УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА ВОЗДУХА
DEVICE FOR PULSE HEATING OF AIR

Изобретение относится к области экспериментальной аэрогазодинамики, в частности к устройствам нагрева газа для импульсных установок. Так, при моделировании и экспериментальном исследовании струйных течений в вакуумных камерах требуется устройство импульсного нагрева сжатого воздуха давлением 10-30 МПа до температуры 500-600 К. При длительности рабочего режима ~0,05 с расход воздуха должен составлять до 3 кг/с. Время установления давления в камере струйной модели и амплитуда колебаний давления не должны превышать соответственно 0,005 с и ±5%. Воздух не должен содержать твердых частиц (окалины), которые могли бы привести к искажению картины течения в виду, как правило, небольших размеров сопел струйных моделей. Кроме этого, устройство должно быть надежным, простым в эксплуатации, его внедрение не должно приводить к большим конструктивным доработкам существующих систем газообеспечения импульсных установок и к большим финансовым затратам.
Известны устройства нагрева газа с использованием электрической энергии (Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М., «Мир», стр.197, 1968). Нагрев газа омическим подогревателем в темпе эксперимента при длительности рабочего режима ~0,05 с представляет большую техническую сложность, так как требует разработки малоинерционных подогревателей, большой подводимой электрической мощности, сложных систем управления, синхронизации и защиты. Применение подогревателей регенеративного типа (Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М., «Мир», стр.163, 1968) требует прогрева трубопровода, подающего сжатый газ (воздух) в модель. Это приводит к снижению точности измерений параметров на струйной модели из-за температурных погрешностей датчиков.
Использование дугового разряда конденсаторной батареи или индуктивных накопителей (Королев А.С., Бошенятов Б.В., Друкер И.Г., Затолока В.В., Импульсные трубы в аэродинамических исследованиях. Новосибирск, «Наука», стр.7, 1978) не отвечает предъявляемым конструктивным, эксплуатационным и экономическим требованиям.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ударная труба, содержащая последовательно соединенные камеры высокого и низкого давления с быстродействующими запорными устройствами (БЗУ) на выходе (Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Данилов А.Н. и др. Прикладная аэродинамика. М., «Высшая школа», стр.48, 1974). В качестве БЗУ в ударных трубах, как правило, применяются мембраны. В ударной трубе за счет преобразования механической энергии газа высокого давления в тепловую энергию с помощью ударной волны нагревается газ, находящийся в камере низкого давления. Длительность рабочего режима существующих ударных труб составляет до 0,005 с. Создание ударной трубы, отвечающей рассмотренным выше требованиям (в частности, длительности рабочего режима ~0,05 с), требует больших капиталовложений, больших производственных площадей.
Целью изобретения является создание устройства импульсного нагрева воздуха, в полной мере отвечающего выше рассмотренным требованиям.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве импульсного нагрева воздуха, содержащем камеры высокого и низкого давления с быстродействующими запорными устройствами на их выходах, в камеру низкого давления помещены две трубы, расположенные одна внутри другой соосно продольной оси симметрии камеры низкого давления, причем вход внутренней трубы герметично выведен из камеры низкого давления и соединен с выходом быстродействующего запорного устройства камеры высокого давления, а внешняя труба имеет заглушку со стороны выхода внутренней трубы и установлена с зазорами относительно внутренней трубы и стенок камеры низкого давления.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием в камере низкого давления двух труб, размещенных определенным образом, причем вход внутренней трубы герметично выведен из камеры низкого давления и соединен с выходом быстродействующего запорного устройства камеры высокого давления, а внешняя труба имеет заглушку со стороны выхода внутренней трубы и установлена с зазорами относительно внутренней трубы и стенок камеры низкого давления.
Благодаря конструктивным отличиям в заявляемом устройстве за счет преобразования механической энергии сжатого воздуха в тепловую энергию нагревается и используется воздух, поступающий из камеры высокого давления. При этом остаточный газ в камере низкого давления, оставшийся после ее вакуумирования, нагретый ударной волной, в виду его небольшого количества практически не влияет на температуру воздуха в камере после ее наполнения.
В основу предлагаемого устройства импульсного нагрева воздуха легли результаты математического и физического моделирования и изучения процессов газодинамики и теплообмена при заполнении сжатым газом (воздухом) отвакуумированных камер сложной двух- и трехмерной геометрии, выполненных при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №09-08 12057 ОФИм).
На фигуре представлена конструктивная схема предлагаемого устройства импульсного нагрева воздуха.
Устройство содержит камеру 1 высокого давления и камеру 2 низкого давления, БЗУ 3, 4 на выходе камер. В камеру 2 низкого давления помещены две трубы 5, 6, расположенные одна внутри другой соосно продольной оси симметрии камеры. Вход 7 внутренней трубы 5 герметично выведен из камеры 2 и соединен с выходом быстродействующего запорного устройства 3 камеры 1 высокого давления. Внешняя труба 6 имеет заглушку 8 со стороны выхода внутренней трубы 5 и установлена с зазорами относительно внутренней трубы 5 и стенок камеры 2.
