Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

потери в сердечниках на перемагничивание и вихревые то-

ки. Иногда применяются трансформаторные датчики,

в которых первичная катушка находится под напряжением, а величина перемещений вторичной катушки, находящейся под действием колебаний давления, фиксируется по величине ЭДС, наведенной в ней. Схема одного из вариантов конструкции индуктивного датчика приведена на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схема индуктивного датчика:

1– сердечник; 2 – катушка; 3 – мембрана

Спомощью индуктивных датчиков можно замерять колебания давления с частотой до 10 кГц при уровне давления в камере сгорания до 100 МПа. Диапазон температур окружающей среды при применении датчика составляет

±50 °С. Собственная частота колебаний конструкции датчика более 20 кГц. Индуктивные датчики работают всегда со специальными преобразователями. Датчики обладают высокой чувствительностью – они реагируют на изменение зазора, начиная с 0,1 мкм.

Преимущества датчика заключаются в возможности работы в широком интервале давлений (до 100 МПа) в диапазоне частот до 10 кГц, в высокой чувствительности и помехоустойчивости, в малой виброчувствительности (к механическим колебаниям). Датчик обладает возможностью одновременного измерения полного давления и его пульсаций. Он имеет высокую надежность и прост в эксплуатации. Недостатком датчика является зависимость чувствительности от температуры.

281

Тензометрические датчики. Конструкция датчиков аналогична тензометрическим датчикам для медленно меняющихся давлений. Отличие заключается в гораздо большем значении собственной частоты колебаний. Подключение датчика производится либо по мостовой, либо по схеме потенциометра. Питание датчика производится переменным током, причем генератор должен иметь частоту в 5–10 раз больше частоты замеряемой пульсацией давления. Возможно применение специальных охлаждаемых датчиков, которыми можно замерить пульсации давления при температуре среды до 2000 °С. Характеристики тензометрических и индуктивных датчиков близки друг к другу.

Преимущества тензометрического датчика заключаются в возможности одновременного замера полного давления и его пульсации, хорошей линейности тарировочной характеристики, малой виброчувствительности датчика и широком температурным диапазоне эксплуатации.

Недостатками являются наличие чувствительности и зависимости от температуры и низкий уровень выходного сигнала, что ведет к недостаточной помехоустойчивости канала замера пульсации давления.

Емкостные датчики. Конструкция представляет собой корпус, в который запрессованы изоляционные втулки с установленным внутри электродом. Электрод и мембрана, к которой приложено давление в камере сгорания, образуют электрическую емкость. Изменение давления преобразуется в изменение емкости датчика. Применяется электрическая схема с частотной модуляцией, когда каждой емкости датчика соответствует свое значение резонансной частоты контура, т.е. электрическая емкость датчика является частью колебательного контура. Изменение емкости ведет к изменению частоты собственных колебаний контура. Эта частота и является выходным сигналом датчика, который в дальнейшем преобразуется и регистрируется. Схема емкостного датчика приведена на рис. 7.5. Диапазон рабочих давлений до 30 МПа. Диапазон замеряемых частот колебаний давления до 20 кГц при собственной частоте ко-

282

лебаний от 20 до 60 кГц. Нелинейность тарировочной характеристики от 12 до 15 %. Охлаждаемые датчики могут работать со средами, имеющими температуру до 3000 °С.

Преимущества емкостного датчика: широкий диапазон замеряемых частот, возможность измерения полного давления и пульсаций с помощью одного датчика, широкий температурный диапазон эксплуатации при малой температурной погрешности, хорошая помехоустойчивость из-за применения частотной модуляции, малая виброчувствительность датчиков и компактность конструкции.

Рис. 7.5. Схема емкостного датчика: 1 – электрод; 2 – изоляционные втулки; 3 – корпус; 4 – мембрана;

5 – преобразователь

Недостатки датчика: значительная нелинейность, сложность аппаратуры и трудность эксплуатации в стендовых условиях.

Пьезоэлектрические датчики. В конструкции датчи-

ка используется пьезоэффект, т.е. появление электрических зарядов на поверхности диэлектриков при воздействии механических нагрузок. Эти датчики генераторные. Размер чувствительного элемента, к которому прикладывается замеряемое давление, составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. К чувствительному элементу приклеивают или плотно прижимают обкладки, которые снимают электрический заряд. Величина заряда пропорциональна приложенному усилию. Пластинка выре-

283

зается так, чтобы резонансная частота собственных колебаний была по возможности выше. В современных датчиках эта частота может быть до 100 кГц. Здесь надо учитывать, что чем больше частота собственных колебаний, тем выше замеряемая частота колебаний давления. Определить частоту собственных колебаний пластины можно по следующей формуле:

f = 21δ Eρ ,

где δ – толщина пластинки, ρ – плотность, Е – модуль материала пластины.

В качестве преобразователя для пьезоэлектрических датчиков применяется усилитель напряжения. При высокой температуре рабочей среды (до 3000 °С) применяются охлаждаемые датчики.

Преимущества датчика: высокая чувствительность, позволяющая замерять малые амплитуды ( 0,01 МПа) при больших уровнях давления, высокая собственная частота и, следовательно, широкий диапазон измеряемых частот, малые габариты и малая инерционность.

Недостатки: невозможность измерения полного давления, чувствительность и зависимость датчика от температуры и емкости кабеля, большая чувствительность к вибрациям, необходимость проведения динамической тарировки датчика. Все рассмотренные выше параметрические датчики можно тарировать статически приложенной нагрузкой, что гораздо проще, чем динамическая тарировка.

Установка датчиков пульсаций давления определяется конструкцией двигателя и задачами испытаний. Обычно руководствуются следующими правилами:

Установка должна производиться без переходников. Соединительный канал должен быть заполнен одно-

родным телом.

Объем соединительного канала должен быть значительно меньше рабочего объема, в котором проводится замер.

284

При наличии соединительного канала необходимо определить его собственную частоту (расчетным или экспериментальным способом).

При измерении параметров движущегося потока должно быть исключено динамическое воздействие потока на датчик.

Место установки датчика должно быть неизменным. Это объясняется тем, что величины полного давления и его пульсаций могут отличаться друг от друга в различных зонах свободного объема камеры сгорания. Сменив место установки датчика, можно потерять все результаты предыдущих замеров, так как будет неизвестна их связь с последующими замерами. Когда требуется дополнительная информация о процессах в двигателе, лучше установить датчики в интересующих вас местах, но не трогать те, которые стояли прежде.

7.4. Измерение силы тяги

Основные требования к датчикам тяги практически совпадают с требованиями, предъявляемыми к датчикам давления. Отличия заключаются в том, что датчики тяги работают в условиях отсутствия высокой температуры агрессивной среды. С другой стороны, к ним предъявляется требование высокой стабильности характеристик с тем, чтобы уменьшить число их тарировок, так как это процесс более сложный по сравнению с тарировками датчиков давления.

Механические измерители тяги в настоящее время не применяются, они громоздки, обладают большой инерционностью, малой точностью и не дают возможности дистанционной регистрации результатов. Действуют они по принципу механических весов.

Гидравлические измерители представляют собой ци-

линдр, заполненный рабочей жидкостью. Сила тяги двигателя действует на поршень, который сжимает жидкость. Давление в жидкости замеряется датчиком давления, кото-

285

рый оттарирован в единицах силы тяги. В качестве рабочей жидкости используются трансформаторное масло, спиртоглицериновая смесь, вода. Данная конструкция называется месдозой. Месдозы могут быть проточные и непроточные. Большую точность измерения обеспечивают проточные месдозы (погрешность замера 0,5 %) – в них происходит автоматическое выравнивание давления в полости цилиндра и силы тяги путем перекрытия дренажных отверстий на входе или на выходе из месдозы. Замер тяги с помощью непроточной месдозы можно осуществить с погрешностью 0,7 1 %. В настоящее время месдозы применяются при испытаниях ЖРД.

Тензометрические датчики. Схема аналогична тен-

зометрическому датчику давления. При изменении силы тяги применяется активное сопротивление датчика. Чувствительный элемент может выполняться в виде сплошного цилиндра, на поверхность которого наклеены тензометры. Сила тяги двигателя направлена по оси цилиндра. Такими датчиками замеряются усилия в сотни тонн. Усилия в десятки тонн замеряются датчиками с чувствительным элементом, выполненным в форме тонкостенного цилиндра, на наружную поверхность которого наклеены тензометры. Сила тяги действует по оси цилиндра. Датчик с чувствительным элементом в виде кольца применяется для замера усилий около одной тонны. Тензометры наклеены на внутреннюю поверхность кольца, сила тяги действует по диаметру кольца. В датчиках применяется электрическая мостовая схема.

Погрешность измерения силы тяги составляет от 0,3 до 0,8 %, линейность тарировочной характеристики ±1 %, температурный диапазон эксплуатации ±40°. Датчик может замерять тягу, которая имеет колебания с частотой от 0 до 150 Гц.

Частотные датчики. Конструкция аналогична струнным датчикам давления. Датчик представляет собой толстостенную пластину, вдоль оси которой приложена сила тяги. В пластине просверлено отверстие, по диаметру

286

которого установлена струна, являющаяся чувствительным элементом датчика. На пластине установлен генератор колебаний и катушка, замеряющая частоту колебаний струны

f = f0 1+ kR , где f0 – частота генератора; k – константа,

зависящая от материала и конструкции датчика, R – тяга двигателя. Погрешность измерения силы тяги струнными датчиками составляет от 0,2 до 0,5 %, температурный диапазон эксплуатации ±50°. Пределы измерений у струнного датчика несколько меньше, чем у тензометрических датчиков тяги.

Тензометрические тягоизмерители менее инерционны, просты в эксплуатации, имеют малые габариты. Но эти датчики используют в системах с большими коэффициентами усиления, что уменьшает их точность, надежность

истабильность работы. При испытаниях может использоваться схема прямого преобразования, при которой производится замер реальных значений тяги. Погрешность измерения при этой схеме составляет 1,5…2 %. Кроме того, можно использовать смешанное преобразование, при котором производится замер отклонения от номинального значения тяги. Погрешность замера при этом уменьшается

исоставляет от 0,7 до 1 %.

