Импульсный резонаторный эжектор
PULSED RESONATOR EJECTOR

Изобретение относится к струйной технике, а конкретно, к газовым эжекторам и может быть использовано в индустриальной промышленности для откачки газов, пылевоздушных смесей в пылезащитных устройствах, в системах обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в авиации в системах управления обтеканием летательного аппарата (ЛА) при дозвуковых и околозвуковых скоростях полета.
Для управления обтеканием крыла ЛА с целью его перестройки в благоприятном направлении используются устройства (актуаторы) различных типов. Как правило, эти устройства тем или иным способом формируют струю газа, которая может быть направлена в чувствительные зоны обтекания и вызвать его перестройку в благоприятном направлении.
Известен актуатор, работающий на газе высокого давления, осуществляющий с помощью специального пневматического устройства формирование пульсирующего выдува в одной области течения и постоянного отсоса пограничного слоя в другой: Arwatz, G., Fono, I., and Seifert, A. "Suction and oscillatory blowing actuator modeling and validation," AIAA journal, Vol. 46, No. 5, 2008, pp.1107-1117. Основным недостатком подобных актуаторов является необходимость отбора газа высокого давления от двигателя или от специального компрессора.
Также известен импульсный плазменный тепловой актуатор эжекторного типа (патент РФ №2637235), состоящий из подводного канала, обратного клапана, сопла эжектора, камеры смешения, полости разрежения, выходного диффузора и разрядной камеры со встроенными игольчатыми электродами, при этом полость разрежения выполнена со щелью, соединяющей ее с поверхностью крыла.
Недостатком этого актуатора является необходимость наличия в системе управления импульсного высоковольтного источника питания значительной мощности.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого устройства, является импульсный резонаторный эжектор (патент РФ №2716650), содержащий камеру смешения, полость разрежения (камеру разрежения) со щелью, соединяющей ее с областью отбора газа, и выходной диффузор, и установленные между подводным каналом и камерой смешения полость (резонаторную полость) и резонаторную трубку, образующие совместно резонатор.
Недостатком этого эжектора является необходимость наличия источника высоконапорного газа.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является сокращение расхода высоконапорного газа.
Решение задачи и технический результат достигается тем, что импульсный резонаторный эжектор, содержащий камеру смешения, соединенную с камерой разрежения, которая соединена с областью отбора газа, и с установленным перед камерой смешения резонатором, включающим резонаторную полость и резонаторную трубку, дополнительно содержит источник колебаний газа, включающий упругую мембрану, установленную с возможностью создавать колебания газа в резонаторе, и устройство генерации колебаний мембраны.
Решение задачи и технический результат достигается также тем, что устройство генерации колебаний мембраны выполнено в виде электромотора и кривошипно-шатунного механизма.
На фиг. 1 приведена схема импульсного резонаторного эжектора.
Импульсный резонаторный эжектор (фиг.1) состоит из источника колебаний газа, включающем устройство для генерации колебаний мембраны 6 и упругую мембрану 1, установленную с возможностью создавать колебания газа в резонаторе, включающем резонаторную полость 2, соединенную с резонаторной трубкой 3, выходящей в камеру смешения 5, соединенную с камерой разрежения 4, которая соединена каналом с областью отбора газа для отбора эжектируемого газа.
Принцип работы импульсного резонаторного эжектора следующий: возвратно-поступательные движения упругой мембраны 1, создаваемые посредством устройства генерации колебаний мембраны 6, формируют в резонаторной полости 2 импульсы статического давления переменного знака с некоторой частотой и амплитудой. На положительном полупериоде давления в резонаторную полость 2 и далее в резонаторную трубку 3 подводится некоторая масса газа, которая, вытекая из резонаторной трубки 3, попадает в камеру смешения 5, эжектируя при этом газ из камеры разрежения 4. В течение этого положительного полупериода вся конструкция работает как классический эжектор.
При отрицательном полупериоде давления, газ начинает засасываться в резонаторную трубку 3 и далее в резонаторную полость 2 из камеры смешения 5 и камеры разрежения 4. При этом отбор газа из камеры разрежения 4 уменьшается, а из камеры смешения 5 увеличивается, что является в данном случае нежелательными явлениями, так как оба они уменьшают суммарный расход газа на выходе из камеры смешения и средний по времени коэффициент эжекции. Так происходит при произвольной (не резонансной) частоте колебаний мембраны. Конструкция работает, но не эффективно.
При совпадении частоты подачи импульсов давления в резонаторную полость 2 с собственной газодинамической частотой резонатора, интенсивность и постоянство отбора эжектируемого газа из камеры разрежения 4 резко увеличивается. При этом на отрицательном полупериоде импульса давления, отбор газа из камеры смешения 5 практически прекращается и производится только из камеры разрежения 4.
Таким образом, отсос газа через камеру разрежения 4 происходит непрерывно как во время положительного, так и отрицательного импульсов давления, а на выходе из камеры смешения устанавливается практически стационарный поток газа. В результате на резонансной частоте вся конструкция начинает работать как импульсный резонаторный эжектор (патент РФ №2637235), но не требует расхода высоконапорного газа.
Для подтверждения работоспособности импульсного резонаторного эжектора было создано и испытано несколько таких устройств с разной собственной газодинамической частотой резонатора, которая рассчитывалась по формуле Гельмгольца (1) для частоты собственных колебаний резонатора:
где с - скорость звука, S - площадь сечения трубки, l - длинна трубки, V - внутренний объем полости с трубкой.
В ходе испытаний, для генерации импульсов статического давления переменного знака использовалась круглая плоская мембрана, изготовленная из резины толщиной 1 мм, помещенная в резонатор. В движение мембрана приводилась электромотором через кривошипно-шатунный механизм с частотами от 1 до 70 Гц. Габариты камеры смешения рассчитывались с помощью разработанной авторами программы «EjCalc» (свидетельство №2019615248). Отбор эжектируемого газа производился из внешней среды.
При использовании импульсного резонаторного эжектора в качестве устройства управления обтеканием предполагается, что эжектируемый газ будет отбираться через канал в камере разрежения из пограничного слоя обтекаемой поверхности.