Устройство для определения эксплуатационной вибрации летательных аппаратов

Полезная модель относится к области определения эксплуатационной вибрации газотурбинных двигателей летательных аппаратов и может быть использована для анализа влияния вибрации двигателей летательных аппаратов на содержание противоводокристаллизационных жидкостей в топливах для реактивных двигателей.
На стабильное содержание противоводокристаллизационной жидкости в топливах для реактивных двигателей и образование водножидкофазных осадков большое влияние оказывает эксплуатационная вибрация летательных аппаратов, а также многократное перекачивание топлива по топливопроводам при его подаче к газотурбинным двигателям или при центровке летательных аппаратов в полете.
Вибрация, как энергетическое воздействие, направленное от днища топливного бака к поверхности раздела фаз топливо-воздух, способствует протеканию нестационарных физических процессов, вызывающих неравномерное распределение давления, плотности и температуры в объеме топлива в баке.
Общий частотный диапазон вибраций газотурбинных двигателей летательных аппаратов с учетом применения современных демпфирующих устройств составляет 100-200 Гц. Вне этого диапазона частот обычно отсутствуют значительные составляющие вибрации.
Известен вибродатчик (RU 2535646, 20.12.2014) представляющий собой упругий элемент с магниторезистивными датчиками с двух сторон, выполненный с возможностью колебаний в существенно неоднородном поле магнита с плоскими полюсами. Вызываемое вибрацией колебание упругого элемента приводит к изменению сопротивлений магниторезисторов в противофазе, а внешние поля - к синфазному изменению сопротивлений магниторезисторов, что увеличивает чувствительность вибродатчика и расширяет возможности для выделения полезного сигнала.
Известен вибровискозиметрический датчик (RU 2491506, 11/08/2009), представляющий собой основание, причем основание и резонатор связаны с электродами, соединенными с цепью управления, через первый соединительный канал и второй соединительный канал. Цепь управления содержит схему возбуждения и схему регистрации и выполнена с возможностью управления стадией возбуждения и стадией регистрации на каждом из соединительных каналов, причем стадии возбуждения и стадии регистрации имеют соответственно по существу одинаковую длительность, и в следующей последовательности: стадия возбуждения на втором соединительном канале, стадия регистрации на первом соединительном канале, стадия возбуждения на первом соединительном канале, стадия регистрации на втором соединительном канале.
Принцип работы перечисленных выше аналогов не позволяет проводить исследования с жидкими средами, что является недопустимым для проведения наших исследований.
Наиболее подходящим по конструкции устройством для определения эксплуатационной вибрации летательных аппаратов, является вибровискозиметрический датчик (RU 2419781, 22.09.2008), принятый за прототип, представляющий собой датчик текущего механического положения измерительного зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную через шток с измерительным сферическим зондом, снабженным термопарным измерителем температуры, и размещенную на жестком основании, на котором расположен электрический возбудитель колебаний механической колебательной системы. При этом основание расположено внутри внешнего термостатированного корпуса датчика и вибротермоизолировано от него. Причем механическая колебательная система выполнена из двух колебательных звеньев с высокой добротностью в виде рабочего и компенсирующего вибраторов, жестко закрепленных на основании с возможностью осуществлять колебания преимущественно коллинеарно и соосно и имеющих близкие или одинаковые резонансные частоты. При этом возбудитель размещен с возможностью силового взаимодействия только с рабочим вибратором, на котором жестко закреплен шток с измерительным зондом. Кроме того, механическая колебательная система выполнена в виде камертона с параллельно расположенными рабочим и компенсирующим вибраторами.
Недостатком прототипа является то, что в данном виде вибродатчик не способен работать с частотой колебания зонда в диапазоне 100…200 Гц, что обусловлено конструкцией датчика и не позволяет изменять резонансную частоту рабочего плеча камертона.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в адаптации вибродатчика к работе с частотой колебания зонда в диапазоне 100…200 Гц.
Техническая задача решается путем изменения способа возбуждения колебаний рабочего плеча камертона, позволяющего изменять собственную частоту этого плеча камертона электронным путем за счет введения дополнительных мнимых сил в вынуждающую силу.
Согласно прототипа для рабочего плеча камертона дифференциальное уравнение вынужденных колебаний малой амплитуды как для механической колебательной системы с одной степенью свободы имеет вид:
где: М - приведенная масса колебательной системы;
r - механическое сопротивление колебательной системы;
В - приведенная жесткость колебательной системы;
х - отклонение колебательной системы от положения равновесия;
F(t) - вынуждающая сила, приложенная к колебательной системе.
Если вынуждающая сила изменяется по гармоническому закону, то:
Установившиеся вынужденные колебания массы М также являются гармоническими с той же угловой частотой:
где:
0
где: ω - собственная частота колебаний массы М, которая равна
р
0
На резонансной частоте со, которая при малом затухании близка к ω, амплитуда колебаний зонда максимальна и равна:
Таким образом при возбуждении рабочего плеча камертона по закону, определяемому уравнением (2), резонансная частота этого плеча в соответствии с (6) определяется однозначно параметрами В и М, которые, в свою очередь, определяются конструкцией и физическими свойствами используемых конструкционных материалов.
Поэтому данный способ возбуждения не позволяет изменять резонансную частоту рабочего плеча камертона без существенного изменения его конструктивного исполнения.
