Термостатируемое гироскопическое устройство

 

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано в гироскопических приборах, работающих в условиях изменяющихся температур, давлений и ускорений. Сущность: термостатируемое гироскопическое устройство содержит двуслойный кожух с внешним и внутренним слоями чередующейся высокой и низкой теплопроводности, основание с закрепленным на нем посредством фланца чувствительным элементом. Внешний и внутренний слои кожуха выполнены в виде двух пар металлических колпаков со стенками. Каждый колпак внешнего слоя закреплен на основании с образованием замкнутой полости, внутри которой расположен фланец чувствительного элемента. Каждый колпак внутреннего слоя через соответствующую теплоизолирующую втулку прикреплен к соответствующему колпаку внешнего слоя. Между металлическими колпаками внешнего и внутреннего слоя образован газовый зазор, а толщина стенок металлических колпаков внешнего слоя δ_k1 и толщина стенок металлических колпаков δ_k2 удовлетворяет соотношению: δ_k1≥λ/λ_k1·H_k1 R_k1/4δ₂; где λ₂, λ_k1, λ_k2 - коэффициенты теплопрововодности газа материалов внешнего и внутреннего слоев. Н _k1 - высота колпаков внешнего слоя, R_k1 , R_k2 - средние радиусы металлических колпаков внешнего и внутреннего слоев, δ₂ - средняя ширина газового зазора. Технический результат: повышение точности и упрощение конструкции 1 ил.

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано в гироскопических приборах, работающих в условиях изменяющихся температур, давлений и ускорений.

Известно термостатируемое гироскопическое устройство [1], в котором для защиты от неравномерных температурных полей, вызванных окружающими источниками тепла, чувствительные элементы прикрыты вращающимися тепловыми экранами. За счет быстрого вращения экрана вокруг ЧЭ сглаживаются локальные температурные неравномерности, действующие из окружающей среды.

Вращающиеся тепловые экраны очень эффективно сглаживают неравномерности распределения тепловых воздействий из окружающей среды на ЧЭ, но слабо снижают общий фон тепловых воздействий, т.к. быстровращающийся экран нельзя сделать из хорошего теплоизолирующего материала, например пенопласта, имеющего очень низкие прочностные характеристики. Кроме того, для вращения экрана необходимы двигатель и система питания этого двигателя, что увеличивает сложность, габариты и энергопотребление устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является термостатируемое гироскопическое устройство, в котором ЧЭ защищены от температурных градиентов при помощи многослойного кожуха, сформированного из чередующихся слоев с высокой и низкой теплопроводностью, навитых прямо на корпус ЧЭ [2]. Слои материала с низкой теплопроводностью предназначены для тепловой изоляции прибора, слои с высокой - дополняют эту изоляцию, сглаживая (рассасывая) температурные градиенты из окружающей среды.

Основным недостатком известного устройства является то, что в нем цилиндрический многослойный кожух не защищает торцевые поверхности чувствительных элементов от внешних тепловых воздействий, т.к. выполненный намоткой многослойный кожух невозможно сделать замкнутым по торцевым поверхностям.

Кроме того, как признают авторы известного устройства, цилиндрический кожух при очень хорошем выравнивании температурных градиентов по окружности очень слабо выравнивает осевые температурные градиенты, т.е. если тепловой поток проходит вдоль оси цилиндрического кожуха, то будут значительные осевые градиенты и, следовательно, увеличатся погрешности ЧЭ. При использовании в устройстве ЧЭ, для которых являются критическими осевые градиенты температур (например, струнных акселерометров), использование известной конструкции кожуха не оптимально, поскольку для уменьшения осевых температурных градиентов необходимо увеличить толщину стенок корпуса ЧЭ.

В известном устройстве ЧЭ в многослойном кожухе устанавливают на основании посредством фланца, закрепленного на внешней поверхности многослойного кожуха, который не обладает высокими и, самое главное, стабильными точностными характеристиками. Поэтому из-за нестабильности крепления ЧЭ на основании значительно ухудшается точность устройства. Известный многослойный кожух сложен в изготовлении.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности и упрощение конструкции устройства.

