АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА Российский патент 2016 года по МПК G01M9/00 

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения гиперзвукового потока газа в диапазоне чисел Маха 4-20 и при параметрах торможения Р₀ до (2-2,3)10³ бар, Т₀ до 4000 K в лабораторных условиях.

Для получения рабочего газа с предельно высокими параметрами торможения потока используются различные аэродинамические установки кратковременного действия - импульсные аэродинамические трубы (Патент США №3418445, кл. 73-147, 1968) [1], где нагрев газа в форкамере осуществляется электрической дугой при постоянной плотности, аэродинамические трубы с адиабатическим сжатием рабочего газа, которые разделяются на установки с тяжелым поршнем (Патент РФ №2093716, МПК F15D 1/00, F15В 19/00, G01M 9/00) [2] и с мультипликаторами давления (Патент РФ №(11)2 166186, МПК G01M 9/02) [3]. В них повышение давления и нагрев рабочего газа осуществляются адиабатическим сжатием за счет кинетической энергии поршня, либо мультипликатором давления. Известна аэродинамическая труба с комбинированным нагревом рабочего газа: электрическая дуга плюс химическая энергия, плюс мультипликатор давления (Патент РФ №2436058, МПК G01M 9/02) [4].

Все перечисленные установки характеризуются высоким уровнем технической сложности, эксплуатационной опасности в связи с возможными сбоями в управлении технологическими процессами, поскольку после запуска установки участие человека в дальнейших операциях исключается. Максимально достижимые параметры торможения Р₀ и Т₀ определяются энергетическими характеристиками этих установок: запасаемой электрической энергией, кинетической энергией тяжелого поршня, соотношениями площадей двухступенчатых поршней мультипликаторов давления. Но во всех рассматриваемых примерах одним из основных параметров при разработке аэродинамической установки является величина промышленного давления, каким будет обслуживаться установка при эксплуатации. Создание же новой системы с другим промышленным давлением значительно увеличивает стоимость новой аэродинамической трубы и, обычно, является проблематичным.

Наиболее близким из известных решений к заявленному техническому решению является аэродинамическая труба (Патент РФ №2436058, МПК G01M 9/02) [4], которая оснащена двумя оппозитно расположенными мультипликаторами давления. В этой конструкции применяются комбинированные способы подогрева рабочего газа: одноступенчатое адиабатическое сжатие, электродуговой подогрев, электродуговой подогрев плюс химическая энергия различных газов и другие способы.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что система рассчитана на работу при величине промышленного давления (150-170) бар. По сути - это максимальная величина давления толкающего газа, которое воздействует на поршневые системы мультипликаторов давления. Эта величина определяет размеры больших и малых ступеней поршней, максимальное давление в форкамере после подвода тепла, расход демпфирующей жидкости, динамику поршневой системы, временные характеристики установки.

При оптимизации выше названных параметров максимальное рабочее давление Р₀ [4] в форкамере не должно превышать 1100 бар, иначе давления толкающего газа с учетом трения поршневых систем будет недостаточно для работы аэродинамической трубы.

Недостатком данной схемы является значительная зависимость конечного давления в форкамере трубы от давления толкающего газа.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, расширяющего экспериментальные возможности аэродинамической трубы кратковременного действия, получения гиперзвукового потока газа в диапазоне чисел Маха 4-20 и при параметрах торможения Р₀ до (2-2,1)10³ бар, Т₀ до 4000 K в лабораторных условиях.

Поставленная задача реализуется благодаря тому, что в аэродинамической трубе, содержащей установленные симметрично с образованием общей форкамеры два дифференциальных мультипликатора давления, поршни которых выполнены ступенчатыми и установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу, надпоршневое пространство первого мультипликатора соединено с источником толкающего газа через быстродействующий клапан, а его подпоршневое пространство - заполнено демпфирующей жидкостью и связано гидравлическим каналом с надпоршневым пространством второго мультипликатора, при этом для обеспечения синхронизации их движения большие ступени поршней мультипликаторов выполнены разновеликими, так что второй мультипликатор имеет диаметр большой ступени поршня меньше диаметра большой ступени поршня первого мультипликатора, ресивер с толкающим газом и расположенный перпендикулярно к форкамере газодинамический тракт, согласно изобретению к корпусу второго мультипликатора по оси присоединен малый мультипликатор давления, содержащий двухступенчатый поршень, малая ступень которого находится в контакте с большой ступенью поршня второго мультипликатора, а надпоршневое пространство малого мультипликатора связано через быстродействующий пневмоклапан с ресивером.

Технический результат состоит в увеличении давления торможения Р₀ практически в два раза до 2100 бар при давлении толкающего газа (150-170) бар и, соответственно, расширении области моделируемых параметров торможения.

Указанный технический результат достигается путем увеличения диапазона реализуемых параметров торможения потока, в частности Р₀, за счет использования дополнительного, меньшего по размерам и объему мультипликатора давления, расположенного по оси трубы и присоединенного ко второму мультипликатору. Наличие дополнительного мультипликатора давления практически не усложняет систему синхронизации движения поршней, обеспечивает надежную стабилизацию параметров потока в течение рабочего режима независимо от способа подогрева рабочего тела.

Перечисленные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, техническое решение является новым.

Описание устройства поясняется рисунком 1.

На рисунке 1 показана схема аэродинамической трубы со стабилизацией параметров потока. Труба содержит ресивер 1, быстродействующий пневмоклапан 2, изолирующий толкающий газ от надпоршневого пространства 3 поршня 4 мультипликатора давления 5. Второй мультипликатор давления 6 содержит поршень 7, оба поршня 4 и 7 расположены оппозитно друг другу и могут синхронно перемещаться навстречу друг другу. Надпоршневое пространство 3 поршня 4 имеет пневмотрассу с вентилем для сброса давления, пневмотрассу 9 с вентилем для заполнения полости 3 избыточным давлением. Подпоршневое пространство 8 заполнено жидкостью и соединено с надпоршневым пространством 10 поршня 7 гидроканалом 11, содержащим устройство 12 для изменения расхода протекающей по каналу жидкости и обратный клапан 13 для удаления пузырьков газа. Перпендикулярно оси мультипликатора по центру форкамеры 14 расположены диафрагма 15 и устройство управляемого вскрытия ее (при использовании химической энергии, на фиг. 1 не показано), дросселирующая камера 16, сопло 17 и коаксиальные электроды 18, подводящие к форкамере 14 электрическую энергию от конденсаторной батареи 19. К форкамере подходят два пневмоканала 20 и 21 и пневмотрасса 22 с вентилем для заполнения форкамеры сжатым воздухом. Канал 20 с вентилями предназначен для подсоединения системы заправки 23 форкамеры реагирующими газами (N₂O, С₃Н₈, Н₂, О₂), азотом, воздухом. Пневмоканал 21 - для подключения импульсного адиабатического генератора рабочего газа 24. Подпоршневое пространство 25 поршня 7 частично заполнено жидкостью, которая участвует в торможении поршня на конечном участке движения. Здесь же расположены дренированная емкость 26 с крышкой, пневмотрасса 27 с вентилем для сброса давления из полости 25 и подсоединена пневмотрасса 28 с вентилем и манометром для подачи избыточного давления в полость 25 для возвращения поршней 4, 7 мультипликаторов в исходные крайние положения. К крышке корпуса второго мультипликатора по оси присоединен корпус малого мультипликатора 29, который содержит двухступенчатый поршень 30, 31. Малая ступень поршня 31 через отверстие в крышке второго мультипликатора с системой уплотнений находится в контакте с поршнем 7 второго мультипликатора. Надпоршневое пространство малого мультипликатора соединено через пневмоклапан 32 пневмотрассой с ресивером 1.

В связи с многовариантностью рабочих режимов аэродинамической трубы кратковременного действия со стабилизацией параметров потока рассмотрим наиболее показательный из них.

Пример

Работа аэродинамической трубы в режиме дуга+воздух+химическая энергия.

Подготовка трубы к пуску предусматривает выполнение следующих операций.

Перед экспериментом газодинамический тракт трубы, включая дросселирующую камеру 16, сопло 17, рабочую часть и выхлопную вакуумную емкость (на рисунке 1 не показаны) изолируют от форкамеры диафрагмой 15 с устройством управляемого вскрытия и откачивают вакуумными насосами до давления ~10^-2 мм рт. ст.

Быстродействующий пневмоклапан 2 закрывается и ресивер 1 заполняется сжатым воздухом до рабочего давления.

Крышка на емкости 26 и вентиль 27 закрываются, вентиль пневмотрассы 28 и вентиль 33 сброса давления из надпоршневого пространства 3 открываются и в подпоршневое пространство 25 поршня 7 подается избыточное давление. При этом поршни 4, 7, 30 расходятся в крайние положения. Обратный клапан 13 под действием избыточного давления жидкости в гидроканале 11 закрывается. После возвращения поршней 4, 7 в исходное состояние производится сброс давления из полости 25 вентилем 27, крышка 26 открывается, вентили 9, 33, 27, 28, закрываются. Для исключения повышения давления в подпорпшевом пространстве поршня 30, при его движении, оно соединено с атмосферой дренирующим отверстием 34.

Система заправки реагирующими газами 23, состоящая из электромагнитных клапанов, через пневмоканал 20 механически соединяется с полостью форкамеры. Форкамера 14 поочередно заполняется смесью газов, например, закисью азота N₂O и N₂, в соотношении, обеспечивающем после разложения N₂O состав смеси N₂+О₂ с объемной долей кислорода 0,21, равной содержанию О₂ в атмосферном воздухе. Аналогично может использоваться химическая энергия других компонент (Н₂, С₃Н₈). Далее происходит заполнение воздухом форкамеры с помощью вентиля пневмотрассы 22. После заполнения форкамеры пневмоканал 20 и пневмотрасса 22 закрываются и система заправки 23 отводится от форкамеры, разрывая механическую связь с корпусом форкамеры.

Производится зарядка конденсаторной батареи 19.

При запуске установки происходит разряд конденсаторной батареи 19, температура и давление газа увеличиваются. При достижении температуры (1200-1500) K начинается реакция разложения закиси азота с выделением тепла. Продолжительность реакции разложения составляет от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд в зависимости от процентного содержания закиси азота в смеси и сопровождается ростом температуры и давления в форкамере. Одновременно с разрядом батареи открываются пневмоклапаны 2, 32 и толкающий газ из ресивера 1 поступает в полость 3 мультипликатора давления 5 и в полость перед большой ступенью малого мультипликатора 29. Происходит дополнительное сжатие газа в форкамере. При достижении давления в форкамере, близкого к максимальному после разложения закиси азота (время реакции конкретной смеси устанавливается заранее в исследованиях), подается сигнал на вскрытие диафрагмы 15. Диафрагма вскрывается и рабочий газ с постоянным расходом вытесняется из форкамеры.

Работа мультипликаторной группы при запуске установки, включая малый мультипликатор давления, заключается в следующем.

1. При давлении толкающего газа (150-170) бар и ожидаемом давлении в форкамере не более 1100 бар малый мультипликатор можно не включать в работу, перекрыв клапан 32. Давления в полости 3 мультипликатора 5 вполне достаточно для перемещения двухступенчатых поршней 4 и 7 навстречу друг другу.

2. При давлении толкающего газа (150-170) бар и ожидаемом давлении в форкамере более 1100 бар малый мультипликатор необходимо включить в работу, поскольку суммарного баланса сил, действующего на поршневые группы первого и второго мультипликаторов давления после подвода энергии в форкамере недостаточно для старта и движения поршней 4 и 7. Участие малого мультипликатора обеспечивает необходимый баланс сил и позволяет достичь в форкамере максимальных значений параметров рабочего газа: давление до 2100 бар и температуру до 4000 K.

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения гиперзвукового потока газа в лабораторных условиях. Аэродинамическая труба содержит установленные симметрично с образованием общей форкамеры два дифференциальных мультипликатора давления, поршни которых выполнены ступенчатыми и установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу. К корпусу второго мультипликатора по оси присоединен малый мультипликатор давления, содержащий двухступенчатый поршень, малая ступень которого находится в контакте с большой ступенью поршня второго мультипликатора, а надпоршневое пространство малого мультипликатора связано через быстродействующий пневмоклапан с ресивером. Технический результат заключается в расширении экспериментальных возможностей аэродинамической трубы кратковременного действия. 1 ил.

Аэродинамическая труба, содержащая установленные симметрично с образованием общей форкамеры два дифференциальных мультипликатора давления, поршни которых выполнены ступенчатыми и установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу, надпоршневое пространство первого мультипликатора соединено с источником толкающего газа через быстродействующий клапан, а его подпоршневое пространство заполнено демпфирующей жидкостью и связано гидравлическим каналом с надпоршневым пространством второго мультипликатора, при этом для обеспечения синхронизации их движения большие ступени поршней мультипликаторов выполнены разновеликими, так что второй мультипликатор имеет диаметр большой ступени поршня меньше диаметра большой ступени поршня первого мультипликатора, ресивер с толкающим газом и расположенный перпендикулярно к форкамере газодинамический тракт, отличающаяся тем, что к корпусу второго мультипликатора по оси присоединен малый мультипликатор давления, содержащий двухступенчатый поршень, малая ступень которого находится в контакте с большой ступенью поршня второго мультипликатора, а надпоршневое пространство малого мультипликатора связано через быстродействующий пневмоклапан с ресивером.