CC BY
30
AUTOMATED SAMPLE CONTROL DEVICES IN ROTARY AND CONVEYOR LINES
A.S. Gorelov
Schemes for implementing the method of automated statistical quality control in relation to the production of products on automatic rotary and conveyor lines are proposed. Key words: device of automated sampling procedure, the rotor, the conveyor.
Gorelov Alexander Stefanovich, candidate of technical sciences, docent, asgore-lovarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.454.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА НА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ МОДЕЛЬНОГО ЖРД
Е.Ю. Герасименко, С.Ю. Пирогов, В.И. Поспишенко, С.Ф. Стельмах
Рассмотрены результаты экспериментального исследования влияния соотношения компонентов топлива на параметры вибрации корпуса камеры сгорания и частоты колебаний напряженности магнитного поля факела жидкостного ракетного двигателя. Оценена степень влияния варьируемых факторов на выходные (измеряемые) параметры функционирования модельного ЖРД.
Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, камера сгорания, соотношение компонентов топлива, модельный эксперимент, амплитудно-частотные характеристики.
Внутрикамерные процессы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) сопровождаются сложными по характеру электрофизическими проявлениями. Как показали теоретические и экспериментальные исследования [1-3], нестационарные термодинамические процессы в слабоионизованной низкотемпературной плазме продуктов сгорания ЖРД вызывают перераспределение заряженных частиц в камере. В струе продуктов сгорания формируются области с преобладанием заряженных частиц одного знака. Вынос этих областей из сопла ЖРД создает в окрестности факела переменное электромагнитное поле. Измерение электрических характеристик данного поля позволяет получить некоторую информацию о процессах внутри двигателя.
Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) спектра электромагнитных колебаний в окрестности факела ЖРД и параметров вибрации конструкции при решении задач диагностирования функционирования камеры может рассматриваться как перспективный способ контроля соотношения компонентов топлива как самостоятельно, так в дополнение к существующим.
Для оценивания результативности перспективных способов контроля параметров функционирования ЖРД на основе спектрального анализа колебаний напряженности магнитного поля струи продуктов сгорания была проведена серия экспериментов на модельном ЖРД (компоненты топлива: газообразный кислород, спирт) с реализацией различных значений параметров, определяющих режим его функционирования.
Цель экспериментального исследования заключалась в установлении закономерности между параметрами пульсаций давления в камере сгорания, продольной вибрации корпуса и колебаний напряженности магнитного поля струи продуктов сгорания от соотношения компонентов и давления в камере путем применения соответствующих высокочастотных средств измерений.
По своему существу, составу факторов, порядку проведения экспериментальное исследование представляло активный многофакторный эксперимент. В качестве входных, варьируемых факторов были выбраны соотношение компонентов топлива (коэффициент избытка окислителя а) и давление в камере рк. Порядок проведения экспериментального исследования представлен на рис 1.
Значения входных параметров задавались следующими: а=0,5;0,85;1,2;2,4. рк = 0,8 Мпа; 1,0 Мпа; 1,1 Мпа; 1,2 МПа. Значения коэффициента избытка окислителя выбраны исходя из предельно допустимых значений для данной камеры. Значения давлений в камере - исходя из необходимости обеспечения безотрывного течения в сопле на режиме перерасширения.
Планирование эксперимента
Выбор состава Выбор диапазона
определяющих режим функционирования варьирования каждого фактора
двигателя рк= 8... 12 ати
а, рк
О пр еделен ие д иапа зоно в
значений выходных
параметров Лт = 0.4...40 кГц ^виб, Т-рк = 0.02...20 кГЦ
Выбор средств измерений:
рамочная антенна высокочастотный датчик вибрации высокочастотный датчик давления
Проведение эксперимента
Обеспечение различных режимов функционирования камеры сгорания модельного ЖРД
Регистрация входных Регистрация выходных
медленно меняющихся быстроменяющихся
параметров параметров
а,рк Ллп. Рвиб, /*рк
Обработка и анализ результатов
Проведение БП Фурье регистрируемых сигналов выходных параметров Выделение информативных частотных диапазонов Проведение регрессионного анализа полученных результатов Расчет зависимостей Яйп=/Са;рк) ¥виб=}(а ,рк)
^Рк=/(а ,рк)
Рис. 1. Порядок проведения экспериментального исследования
248
Для воссоздания действия на испытуемую систему каждого выбранного фактора в отдельности и в совокупности пуски модельного двигателя проходили при условии обеспечения условия: а = var, рк= const; а = const, рк= var. Циклограмма варьирования факторов и изменения факела при различных соотношениях компонентов представлены на рис. 2, 3.
Рис. 2. Циклограмма варьирования факторов
а = 0,5 а = 0,85 а = 1,5
Рис. 3. Факел ЖРД при различных соотношения компонентов топлива
Для оценки реакции системы (камера сгорания модельного ЖРД) измерялись: колебания напряженности магнитного поля - рамочной антенной, колебания внутрикамерного давления - высокочастотным датчиком давления, вибрация элементов конструкции камеры сгорания модельного ЖРД по трем осям в частотном диапазоне от 0,01 до 20 кГц - датчиком вибрации, установленным на форсуночной головке.
Варьирование в широких пределах а, и рк обеспечило воспроизведение различных режимов функционирования камеры, в том числе неустойчивых.
Размещение высокочастотных датчиков и схема измерений выходных параметров представлены на рис. 4
Синхронно с измерением частот пульсаций давления, вибрации, и колебаний напряженности магнитного поля измерялись:
давления подачи компонентов топлива - датчиками давления; температуры подачи компонентов топлива - термопарными датчиками температуры;
объемные расходы компонентов топлива - турбинными расходомерами;
потери давления в тракте охлаждения - датчиками давления; подогрев охлаждающей жидкости (воды) - термопарными датчиками температуры.
Датчик вибрации
Антенна рамочная АИРЗ-2
Рис. 4. Схема измерений при проведении эксперимента
Сигналы первичных преобразователей поступали на вход аналого-цифрового преобразователя и регистрировались для дальнейшей обработ-
В результате работы системы сбора измерительной информации при работе модельного ЖРД регистрировался поток цифровых данных размером (1).
N = 71-^- Т, (1)
где N - количество значений в массиве; п - количество измерительных каналов; /й - частота дискретизации; г длительность замера.
Число регистрируемых потоков данных, определялось программой эксперимента. Данные измерений параметров исследуемых процессов включали следующие массивы данных: реализаций значений времени;
реализаций значений виброускорения корпуса камеры сгорания; реализаций значений пульсации давления в камере сгорания; реализаций значений напряженности магнитного поля. Алгоритм обработки результатов измерений включал ряд последовательных этапов:
выделение стационарного режима; построение АЧХ сигнала фонового сигнала;
построение АЧХ сигналов пульсаций давления в камере сгорания, напряженности магнитного поля, виброускорения корпуса камеры сгорания;
выделение информативной компоненты АЧХ сигнала измеряемого параметра;
распределение массива параметров АЧХ напряженности магнитного поля, массива параметров АЧХ пульсации давления, массива параметров АЧХ виброускорения в факторном пространстве а, рк. определение коэффициентов корреляции; вывод уравнений регрессии.
Первичный анализ осциллограмм контролируемых параметров показал наличие периодических составляющих. В целом временные сигналы этих параметров допустимо считать полигармоническими с неоднородным распределением мощности сигнала в различных частотных областях.
Обработка измерительной информации осуществлялась многократно апробированным спектральный методом, позволяющий исследовать быстропротекающие процессы горения с высоким разрешением по частот регистрируемых сигналов.
Спектральный анализ сигналов осуществлялся путем дискретного преобразования Фурье (ДПФ) через определение коэффициентов X (п) ряда Фурье.
В качестве входных данных при ДПФ приминались:
исходный временной массив размером ТУ;
частота дискретизации временного массива/^.
Коэффициенты ряда Фурье (X (п)) определялись [4] по выражению
(2):
= - кТ)едХ =
^Ст /;т 6(! - кТ)ех(к)е-^ =
х(к)ехр (~шпг), (2)
где Т= \//д - период дискретизации (масштаб отображения спектра сигнала); к - номер временного массива сигнала; со - основная частота.
Обработка и анализ полученных данных производились с использованием специального программного обеспечения, разработанного в системе компьютерной математики ММЬаЪ. Результаты спектральной обработки сигналов представлены на рис. 5.
Во время функционирования модельного ЖРД зафиксированы изменения сигналов датчиков вибрации, давления в камере сгорания и рамочной антенны в момент перехода с предварительного на основной режим функционирования при различных давления в камере сгорания (рк = 6...9 ати; рк = 5... 12 ати). При анализе спектров сигналов выявлены устойчивые частотные пики в диапазонах^=2250...2500 Гц и 2900...3200 Гц информативных частотных полос, близких по значению к первой моде продольных акустических колебаний в модельной камере сгорания (рис.
5).
Результаты спектральной обратотки подвергались корреляционно-регрессионному анализу. Анализ тесноты связи соответствующих частот пульсаций давления в камере, вибрации корпуса камеры сгорания и напряженности магнитного поля позволил оценить корреляцию процессов, проявлявшихся в конкретных частотных областях спектров. При этом высокая степень тесноты связи и значений исследуемых параметров в факторном пространстве свидетельствуют в пользу их высокой информативности. Распределение частот исследуемых параметров в факторном пространстве представлены на рис. 6.
251
Сг*«тр сигхал) вмт«м»ы
Сп*стр сигнаги дотч»*о д.
К
вНО
чмгага га
Рис. 5. Выделение информативной компоненты АЧХ датчиков сигналов а - рамочной антенны; б - датчика давления; в - датчика вибрации
мг.1
'.1Г I
Рис. 6. Зависимости частот: а - продольной вибрации; б - пульсаций давления; в - колебаний напряженности магнитного поля от коэффициента избытка окислителя и давления в камере
(г(Гмп, Гвиб, ¥рк )=0.96)
Множество точек с координатами в плоскости а, рк, с соответствующими значениям частот сигналов датчика пульсаций давления и рамочной антенны образуют поле корреляции. При анализе тесноты связи между:/рк и Умп/р,иб и /мп тип стохастической зависимости принимался линейным, для этого коэффициент парной корреляции г%у определялся по выражению (3) [4]:
_ Е{(*-М£)-(У-Му)]
^ Ох о у ' Р )
где М - математическое ожидание; х - текущая реализация частоты пульсаций давления давления и вибрации; у - текущая реали зация частоты колебаний напряженности магнитного поля; <7%? ®у ~ СКО значений частот пульсаций давления и колебаний напряженности магнитного поля соответственно.
По результатам корреляционного нализа установлена функциональная зависимость между частотами пусльсаций давления и колебаниями напряженности магнитнго поля с коэффициентом корреляции г=0,96, что свидетельствует о сильной связи между исследуемыми параметрами.
Результаты исследований показали, что частоты колебаний давления в камере сгорания, напряженности магнитного поля, виброускорения камеры сгорания зависят от параметров, определяющих режим функционирования двигателя (а и рк) (рис. 7).
Рис. 7. Зависимости частот продольной вибрации, пульсаций давления и сигнала рамочной антенны от коэффициента избытка окислителя при различных давлениях в камере сгорания
Также установлено, что давление в камере существенного влияния на значения частот исследуемых сигналов не оказывает, в отличие от соотношения компонентов. Данный факт обосновывается, в первую очередь, существенным влиянием соотношениея компонентов на состав и температуру реагирующей топливной смеси, концентацию заряженных частиц и колебательные характеристики процесса горения. Установление степени влияния каждого указанного фактора на частоты колебаний напряженности магнитного поля требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
С целью установления функциональной зависимости между соотношением компонентов топлива, давлением в камере сгорания и колебаниями напряженности магнитного поля, виброускорением камеры сгорания пульсациями давления в камере сгорания для данного модельного ЖРД была получена матрица испытаний (матрица Адамара) для проведения регрессионного анализа по принципу «черного ящика» [5].