Указанная цель достигается тем, что в известном термостатируемом гироскопическом устройстве, содержащем основание с закрепленным на нем посредством фланца чувствительным элементом, помещенным в многослойный кожух, сформированным из чередующихся слоев с высокой и низкой теплопроводностью, многослойный кожух выполнен в виде двух пар металлических колпаков, из которых внешняя пара колпаков с толщиной стенок δ_к1 закреплена на основании так, что образует замкнутый объем, внутри которого расположены фланец ЧЭ и внутренняя пара колпаков с толщиной стенок δ_к2, каждый из которых через теплоизолирующую втулку прикреплен к соответствующему колпаку внешней пары, образуя при этом вокруг себя гарантированные газовые зазоры δ₂, величины δ_к1 и δ_к2 определяют из соотношений

где λ₂, λ_к1, λ_к2 - коэффициенты теплопроводности газа и материалов внешней и внутренней пар колпаков, Вт/м.K;

Н_к1 - высота колпака внешней пары, м;

R_к1, R_к2 - средние радиусы колпаков внешней и внутренней пары, м;

δ₂ - средняя ширина газового зазора, м.

Существенным отличием предлагаемого технического решения является выполнение кожуха в виде двух замкнутых, с высокой теплопроводностью, слоев, имеющих разную толщину (δ_к1, δ_к2), чередующихся с двумя замкнутыми, с низкой теплопроводностью, слоями, имеющими одинаковую толщину (δ₂).

Предлагаемая конструкция позволяет существенно уменьшить и выравнить осевые и окружные температурные градиенты, тем самым повысить точность устройства за счет уменьшения температурных погрешностей.

Представлен чертеж предлагаемого устройства.

ЧЭ 1 закреплен посредством фланца 2 через тепловыравнивающую втулку 3 [3] на термостатированном основании 4 устройства и помещен в многослойный кожух, выполненный в виде двух пар металлических (например, алиминиевых) колпаков 5, 6, 7, 8, из которых внешняя дара колпаков 5, 6, имеющих толщину стенок δ_к1, закреплены на основании 4 так, что образуют замкнутый объем, внутри которого расположены фланец 2 чувствительного элемента 1 и внутренняя пара колпаков 7, 8, тлеющих толщину стенок δ_к2. Каждый колпак 7 и 8 через теплоизолирующую втулку 9 и 10 прикреплен к соответствующему колпаку 5 и 6, образуя при этом вокруг себя гарантированные газовые зазоры δ₂ 11.

Зазоры 11 выбирают из условия гарантированного отсутствия в них конвективного теплообмена за счет естественной конвекции заполняющей их газовой среды в поле сил тяжести (ускорения). Согласно источнику информации [5, c.209] передача тепла через газовый зазор будет осуществляться только теплопроводностью при выполнении следующего соотношения

где G_r - критерий Грасгофа;

Р_r - критерий Прандля.

При определении критериев независимо от формы газовых зазоров за определяющий размер принята толщина газовых зазоров δ₂ [4, c.209].

Для воздуха или азота, наиболее часто употребляющихся в качестве газовых сред в гироскопических приборах, в диапазоне температур 20÷60°С величину δ₂ определяют

Р _r=0,7

где - коэффициент объемного расширения;

Т - абсолютная температура газа, K;

g - 10÷100 гл/с ² - ускорение (на дежурстве и при взлете);

ν=17·10^-6 м² /с - кинематическая вязкость;

ΔТ=10 K - характерная разность температур между защитными колпаками и окружающей газовой средой.

Подставив все данные в зависимость, (2), получим

δ₂≤5·10^-3 М,

т.е. газовые зазоры между колпаками ЧЭ должны быть не более 5 мм толщиной.

Толщины δ_к1, δ_к2 колпаков 5, 6, 7, 8 выбраны из условия обеспечения требуемой теплопроводности.

