Дифференциальная установка маятниковой конструкции

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения и предназначена для сравнительной оценки тяги двух модельных 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 бóльшего диаметра (дифференциал) расположен в середине, на срезе одного из двух (рабочих) цилиндров одинакового размера установлено круглое сопло Лаваля (испытуемое сопло), а на открытом конце другого цилиндра установлен газовый компенсатор - сопло с центральным телом (эталон). На входах двух рабочих цилиндров установлены также блоки делительных звуковых сопел, обеспечивающие одинаковые расходы рабочего тела (воздуха) через оба цилиндра. Результатом испытаний является определение разности тяг двух сравниваемых сопел при одинаковом расходе воздуха через рабочие цилиндры (патент РФ на полезную модель № 55983, МПК G01M 15/00, 2006 г.).
Недостатком прототипа являются большие гидравлические потери при истечении воздуха через звуковые сопла, установленные в блоках делительных сопел, так как струя газа дальше не разгоняется из-за отсутствия сверхзвуковых частей сопел.
Задачей предлагаемой полезной модели является снижение гидравлических потерь при проведении сравнительных испытаний на дифференциальной установке двух реактивных сопел путем замены звуковых сопел в блоках делительных сопел сверхзвуковыми соплами.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является снижение гидравлических потерь за счет замены звуковых сопел делительных сопел сверхзвуковыми, в результате чего появляется возможность проведения испытаний модельных сопел на более широком диапазоне изменения давления воздуха на их входе (в рабочих цилиндрах установки).
Заявленный технический результат достигается тем, что в 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, при этом в середине расположен дифференциал, представляющий собой цилиндр бóльшего диаметра, примыкающие к нему два рабочих цилиндра имеют одинаковые размеры, на открытых торцах рабочих цилиндров установлены испытуемое и эталонное круглые сопла Лаваля, а на противоположных торцах, примыкающих к дифференциалу, установлены блоки делительных сопел, согласно заявляемой полезной модели в блоках делительных сопел установлены сверхзвуковые круглые сопла Лаваля.
В частном случае углы расширения сверхзвуковой части сопел Лаваля, устанавливаемых в блоке делительных сопел, выбираются в пределах β = (4 ÷ 10)° на одну сторону.
На фиг. 1 изображена схема дифференциальной установки.
На фиг. 2 приведен маятниковый узел дифференциальной установки.
На фиг. 3 представлен продольный разрез блока делительных сопел.
На фиг. 4 приведен продольный разрез сверхзвукового сопла Лаваля.
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, эталонного сопла 8 и испытуемого сопла 9. Эталонное сопло 8 и испытуемое сопло 9 установлены соосно с рабочими цилиндрами 6 и 7. При этом площади их минимальных сечений одинаковы. Вертикальная колонна 1, воздушный дифференциал 4, рабочие цилиндры 6 и 7, эталонное сопло 8 и испытуемое сопло 9 составляют маятниковый узел установки (фиг. 2), который установлен вертикально на полый тензометрический стакан 2. С целью создания максимального изгибного напряжения внутри стенки тензометрического стакана 2 его стенки выполняются тонкостенными. Толщина стенки определяется ее механической 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. Каждый из блоков состоит из пяти круглых сверхзвуковых сопел 10. При этом суммарная площадь минимальных сечений сверхзвуковых сопел 10 одного блока делительных сопел 5 меньше площади минимального сечения испытуемого 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 2 с диаметрально противоположных его сторон. Они входят в состав тензометрического моста измерительной линии (на фигурах не показан). 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 5 обеспечивает разделение воздуха к рабочим цилиндрам 6 и 7 в равном соотношении, обеспечивая равные расходы воздуха через эталонное сопло 8 и испытуемое сопло 9. В результате возникновения разности тяг, создаваемых эталонным соплом 8 и испытуемым соплом 9, тензометрический стакан 2 изгибается в плоскости действия разности тяг. Так как тензодатчики 3 наклеены на тензостакане 2 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 эталонного сопла 8 и испытуемого сопла 9, регистрируется прибором. После первого запуска производят перестановку двух сопел Лаваля местами, и повторяют запуск. Величину разности тяг между двумя сравниваемыми круглыми соплами Лаваля (между эталоном и рабочим соплом) находят путем усреднения суммы двух измеренных величин
Рср= (ΔР1 - ΔР2)/2,
где ΔР1, ΔР2 - разность тяг между испытуемым соплом и эталонным соплом при двух запусках.
При таком методе испытаний двух сравниваемых сопел устраняется ошибка измерения разности тяг из-за неодинаковости расхода через блоки делительных сопел.
Угол расширения сверхзвуковой части сопла Лаваля, устанавливаемого в блоке делительных сопел, выбирается в пределах β = (4 ÷ 10)° на одну сторону.
При угле расширения сверхзвуковой части сопла Лаваля меньше β<4° увеличатся потери трения из-за увеличения продольной длины сверхзвуковой части сопла Лаваля.
При угле расширения сверхзвуковой части сопла Лаваля больше β>10° изменится расход воздуха через блоки делительных сопел Лаваля из-за изменения структуры течения внутри сверхзвуковых сопел Лаваля.
При угле расширения сверхзвуковой части круглого сопла Лаваля в пределах β = (4 ÷ 10)° наступает такое течения потока воздуха, при котором внутри сверхзвуковой части круглого сопла Лаваля происходит восстановление давления воздуха, в результате чего в рабочих цилиндрах дифференциальной установки давление составляет Рц = 0,9 Рд, тогда как при использовании звуковых сопел Рц = 0,53 Рд, где Рд - давление воздуха внутри дифференциала.
Перепад давления воздуха в случае использования звукового сопла составит
при коэффициенте адиабаты для воздуха К = 1.4 критический перепад равен
Ркр/Р0 = (2/2,4)1,4/0,4 = 0,8333,5 = 0,528
[Иров Ю.Д. Газодинамические функции, М., Машиностроение, 1965].
В данном случае давление в рабочих цилиндрах установки будет
Рц = Ркр = 0,528* Рк = 0,528*100 атм = 52,8 атм.
При использовании в блоках делительных сопел сверхзвуковых сопел давление в рабочем цилиндре составит
Рц = 0,9*Р0 = 0,9*100 = 90 атм.
Таким образом, при использовании в блоках делительных сопел сверхзвуковых сопел Лаваля за счёт восстановления давления внутри сверхзвуковых сопел, гидравлические потери в блоках делительных сопел существенно снижаются, вследствие чего появляется возможность проведения сравнительных испытаний двух реактивных сопел при широком диапазоне изменения давления воздуха в рабочих цилиндрах, то есть на входе в испытуемые сопла.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает при одинаковых давлениях в рабочих цилиндрах (до и после замены звуковых сопел) за счёт замены в блоках делительных сопел звуковых сопел сверхзвуковыми соплами Лаваля существенную экономию рабочего тела (сжатого воздуха), что несомненно даст экономический эффект.