Способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера



Способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера

 


Владельцы патента RU 2571702:

Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), снабженных устройствами гашения колебаний (демпферами). Изобретение предназначено, в частности, для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, и расчета на основании полученных данных оптимальных параметров демпфера, при которых его эффективность максимальна. Способ включает измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний. При этом демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода. Заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление. Надувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем. Формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии. Измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами. Технический результат заключается в повышении точности определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), снабженных устройствами гашения колебаний (демпферами). Изобретение предназначено, в частности, для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой и расчета на основании полученных данных оптимальных параметров демпфера, при которых его эффективность максимальна.

При создании и эксплуатации ракет-носителей (РН) часто возникает проблема их продольной устойчивости, суть которой заключается в том, что в процессе полета возбуждаются колебания РН, которые могут приводить к выходу из строя как составных элементов РН, так и изделия в целом (вплоть до его полного разрушения). Причина этого явления заключается в потере устойчивости контура: корпус РН - гидравлическая магистраль подачи компонентов топлива - жидкостный ракетный двигатель, т.е. колебания давления компонентов на входе в двигатель приводят к колебаниям тяги двигателя, что, в свою очередь, приводит к колебаниям корпуса ракеты-носителя, а это усиливает колебания в магистралях подвода компонентов. Система входит в резонанс. В результате происходит существенное увеличение первоначальной амплитуды колебаний, что, в конечном счете, и ведет к указанным негативным последствиям. Для борьбы с данным явлением часто применяют установку устройства гашения колебаний (демпфера) на одну из гидравлических магистралей двигателя.

Для принятия мер по устранению продольной неустойчивости РН необходимо знать амплитудно-фазовые частотные характеристики (АФЧХ) магистрали с установленным демпфером и двигателя как расчетные, так и полученные экспериментальным путем для конкретного ЖРД.

Демпфирующие устройства представляют собой газовые емкости, устанавливаемые в конце трубопроводов на минимально допускаемых компоновкой ракеты расстояниях от входов в соответствующие насосы двигателя. Конструкция демпферов не предусматривает использование сильфонов для изоляции газовой полости от компонентов, а также каких-либо устройств, регулирующих уровень жидкости в газовой полости демпфера. Подобного рода решение обеспечивает простоту конструкции, однако сохраняет необходимость экспериментальной отработки на специально созданных с этой целью экспериментальных установках. Необходимость проведения дополнительных экспериментальных работ связана с колебаниями давления в трубопроводе, вызываемых переходными процессами, возникающими при наддуве газовой полости демпфера, а также включением или изменением режима работы двигателя.

Радикальным методом снижения амплитуд колебаний давления жидкости в трубопроводе на переходных режимах является установка в горловине демпфера перфорированной перегородки (перфовставки). Установка перфорированной перегородки существенно снижает амплитуды колебаний давлений при переходных процессах за счет внесения дополнительного рассеивания энергии.

Однако необходима оптимизация конструктивных параметров перфовставки. К этим конструктивным параметрам относятся размеры и число отверстий перфовставки, а также ее толщина. Отсутствие надежных данных по коэффициентам сопротивления отверстий перфовставки в условиях нестационарных течений, а также значений присоединенных масс, которые необходимо учитывать при расчетах инерционного сопротивления перфовставки, приводит к необходимости экспериментального определения этих величин.

Из уровня техники известен источник: Фенвик Дж. Р., Джонс ДЖ. Г., Джевел Р.Э. «Результаты частотных испытаний основного двигателя МТКК «СПЕЙС ШАТТЛ» в приложении к проблеме ПОГО-устойчивости», ГОНТИ-8, 1982, стр. 13-15, (The Shock and Vibration Bulletin tom 52 part 2). В указанном источнике раскрыт способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, который включает измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний, создаваемых пульсатором.

Известное решение является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.

К недостаткам известного технического решения можно отнести невысокую точность определения АФЧХ, поскольку в известном решении получают серии откликов параметров для одной неизменяемой заданной величины амплитуды колебаний. Также недостатком является необходимость проведения комплекса сложных специальных испытаний, что существенно удорожает процесс определения АФЧХ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения АФЧХ газового демпфера.

Для достижения технического результата предложен способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, включающий измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний. При осуществлении способа демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода, заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление, наддувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем. Затем формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии. Измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами.

Величину амплитуды колебаний давления каждой серии можно задавать наложением пульсаций давления на часть постоянного суммарного расхода рабочей жидкости.

В качестве рабочей жидкости можно использовать воду.

Способ осуществляют в рабочем диапазоне частот, например: 3±50 Гц.

Диаметр модели натурного трубопровода равен натурному диаметру (калибру) топливной магистрали двигателя, а ее длина равна двум или трем диаметрам (калибрам).

Диаметры магистралей, подводящих компоненты топлива к двигателям для первых ступеней современных ракет-носителей, достигают значений 0,5 метра и более, при этом расход компонентов топлива составляет 500-2000 кг/с, поэтому проведение испытаний с использованием укороченных магистралей и при уменьшенном расходе существенно упрощает и удешевляет задачу экспериментального определения амплитудно-фазовых частотных характеристик демпфера.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит модель натурного трубопровода двигателя, выполненную с возможностью установки на ней газового демпфера, и устройство, задающее возмущающее воздействие, а также датчики давления, установленные в модели натурного трубопровода на входе в демпфер и в газовой полости демпфера. Устройство заполнено рабочей жидкостью. Причем устройство, задающее возмущающее воздействие, соединено с моделью натурного трубопровода и содержит пульсатор и регулирующий клапан, установленный параллельно пульсатору на его байпасе.

Изобретение поясняетсячертежом, на котором показана принципиальная схема устройства для определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой.

Модель натурного трубопровода 1 представляет собой часть трубопровода двигателя натурного диаметра и малой длины. При этом при проведении эксперимента в качестве рабочей жидкости вместо компонента топлива используют воду. Расход воды составляет до 5 процентов, в частности 3-5 процентов, от номинального натурного расхода компонента топлива в двигателе. Функционально модель ракетного трубопровода можно рассматривать в качестве проточной емкости. Модель 1 оснащена натурным газовым демпфером 2, конструкция которого предусматривает установку перфовставки 3, а также клапанов 8 и 9, служащих для наддува и сброса газа из газовой полости. Рабочая жидкость (вода) поступает в модель ракетного трубопровода из питающей емкости 12, в которой поддерживается постоянное давление, на 5-10 атм (0,5-1 МПа) превышающее рабочее давление на входе в двигатель. Питающая емкость 12 и модель 1 натурного трубопровода двигателя соединены трубопроводом, на котором установлены отсечной клапан 10, расходомер 13, настроечный клапан 11. Диаметр трубопровода, соединяющего питающую емкость с моделью ракетного трубопровода 1, много меньше диаметра последнего, что обеспечивает большое значение инерционных сил, возникающих в нем при колебаниях давления в модели 1. Слив рабочей жидкости из модели 1 осуществляется посредством трубопровода 4 в сливную емкость 14 через настроечную шайбу 7. Пульсатор 5 охвачен байпасом с регулирующим клапаном 6. Пульсатор 5 используется для создания гармонических колебаний, действующих на демпфер 2.

Основными параметрами, измеряемыми в процессе эксплуатации установки, являются: статические значения давления и расход жидкости в модели ракетного трубопровода, а также уровень жидкости в демпфере, измеряемый датчиком 16. К числу динамических параметров, регистрируемых аналого-цифровым комплексом с целью дальнейшего анализа, относятся: колебания давления на входе в демпфер и колебания давления в газовой полости демпфера, измеряемые соответственно датчиками давления 15 и 17, а также угол поворота вала пульсатора.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Исходное состояние.

Отсечной клапан 10 закрыт. В питающей емкости установлено рабочее давление. Вал пульсатора установлен в среднем положении. Регулирующий клапан 6 байпаса открыт до некоторого заданного значения. Клапан сброса газа из газовой полости 9 открыт. Клапан наддува газовой полости 8 закрыт.

2. Настройка статического режима. Последовательность операций.

Открывается отсечной клапан 10. После заполнения всей системы жидкостью закрывается клапан 9. Путем изменения степени закрытия клапана 11 в модели ракетного трубопровода 1 устанавливается рабочее давление, после чего на отрезок времени, необходимый для установки в газовой полости демпфера заданного уровня жидкости, временно открывается клапан наддува 8. В результате осуществления всех описанных операций демпфер находится в состоянии, отличающемся от эксплуатационного только тем, что расход жидкости, протекающей в модельном трубопроводе, существенно меньше натурного. Последнее обстоятельство, как показывает дополнительный анализ, несущественно.

3. Частотные испытания.

Искомой частотной характеристикой является отношение амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и на входе в демпфер (в модели ракетного трубопровода), а также фазовые сдвиги между этими колебаниями. Рабочий диапазон частот должен соответствовать представляющим интерес значениям частот колебаний и лежит в пределах от 3 до 50 Гц.

Гармонические колебания на входе в демпфер создаются пульсатором 5. Амплитуда колебаний, создаваемая пульсатором, зависит от сопротивления регулирующего клапана 6 байпаса. Каждая серия частотных испытаний осуществляется при фиксированном (но разном для каждой серии испытаний) сопротивлении регулирующего клапана байпаса, т.е. при фиксированной величине амплитуды, разной для каждой серии испытаний.

4. Отключение установки.

Отключение установки осуществляется путем закрытия отсечного клапана 10 с последующей продувкой системы воздухом, поступающим через клапан 8.

Таким образом, одновременно записываются три сигнала: колебания перед перфовставкой δP, колебания в газовой полости δ P * ' и синусоида, соответствующая углу поворота вала пульсатора. Последняя играет роль опорного сигнала. Непосредственно используя три перечисленные записи, с помощью использования специальных программ обработки записанных сигналов осуществляется построение искомых АФЧХ:

K * ( i ω , | δ P ' | ) = | δ P * ' | | δ P * | e i ϕ * ,

где | δ P * | и | δ P * ' | - модули амплитуд колебаний на входе и в газовой полости

демпфера, φ - фазовый сдвиг между этими колебаниями.

Приведенная выше амплитудно-частотная характеристика записана в форме, явно указывающей на зависимость ее значений от амплитуды колебаний давления на входе в демпфер. Необходимость в подобной форме записи связана с тем, что перфовставка представляет собой нелинейный элемент, поскольку ее коэффициент сопротивления квадратично зависит от расхода протекающей через нее жидкости. Принятая форма записи соответствует использованию для исследования нелинейных систем, так называемого метода гармонического баланса.

Методика дополнительной обработки позволяет определить по серии частотных характеристик K(iω,|δР'|), полученных при разных значениях δР', как результатыгармонической линеаризации гидравлического сопротивления перфовставки, так и инерционность жидкости в перфовставке с учетом присоединенной массы. Полученные данные являются достаточными для определения оптимальных параметров (геометрических размеров) элементов демпфера, при которых его эффективность максимальна.

Предлагаемый способ с использованием дополнительной методики обработки полученных данных позволяет определить динамические свойства демпфера, конструктивные параметры перфовставки демпфера и уточнить эмпирические коэффициенты, содержащиеся в уравнениях демпфера.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит снизить затраты при повышении точности и надежности определения амплитудно-частотных характеристик демпфера и, как следствие, найти оптимальные параметры демпфера.

1. Способ определения амплитудно-фазовых частотных характеристик газового демпфера с перфовставкой, включающий измерение и сравнение откликов демпфера на возмущающее воздействие в виде гармонических колебаний, отличающийся тем, что демпфер устанавливают на модель натурного трубопровода, заполняют систему рабочей жидкостью, создают рабочее давление, надувают газовый демпфер до установки рабочего уровня жидкости в нем, формируют серии возмущающих воздействий в виде гармонических колебаний с рабочим диапазоном частот для задаваемых величин амплитуд колебаний давления, разных для каждой серии, измеряют отклики демпфера в виде амплитуд колебаний давления в газовой полости демпфера и в модели натурного трубопровода на входе в демпфер, а также фазовый сдвиг между указанными амплитудами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину амплитуды колебаний давления каждой серии задают наложением пульсаций давления на часть постоянного суммарного расхода рабочей жидкости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочей жидкости используют воду.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочий диапазон частот составляет 3÷50 Гц.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель натурного трубопровода имеет диаметр, равный натурному диаметру топливной магистрали двигателя, и длину, равную двум или трем диаметрам.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что расход рабочей жидкости составляет 3-5% от натурного расхода топлива в двигателе.



 

Похожие патенты:

Экспериментальный газогенератор для определения параметров продуктов сгорания твердых топлив, включающий корпус, переднюю крышку, сопловой блок и заряд торцевого горения из твердого топлива, а также датчик тяги, выполненный с возможностью упора в опорную плиту.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей твердого топлива.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендам для проведения гидроиспытаний корпусов ракетных двигателей на твердом топливе, как на рабочее давление, так и на давление формования твердотопливного заряда.

Изобретение относится к области испытаний ракетных двигателей, а именно к стапелям для измерения осевой силы тяги ракетных двигателей. Стапель для измерения осевой силы тяги ракетного двигателя содержит неподвижную раму, подвижную часть с узлами крепления двигателя, переходник и преобразователи силы.

При термовакуумных испытаниях термокаталитических двигателей в составе космического аппарата на камеру термокаталитического разложения рабочего тела с соплом устанавливают герметичную заглушку, магистраль межблочного трубопровода через проверочную горловину и технологическую магистраль сообщают со стендовым средством вакуумирования, мановакуумметром и газовым пультом, между которыми установлен вентиль.
Изобретение относится к комплексам автоматизированного управления ракетными формированиями и формированиями реактивных систем залпового огня крупного калибра.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при экспериментальной отработке заборных устройств, установленных в топливных баках ракет, для экспериментального определения гидравлических остатков незабора топлива в динамических условиях.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при экспериментальной отработке заборных устройств, установленных в топливных баках ракет, для экспериментального определения гидравлических остатков незабора топлива.

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступени ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях, а также и при натурных пусках РН с системами газификации.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании деталей из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), работающих в условиях воздействия высокотемпературной окислительной среды на поверхности деталей ракетной техники.

При подтверждении внутрибаллистических и энергетических характеристик твердотопливного заряда ракетного двигателя сжигают серию зарядов с различной скоростью горения в камере-имитаторе с расходным круглым отверстием критического сечения с замером давления в камере-имитаторе. Перед сжиганием заряд термостатируется до температуры, обеспечивающей скорость горения заряда и давление в двигателе с минимальными отклонениями от их номинальных значений и определяемой по формуле, защищаемой настоящим изобретением. Стендовое устройство для подтверждения внутрибаллистических и энергетических характеристик твердотопливного заряда ракетного двигателя содержит металлический стапель с горизонтальной поворотной плитой для крепления камеры-имитатора с расходным круглым отверстием критического сечения, датчик замера давления в камере-имитаторе и силоизмеритель между поворотной плитой и стапелем. Стапель имеет вертикальную упорную стенку, к которой крепится кронштейн с подшипниковым узлом для вертикального вала поворотной плиты. Силоизмеритель закреплен на вертикальной упорной стенке стапеля и соприкасается с боковой поверхностью поворотной плиты. Поворотная плита и вертикальная упорная стенка стапеля связаны в горизонтальной плоскости витой пружиной для начального поджатия поворотной плиты стапеля к силоизмерителю. Поворотная плита под камерой-имитатором имеет вертикальные стойки, соприкасающиеся с полом стенда через концевые подшипники, оси которых перпендикулярны оси силоизмерителя. Камера-имитатор заключена в теплоизолирующий кожух и имеет трубопровод с соплом, ось которого параллельна оси силоизмерителя. Оси трубопровода с соплом и силоизмерителя перпендикулярны вертикальной упорной стенке стапеля. Группа изобретений позволяет снизить погрешность при определении внутрибаллистических и энергетических характеристик твердотопливного заряда ракетного двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для определения скорости горения твердого ракетного топлива при стационарном и переменном давлении в камере сгорания. Способ включает подготовку, монтаж и сжигание цилиндрического образца твердого ракетного топлива в камере сгорания, имеющей систему регистрации давления и вентили подачи и сброса давления, нанесение пропилов на поверхность образца, поджигание образца, поддержание и контроль давления в камере на уровне заданного, определение скорости горения по расчетным соотношениям. Поддержание и контроль давления осуществляется автоматически, а сжигание образца осуществляется в камере сгорания, заполненной до начала горения инертным газом, сжатым до требуемого уровня. Перед монтажом у испытуемого образца, со стороны наружной цилиндрической поверхности, на фиксируемых расстояниях от переднего торца образца в радиальном направлении ножевыми резцами наносят две или более кольцевых радиальных просечек и затем бронируют образец по цилиндрической поверхности, причем просечки наносят в начале и конце каждого контрольного участка. Скорость горения твердого ракетного топлива определяют на контрольном участке горящего свода образца по расчетным соотношениям. Изобретение повысить точность определения скорости горения твердого ракетного топлива. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей твердого топлива. Установка для гашения ракетного двигателя твердого топлива при испытаниях содержит связанную с системой подачи охлаждающей жидкости полую штангу с форсункой. Между полой штангой с форсункой и системой подачи охлаждающей жидкости размещены телескопически сочлененные между собой полые поршни, причем у юбки каждого поршня установлен коллектор перетекания охлаждающей жидкости, а у днища каждого поршня выполнены радиальные каналы, соединяющие полость поршня в его выдвинутом положении с коллектором перетекания охлаждающей жидкости смежного поршня. По периметру коллекторов перетекания охлаждающей жидкости установлены форсунки. На полом поршне установлен центрирующий механизм, выполненный в виде поворотных стержней с фиксаторами начального и конечного положений. Изобретение позволяет получить достоверную информацию о состоянии материальной части, в том числе ракетных двигателей большого удлинения, а также высотных ракетных двигателей при огневых стендовых испытаниях в газодинамических трубах. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к моделированию процесса сжигания продуктов газификации неизрасходованных остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отработанной ступени ракеты-носителя. В способе моделирования, включающем введение в экспериментальную установку продуктов газификации из каждого бака, зажигание рабочей смеси, проведение измерений параметров процесса, в соответствии с изобретением при моделировании процесса сжигания продуктов газификации окислителя, исследуемый состав приготавливают путем смешения газообразного окислителя, паров воды и гелия, а при моделировании процесса сжигания продуктов газификации горючего, исследуемый состав приготавливают путем смешения теплоносителя, газообразного горючего и гелия. Устройство для реализации способа, включающее в свой состав коллектор, экспериментальный бак, магистрали подачи компонентов топлива, при этом в его состав введены баллоны, наполненные продуктами газификации компонентов топлива и соединенные через регулируемые клапаны, и дроссели с коллектором, система зажигания продуктов газификации. Изобретение обеспечивает расширение экспериментальных методов исследований сжигания сложных составов, а также снижение затрат при проведении экспериментальных исследований. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх