СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОТОКА ГАЗА В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ И АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА Российский патент 2012 года по МПК G01M9/02 

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к аэродинамическим трубам (АДТ) криогенного типа, в которых рабочий газ охлаждается до температур порядка 90 K.

Криогенные АДТ являются практически единственным устройством, где на моделях летательных аппаратов достигаются натурные числа Рейнольдса (число Re).

Действие криогенных АДТ основано на физических явлениях, происходящих в газе при низких температурах: уменьшается динамическая вязкость газа и, соответственно, увеличивается число Re. В криогенных АДТ увеличение числа Re путем снижения температуры газа T приводит к уменьшению потребной мощности компрессора (N~T^0.5). Другие известные способы увеличения числа Re путем увеличения полного давления газа p₀ или размеров модели l (а значит, и размеров трубы) приводят к увеличению потребной мощности компрессора (N~p₀l²).

Известны криогенные АДТ непрерывного действия - европейская ETW и американская NTF, где реализован способ подачи газа высокого давления в рабочую часть трубы с помощью компрессора, а необходимая температура достигается впрыском жидкого азота в поток газа (“Состояние разработок в области создания криогенных аэродинамических труб”, Обзор ЦАГИ, №669, 1986 г., с.4 (рис.5) и с.10 (рис.17)).

Недостатком этого способа реализации потока в АДТ является наличие больших потерь энергии при ее работе. При прохождении газа через компрессор его температура увеличивается и поэтому для компенсации надо впрыскивать в поток большие порции жидкого газа. Это приводит к повышению давления перед компрессором и к необходимости выпуска избыточного газа высокого давления (потери энергии) в окружающую среду (в случае азота возникают еще и проблемы экологии). К тому же выбрасываемый газ имеет температуру, практически равную температуре конденсации газа, что также приводит к потерям энергии, потраченной на охлаждение газа. Еще одним недостатком этого способа является неравномерность потока в рабочей части АДТ, вызванная хлопьями жидкого газа, которые не успевают испариться. Для устранения этого недостатка приходится делать длинные каналы, что удорожает стоимость строительства АДТ и гидравлические потери в ней.

Наиболее близким из известных технических решений является криогенная АДТ, содержащая рабочую часть, форкамеру, компрессор и устройство для его вращения, устройство для впрыска жидкого газа, систему выпуска избыточного газа из АДТ и сжижения его (Патент СССР №1543970, 1993 г., МПК G01M 9/00) и способ создания потока, который в ней реализован, связанный с непрерывной подачей газа высокого давления в рабочую часть трубы с помощью компрессора и охлаждением потока путем впрыска в него жидкого азота, но в отличие от вышеприведенных аналогов избыточный газ из тракта АДТ не выбрасывается в атмосферу, а сжижается и вновь используется для охлаждения потока в АДТ.

Недостатком этого способа создания потока и АДТ является сложность системы сжижения газа и неэкономичность, связанная с тем, что процесс сжижения происходит в процессе работы АДТ и для сжижения больших масс газа требуются турбодетандерные установки большой единичной мощности. Альтернативный вариант накопления газа для последующего сжижения ведет к повышению температуры газа по мере закачки его в газгольдер. Кроме того, этому способу создания потока и АДТ присущи все вышеперечисленные недостатки аналога, связанные с нагревом газа при работе компрессора и с неравномерностью потока из-за впрыска жидкого газа в поток.

Задачей изобретения является уменьшение потерь энергии при создании потока газа и повышение его равномерности в рабочей части АДТ.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение потерь энергии и повышение равномерности потока в рабочей части при неизменных газодинамических и геометрических параметрах АДТ.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания потока газа в рабочей части АДТ, состоящем в получении газа высокого давления с помощью компрессора и в охлаждении газа путем впрыска жидкого газа, выпуске избыточного газа из тракта АДТ и его последующем сжижении, компрессор вращают с помощью струй жидкого газа или струй жидкого газа и холодного газа высокого давления, получаемого из жидкого газа, причем на стационарном режиме работы АДТ избыточную массу газа отбирают из тракта трубы и направляют в детандерно-генераторный агрегат (ДГА), где вырабатывают электроэнергию, а газ после ДГА направляют в вакуумную камеру, где конденсируют его в жидкость на расположенных внутри вакуумной камеры криопанелях из пористого металла, предварительно охлажденных до температуры ниже температуры конденсации газа, после завершения работы АДТ остаточный холодный газ высокого давления в тракте АДТ и напускаемый в контур атмосферный воздух для регенерации холода элементов АДТ также конденсируют в жидкость, которую запасают и используют для получения стартового потока в АДТ.

Указанный технический результат достигается еще и тем, что в аэродинамической трубе, содержащей рабочую часть, форкамеру, компрессор и устройство для его вращения, устройство для впрыска жидкого газа, систему выпуска избыточного газа из АДТ и сжижения его, компрессор для вращения снабжен пневмогидравлическим устройством, система выпуска газа содержит детандерно-генераторный агрегат, система сжижения включает вакуумную камеру, в которой расположены криопанели из пористого металла.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве пневмогидравлического устройства для вращения компрессора используются сопла в роторе компрессора.

Указанный технический результат достигается еще и тем, что в качестве пневмогидравлического устройства для вращения компрессора используются полые лопатки компрессора.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве пневмогидравлического устройства для вращения компрессора используются механизмы типа Сегнерова колеса.

На фиг.1 приведена схема основных элементов предлагаемой криогенной аэродинамической трубы.

На фиг.2 приведена схема пневмогидравлического устройства, выполненного в виде реактивных сопел.

На фиг.3 приведена схема пневмогидравлического устройства, выполненного в виде полых лопастей компрессора.

На фиг.4 приведена схема пневмогидравлического устройства, выполненного в виде Сегнерова колеса.

Осуществление предложенного способа создания потока газа в рабочей части покажем на примере работы АДТ (фиг.1). АДТ содержит компрессор (1) для нагнетания газа, пневмогидравлическое устройство (2) для вращения компрессора с помощью истекающих струй жидкого газа и (или) холодного газа высокого давления, получаемого из жидкого газа, рабочую часть (3), форкамеру (4), систему отбора избыточного газа (5), детандерно-генераторный агрегат (6) для выработки электроэнергии за счет энергии избыточного газа, отводимого из тракта АДТ, систему сжижения отводимого газа (7), содержащую вакуумную камеру с криопанелями, охлаждаемыми холодильной машиной, систему откачки конденсированного газа из вакуумной камеры системы сжижения в теплоизолированную емкость (8) для хранения жидкого газа, систему газификации конденсата (9), систему подвода (10) жидкого газа и (или) газифицированного конденсата высокого давления к пневмогидравлическим устройствам для вращения компрессора.

Опишем подробнее работу компрессора (1). Обычно он вращается с помощью электропривода. В результате работы компрессора газ на выходе из него нагревается, и принимаются меры по его охлаждению. В обычных АДТ - это система водяного охлаждения с существенными гидравлическими потерями, а в криогенных АДТ - впрыск жидкого газа в поток.

Предлагается вращать компрессор с помощью струй жидкого газа и (или) холодного газа высокого давления, полученного из жидкого газа, истекающих, например, из реактивных сопел (11), расположенных на роторе (12) компрессора (фиг.2). Компрессор может вращаться также путем истечения газа или жидкости через полые лопатки (13) компрессора (фиг.3), а также (фиг.4) с помощью устройств типа Сегнерова колеса (14). На фиг.2, 3, 4 стрелками указано направление истечения жидкости или газа. Все приведенные устройства могут располагаться в различных сечениях компрессора, а также вне компрессора на общем приводном валу. С помощью системы подвода (10) жидкий и (или) газифицированный газ подается в любое устройство для вращения компрессора в различных его сечениях.

Напомним, что в аналогах осуществлялся просто впрыск жидкого газа в поток для его охлаждения, а в нашем предложении, кроме охлаждения потока, энергия впрыскиваемого жидкого газа используется для вращения компрессора.