Наилучшей точностью измерения обладают вибраци- онно-частотные датчики. Они дают высокую точность и стабильность работы. Недостатком такого датчика является нелинейность его тарировочной характеристики. При испытаниях РДТТ применяются только электрические датчики.

7.5. Измерение расходов

Измерение расходов применяется для замера изменения массы твердых, жидких и газообразных веществ. Основные методы: весовые, когда непосредственно замеряется изменение массы вещества; прямые объемные, при которых осуществляется изменение объема, и косвенные

287

объемные, когда изменение объема определяется посредством косвенных методов.

Особенностью замера расходов в ракетной технике является нестационарность расходов. Например, в ЖРД выход двигателя на режим и процесс отсечки тяги занимает время от 0,05 до 0,15 сек, пульсация расходов – частотой от нескольких единиц до тысяч Гц. Кроме того, замер расхода приходится осуществлять при переменных скоростях потока жидкости от 0 до15 м/с, а скорости газовых потоков – от дозвуковых и сверхзвуковых. Все замеры необходимо проводить в большом диапазоне температур рабочего тела (–245 3500 °С) в широком диапазоне физико-химических свойств (керосин, диметилгидразин, водород, кислород, фтор, азотная кислота, газы, продукты сгорания).

Требования к аппаратуре для замера расходов примерно такие же, что и для замера давлений и силы тяги: высокая точность и чувствительность, малая инерционность, дистанционность измерения, малая чувствительность к виброперегрузкам, надежность в эксплуатации, низкая стоимость, простота монтажа, сборки и отладки [8, 21].

Весовой метод измере-

ния. Достоинства метода заключаются в непосредственном измерении и регистрации изменения массы, измерении расхода твердых (порошкообразных), жидких и газообразных сред. Схема замера приведена на рис. 7.6. При замере определяется величина массы рабочего тела, расход получается дифференцированием полученной зависимости по времени.

Недостатки способа – большая инерционность, сложность отладки и опасность при использовании агрессивных веществ.

288

Весоизмерительное устройство с подвижным эле-

ментом трубопровода приведено на рис. 7.7. Работа устройства основана на измерении силы Кориолиса, которая направлена перпендикулярно относительной скорости вращения трубчатой рамки, по которой проходит поток жидкости. В рамке есть эластичная трубка, которая позволяет частям рамки отклоняться от ее плоскости. Чем больше это расхождение, тем большая масса жидкости прошла по трубкам рамки, тем больше расход жидкости. При работе устройства определяется момент (Мk) который появляется при отклонении части рамки. Расход определяется следующим образом:

где R1, R2 – геометрические размеры прямолинейной части рамки, ω – угловая скорость вращения рамки.

а

б

Рис. 7.7. Весоизмерительное устройство с подвижным элементом трубопровода: 1 – рамка; 2 – прямолинейная часть рамки; 3 – эластичная трубка;

а– вид устройства сбоку; б – поперечное сечение устройства; RК – направление силы Кориолиса

289

Недостатком устройства является трудность обеспечения уплотнения стыков труб.

Для замера расхода можно использовать измерение гироскопического эффекта, момента инерции системы

ит.д. Интересна конструкция весоизмерительного устройства, сообщающего жидкости дополнительное движение. Конструкция представляет собой статор электродвигателя, помещенный снаружи трубопровода, и ротор, помещенный внутри. Параллельно оси ротора в нем выполнены отверстия, через которые проходит жидкость. Чем больше расход жидкости, тем большая масса жидкости принимает участие во вращении, тем большая мощность потребляется двигателем. Выходным сигналом датчика является мощность, потребляемая электродвигателем. Преимуществом данной конструкции является отсутствие зависимости точности замера расхода от давления жидкости и герметичность расходомера, в котором нет уплотнений. Недостаток заключается в низкой точности.

Калориметрические расходомеры. Конструкция со-

стоит из подогревателя, установленного в трубопроводе,

идвух датчиков температуры, установленных до и после подогревателя. Подогрев газа производится известным ко-

личеством теплоты (газ нагревают на 1 3 °С). По величине перепада температуры до и после подогревателя определяют расход рабочего тела. Чем больше перепад температур, тем меньше расход газа. Погрешность данного расходомера составляет величину от 0,2 до 0,5 %. Кроме этого, он имеет большой диапазон измерения расходов (его величина может меняться в 20 раз). Недостатком конструкции является сложность изготовления и монтажа нагревателей, низкая коррозионная стойкость решеток и низкая точность при замере расходов запыленных газов.

Прямой объемный метод замера расходов. При этом методе производится непосредственный замер объема рабочего тела. Простейшей конструкцией является стеклянная мерная трубка с нанесенной градуировкой, которая устанавливается вертикально, параллельно емкости, где производится замер. Трубка соединена с емкостью, поэто-

290