Для сложных физических моделей аналитический вид функции заранее неизвестен. Неизвестны также уравнения, описывающие полную динамику исследуемых процессов, вследствие их чрезвычайной сложности. В ряде случаев могут быть известны отдельные частные зависимости для промежуточных процессов, например, влияние соотношения компонентов топлива на давление и температуру в камере сгорания ЖРД позволяет ограничиться разложением функции в ряд:
253
у = Е?=о Мг + Е?<; Ъчхьх] + Е?=1 ЬцХ? + -,+ (4)
где Ьь Ъц Б и Ьй - коэффициенты регрессии, определяющие степень влияния фактора и их взаимодействий на выходную характеристику у (Рш> Ррк> РеибУ
Функциональная зависимость у=/(х) представляет систему нормальных уравнении, которая в отдельных случаях может быть дополнена зависимостями, описывающими промежуточные процессы или функциональные связи отдельных параметров с «выходом» системы. При этом модель «черного ящика» для исследуемых параметров представлена системой полиноминальных уравнений (5).
¥м = -0,91 + 1,1 а - 0,136 рк + 1,4а2 + 0,0038р2 Ерк = 0,63 + 0,35а - 0,25 рк + 0,33а2 + 0,15р2 I (5)
Реиб = 0,1 + 0,9а - 0,14 рк + 1,3а2 + 0,05р2 J
Приведенные результаты исследования подтвердили влияние термодинамических процессов на электрофизические праметры струи продуктов сгорания. По результатам корреляционного анализа установлена функциональная зависимость между пульсациями давления в камере и колебаниями напряженности магнитного поля струи продуктов сгорания для данной модельной камеры. Полученные результаты обосновывают перпективность применения способов контроля режимов функционирования ЖРД на основе измерений парметров вибрации конструкции магнитного поля факела.
С целью доведения полученных результатов до реализуемых на практике методик диагностирования требуется провести дополнительные исследования для получения оценки быстродействия указанных методов и обоснования метрологических характеристик к применяемым средствам измерения и требований к системе сбора и обработки информации.
Список литературы
1. Нагель Ю.А. Электризация двигателей при истечении продуктов сгорания. Экспериментальные результаты, 1999. Т. 69. № 8. С. 55.
2. Пинчук В.А., Грибакин В.А., Болдырев А.С. Диагностирование технического состояния жидкостных ракетных двигателей на основе электрофизических измерений // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 11. С. 17.
3. Балицкий Ф.Я., Янова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов М.: Наука, 1984. 120 с.
4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер,
2003.
5. Махин В.А., Миленко Н.П., Пронь Л.В., Теоретические основы экспериментальной отработки ЖРД. М., Машиностроение, 1973. 284 с.
254
Герасименко Евгений Юрьевич, старший научный сотрудник, gerasimenko_evge@mail. ru, Россия, Санкт-Петербкрг, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Пирогов Сергей Юрьевич, д-р техн. наук, доцент, начальник кафедры, kafedra17@. rambler. ru, Россия, Санкт-Петербкрг, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Поспишенко Василий Иванович, канд. техн. наук, доцент, pos. vi@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербкрг, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Стельмах Станислав Феликсович, канд. воен. наук, старший научный сотрудник, ssf-1964@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербкрг, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
EXPERIMENTAL STUDY OF THE INFL UENCE OF THE RELA TIONSHIP OF FUEL COMPONENTS ON THE VIBROACOUSTIC AND ELECTROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE COMBUSTION CHAMBER OF A MODEL LPE
E.Y. Gerasimenko, S.Y. Pirogov, V.I. Pospishenko, S.F. Stelmakh
The results of an experimental study of the influence of the ratio of fuel components on the vibration parameters of the combustion chamber body and the frequency of oscillation of the magnetic field of the plume of a liquid rocket engine are considered. The degree of influence of variable factors on the output (measured) parameters of the functioning of the model rocket engine is estimated.
Key words: liquid rocket engine, combustion chamber, fuel component ratio, model experiment, amplitude-frequency characteristics.
Gerasimenko Evgeny Yuryevich, senior researcher, gerasimenko evge @mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Pirogov Sergey Yuryevich, doctor of technical sciences, docent, head of department, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Pospishenko Vasily Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, pos. vi@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Stelmakh Stanislav Feliksovich, candidate of military sciences, senior researcher, ssf-1964@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky.
