Импульсная аэродинамическая труба с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа Российский патент 2017 года по МПК G01M9/02 

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для предотвращения аварийных ситуаций в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия, оснащенных системой стабилизации параметров потока, как с электродуговым, так и с комбинированным подогревом рабочего газа (дуга + химическая энергия).

Для получения рабочего газа с предельно высокими параметрами торможения потока (Р₀ до 2000 бар, Т₀ до 4000 К) используют различные аэродинамические установки кратковременного действия. К ним относятся импульсные аэродинамические трубы [1, 2, 3], где нагрев газа в форкамере осуществляется электрической дугой при постоянной плотности, а также аэродинамические трубы кратковременного действия [4, 5] с электродуговым разрядом.

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. В качестве примеров можно рассмотреть некоторые недостатки, характерные для таких труб.

Для импульсных труб [1-3], а также для аэродинамических труб с электродуговым подогревом кратковременного действия [4, 5] отсутствие электродугового разряда из-за технического сбоя при запуске установки приведет к запуску дифференциального мультипликатора и росту давления в форкамере из-за перемещения мультипликатора, разрыву диафрагмы и соответственно к самопроизвольному пробою между электродами на этапе истечения рабочего газа через критическое сечение. В результате форкамера с мультипликатором давления выйдут из строя.

Возможны другие аварийные режимы трубы, связанные с преждевременным вскрытием диафрагмы. Например, после зарядки конденсаторной батареи при нажатии кнопки " пуск " разряд конденсаторной батареи по каким то техническим причинам не происходит, но проходит сигнал на подрыв управляемой диафрагмы. Диафрагма вскрывается, давление в форкамере падает до вакуума и при этом происходит самопроизвольный разряд батареи. Такой вариант аварийной ситуации надолго выводит аэродинамическую трубу из строя вплоть до изготовления новых узлов: поршня, форкамеры и др.

Наиболее близким из известных решений к заявленному техническому решению является импульсная аэродинамическая труба [3]. Установка содержит разрядную камеру (форкамеру) с коаксиальными электродами, которая отделена от остального газодинамического тракта трубы диафрагмой с управляемым вскрытием. Малая ступень поршня мультипликатора содержит канал высокого давления, который заканчивается поршнем со штоком, предназначенным для открытия быстродействующего клапана (БК). При открытии БК толкающий газ подается из ресивера в надпоршневое пространство большой ступени поршня мультипликатора давления. Система управления работой БК содержит электромагнитный клапан для сброса из полости давления газа, запирающего поршень БК, манометр и вентиль подачи газа в полость для запирания поршнем отверстия входа газа в надпоршневое пространство большой ступени поршня мультипликатора давления.

Перед запуском трубы в полости БК устанавливается минимальное давление, необходимое для запирания поршнем БК отверстия для подачи толкающего газа в надпоршневое пространство мультипликатора давления. Величина минимального давления может быть различной и связана с начальным давлением газа в форкамере трубы и давлением толкающего газа. При запуске установки давление в форкамере резко повышается, давление в форкамере через канал высокого давления передается на поршень со штоком, который под воздействием избыточной силы смещает поршень БК, приоткрывая тем самым доступ толкающего газа в полость перед большой ступенью поршня. Давление в полости перед большим поршнем резко увеличивается и окончательно открывает отверстие путем смещения поршня БК в крайнее положение до упора. При этом происходит значительный рост запирающего давления в относительно малой по размерам полости Г между поршнем БК и задней стенкой клапана, который может привести к нарушению режима работы БК (возвратно-поступательный режим движения поршня). Для обеспечения штатного режима работы БК эта полость через пневмотрассу связана с электромагнитным клапаном, который открывается в момент запуска трубы и сбрасывает избыточное давление в атмосферу.

При использовании комбинированного подогрева рабочего газа (дуга + химическая энергия) суть управляемой диафрагмы заключается в возможности задержки вскрытия с тем, чтобы реакция в форкамере прошла полностью. Это время находится в интервале от одной до нескольких десятков миллисекунд. По истечении указанного времени подается сигнал на вскрытие диафрагмы.