У колпаков 5, 8, защищающих ЧЭ 1 от осевых градиентов температуры окружающей среды, тепловая проводимость с торцевых частей по металлу боковой поверхности на основание 4 должна быть выше, чем тепловая проводимость через торцевые части колпаков 6, 5, 7, 8 и газовые зазоры 11 между ними. В математической форме это запишется следующим образом [4]

Преобразуя уравнение (3), получим

У колпаков 7, 8, защищающих ЧЭ 1 от окружных температурных градиентов окружающей среды, тепловая проводимость сквозь боковую цилиндрическую поверхность (в худшем случае через половину) и газовые зазоры 11 должна быть меньше, чем тепловая проводимость по металлу боковой поверхности. Это условие определяет закорачивание окружных температурных градиентов на колпаках 7, 8 и математически выражено следующим образом [4]

где Н_к2 - высота колпаков 7, 8.

Преобразуя уравнение (5), получаем

Для подавления теплообмена излучением между ЧЭ 1 и окружающей средой внешнюю поверхность колпаков 7, 8 полируют или покрывают электролитическим способом слоем никеля или серебра.

Устройство работает следующим образом.

Термостатируемое основание 4 имеет постоянную температуру, а окружающая ЧЭ 1 среда может иметь переменное во времени и в пространстве температурное поле. При этом колпаки 5, 6, имеющие высокую тепловую проводимость, замыкают все внешние осевые температурные градиенты на массивное основание 4 (в направлении от торцевых частей по металлу боковой поверхности на основание 4). Колпаки 7, 8, изолированные втулками 9, 10 и газовыми зазорами 11 от ЧЭ 1 и от основания 4, замыкают и гасят окружные температурные градиенты.

Таким образом, чередование замкнутых слоев разной толщины (δ_к1, δ_к2), имеющих высокую теплопроводность, с замкнутыми слоями одинаковой толщины (δ₂), имеющих низкую теплопроводность, уменьшает внешние температурные градиенты и является эффективной тепловой изоляцией.

Как показали результаты математического моделирования на ЭВМ и экспериментальные испытания, предлагаемое устройство обеспечивает уменьшение внешних температурных градиентов окружающей среды следующим образом:

- осевых - в 100÷200 раз;

- окружных - в 500÷1000 раз.

В результате этого практически сведены к нулю все точностные погрешности ЧЭ, обусловленные нестационарными градиентами, что повышает общие точностные параметры устройства в 1,5÷2 раза. При этом ЧЭ, установленный на термостатируемом основании, в предлагаемом кожухе, не требует собственной системы термостатирования, что значительно упрощает конструкцию устройства и уменьшает потребляемую энергию.

Источники информации

1. Теодор Д.Холмс. Система трехступенчатого терморегулирования гиростабилизатора морской информационной системы (SINS), Sperru Engineering Review, 1964, v.17, №1, Spring, R.36-38.

2. Ф.Петри, Ф.Кумедж. Эффективность многослойного кожуха для снижения температурных градиентов в гироскопе. AIDA Paper 80-1744.

3. Авторское свидетельство СССР №1840634, 2007.

4. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.

Формула изобретения

Термостатируемое гироскопическое устройство, содержащее двуслойный кожух с внешним и внутренним слоями чередующейся высокой и низкой теплопроводности, основание с закрепленным на нем посредством фланца чувствительным элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, внешний и внутренний слои кожуха выполнены в виде двух пар металлических колпаков со стенками, каждой колпак внешнего слоя закреплен на основании с образованием замкнутой полости, внутри которой расположен фланец чувствительного элемента, каждый колпак внутреннего слоя через соответствующую вновь введенную теплоизолирующую втулку прикреплен к соответствующему металлическому колпаку внешнего слоя, при этом между металлическими колпаками внешнего и внутреннего слоя образован газовый зазор, а толщина стенок металлических колпаков внешнего слоя δ_к1 и толщина металлических колпаков внутреннего слоя δ_к2 удовлетворяют соотношению

где λ₂, λ_к1, λ_к2 - коэффициенты теплопроводности газа и материалов внешнего и внутреннего слоев;

H _к1 - высота колпаков внешнего слоя;

R _к1, R_к2 - средние радиусы металлических колпаков внешнего и внутреннего слоев;

δ₂ - средняя ширина газового зазора.

РИСУНКИ