Количество реактивных сопел, полых лопаток и устройств типа Сегнерова колеса и соотношение расходов жидкости и газа через эти устройства выбираются из условия обеспечения необходимой мощности для вращения компрессора и получения требуемой температуры и давления потока в рабочей части АДТ. Газ, расширяясь в устройствах для вращения компрессора, теряет свою энергию и уменьшает свою температуру. Это приводит к тому, что газ в тракте АДТ после компрессора имеет температуру, существенно меньшую, чем в случае электропривода компрессора. Лопатки компрессора вращаются в холодной среде, поэтому можно увеличивать скорость вращения компрессора и, соответственно, уменьшить его габариты. К тому же газ и жидкость, требуемые для вращения компрессора, используются как рабочее тело АДТ, снижая нагрузки на компрессор, так как масса газа, нагнетаемая в тракт АДТ, уменьшается на величину массы газа и жидкости, используемых на вращение компрессора.

Максимальный расход жидкого газа следует ожидать при получении стартового потока в АДТ, когда надо быстро охладить поток и элементы АДТ, а минимальный - на стационарном режиме работы трубы. На стационарном режиме работы трубы система отбора (5) подводит избыточный газ к детандерно-генераторному агрегату (6), где турбина вырабатывает электроэнергию при расширении газа. Газ при этом охлаждается и поступает в систему сжижения (7), которая состоит из вакуумной камеры, в которой располагаются криопанели из пористого металла, охлаждаемые холодильной станцией. Таким образом, отбираемый из тракта АДТ избыточный газ охлаждается, расширяясь в турбине ДГА и в вакуумной камере, и конденсируется в жидкость на предварительно охлажденных пористых криопанелях.

Преимуществом предложенной системы выпуска лишнего газа по сравнению с аналогами является использование энергии сжатого газа в ДГА для выработки электроэнергии с одновременным понижением температуры газа перед его напуском в вакуумную камеру для конденсации в жидкость. Для промышленных труб, таких как европейская ETW или американская NTF, массовый расход газа в окружающую среду составляет до 450 кг/с при давлении (2÷9)×10⁵ Па и температуре ≈100 К. Таким образом, в аналогах теряется энергия сжатого газа и энергия, потраченная на охлаждение газа от температуры окружающей среды до температуры 100 К, что составляет примерно половину энергии, требуемой для сжижения газа, находящегося при нормальных атмосферных условиях. Во избежание экологических проблем выпуска газа (особенно азота) в атмосферу приходится строить высокие трубы и подмешивать к газу воздух окружающей среды. В нашем варианте осуществляется замкнутый цикл движения газа в АДТ и в атмосферу ничего не выбрасывается. Предложенная в прототипе система сжижения газа сложная, и основной ее недостаток состоит в том, что практически невозможно в темпе эксперимента сжижать расходы избыточного газа, характерные для промышленных АДТ, с помощью турбодетандерной холодильной станции. Напомним, что в вышеприведенных аналогах были построены отдельные заводы по сжижению газа.

Данное предложение сжижения газа включает два ключевых момента: сжижение излишков рабочего газа на предварительно охлажденных криопанелях (в перерывах между пусками АДТ) и использование криопанелей из пористого металла, например из пористой меди, получаемой с помощью методов порошковой металлургии. Несомненное достоинство предварительного охлаждения криопанели - использование относительно маломощного холодильного устройства, что позволяет медленно уменьшать температуру массы криопанели, и поэтому коэффициент теплопроводности материала не столь важен. Если использовать предварительно охлажденную массу, то характеристики системы независимы от характеристик холодильной машины во время процесса сжижения. В этом случае небольшая холодильная установка может экономно сжижать большие порции газа за короткое время.

Криопанели из пористых металлов имеют удельную поверхность (отношение суммарной поверхности тела к его массе) на два-три порядка больше, чем компактные металлы (С.В.Белов. Пористые металлы в машиностроении. М., 1976).

Интенсивность сжижения пропорциональна площади контакта газа с поверхностью охлажденной криопанели. Учитывая, что газ до контакта с криопанелью расширяется в ДГА и при истечении в вакуумную камеру, статическая температура его понижается до температуры порядка температуры конденсации и даже ниже (переохлажденный газ). Поэтому пористые криопанели должны изъять у газа для его сжижения только теплоту конденсации. При необходимости холодильную машину можно использовать для последовательного охлаждения нескольких вакуумных камер с криопанелями.

