Ударная труба Российский патент 2023 года по МПК G01M9/04 

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

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].

Известно устройство [2] теплообменного элемента с турбулизатором, содержащего трубу, укрепленные на центральном стержне, завихрители во втулках, установленные с шагом t по длине трубы, в виде лопастей с возможностью их свободного вращения вокруг центрального стержня, но с фиксацией от продольного перемещения, угол между лопастями составляет α, определяемый количеством лопастей. Шаг установки лопастей может быть как равномерным, так и неравномерным. Центральный стержень закреплен в трубе с помощью каркаса с продольными рессорами. Рабочая среда в виде - отходящих горячих газов. При увеличении скорости движения рабочей среды увеличивается воздействие на лопасти, они начинают вращаться вокруг центрального стержня, увеличивая интенсивность теплообмена, снижая температуру отходящих газов. Путем изменения шага t расположения завихрителей вдоль центрального стержня регулируют участки теплообмена по интенсивности.

Устройство каркаса с продольными рессорами, в котором закреплен центральный стержень в гиперзвуковой ударной трубе приведет к снижению объема камеры высокого давления и возможному разрушению подвижной рессоры. Вращение втулок с лопастями вокруг центрального стержня под действием высокоскоростного потока на скоростях более Маха М=3 приведет к нерасчетному направлению потока и к разрушению лопастей.

Наиболее близким техническим решением является устройство [3]. В котором нем устройство для 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. 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.

В устройстве увеличение рабочее времени ударной трубы происходит за счет торможения прихода веера разрежения к торцу камеры низкого давления из-за впрыска стравливающего газа сработанного пневматического клапана внутрь камеры высокого давления при эвакуации газа из нее. Однако при высоких начальных давлениях в камере высокого давления этот эффект проявляется слабо, т.к. давления стравленного газа мало.

Задачей заявленного устройства является эффективное увеличение рабочего времени ударной трубы за счет торможения веера разрежения при различных начальных давлениях в камере высокого давления.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ударной трубе, содержащей последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком, внутрь камеры высокого давления в продольном направлении введены вал с лопатками, жестко закрепленными на валу, с шагом рядов лопаток, превышающем высоту лопаток, вал установлен в подшипниках, связанных спицами с обечайками, размещенными внутри камеры высокого давления в ее торце и перед пневматическим клапаном, при этом объем введенных в камеру высокого давления элементов не должна превышать 15 % ее объема при максимальной площади лопаток во всех рядах.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами на фиг. 1 - общий вид устройства и на фиг. 2 - пример размещения одного ряда лопаток на валу в камере высокого давления.

Ударная труба содержит последовательно соединенные камеру высокого давления 1, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана 2 с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления3.Между пневматическим клапаном и торцом камеры высокого давления установлен вал 4 в подшипниках, соединенных спицами, с обечайками 5. На валу 4 установлены лопатки 6.

В исходном состоянии пневматический клапан 2 закрыт, т.к. его колпак закрывает проходное сечение между камерой высокого давления 1 (например, 50 атм) и камерой низкого давления 3 (например, 0,1 атм).

При срабатывании пневматического клапана 2, его колпак втягивается и освобождает кольцевой проем для выпуска газа из камеры высокого давления1. Напор газа приводит во вращение лопатки 6, жестко укрепленные на валу4. При вращении вала 4 газ, завихряется, центробежными силами отбрасывается к стенкам камеры высокого давления 1, уплотняясь на пограничном слое и ускоряясь, выталкивается по кольцу в канал камеры низкого давления 3. При опустошении камеры высокого давления 1, вал в подшипниках 4 с лопатками 6 продолжает вращаться по инерции и при поступлении в нее волны разрежения, турбулизирует ее, препятствует ее распространение в камеру высокого давления для формирования отраженного веера разрежения. Чем позднее волна разрежения отразится от стенки камеры высокого давления 1 и достигнет торца камеры низкого давления 3, тем больше рабочее время ударной трубы.

Ударная труба бездиафрагменная. В камеру высокого давления введены новые элементы устройства: вал в подшипниках, закрепленными осями в обечайках, а на валу закреплены лопатки. При срабатывании пневматического клапана открывается кольцевой зазор между камерами высокого и низкого давлений, в который устремляется газ из камеры высокого давления. Он приводит во вращение лопатки, жестко укрепленные на валу, вращаемся в подшипниках. Лопатки устанавливаются на валу по прессовой посадке под оптимальными углами атаки относительно направляющей вала. Лопатки имеют известный аэродинамический профиль, который способствует, по закону Бернулли, созданию разности давлений, аэродинамических сил и моментов. Шаг рядов лопаток должна превышать высоту лопаток для снижения привнесенного устройством объема в объеме камеры высокого давления, а также для технологичности ремонта, т.к лопатки запрессованы в вал.

При вращении лопаток устройства осуществляются следующие физические процессы. Газ, поступающий в осевом направлении завихряется, центробежными силами отбрасывается к стенкам трубы и, ускоряясь, выталкивается по кольцу в канал низкого давления. Турбулизация газа в камере высокого давления не оказывает влияние на зарождение ударной волны в камере низкого давления, т.к. она формируется на 40 калибрах вниз по течению.

При опустошении камеры высокого давления лопатки некоторое время будут вращаться по инерции, препятствуя организации веера разрежения в камере высокого давления. При опустошении камеры высокого давления, в нее поступает волна разрежения со скоростью звука, встречая препятствие в виде вращающихся по инерции лопаток, которые турбулизируют волну разрежения, задерживая время формирования отраженной волны от торца камеры высокого давления. Рабочее время ударной трубы увеличивается. При этом, чем мощнее поток газа, истекающий из камеры высокого давления, тем большую инерционность приобретают лопатки, более сформированный и с большим усилием за счет центробежных сил газ выталкивается по кольцевому проему пневматического клапана.

Технический эффект от применения заявляемого устройства в затормаживании отражения волны разрежения в камере высокого давления и ее прихода к торцу камеры низкого давления. Рабочее время ударной трубы увеличивается. Это обеспечивается вращающимися по инерции лопатками, которые турбулизируют волну разрежения, задерживая время формирования отраженной волны разрежения.

Кроме того, эвакуация газа высокого давления ускоряется, т.к. при вращении лопаток перед клапаном давление по центру немного снижается и увеличивается давление выброса по кольцевому зазору за счет центробежных сил. Поток газа в пограничном слое камеры высокого давления уплотняет и увеличивается давление выталкивания газа по кольцевому зазору из камеры высокого давления, что увеличит скорость сформированной в камере низкого давления ударной волны. Это еще больше увеличит рабочее время ударной трубы.

Введенные в камеру высокого давления элементы по объему не должны занимать начальный объем камеры высокого давления более, чем на 10 - 15 % для штатной работоспособности ударной трубы.

Приведем пример.

Для камеры высокого давления, диаметром 80 мм и длиной 2000 мм, введенные элементы занимают 11%. Так вал, диаметром 20 мм, занимает 6,28 % ее объема. Лопатки, площадью каждой 500 мм² и толщиной 4 мм, по 3 лопатки в ряду, всего 64 ряда лопаток, занимает 3,84% ее объема. Две обечайки с подшипниками и спицами - 0,5 %. Занимаемый объем устройством можно регулировать изменением количества рядов лопаток.

Список использованных источников.

1. Патент РФ №2066656 «Пусковая установка».

2. Патент РФ 87788 Теплообменный элемент с турбулизатором.

3. Патент РФ 2788480 «Способ увеличения рабочего времени ударной трубы и устройство для его реализации».

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и касается конструкции бездиафрагменных ударных труб кратковременного действия. Ударная труба состоит из последовательно соединенных камеры высокого давления, средства перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным за счет поджимающего воздуха колпаком и камеры низкого давления. При этом внутрь камеры высокого давления в продольном направлении введены вал с лопатками, жестко закрепленными на валу. Шаг рядов лопаток превышает высоту лопаток. Вал установлен в подшипниках, связанных спицами с обечайками, размещенными внутри камеры высокого давления в ее торце и перед пневматическим клапаном. Причем объем введенных в камеру высокого давления элементов не должен превышать 15% ее объема при максимальной площади лопаток во всех рядах. Достигается обеспечение эффективного увеличения рабочего времени ударной трубы при различных начальных давлениях в камере высокого давления за счет затормаживания отражения волны разрежения в камере высокого давления и ее прихода к торцу камеры низкого давления. 2 ил.

Ударная труба, состоящая из последовательно соединенных камеры высокого давления, средства перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным за счет поджимающего воздуха колпаком и камеры низкого давления, отличающаяся тем, что внутрь камеры высокого давления в продольном направлении введены вал с лопатками, жестко закрепленными на валу, с шагом рядов лопаток, превышающим высоту лопаток, вал установлен в подшипниках, связанных спицами с обечайками, размещенными внутри камеры высокого давления в ее торце и перед пневматическим клапаном, при этом объем введенных в камеру высокого давления элементов не должен превышать 15% ее объема при максимальной площади лопаток во всех рядах.