702

му изменение уровня жидкости в емкости вызывает такое же изменение и в мерной трубке. Достоинство этого метода заключается в наглядности измерения. Недостатками являются большая погрешность замера вследствие различного диаметра емкости по высоте и различная степень смачивания стенок жидкостью в емкости и в трубке. Кроме этого, на показания прибора большое влияние оказывает инерционность процесса. При увеличении расхода уровень в трубке запаздывает по сравнению с уровнем жидкости в емкости. Недостатком надо считать и невозможность регистрации показаний прибора.

Уровнемеры, т.е. измерительные приборы, показывающие уровень жидкости в баках. Схемы работы уровнемеров приведены на рис. 7.8. Они могут быть:

-электромеханические, работа их основана на движении поплавка, помещенного в жидкость и механически связанного с реостатом. Недостаток этого уровнемера заключается в дискретности показаний, которая определяется толщиной провода на реостате;

-индуктивные, представляют собой штангу, собранную из катушек индуктивности и помещенную в бак с жидкостью. При движении поплавка меняется индуктивность катушек, что и является выходным сигналом датчика. По-

грешность замера составляет 1,0 %. Недостатками конструкции являются дискретность замера и большая чувствительность к вибрациям;

а	б	в

Рис. 7.8. Схемы уровнемеров: 1 – поплавок; 2 – реостат; 3 – катушки индуктивности; 4 – электроды; а, б, в – электромеханический, индуктивный и емкостной уровнемеры

291

- емкостные, их конструкция состоит из двух пластин, помещенных вертикально в жидкость и представляющих собой обкладки конденсатора. Замеряется изменение емкости пластины из-за изменения уровня жидкости. Недостатком конструкции надо признать возможность применения ее только для жидкостей - диэлектриков.

Есть еще много аналогичных конструкций, но для РДТТ эти датчики являются вспомогательным оборудованием, поэтому на них больше останавливаться не будем.

Косвенный объемный метод замера основан на заме-

ре некоторых вспомогательных параметров, которые впоследствии пересчитываются в расход рабочего тела. Замер по динамическому напору производится с помощью трубки, помещенной в поток газа, с помощью которой одновременно замеряется как статическое (Рст), так и полное давление (Р) потока (трубка Пито). Из уравнения Бернулли

можно определить скорость потока V =	2	P − Pñò	, где ρ –
		ρ

плотность рабочего тела. При известной площади проходного сечения трубопровода (F) с помощью уравнения неразрывности определяется расход G = ρ V F. С помощью

этого расходомера можно мерить расходы жидкостей и газов. Преимуществами расходомера являются простота конструкции и малые потери энергии потока при замере. Недостатками являются возможность засорения отверстий трубок, необходимость использовать очень точные дифференциальные манометры.

При проведении лабораторных работ широко исполь-

зуются ротаметры (расходомеры обтекания), в конст-

рукции которых применена вертикальная расширяющаяся трубка. Внутри трубки установлен поплавок, который механически связан с указателем на шкале прибора. Изменение расхода вызывает изменение положения поплавка, что и фиксируется при замере (погрешность замера расхода составляет ±2,5 %). Преимущества расходомера заключаются в простоте конструкции, небольших габаритных размерах,

292

широком диапазоне измерения расходов (10:1) и простоте эксплуатации. Недостаток – влияние удельного веса и вязкости жидкости, что ведет к необходимости проводить тарировку прибора для каждой жидкости или газа, расход которых необходимо замерить.

Наиболее простым средством замера расхода газа являются дроссельные расходомеры. Для замера в трубопровод вставляется дроссельная шайба, которая частично перекрывает площадь проходного сечения, и замеряется давление до (Р1) и после (Р2) шайбы. Расход будет

определяться G = µF0 2ρ ((P1 − P2 )) , где µ – коэффициент

расхода, зависящий от сужения потока и формы шайбы, F0 – площадь проходного сечения шайбы, ρ – плотность рабочего тела. Такой расходомер применяется для жидкостей

игазов, которые имеют дозвуковую скорость течения. Для сверхкритических режимов течения газа расход определяется по формулам для сопла Лаваля с учетом сжимаемости газа. Для замера перепада давлений используют дифференциальные манометры, дифференциальные датчики давления. Погрешность замера расхода составляет от 1 до 2 %. Преимуществами расходомера являются простота и надежность. Недостатки: необходимость определения плотности продукта и большие потери давления на шайбе.

Одной из конструкций, дающих наиболее точные результаты, является турбинный расходомер. Действие его основано на взаимодействии потока и крыльчатки, находящейся в потоке рабочего тела. Между скоростью потока

искоростью вращения зависимость линейная. Регистрацию числа оборотов можно производить различными способами. Электромагнитный способ основан на определении ЭДС в катушке, установленной по периметру трубопровода. На лопастях крыльчатки установлены магнитные вставки, которые и наводят в катушке ЭДС, величина которого пропорциональна числу оборотов. Фотоэлектрический основан на фиксации фотоэлементом луча света, который проходит через прозрачный участок трубопровода и периодически перекрывается лопастями крыльчатки. Преимуще-

293

ства расходомера: высокая точность замера (погрешность составляет от 0,5 до 1 %), возможность измерения расхода любых жидкостей и газов, малая инерциальность (постоянная времени 0,01 0,05 сек), малые потери давления (0,02 0,05 МПа), наличие частотного выхода, что повышает точность измерения, высокая надежность. Недостаток заключается в необходимости индивидуальной тарировки расходомера под определенный продукт.

Могут быть электромагнитные расходомеры, которые замеряют проводимость рабочего тела в поперечном сечении движущейся жидкости. Жидкость должна проводить электрический ток. Существуют конструкции ультразвуковых расходомеров, которые основаны на измерении скорости звука при распространении его против и по потоку рабочего тела.

Измерение расхода топлива РДТТ может произво-

дится двумя способами.

Весовой способ заключается в проведении замера веса двигателя на стенде при его работе. Способ имеет много недостатков. При вертикальном положении двигателя очень трудно разделить силу веса двигателя и силу тяги. При горизонтальном – передняя часть двигателя подвешивается на датчики тяги, а сопловая часть ставится на опору, которая, в свою очередь, ставится на измеритель силы любого типа. В этом варианте существуют трудности установки двигателя на стенде, датчики тяги работают в очень тяжелых условиях.

Частотный способ основан на замере частоты собственных колебаний двигателя. Для этого двигатель подвешивают на упругом подвесе. Устанавливается генератор механических колебаний и замеряется специальным датчиком частота колебаний двигателя, которая будет пропорциональна его массе. По изменению массы определяют расход продуктов сгорания. Погрешность измерения расхода составляет 1 %. Мощность генератора для возбуждения колебаний составляет всего несколько Вт при уровне виброперегрузки не более 1 g и частоте колебаний от 1 до

10 Гц.

294

7.6. Измерение температур и тепловых потоков

При отработке замеряется температура элементов конструкции двигателя и температура газовых потоков. Существует две группы методов [8, 21, 25].

Контактные методы.

Термометры сопротивления. Метод основан на из-

менении сопротивления проводника при изменении температуры. Наиболее распространены проволочные термометры. Это проволочная решетка, изготовленная из платины, меди, никеля или вольфрама, заключенная в корпусе. Термометры приклеиваются к поверхности, где надо произвести замер, и подключаются по мостовой схеме. Погрешность замера составляет 3 %, пределы измерения определяются маркой применяемого металла.

Термоэлектрический преобразователь (термопара).

Действие основано на измерении термоЭДС, возникающей в месте контакта разнородных проводников. Можно измерять температуру твердых, жидких и газообразных тел. Применяются термопары типа ХК, изготовленные из хромеля (сплав никеля, хрома и кобальта) и копеля (сплав никеля и меди). Этими термопарами можно измерять температуру до 600 °С. Термопары типа ХА, изготовленные из хромеля и алюмеля (сплав никеля и алюминия), позволяют измерять температуру до 1000 °С. Для измерения больших температур применяются платинородиевые термопары (замер до 1500 °С) и вольфрамрениевые термопары (замер до 2000 °С). Погрешность измерения температуры термопарами составляет 4,5 %.

Бесконтактные методы используются для замера температуры в основном потоков продуктов сгорания. Для этого используются пирометры, которые могут замерить температуру газа от 800 до 6000 °С. Существует два способа замера.

Спектральная (яркостная) пирометрия применяет-

ся наиболее часто для замера температуры оптически непрозрачных факелов за соплом двигателя. Измеряется ин-

295

тенсивность излучений на фиксированной длине волны, которая пропорциональна яркости светящегося газа и зависит от температуры тела. Для получения монохроматического излучения применяют светофильтры.

			Цветная		пирометрия.
			Метод	основан	на сравнении
			интенсивности		излучения	на
			двух длинах волн. Зная интен-
			сивности излучения для этих
			длин, можно найти λmax и, ис-
			пользуя	закон	Вина λmaxТ	=
			= const,	определить температу-
			ру тела. Схема определения
	Рис. 7.9. Схема определе-
ния температуры		цветным	приведена на рис. 7.9. Здесь ис-
пирометром: J – интенсив-			пользуется свойство светящих-
ность излучения;		λ – длина	ся тел, заключающееся в том,
	волны		что каждой температуре соот-

ветствует вполне определенное значение максимума интенсивности излучения и длины волны. Эти пирометры имеют обычно два светофильтра.

Измерение тепловых потоков производится с целью определения тепловой нагрузки на стенку двигателя, ТЗП и т.д. Для замера полного теплового потока, т.е. конвективного и лучистого, используют калориметрические преобразователи, которые имеют металлический диск, вставленный в деталь, где надо замерить тепловой поток. С одной стороны, диск контактирует с газовым потоком, а с другой – теплоизолирован, и там осуществляется замер температуры. Чем больше градиент нарастания температуры, тем больше тепловой поток. Позволяет произвести замер теплового потока до величины 10 МВт/м2. Для этой же цели применяют термопарные преобразователи, которые с помощью термопар замеряют градиент температуры по толщине стенки двигателя или сопла. Измеряют тепловые потоки до величины 1200 МВт/м2. Погрешность измерения тепловых потоков с помощью этих приборов составляет3 %. Для замера лучистого теплового потока применяют радиометры (рис. 7.10).

296

	Радиометр		состоит		из
	корпуса, внутреннее отверстие
	которого	перекрывает корун-
	довый фильтр. Цель фильтра
	исключить конвективный теп-
	ловой поток и оставить только					Рис. 7.10. Схема радиомет-
	лучистый.	Внутрь		корпуса
	вставлена	медная	трубка,		от-	ра: 1 – корпус;	2 – фильтр;
						3 – трубка; 4	– фольга
	верстие	которой		перекрыто

алюминиевой фольгой. Трубка и фольга по своей сути являются термопарой, замерив сигнал с которой можно определить температуру спая и оценить тепловой поток, приходящий на фольгу. Погрешность замера составляет 5 %.

7.7. Измерение характеристик твердых топлив

Определение скорости горения топлива производится с помощью прибора постоянного давления (ППД). Конст-

рукция его состоит из емкости объемом 40 дм3, в которой установлен клапан, поддерживающий в емкости постоянное давление. Клапан перед пуском настраивается на поддержание заданного давления, которое создается за счет горения образца топлива, помещенного внутрь емкости. Образец топлива – это столбик топлива, забронированный со всех сторон, кроме одного торца. В двух сечениях образца, расстояние между которыми выдерживается постоянным, по диаметру рассверлены отверстия, в которые вставлены тонкие проволочки. При горении образца фиксируется время сгорания сначала одной, а потом и другой проволочки. Расстояние между ними известно, время горения образца тоже – значит, можно определить скорость горения. Задавая при каждом опыте различные давления в ППД и термостатируя образцы при различных температурах, можно получить зависимость скорости горения топлива от давления в камере сгорания и температуры топлива.

Определение единичного импульса топлива произво-

дится с помощью баллистического маятника, который

297

представляет собой вертикальную ферму, в верхней части закрепленную на шарнире, а к нижней части которой подвешивается модельный двигатель с зарядом испытываемого топлива. Сопло имеет заданное уширение, которое определяется условиями проведения опыта. При работе ферма под действием импульса силы тяги двигателя поворачивается на угол, который пропорционален единичному импульсу топлива.