После окончания эксперимента в рабочей части АДТ отключается компрессор и производится сжижение всей массы холодного газа с температурой Т ≈100 К и давлением (2÷9)×10⁵ Па. При достижении разрежения в тракте АДТ производят напуск атмосферного воздуха с целью регенерации холода элементов трубы с последующим сжижением воздуха. Полученный таким образом сжиженный газ используется для получения стартового потока при последующих запусках трубы.

Предлагаемые способ получения потока в рабочей части аэродинамической трубы и АДТ могут быть использованы и в обычных (некриогенных) АДТ для охлаждения потока после компрессора вместо сложных систем водяного охлаждения, а также в климатических установках для исследования проблем обледенения элементов летательного аппарата.

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к аэродинамическим трубам (АДТ) криогенного типа. Предложен способ создания потока в рабочей части АДТ и аэродинамическая труба, в которой компрессор вращается с помощью струй жидкого газа и (или) полученного из конденсата холодного газа высокого давления, истекающих из реактивных сопел, установленных на роторе компрессора, и (или) из полых лопастей компрессора, что позволяет по сравнению с аналогами существенно понизить температуру газа после компрессора. Избыточный газ из тракта АДТ сначала направляется в детандерно-генераторный агрегат (ДГА), где вырабатывается электроэнергия и газ охлаждается при его расширении в турбине, а далее газ еще раз охлаждается при втекании в вакуумную камеру и сжижается на установленных в ней криопанелях, предварительно (между пусками в АДТ) охлаждаемых холодильной машиной до температур ниже температуры конденсации используемого газа. Криопанели выполнены из пористых металлов и имеют площадь пор на единицу массы, на два-три порядка большую по сравнению с площадью криопанели из сплошного металла. Интенсивность сжижения пропорциональна площади контакта газа с поверхностью охлажденной криопанели, поэтому небольшая холодильная установка может экономно сжижать большие порции газа за короткое время. Сжиженный газ собирается в резервуаре и используется для вращения компрессора. Технический результат заключается в уменьшении потерь энергии при создании потока газа, повышении равномерности потока в рабочей части. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания потока газа в рабочей части аэродинамической трубы (АДТ), состоящий в получении газа высокого давления с помощью компрессора и в охлаждении газа путем впрыска жидкого газа, выпуске избыточного газа из тракта АДТ и его последующем сжижении, отличающийся тем, что компрессор вращают с помощью струй жидкого газа или струй жидкого газа и холодного газа высокого давления, получаемого из жидкого газа, причем на стационарном режиме работы АДТ избыточную массу газа отбирают из тракта трубы и направляют в детандерно-генераторный агрегат (ДГА), где вырабатывают электроэнергию, а газ после ДГА направляют в вакуумную камеру, где конденсируют его в жидкость на расположенных внутри вакуумной камеры криопанелях из пористого металла, предварительно охлажденных до температуры ниже температуры конденсации газа, после завершения работы АДТ остаточный холодный газ высокого давления в тракте АДТ и напускаемый в контур атмосферный воздух для регенерации холода элементов АДТ также конденсируют в жидкость, которую запасают и используют для получения стартового потока в АДТ.

2. Аэродинамическая труба, содержащая рабочую часть, форкамеру, компрессор и устройство для его вращения, устройство для впрыска жидкого газа, систему выпуска избыточного газа из АДТ и сжижения его, отличающаяся тем, что компрессор снабжен пневмогидравлическим устройством для вращения, система выпуска газа содержит детандерно-генераторный агрегат, система сжижения включает вакуумную камеру, в которой расположены криопанели из пористого металла.

3. Аэродинамическая труба по п.2, отличающаяся тем, что пневмогидравлическое устройство выполнено в виде сопел, установленных на роторе компрессора.

4. Аэродинамическая труба по п.2, отличающаяся тем, что пневмогидравлическое устройство выполнено в виде полых лопастей компрессора.

5. Аэродинамическая труба по п.2, отличающаяся тем, что пневмогидравлическое устройство выполнено в виде Сегнерова колеса.