 5 передается на однокомпонентные датчики силы 4. При этом ресивер 1 совершает микроперемещения, необходимые для работы однокомпонентных датчиков силы 4, в результате чего происходит возвратно-поступательное движение втулок 11 в полостях соответствующих подводящих цилиндров 12. Кроме того под действием реактивной силы ресивер 1 совершает поворот вокруг своей поперечной оси 10, в результате чего происходит вращательное движение втулок 11 в полостях соответствующих подводящих цилиндров 12 и передача реактивной силы на однокомпонентный датчик силы 4 через соответствующую измерительную штангу 5. После проведения необходимых измерений подвод сжатого воздуха прекращают.
Далее меняют положение испытываемого сопла 3 путем поворота на 90 градусов относительно начального положения и заново закрепляют с помощью съемных фланцевых накладок 2 на торце ресивера 1. Затем возобновляют подачу сжатого воздуха и снимают показания однокомпонентных датчиков силы 4 при новом положении испытываемого сопла 3. Аналогично проводят необходимые измерения при положениях испытываемого сопла 3, полученных путем поворота относительно начального положения на 180 и 270 градусов.
На втором этапе испытаний испытываемое сопло 3 вертикально закрепляют на боковой поверхности ресивера 1 с помощью съемных фланцевых накладок 2. При этом горловину отверстия, расположенного с торца ресивера 1, закрывают с помощью заглушки 13.
Начальное положение испытываемого сопла 3 в горизонтальной плоскости аналогично положению испытываемого сопла 3 в вертикальной плоскости, изображенному на фиг. 1. Затем подают сжатый воздух и снимают показания однокомпонентных датчиков силы 4. Аналогично проводят необходимые измерения при положениях испытываемого сопла 3, полученных путем поворота относительно начального положения на 90, 180 и 270 градусов соответственно.
На заключительном этапе проводят анализ полученных данных и определение расчетных характеристик.
Реактивную силу определяют по формуле:
, где
- реактивная сила, H;
, ,  - проекции реактивной силы, H, соответственно, на оси X, Y, Z.
Угол выхода потока определяют по формуле:
, где
α - угол выхода потока, град.
Коэффициент скорости сопла определяют по формуле:
, где
1
C - выходная скорость потока, м/с, определяемая по формуле:
, где
G - расход потока, кг/с;
1теор
C - теоретическая выходная скорость, определяемая по формуле:
, где
k - адиабатный коэффициент воздуха;
R - газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К);
T - температура перед соплом, К;
1
P - давление перед соплом, Па;
2
P - давление за соплом, Па.
Таким образом, конструкция заявляемого стенда повышает точность и эффективность измерений благодаря возможности учета однокомпонентными датчиками силы скручивающих усилий упругих вставок, возникающих при повороте ресивера вокруг его поперечной оси.