Решение поставленной задачи при таком подходе требует использования трех различных вибровискозиметрических датчиков, работающих на собственной частоте 100, 150 и 200 Гц.
Такое решение оказалось дорогостоящим и чрезвычайно трудоемким, так как требует согласования электрических характеристик всех трех датчиков.
В связи с этими возникающими сложностями был практически реализован другой подход, основанный на изменении способа возбуждения колебаний рабочего плеча камертона, позволяющий изменять собственную частоту этого плеча камертона электронным путем за счет введения дополнительных мнимых сил в вынуждающую силу F(t).
Предположим, что вынуждающая сила изменяется по F(t) изменяется по следующему закону:
Подставив (8) в уравнение (1) получим после группирования подобных членов:
1
2
В случае возбуждения гармонической силой с частотой со, уравнения (1) и (9) математически подобны и имеют одинаковые решения путем замены М на (M+k) и В на (В+k).
0
0м
Аналогично ω переходит в ω:
0м
где: ω - мнимая собственная частота колебательной системы;
м
М - мнимая масса;
м
В - мнимая жесткость.
Реализация данного способа возбуждения осуществлялась следующим простейшим образом: сигнал с датчика положения зонда вибровискозиметрического датчика усиливался в N раз и через суммирующий усилитель подавался на управляемый генератор тока, питающий обмотку электромагнита вибровискозиметрического датчика (элемент 2 на фигуре 1).
м
Мнимая жесткость В в этом случае будет равна:
0м
А мнимая собственная частота ω равна:
0м
Изменяя потенциометром коэффициент усиления N можно регулировать ω в достаточно широких пределах:
100
100
- устанавливался N≠0, при котором собственная частота рабочего плеча камертона становилась равной 100±2 Гц. Для этой частоты для компенсирующего плеча камертона подбирался груз m, при котором достигался режим компенсации;
150
- при N=0 собственная частота рабочего плеча камертона подбирается равной 150±2 Гц. Для этой частоты подбирался груз верхнего компенсирующего плеча камертона за счет ввинчивания дополнительных винтов, крепящих балластную свинцовую пластину, суммарной массой m в верхнюю свободную поверхность этого плеча, при которой достигался режим компенсации;
200
200
- устанавливался N≠0, при котором собственная частота рабочего плеча камертона становилась равной 200±2 Гц. Для этой частоты для компенсирующего плеча камертона подбирался груз m, при котором достигался режим компенсации;
В процессе экспериментов изменение частоты вибрации по ряду 100, 150, 200 Гц осуществлялось выбором дополнительных грузов и установкой соответствующей частоты потенциометром по показаниям.
Устройство для определения эксплуатационной вибрации летательных аппаратов, представляющее собой датчик текущего механического положения измерительного зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную через шток с измерительным сферическим зондом, снабженным термопарным измерителем температуры, и размещенную на жестком основании, на котором расположен электрический возбудитель колебаний механической колебательной системы, при этом основание расположено внутри внешнего термостатированного корпуса датчика и вибротермоизолировано от него, причем механическая колебательная система выполнена из двух колебательных звеньев с высокой добротностью в виде рабочего и компенсирующего вибраторов, жестко закрепленных на основании с возможностью осуществлять колебания преимущественно коллинеарно и соосно и имеющих близкие или одинаковые резонансные частоты, при этом возбудитель размещен с возможностью силового взаимодействия только с рабочим вибратором, на котором жестко закреплен шток с измерительным зондом, кроме того, механическая колебательная система выполнена в виде камертона с параллельно расположенными рабочим и компенсирующим вибраторами отличающееся тем, что на компенсирующий вибратор дополнительно устанавливается балластная свинцовая пластина, с целью изменения способа возбуждения колебаний рабочего плеча камертона, позволяющего изменять собственную частоту этого плеча камертона.
На фигуре 1 представлена конструкция устройства для определения эксплуатационной вибрации летательных аппаратов, представляющая собой датчик текущего механического положения измерительного зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную через шток 1 с измерительным сферическим зондом 2, снабженным термопарным измерителем температуры, и размещенную на жестком основании, на котором расположен электрический возбудитель колебаний механической колебательной системы 3, упругими элементами 4,5, основанием датчика 6, опорой 7, элементом крепления штока 8, рабочим вибратором 9, компенсирующим вибратором 10, крепежными винтами 11, балластной свинцовой пластины для изменения возбуждения колебаний рабочего плеча камертона 12, оптическим зазором между вибраторами 13, регулировочными винтами 14,15, консолью крепления оптического датчика положения 16:
1 - шток; 2 - виброзонд (медный шарик, диаметром 3 мм со впаянной термопарой); 3 - обмотка электромагнитного возбудителя колебаний; 4, 5 - упругие элементы; 6 - основание датчика; 7 - опора; 8 - элемент крепления штока; 9 - рабочий вибратор; 10 - компенсирующий вибратор; 11 - крепежные винты; 12 - балластная свинцовая пластина; 13 - оптический зазор между вибраторами; 14, 15 - регулировочные винты; 16 - консоль крепления оптического датчика положения.
Технические характеристики вибродатчика камертонного типа представлены в таблице.
Введение дополнительных компонентов существенно расширило функциональные возможности, что позволило проводить исследования в области влияния эксплуатационных свойств летательных аппаратов на стабильность смесей авиатоплив с присадками.