Диссертация (Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды), страница 7

Применение насадок разного типа позволяет осуществлять инжекцию воды под углами 0 и 60 относительно оси струи двигателя. Экспериментальная установка, смонтированная на испытательной станции АО «КБСМ»,изображена на рисунке 2.2.2.2Двигательная установкаВ качестве модельного двигателя используется ракетный двигатель на твердом топливе (РДТТ) СМ-А269, который спроектирован АО «КБСМ». РДТТ СМА269 обеспечивает моделирование работы на режиме главной ступени тяги РКН«Ангара-А5» в масштабе 1:17.Общая схема двигателя изображена на рисунке 2.3. Представленная конструкция двигателя является модификацией модельного двигателя СМ-А254,который является газодинамической моделью двигательной установки РД-191(один блок первой ступени РКН «Ангара-А5») в масштабе 1:5. Без измененияостались передняя крышка 1 с пиропатроном 6, корпус двигателя 2, рассекатель 10 с воспламенителем 5, задняя 8 и передняя 9 решетки, между которымирасположен основной заряд.

Изменения коснулись следующих элементов: вопервых, односопловая конструкция задней крышки двигателя СМ-А254 былазаменена на крышку с пятью коническими соплами с углом полураствора 15 ,во-вторых, для достижения необходимого давления в камере сгорания вместес основным зарядом твердого топлива 4 используется деревянный имитатор 11.48Рисунок 2.3: Эскиз двигателя СМ-А269Эти модификации позволили значительно уменьшить стоимость проводимых работ и увеличить количество испытаний без серьезного ущерба качеству.Основные характеристики двигателя приведены в таблице 2.1. В РДТТ используется твердое баллиститное топливо, где горючим является нитроцеллюлоза, а роль окислителя играет нитроглицерин. Продукты сгорания топлива содержат компоненты со следующими весовыми долями: [] = 0.31, [2 ] = 0.16,[2 ] = 0.38, [2 ] = 0.14, [2 ] = 0.01.

Важно заметить, что и 2 являются горючими веществами, смешение которого с кислородом, содержащимся ввоздухе, может привести к воспламенению.Для предотвращения попадания воды внутрь двигательной установки, в критическом сечении устанавливались металлические пластины, которые в моментзапуска прорывались газовым потоком. В связи с этим, при обработке результатов испытаний, анализ участка запуска двигателя в работе не проводился.49Таблица 2.1: Основные характеристики РДТТ СМ-А269ПараметрЗначениепараметраНоминальная температура газа в камере (0 )2740 КНоминальное давление в камере сгорания (0 )250 атмДиаметр среза сопла ( )84,1 ммДиаметр критического сечения сопла (* )16,9 ммЧисло Маха на срезе сопла ( )4.0Средний показатель адиабаты внутри двигателя ()1.24Среднее значение газовой постоянной ()Номинальная тягаНоминальный расход продуктов сгорания топлива2.3311 Дж/(кг c)4 кН16 кг/сСистема измеренийВ процессе работы стенда определяются следующие параметры: акустическое давление на корпусе модели РКН, ударно-волновые нагрузки на корпусемодели РКН и избыточное давление в камере сгорания двигателя.Система измерений на модели РКН изображена на рисунке 2.4.

Для регистрации акустических давлений в качестве чувствительного элемента применялись1/4-дюймовые конденсаторные микрофоны типа 4938A (М1, М2, М3) и 4939A(М4, М5, М6) фирмы «Bruel & Kjaer» (Дания), предназначенные специально дляизмерений при высоком уровне звукового давления и на высоких частотах. Характеристики микрофонов представлены в таблице 2.2.

Для настройки и сквозной калибровки трактов акустических давлений использовался пистонфон 4228фирмы «Bruel & Kjaer». Погрешность калибровки не превышает 0.12 дБ. Часто-50Рисунок 2.4: Система измерения на модели РКНта калибровочного сигнала, которая при работе от внутренних батарей составляет 250 Гц, стабилизируется специальной схемой на транзисторах и ее значениенаходится в пределах + 1 %.

Специальная конструкция пистонфона, основывающаяся на применении двух поршней, приводимых в движение в противоположных друг другу направлениях, обеспечивает максимальную стабилизацию ималое нелинейное искажение калибровочного сигнала. Для регистрации данныхиспользуется частотный анализатор 3560E фирмы «Bruel & Kjaer».Таблица 2.2: Основные характеристики микрофонов «Bruel & Kjaer»Параметртип 4938Aтип 4939AЧастотный диапазон4 – 70000 Гц4 – 100000 ГцДинамический диапазон30 – 172 дБ28 – 164 дБ1,6 мВ/Па4 мВ/ПаЧувствительностьСистема измерений акустических давлений имеет следующие общие (сквозные) характеристики: диапазон частот 4 – 100000 Гц, погрешность измерения51амплитуды давления — ± 1%, погрешность измерения спектрального уровняпульсаций давления: ± 2 дБ.Всего установлено 3 пояса измерения: нижний — в районе днища двигательной установки, средний — на расстоянии 2.2 метра от среза сопел (/ = 26)и верхний — на расстоянии 3.3 метра от среза сопел (/ = 33).

На каждомпоясе измерений микрофоны расположены параллельно оси двигателя в двухвзаимоперпендикулярных плоскостях — вертикальной и горизонтальной. Частота дискретизации сигнала, используемая в испытаниях, = 131 072 Гц.Для качественного подтверждения результатов акустических измерений, параллельно с вышеописанной системой устанавливались и датчики ударноволновых нагрузок (избыточное давление) ДДЭ060-07 (ВР1, ВР2 и ВР3 на рисунке 2.4) и PMP1020 (ВР1*, ВР2* и ВР3* на рисунке 2.4), которые располагались на корпусе РДТТ и на имитаторе корпуса РКН. Такой подход способствует максимальному пониманию физической составляющей сигнала. Избыточноедавление в камере сгорания РДТТ СМ-А269 определяется с помощью двух датчиков МД-300Т, устанавливаемых в передней крышке двигателя (ВР4, ВР5 нарисунке 4.1).РасходводыопределяетсяспомощьюдвухдатчиковDynamic OD01 (MeiStream), устанавливаемых на входе в левую и правуючасти системы водоподачи соответственно.

Избыточное давление воды определяется с помощью двух датчиков ДДЭ060-02, устанавливаемых в левой иправой частях системы водоподачи соответственно.2.4Система видеорегистрацииВо время проведения испытаний проводилась киносъемка двумя скоростными камерами Fastcam SA3 C2 (PS1 на рисунке 2.5) и Fastcam SA3 M1 (PS2 нарисунке 2.5) с частотой съемки 2000 кадров в секунду (SP1 и SP2 на рисун-52ке 2.5).

Скоростные камеры дублировались обычными камерами Canon XM-2 иCanon Legria HFS21 со скоростью съемки 25 кадров в секунду.Рисунок 2.5: Система видеорегистрации стенда 140-13СпПолученные видеоматериалы позволяют качественно оценить процессы,происходящие в начальных участках сверхзвуковых струй и в зоне их смешения.2.5Программа испытанийДля определения влияния инжекции воды в слой смешения сверхзвуковойструи на уровень акустических нагрузок на корпус РКН проводилось 4 испытания при фиксированном положении модели РКН относительно кольцевого коллектора:1.

В испытание №1 исследовались акустические нагрузки на корпус моделиРКН без инжекции воды, но с установленным кольцевым коллектором;2. В испытание №2 исследовались акустические нагрузки на корпус моделиРКН без инжекции воды и без кольцевого коллектора;533. В испытание №3 проводилось исследования влияние инжекции воды вструю двигателя под углом 0 с расходом воды 30 л/с и избыточным давлением 7 атм.;4. В испытание №4 проводилось исследования влияние инжекции воды вструю двигателя под углом 60 с расходом воды 30 л/с и избыточным давлением 7 атм.В дальнейшем нумерация испытаний, предложенная выше, сохраняется.Испытания №1 и №2 направлены на определение базового значения акустического давления на корпусе РКН, его особенностей, а также определениевлияния наличия кольцевого коллектора на спектральные характеристики акустического поля.Испытания №3 и №4 направлены на исследования механизма снижения акустического поля.

Так в испытании №3 исследуется взаимодействие водяныхструй со струей РДТТ в дальней области. Проведение такого исследования является целесообразным, так как в блочных струях, интенсивность акустическогоизлучения от мелкомасштабной турбулентности выше, чем у одиночных. Этовызвано дополнительным вихреобразованием в зонах взаимодействия струй, акак указывалось в главе 1, шум мелкомасштабной турбулентности излучается преимущественно вверх по течению, т.е.

в направлении к корпусу моделиРКН. Дополнительно на уровень акустических нагрузок будет влиять экранирование акустических волн струями воды на начальном участке истечения рабочейструи. В испытании №4 исследует влияние инжекции воды в начальный участоксверхзвуковой струи, угол инжекции как наиболее эффективный был выбранна основании работ [95, 100]. Давление подачи воды выбрано, основываясь наисследованиях [95, 101, 102], где установлено, что при давлениях выше 6 атм.эффект от инжекции воды увеличивается слабо. Расход воды 30 л/с выбран порезультатам исследований [39, 94, 95, 100–102], в которых оптимальный расходводы по отношению к расходу газа рабочей струи был равен двум.54Также были проведены предварительные испытания по определению уровней интенсивности акустического поля системы водоподачи без работы двигательной установки для различных углов инжекции воды.2.6Методика обработки результатов акустическихизмеренийМетодика обработки результатов акустических измерений проводится в дваэтапа.

На первом этапе определяются значения и динамика общего уровня звукового давления, а на втором, с помощью спектрального анализа, производитсядетальное исследование особенностей акустического поля.2.6.1Общий уровень звукового давленияДля оценки общего уровня шума акустический сигнал разделялся на участки по 512 измерений в каждом, причем для уменьшения погрешности сделаноэто с перехлестом, равным 256 измерений, т. е. на каждом следующем участкесодержится половина измерений предыдущего участка. Далее с помощью дискретного преобразования Фурье: −11 ∑︁ˆ = 2/ , =0(2.1)где — дискретизированный исходный сигнал, — количество значений в дискретизированном сигнале, c использованием весового окна Хеннинга для снижения погрешности, находится общий уровень звукового давления на каждомучастке, который выражен в децибелах по формуле:Σ = 20 lg,0где — акустическое давление, 0 = 2 · 10−5 Па.(2.2)552.6.2Спектральный анализДля детального анализа акустического поля и выявления источников шуманеобходим спектральный анализ.