Определение механических характеристик твердого топлива производится на разрывных машинах, конструкция которых аналогична конструкции машин, применяемых для определения механических характеристик металлов. Определяются модуль топлива, критические деформации и напряжения при разных температурах и скоростях нагружения образцов. Кроме этого, определяется величина коэффициента Пуассона. Значение ударной вязкости проводится на копре свободного падения.

Определение взрывчатых характеристик топлива проводится с целью оценки параметров топлива при аварийных ситуациях с зарядом. Определяется чувствительность к удару, трению, воздействию ударной волны и т.д.

Разработка зарядов твердого топлива относится к наукоемким технологиям. При разработке РДТТ требуется очень большое количество информации.

Приведем далеко не полный перечень определяемых характеристик твердых топлив и продуктов его сгорания. Определяются: теплота горения, плотность, коэффициент линейного расширения, теплоемкость и теплопроводность топлива, кинетика термического разложения (манометрическая проба), кривые сжатия, энергия активации, адгезия топлива к металлу, состав и дисперсность конденсированной фазы продуктов сгорания. Для проведения расчетов необходимо знание характеристик продуктов сгорания: теплопроводности, изобарной и изохорной теплоемкости, вязкости, показателя адиабаты и изоэнтропы, мощности дымообразования и т.д.

298

При работе с зарядами твердого топлива часто возникает необходимость замера деформаций. Для этого используются тензометры, которые наклеиваются на поверхность топлива, после чего заряд подвергается заданному нагружению. Погрешность замера деформаций составляет ±5 %. Для измерения частоты и амплитуды вибрационных ускорений, которые возникают в заряде при проведении, например, транспортных испытаний, применяют пьезоэлек-

трические датчики перегрузок. Их конструкция состоит из цилиндрического корпуса, который установлен на колеблющейся поверхности. В качестве крышки корпуса используется пьезопластина, к которой крепится инерционная масса. Колебания массы передаются пьезопластине, с которой снимается выходной сигнал датчика. Диапазон замеряемых частот до 50 Гц, диапазон амплитуд виброускорений от 1 до 1000 g. Могут быть еще потенциометрические датчики перегрузок.

При проведении большинства опытных работ используется система единого времени, которая необходима для временной привязки всех процессов. Для этого применяются специальные генераторы частоты (75 кГц), которые имеют погрешность не более 5 10–6 сек. Кроме этого, систему единого времени можно использовать для обеспечения работы стендового оборудования и непосредственно испытываемого двигателя по специальным программам.

299

ГЛАВА 8. ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ДВИГАТЕЛЯ

8.1.Основные положения теории исследования операций

8.1.1.Постановка задач исследования эффективности

Обеспечение работоспособности и необходимой эффективности двигателя может быть получено при проектировании по результатам выполнения прочностных, внутрибаллистических, тепловых, газодинамических и расчетов надежности. Перечисленные расчеты могут быть выполнены лишь для полностью разработанного двигателя, когда известны все его параметры. Такие расчеты проводятся и их обычно называют поверочными, или прямыми задачами проектирования [2]. Однако при разработке двигателя конструктор сталкивается с обратными задачами, когда по результатам расчетов надо определить параметры двигателя, которые удовлетворяют требованиям технического задания. В этом случае мы сразу же оказываемся перед множественностью возможных решений и трудностью выбора правильного. Кроме того, параметры двигателя и условия эксплуатации являются случайными, что необходимо учитывать при определении надежности двигателя. Для сокращения времени проектирования двигателя и обеспечения его максимальной эффективности необходимы методы принятия решений, которые обеспечивали бы оптимальность конструкции. Для этого обычно применяют выводы и рекомендации теории исследования операций [24], которая представляет собой применение математических методов для обоснования решений во всех областях целенаправленной человеческой деятельности. Исследование операций появилось накануне Второй мировой войны. Это были исследования, выполненные английскими учеными, по организации системы обнаружения и слежения за атакующими самолетами противника и наведения на эти цели истребителей. В этих работах принимал активное участие

300