CC BY
34УДК 67.05::53.08:62-1/-9
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА СТЕНДАХ ИСПЫТАНИЯ НАСОСОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗОМЕТРА
Д. С. Швецова, Д. А. Савчин, Л. П. Назарова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: darya.shvetsova@yandex.ru
Рассматриваются предложения по усовершенствованию метода измерения крутящего момента при проведении гидродинамических испытаний насосов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Ключевые слова: стенд испытания насосов (СИН), балансирная рама, рейтерное устройство, крутящий момент, торсионный вал.
THE METHOD OF TORQUE MEASUREMENT ON THE PUMP TEST STANDS
WITH USING PHASOMETER
D. S. Shvetsova, D. A. Savchin, L. P. Nazarova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: darya.shvetsova@yandex.ru
The paper deals with proposal of improving the method of torque measurement during the hydrodynamic tests of centrifugal pumps of liquid rocket engines.
Keywords: pump test stand (PTS), balanced frame, rider bed, torque, torsional shaft.
Гидродинамические испытания (гидропролив) являются ответственным этапом в производственном цикле изделий ракетно-космической техники. Они позволяют сделать вывод о соответствии фактических параметров насосов значениям, заданным конструкторской документацией, что определяет качество выпускаемой продукции. Такие испытания позволяют определить ряд основных характеристик агрегатов ракетного двигателя, а именно: гидравлическое сопротивление, напор, перепад давления, КПД и т.д.
Цель проведения гидропролива заключается в определении напорной и кавитационной характеристик насоса, а также его КПД. Анализируя данные, полученные за многие годы проведения таких испытаний, можно сделать вывод, что определение КПД насоса п вызывает наибольшее затруднение, а точность не превышает 2,5 %. Проведя анализ членов, входящих в зависимость (1), по которой рассчитывается КПД [1], видно, что определение расхода, напора, плотности жидкости и угловой скорости ротора насоса не вызывает затруднений. Такие измерения проводятся с погрешностью менее одного процента. Однако определение крутящего момента, создаваемого на валу насоса, сопряжено с большими трудностями, а погрешность колеблется от 0,87 до 2,98 % (здесь и далее погрешность посчитана по методике, изложенной в работе [2]) в зависимости от испытываемого насоса
тН р
П =
юМ„
где т - массовый расход; Н - напор; ю - угловая скорость; Мкр - крутящий момент.
Методика определения крутящего момента при испытаниях насосов ЖРД состоит в следующем [3]: на балансирной раме установлен электродвигатель с мультипликатором, рама посредством системы рычагов соединена с рейтерным устройством, где при помощи датчика и встроенного электродвигателя происходит перемещение рейтерной головки, которая уравновешивает систему. Сигнал с датчика поступает на измерительное устройство, которое фиксирует значения момента.
Достоинства данного метода:
- возможность провести тарировку статическим способом.
Недостатки метода:
- низкая точность измерения момента, погрешность от 0,87 до 2,98 % [2];
- зависимость точности определения КПД от соотношения Мкр/Мпр (Мпр - предельный момент) и, как следствие, необходимость для каждого типа насоса изготавливать отдельный стенд;
- сложность в обслуживании стенда;
- увеличенное время проведения испытаний (время успокоения стенда - 10-15 секунд), иногда превышающее время работы насоса в изделии;
- подверженность влиянию окружающей среды;
В совокупности все перечисленные недостатки не позволяют провести испытания с необходимой точностью, а кроме того, снижают надежность насосов вследствие увеличенного времени испытаний. Существующая методика не отличается гибкостью и экономически затратная.
Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
Схема фазового измерителя крутящего момента
Для улучшения существующей методики можно добиться, чтобы значение соотношения Мкр/Мпр было близко к единице. Это можно сделать либо проектируя для каждого насоса свой стенд, добиваясь значения предельного момента близким к моменту насоса, либо испытывать насос на повышенных режимах. В первом случае испытания будут сопряжены со значительными финансовыми и временными затратами, а второй случай ограничен прочностью насоса и снижает его надежность.
Для повышения точности определения КПД, снижения затрат на подготовку и проведение испытаний, а также для увеличения надежности насосов предлагается в качестве устройства измерения крутящего момента использовать фазовый измеритель крутящего момента (ФИКМ) на основе торсионного вала. Фазовые методы измерения обладают высокой точностью, простотой в обслуживании, на их основе можно создать устройство, способное за короткое время сделать замер крутящего момента с погрешностью менее 1 %.
ФИКМ (см. рисунок) состоит из торсионного вала, на концах которого закреплены зубчатые колеса. Один конец вала подсоединяется к мультипликатору через рессору, а другой соединяется с валом шнеко-центробежного насоса. Торсион с колесами располагается в гильзе. Напротив каждого колеса расположены два индукционных датчика, диаметрально противоположные друг другу. Датчики фазированы.
Поперечное сечение торсиона имеет крестообразную форму, которая, обеспечивает достаточный угол закручивания и при этом сохраняет продольную жесткость. Использование вала с круглым сечением нецелесообразно, так как он не обеспечит необходимый угол закручивания, а жесткости такого вала недостаточно при работе на высоких оборотах.
Использование двух датчиков на каждом зубчатом колесе позволяет практически полностью убрать искажения, вызванные радиальным биением вала, а также увеличить амплитуду выходного сигнала. Помимо всего существует система предохранения, состоящая из срезного штифта и корпуса втулки
и срабатывающая при достижении момента среза, равного Мср = 1,2Мкр.
Принцип работы фазового измерителя крутящего момента следующий: в начальный момент времени, когда насос не заполнен рабочей жидкостью, между зубьями колес сохраняется угол а1, заданный при тарировке и соответствующей нулевому моменту. В результате заполнения насоса жидкостью на его валу возникает момент, направленный в противоположную вращению электродвигателя сторону. Вследствие этого происходит закручивание торсиона и, как следствие, изменение угла а1. Изменение угла между зубьями колес приводит к изменению разницы фаз, регистрируемой датчиками. Каждой разнице фаз соответствует определенное значение крутящего момента, определенное при тарировке измерителя [4; 5].
Достоинства предложенного метода:
- погрешность во всем диапазоне измерений -0,93 %;
- низкая чувствительность к производственным факторам;
- универсальность метода - достаточно изготовить несколько вариантов торсиона для каждого диапазона моментов;
- уменьшение времени проведения испытаний;
- простота обслуживания;
- возможность использовать совместно с имеющейся технологией испытаний;
Недостатки предложенного метода:
- нелинейная зависимость разницы фаз и моментов;
- сложность изготовления торсиона.
Однако перечисленные недостатки не препятствуют внедрению предлагаемого метода измерения крутящего момента, который позволит повысить точность и сократить временные и финансовые затраты на проведение испытаний.
Библиографические ссылки
1. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. 3-е изд. М. : Машиностроение, 1986.
2. Рабинович С. Г. Погрешности измерений. Л. : Энергия, 1978. 262 с.
3. Технология сборки и испытаний насосов жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие / М. В. Краев, В. П. Назаров, Л. П. Назарова, Б. Ф. Ора-тынский ; под общ. ред. проф. М. В. Краева. Красноярск : САА, 1993. 103 р.
4. Смирнов П. Т. Цифровые фазометры. Л. : Энергия, 1974. 144 с.
5. Фролов Л. Б. Измерение крутящего момента. М. : Энергия, 1967. 120 с.
References
1. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Teoriya i ra-schet agregatov pitaniya ZhRD. [The theory and calculation of unit of liquid rocket engines]. Izdanie 3, Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986. 376 p.
2. Rabinovich S. G. Pogreshnosti izmereniy [The faults of the measurements]. Lipetsk, Energiya Publ., 1978. 262 p.
3. Tekhnologiya sborki i ispytaniy nasosov zhidkost-nykh raketnykh dvigateley [Technology of assembling and tests of pumps of liquid rocket engines]. Uchebnoe posobie. M. V. Kraev, V. P. Nazarov, L. P. Nazarova, B. F. Oratynsky; pod. red. prof. M. V. Kraeva. Krasnoyarsk, SAA Publ., 1993. 103 p.
4. Smirnov P. T. Tsifrovye fazometry. [Digital phasometers]. Lipetsk, Energiya Publ., 1974. 144 p.
5. Frolov L. B. Izmerenie krutyashchego momenta [Torque measurement]. Moskow, Energiya Publ., 1967. 120 p.
© Швецова Д. С., Савчин Д. А., Назарова Л. П., 2018