Недостатками указанных технических решений с электродуговым или электродуговым + химическим подогревом является то, что в данной схеме импульсной аэродинамической трубы не предусмотрены меры, обеспечивающие безопасность ее работы, поскольку включение электромагнитного клапана для сброса давления из полости Г в момент запуска трубы во всех ситуациях при отсутствии дугового разряда приведет к аварии. При прохождении малой ступени поршня мультипликатора мимо электродов (электрического разряда при запуске трубы не было) произойдет электродуговой разряд между положительным электродом и поршнем и форкамера с другими системами выйдет из строя.

Подобная аварийная ситуация может произойти при отсутствии разряда конденсаторной батареи и вскрытии по сигналу управляемой диафрагмы. Давление в форкамере упадет до вакуума, произойдет разряд батареи в вакууме со всеми неприятными последствиями.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности и безопасности при эксплуатации импульсных аэродинамических труб кратковременного действия с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа, расширение экспериментальных возможностей аэродинамической трубы кратковременного действия путем увеличения диапазона реализуемых параметров торможения потока за счет использования различных источников нагрева рабочего газа и стабилизации параметров потока в течение рабочего режима.

Использование изобретения позволит обеспечить надежность и безаварийность работы критических систем импульсной аэродинамической трубы на любых режимах теплоподвода в форкамере, предотвратить возможные аварийные ситуации, увеличить производительность аэродинамической трубы.

Поставленная задача достигается тем, что импульсная аэродинамическая труба с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа содержит форкамеру с электродами, отделенную от газодинамического тракта трубы диафрагмой, и двуступенчатый поршень, образующий дифференциальный мультипликатор давления, надпоршневое пространство которого соединено с источником толкающего газа, быстродействующий клапан запуска системы стабилизации, контактирующий через поршень дифференциального мультипликатора давления с полостью форкамеры, которая содержит устройство принудительного вскрытия диафрагмы, размещенной на выходе из форкамеры, при этом быстродействующий клапан связан с пневмотрассой вентилем с манометром и электромагнитным клапаном, а поршень дифференциального мультипликатора давления содержит систему обратной связи, выполненную в виде канала высокого давления, один конец корпуса которого неподвижно закреплен на торце малой ступени поршня, а второй связан с поршнем со штоком, который взаимодействует с поршнем быстродействующего клапана, а устройство принудительного вскрытия диафрагмы содержит корпус с поршнями, при этом поршень, обращенный к диафрагме, оснащен ножом и приводится в движение вторым поршнем, на который воздействует подрывное устройство с пиропатроном, конденсатором и зарядным устройством. Согласно изобретению поршень быстродействующего клапана выполнен полым в виде стакана, открытая часть которого обращена к полости с запирающим давлением, а закрытая (глухая) часть запирает отверстие подачи толкающего газа в надпоршневое пространство мультипликатора давления, при этом канал высокого давления, связывающий поршень со штоком с полостью форкамеры, заполнен жидкостью и закрыт со стороны форкамеры поршнем, а устройство принудительного вскрытия диафрагмы дополнительно снабжено внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы и содержит пневмомеханическую блокировку, связанную с форкамерой, которая дает разрешение на вскрытие диафрагмы только при росте давления в форкамере за счет теплоподвода.

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

На фиг. 1 показана схема импульсной аэродинамической трубы с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа со стабилизацией параметров потока; на фиг. 2 - схема устройства запуска дифференцированного мультипликатора давления и быстродействующего клапана запуска системы стабилизации, обеспечивающих безаварийный режим работы трубы, на фиг. 3 - устройство принудительного вскрытия диафрагмы с внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы, содержащее пневмомеханическую блокировку.

Основными элементами конструкции импульсной аэродинамической трубы с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа со стабилизацией параметров потока являются: форкамера 1, в состав которой входят коаксиальные электроды конденсаторной батареи С. Форкамера 1 ограничена с одной стороны диафрагмой 2 с устройством принудительного вскрытия, с другой стороны - торцом малой ступени 3 двухступенчатого поршня мультипликатора давления.

Двухступенчатый поршень содержит систему обратной связи (фиг. 2), которая состоит из канала высокого давления 4, заполненного жидкостью, и двух поршней - поршень 5 контактирует с полостью Б форкамеры, а поршень 6 со штоком 7 контактирует с поршнем 8 быстродействующего клапана 9. Полый поршень 8 выполнен в виде стакана с глухим дном.

Шток 7 в предстартовом состоянии аэродинамической трубы через полость В корпуса мультипликатора давления соприкасается с поршнем 8 быстродействующего клапана 9. Поршень 8 размещен в цилиндре 10 соосно с корпусом быстродействующего клапана 9 и образует кольцевой канал Д с внешним корпусом. Через кольцевой канал Д толкающий газ из ресивера 11 по сквозному цилиндрическому каналу 12 (Фиг. 1) подводится в надпоршневое пространство В мультипликатора давления. Между торцом цилиндра 10 и полым поршнем 8 образована полость Г, связанная с пневмотрассой 13, манометром 14, вентилем 15 и электромагнитным клапаном 16.

Устройство принудительного вскрытия диафрагмы 2 дополнительно снабжено внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы и содержит связанную с полостью Б форкамеры пневмомеханическую блокировку, которая дает разрешение на вскрытие диафрагмы 2 только при теплоподводе и росте давления в форкамере.

Устройство принудительного вскрытия диафрагмы и сама диафрагма 2 отделяют полость Б форкамеры от остального газодинамического тракта аэродинамической трубы. Устройство (Фиг. 3) состоит из корпуса 17 с поршнями 18, 19 и жидкостью между ними, при этом поршень 18, обращенный к диафрагме 2, оснащен ножом 20 и приводится в движение поршнем 19 через жидкость после подрыва пиропатрона 21. Нож 20 имеет квадратное сечения с тремя режущими кромками. Четвертая кромка заглублена внутрь ножа и не участвует во вскрытии диафрагмы.

Внешняя электрическая схема управления вскрытием диафрагмы, помимо компьютера 22, высоковольтного трансформатора 23, ключа 24 (лампа ИФП) и конденсаторной батареи С, дополнительно содержит связанную с полостью Б форкамеры пневмомеханическую блокировку 25 (система обратной связи внешнего управления вскрытием диафрагмы), которая дает разрешение на вскрытие диафрагмы 2 только при теплоподводе и росте давления в форкамере.

При наличии теплоподвода в форкамере и росте давления электрическая цепь управления разрушением диафрагмы замыкается, разрешая прохождение сигнала от компьютера 22 на вскрытие диафрагмы.

Импульсная аэродинамическая труба с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа работает следующим образом.

Перед экспериментом полость Б форкамеры изолируется от газодинамического тракта трубы диафрагмой 2 с устройством принудительного вскрытия. В полость Г подается запирающее давление вентилем 15. Величина этого давления зависит от начального давления в форкамере и давления в ресивере 11 с толкающим газом. Ресивер с толкающим газом заполняется сжатым воздухом, а форкамера - воздухом либо смесью газов. Осуществляется зарядка конденсаторной батареи С.

При запуске аэродинамической трубы (время разряда конденсаторной батареи ~1 мс) происходит увеличение температуры и давления рабочего газа в полости Б форкамеры. Это давление через поршень 5, жидкость в канале высокого давления 4 и поршень 6 со штоком 7 воздействует на поршень 8 быстродействующего клапана 9 и сдвигает поршень 8 влево, приоткрывая тем самым доступ толкающего газа в надпоршневое пространство В мультипликатора давления. Давление в полости В резко возрастает и окончательно сдвигает поршень 8 быстродействующего клапана 9 в крайнее левое положение. Поршневая система мультипликатора давления начинает движение и перемещается вправо в сторону форкамеры. Поскольку высокое напряжение на положительном электроде конденсаторной батареи С после разряда отсутствует, реализуется штатный режим работы аэродинамической трубы. В случае если разряд батареи по каким-то причинам не произошел, то роста давления в форкамере не будет, не откроется быстродействующий клапан 9 системы стабилизации параметров потока, и диафрагма 2 не вскроется из-за разомкнутой цепи управления вскрытием, таким образом предотвращая аварию на установке.

Положительный эффект достигается благодаря конструктивным решениям основных узлов импульсной аэродинамической трубы, обеспечивающим безопасность работы трубы, а именно узлов системы обратной связи включения в работу мультипликатора давления и узлов системы управления вскрытием диафрагмы, функционирование которых определяется наличием роста давления в форкамере при запуске аэродинамической трубы.

Источники информации

1. Патент США №3418445, кл. 73 - 147, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР №1156462, G01M 9/00.

3. Патент РФ №2439523, МПК G01M 9/02 - прототип.

4. Патент РФ №2436058, МПК G01M 9/02.

5. Патент РФ №2578052, МПК G01M 9/00.

Импульсная аэродинамическая труба с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа относится к области экспериментальной аэродинамики. Аэродинамическая труба содержит форкамеру с электродами, отделенную от газодинамического тракта трубы диафрагмой, и двуступенчатый поршень, образующий дифференциальный мультипликатор давления, надпоршневое пространство которого соединено с источником толкающего газа, быстродействующий клапан запуска системы стабилизации, контактирующий через поршень дифференциального мультипликатора давления с полостью форкамеры, которая содержит устройство принудительного вскрытия диафрагмы, размещенное на выходе из форкамеры. Поршень быстродействующего клапана выполнен полым в виде стакана, открытая часть которого обращена к полости с запирающим давлением, а закрытая глухая часть запирает отверстие подачи толкающего газа в надпоршневое пространство мультипликатора давления, при этом канал высокого давления, связывающий поршень со штоком с полостью форкамеры, заполнен жидкостью и закрыт со стороны форкамеры поршнем, а устройство принудительного вскрытия диафрагмы дополнительно снабжено внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы и содержит связанную с форкамерой пневмомеханическую блокировку, которая дает разрешение на вскрытие диафрагмы только при росте давления в форкамере при теплоподводе. Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности при эксплуатации импульсных аэродинамических труб кратковременного действия. 3 ил.

Импульсная аэродинамическая труба с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего газа, содержащая форкамеру с электродами, отделенную от газодинамического тракта трубы диафрагмой, и двухступенчатый поршень, образующий дифференциальный мультипликатор давления, надпоршневое пространство которого соединено с источником толкающего газа, быстродействующий клапан запуска системы стабилизации, контактирующий через поршень дифференциального мультипликатора давления с полостью форкамеры, которая содержит устройство принудительного вскрытия диафрагмы, размещенное на выходе из форкамеры, при этом быстродействующий клапан связан с пневмотрассой вентилем с манометром и электромагнитным клапаном, а поршень дифференциального мультипликатора давления содержит систему обратной связи, выполненную в виде канала высокого давления, один конец корпуса которого неподвижно закреплен на торце малой ступени поршня, а второй связан с поршнем со штоком, который взаимодействует с поршнем быстродействующего клапана, а устройство принудительного вскрытия диафрагмы содержит корпус с поршнями, при этом поршень, обращенный к диафрагме, оснащен ножом и приводится в движение вторым поршнем, на который воздействует подрывное устройство с пиропатроном, конденсатором и зарядным устройством, отличающаяся тем, что поршень быстродействующего клапана выполнен полым в виде стакана, открытая часть которого обращена к полости с запирающим давлением, а закрытая глухая часть запирает отверстие подачи толкающего газа в надпоршневое пространство мультипликатора давления, при этом канал высокого давления, связывающий поршень со штоком с полостью форкамеры, заполнен жидкостью и закрыт со стороны форкамеры поршнем, а устройство принудительного вскрытия диафрагмы дополнительно снабжено внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы и содержит связанную с форкамерой пневмомеханическую блокировку, которая дает разрешение на вскрытие диафрагмы только при росте давления в форкамере при теплоподводе.