Труба 6 крепится к камере 2, например, с помощью болтов, которые вворачиваются в заглушку 8 и приваренные к трубе 6 бобышки с резьбой (на фигуре узлы крепления не показаны).
На фигуре изображены также вентили 9, 10 соответственно системы газообеспечения 11 и устройства вакуумирования 12, не входящие в состав заявленного устройства и приведенные для лучшего понимания функционирования устройства.
В исходном состоянии устройства импульсного нагрева воздуха БЗУ 3, 4 и вентили 9, 10 закрыты.
Устройство импульсного нагрева воздуха работает следующим образом. Открывается вентиль 9, и в камеру 1 от системы газообеспечения 11 подается сжатый воздух с рабочим давлением 10-30 МПа. Открывается вентиль 10, и камера 2 с помощью устройства вакуумирования 12 вакуумируется до давления ~1 Па. После создания необходимых величин давления в камерах 1 и 2 вентили 9 и 10 закрываются.
При открытии БЗУ 3 сжатый воздух под действием высокого давления в камере 1 поступает в трубу 5. В трубе 5 газовый поток ускоряется до сверхзвуковой скорости. Перед заглушкой 8 поток тормозится, разворачивается и вновь ускоряется до сверхзвуковой скорости в кольцевой полости 13, образованной стенками труб 5 и 6. На выходе из кольцевой полости поток тормозится перед стенкой 14 камеры 2, разворачивается, а затем ускоряется до сверхзвуковой скорости в полости 15, образованной стенками трубы 6 и камеры 2. На выходе из полости 15 газовый поток тормозится перед стенкой 16 камеры 2. Давление воздуха заторможенного потока оказывается существенно меньшим давления в камере 1 из-за потерь полного давления в скачках уплотнения. По мере заполнения камеры 2 воздух в объеме 17 и полостях камеры 2 сжимается и нагревается. Происходит преобразование механической энергии газа высокого давления, запасенной в камере 1, в тепловую энергию газа в камере 2.
При возрастании давления в объеме 17 и полостях камеры 2 структура течения изменяется. В трубу 5 втекает дозвуковая струя воздуха. Она дополнительно сжимает заторможенный воздух в камере 2, повышая его температуру.
При открытии БЗУ 4 нагретый воздух из объема камеры 2 поступает в камеру струйной модели (на фигуре модель не показана). Проводятся измерения параметров на моделях.
После эксперимента устройство импульсного нагрева воздуха приводится в исходное состояние.
Предлагаемое устройство позволяет создавать в камере 2 область нагретого сжатого газа с заданными параметрами (давлением, температурой и объемом).
Нагрев воздуха в рабочем объеме камеры 2 до 600 К и выше был подтвержден результатами исследований с использованием численного моделирования и экспериментов.
При экспериментах использовалась камера высокого давления длиной 3,7 м и внутренним диаметром 0,195 м, а в качестве БЗУ 1 - электропневмоклапан. К нему подключалась камера низкого давления длиной 0,5 м и диаметром 0,12 м. Она содержала две трубы, с внутренними диаметрами 0,03 м и 0,06 м. Зазоры между заглушкой 7 и выходом трубы 5, между трубой 6 и стенкой 13 камеры 2 составляли соответственно 15 и 30 мм.
В качестве БЗУ 2 применялись мембраны из материала А1 с насечкой для естественного раскрытия при давлении 12 МПа.
Температура воздуха измерялась двумя вольфрамрениевыми термопарами с термоэлектродами диаметрами 0,05 мм и 0,1 мм, помещенными в защитный корпус с протоком воздуха (для уменьшения инерционности). Давление определялось датчиками типа ЛХ-412.
Термометры сопротивления, термопары и датчики давления работали в комплекте с усилительной аппаратурой постоянного тока типа KWS 620 фирмы НВМ класса точности 0,1. Сбор, регистрация и обработка измеряемых параметров осуществлялась с помощью ИВК на базе станции Н-2000 (основная погрешность ±0,03%, частота дискретизации 400 кГц на 32 канала) и специализированного программного обеспечения ACTest-Pro.
Был проведен анализ и оценка основных составляющих погрешностей измерения температуры. В результаты измерения внесена поправка, исключающая систематическую погрешность из-за потерь тепла теплопроводностью через термоэлектроды. Случайная погрешность измерения температуры не превышала ±10 К.
Исследования показали, что максимальная температура воздуха в камере составляет 950 К.
Исследования показали также, что заявленное устройство импульсного нагрева воздуха отвечает предъявляемым к нему ранее рассмотренным требованиям. Одним из достоинств устройства является его компактность.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №09-08 12057 ОФИм).