Способ увеличения рабочего времени ударной трубы и устройство для его реализации. Российский патент 2023 года по МПК G01M9/00 

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения высокоскоростного потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях в бездиафрагменных ударных трубах кратковременного действия.

Ударные трубы содержат последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала и камеру низкого давления в виде цилиндрического канала. Средство перекрытия канала, вместо разрушаемой мембраны, представляет собой быстродействующий пневматический электромагнитный клапан [1].

Рабочее время ударных труб включает в себя время сумму времен, начиная от падающей в торец камеры низкого давления ударной волны, отраженной ударной волны, следующей за ударной волной контактной поверхности, и заканчивая приходом волны разрежения.

Известен способ увеличения рабочего времени за счет удлинения канала низкого давления [2]. При контактном разрыве между камерами высокого и низкого давлений образуется ударная волна, которая «бежит» вдоль цилиндрического канала камеры низкого давления с ускорением. Камеру низкого давления делают оптимально длинной. Однако реализация данного способа экономически затратна, требует увеличения металлоемкой части ударной трубы и больших лабораторных площадей.

Известен способ применения пневматического клапана [3] высокого быстродействия (4…7 мс), вместо разрушаемой мембраны, устанавливаемый между камерами высокого и низкого давлений. Перед началом испытаний пневматический клапан заправляется воздухом под небольшим давлением, который позволяет запереть подвижным колпаком проходное сечение камеры низкого давления. При срабатывании электромагнита клапана заправленный воздух стравливается в окружающую среду, подвижный колпак перемещается и открывает кольцевой зазор между стенками колпака и стенкой камеры низкого давления. Из камеры высокого давления газ вытекает с ускорением и она заполняется волной разрежения.

Однако, этот способ инициации ударной волны не увеличивает рабочее время ударной трубы.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба, известная из описания [4]. Известная гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом. Труба снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой.

Недостатком устройства является быстрый приход волны разрежения к торцу цилиндрического канала, которая снижает давление перед входом в сопло и не позволяет увеличить рабочее время установки.

Задачей изобретения является увеличение рабочего времени ударной трубы за счет торможения волны разрежения.

Поставленная задача достигается тем, газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, при этом воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм.

Поставленная задача также достигается тем, что устройство увеличения рабочего времени ударной трубы, содержит последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления, и что пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На фиг. 1 - изображено устройство увеличения рабочего времени трубы

На фиг. 2 приведены графики высокочастотных датчиков динамического давления, установленных: 1- в торце камеры высокого давления; 2- в середине и 3 - в торце камеры низкого давления.

Устройство увеличения рабочего времени ударной трубы состоит из камеры высокого давления 1; пневматического клапана 2; камеры низкого давления (цилиндрический канал) 3; полости клапана для заправки клапана давлением 4; дополнительной полости для стравливания газа 5. Буквами «a», «b» и «c» обозначены крышки отверстий.

Способ реализуется в работе устройства следующим образом. Перед запуском ударной трубы полость для заправки пневматического клапана 4 сначала имеет давление не более 1 атм и заправляется воздухом под штатным давлением. При срабатывании пневматического клапана 2 воздух из полости 4 для заправки пневматического клапана стравливается в дополнительную полость 5 через отверстие «b» и удерживается там подпружиненной крыщкой отверстия «c». Газ под давлением истекает из камеры высокого давления 1 в камеру низкого давления 3. Давление в камере высокого давления 1 уменьшается и в нее устремляется веер разрежения. Когда давление поджимающего воздуха в дополнительной полости 5 станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления 1, крышка отверстия «c» выдавливается и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления 1, тормозя волну разрежения.

Способ отличается тем, что введена дополнительная полость клапана 5, первоначально имеющая давление не более 1атм, в которую производится стравливание газа и которая освобождается от стравленного газа в камеру высокого давления 1, когда давление волны разрежения в ней будет меньше давления в дополнительной полости 5.

Дополнительная полость имеет перекрываемое отверстие «b» со стороны клапана 2. Давление в ней, не ниже 1 атм, позволяет стравливать запирающий газ не в атмосферу, а в дополнительную полость 5. Дополнительная полость 5 имеет подвижную подпружиненную крышку отверстия «c», которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления 1. Когда камера высокого давления 1 опустошится и давление станет ниже, чем давление в дополнительной полости 5, то газ из дополнительной полости 5 выдавит крышку и вытечет в камеру высокого давления1, чем повысит давление и изменит интенсивность и время формирования головной волны веера разрежения.

При этом «b» открывается известным механизмом (например, быстродействующим пневматическим электромагнитным клапаном, изложенным в патенте РФ №2066656). Подпружиненная крышка отверстия «c» открывается автоматически за счет перепада давлений.

На фиг.1. показан последний момент истечения газа высокого давления (красные стрелки) в камеру низкого давления 3 (синие стрелки) и заполнение камеры высокого давления 1 веером разрежения (синие линии). Пневматический клапан 2 показан в двух позициях: пунктирные линии - клапан заперт, сплошные линии - клапан вжат внутрь и воздух из камеры высокого давления стремится в камеру низкого давления 3.

В предлагаемом способе механизм открытия отверстия «b» тот же, что в клапане 2, вместо открытия отверстия «a». При срабатывании электромагнита перемещается золотник, открывается отверстие «b» в полости 4 и поджимающий колпак воздух впускается внутрь дополнительной полости 5. Подпружиненная крышка отверстия «с» прижата к полости 5 за счет высокого давления в камере высокого давления 1. Когда из камеры высокого давления 1 газ вытечет, давление снизится до давления меньшего, чем в дополнительной полости 5, подпружиненная крышка отверстия «c» втянется в сторону меньшего давления и газ из дополнительной полости 5 стравится в камеру высокого давления 1, в которой формируется волна разрежения.

Технический эффект от применения заявляемого способа в том, что затормаживается приход веера разрежения к торцу камеры низкого давления. Рабочее время ударной трубы увеличивается. Кроме того, поджимающий воздух, вместо выброса в атмосферу, остается в ударной трубе и приносит положительный результат.

Начальный сигнал графика 1 на фиг. 2 соответствует состоянию покоя газа, находящегося под давлением. Затем, при срабатывании электромагнита, виден наклонный фронт открытия клапана в течение 7 мс. В это время идет опустошение камеры высокого давления. Горизонтальная линия в течение 11 мс - время формирования волны разрежения.

График 3 на фиг. 2 показывает начало отсчета рабочего времени: падающую, отраженную ударную волну как «полочки» квазистационарного состояния потока. Подъем графика свидетельствует о приходе контактной поверхности и росте давления до момента снижения графика. Это подошла волна разрежения, и рабочее время ударной трубы закончилось. Длительность рабочего времени на графике этого режима работы, составила 1,56 мс. Чем больше перепад давлений в камерах высокого и низкого давлений, тем выше скорость потока и меньше рабочее время ударной трубы. Оставшийся газ из камеры высокого давления перед каждым запуском ударной трубы должен быть выпущен (стравлен) до давления не выше атмосферного.

Заявленный способ не нарушает работу клапана. В его устройстве предусмотрено открытие (механизм золотника) отверстия «a», связанное с внешней средой. Оно аннулировано для реализации заданного способа. Но механизм открытия в данном способе связан с открытием другого отверстия «b» между полостями 4 и 5. Подпружиненная крышка отверстия «c» дополнительной полости 5 сначала сдерживает открытие высоким давлением. При превышении давления дополнительной полости 5 изнутри над давлением волны разрежения в камере высокого давления крышка выталкивается автоматически, и поджимающий газ вытесняется в камеру высокого давления.

Список использованных источников.

1. Патент РФ №2066656 «Пусковая установка».

2. Panasenko A.V., Ruleva L.B., Solodovnikov S.I., Increasing hypersonic aerodynamic shock tube working time duration. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (927), 1-7, 2020. doi:10.1088/1757-899X/927/1/012082.

3. Панасенко А.В. Расчет формирования ударной волны в ударной трубе при различном способе начального истечения газа//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т. 23, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-1/articles/981/.

4. Патент РФ 152348 «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба».

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения высокоскоростного потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях в бездиафрагменных ударных трубах кратковременного действия. Способ заключается в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана. Воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления. При этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм. Устройство содержит последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления. Пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент. Технический результат заключается в увеличении рабочего времени ударной трубы за счет торможения волны разрежения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ увеличения рабочего времени ударной трубы, заключающийся в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, отличающийся тем, что воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм.

2. Устройство для увеличения рабочего времени ударной трубы, содержащее последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления, отличающееся тем, что пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления.