ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к экспериментальной газодинамике, в частности к средствам, обеспечивающим экспериментальные исследования вариантов моделей смешивания основного и вторичного потоков газа (воздуха) в аэродинамической трубе, таких как системы пленочного охлаждения турбинных лопаток воздушно-реактивных двигателей, топливные форсунки, макеты сопловых каналов и др.
Известны различные исследовательские установки, основанные на использовании аэродинамических труб, предназначенные для измерения скорости, давления, температуры в различных точках газодинамического потока (патент «Измерительная аэродинамическая установка», RU 86751 U1), в том числе пограничного слоя (патент «Устройство для измерения характеристик течения в пограничном слое и способ его работы», RU 2382367 С1). В указанных установках возможно размещение испытываемых моделей: пластин, лопаток, форсунок, решеток, каналов и др. для исследования течения газового потока и его влияния на модель.
К недостаткам известных установок следует отнести необходимость длительной подготовки установки к проведению экспериментов - требуется проводить препарацию каждой исследуемой модели, устанавливать на нее датчики, формировать каналы для снятия показаний от датчиков и для подвода вторичного потока газа, разрабатывать конструкцию закрепления модели в аэродинамической трубе и т.п. Так же недостатком является необходимость выдерживать высокую точность препарации каждой модели для обеспечения повторяемости и уменьшения погрешности измерений при серии экспериментов с различными вариантами однотипных моделей.
Целью полезной модели является разработка конструкции исследовательской аэродинамической установки, обеспечивающей снижение трудоемкости и времени установки и подготовки модели к исследованиям и повышающей повторяемость и точность серийного эксперимента.
Поставленная задача достигается тем, что в исследовательской аэродинамической установке, содержащей аэродинамическую трубу с рабочей камерой, которая снабжена люком, закрытым съемным стеклом, для монтажа исследуемого объекта и измерительные зонды, соединенные с системой сбора результатов измерений, согласно заявляемой полезной модели, внутри рабочей камеры размещен модуль, состоящий из основания с закрепленной на нем стойкой, сменного элемента с каналами, имитирующего исследуемые модели, и двух стыкуемых пластин, в которых выполнены полости, конфигурация которых соответствует размерам внешней конфигурации сменного элемента, при этом в пластинах, основании и стойке выполнены каналы для подвода вторичного газа и размещения измерительных зондов.
Поставленная задача также достигается тем, что рабочая камера снабжена дополнительным люком, закрытым съемным стеклом, размещенным напротив первого люка и блоками визуализации газодинамических потоков, размещенными соответственно напротив люков.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид установки сбоку; на фиг.2 - показан общий вид установки сверху; на фиг.3 показана конструкция сменного элемента; на фиг.4 - возможные конструкции сменного модуля.
Исследовательская аэродинамическая установка, содержит аэродинамическую трубу 1 с рабочей камерой 2, которая снабжена люком 3, закрытым съемным стеклом, для монтажа исследуемого объекта, позволяющим закреплять и оперативно заменять исследуемый объект, не нарушая при этом подводы датчиков и вторичного потока газа, измерительные зонды 4, соединенные с системой сбора 5 результатов измерений, внутри рабочей камеры 2 размещен модуль, состоящий из основания 6 с закрепленной на нем стойкой 7, сменного элемента 8, в виде пластины с каналами, имитирующими исследуемые модели, и двух стыкуемых пластин 10, 11, в одной из которых, например, в пластине 10, выполнено отверстие 12, для размещения в нем сменного элемента 8 - в виде пластины, причем, размеры и конфигурация отверстия 12 соответствуют размерам и внешней конфигурации сменного элемента 8, при этом в другой пластине 11, основании 6 и стойке 7 выполнены каналы 13 для подвода вторичного газа и каналы 14 для размещения измерительных зондов 4 для замера характеристик потока. Рабочая камера 2 снабжена также дополнительным люком 15, закрытым съемным стеклом, размещенным напротив первого люка 3 и блоками визуализации 16, 17 газодинамических потоков, размещенными соответственно напротив люков 3 и 15.
Установка работает следующим образом:
В рабочую камеру 2, через люк 3, предварительно демонтировав стекло, устанавливается модуль с сменным элементом 8 и люк 3 закрывается стеклом. Проводится подключение блоков визуализации 16, 17 газодинамических потоков, например, прибора Тепплера, оптического теневого прибора ИАБ-451 или высокоскоростной цифровой видеокамеры. Датчики, например статического давления и зонды 4 подключаются к системе сбора 5 результатов измерений, например, к шасси аналого-цифрового преобразователя PXI National Instruments, связанного с системой LabView. Проводится подключение модуля к источнику вторичного потока газа (на чертеже не показан).
При запуске аэродинамической трубы основной поток на поверхности модели смешивается с вторичным, образуя исследуемые вихри, параметры которых фиксируются системой сбора 5 результатов измерений и блоками визуализации 16, 17, запоминаются на компьютере и подлежат дальнейшей обработке.
По окончании эксперимента, после выключения трубы, демонтируется стекло люка 3, в рабочей зоне разъединяются пластины 10 и 11, съемный элемент 8 заменяется на следующую исследуемую конфигурацию, пластины 10 и 11 соединяются и после монтажа на место стекла люка 3 установка готова к следующему запуску.
На фиг.4 приведены примеры съемных элементов 8, имеющих отверстия типа Fan-shapes и типа Anti-vortex для исследования конструктивных схем пленочного охлаждения лопаток турбины. При испытаниях на моделях исследуются свойства «охлаждающего» вторичного потока воздуха для вариантов перфорации, отличающихся: углом расположения канала охлаждения относительно наружной поверхности пластины; формой канала охлаждения; диаметральными размерами канала; ориентацией выходного сечения относительно направления скорости потока газа, обтекающего пластину; шагом расположения выходных отверстий друг относительно друга; взаимным расположением отверстий в близлежащих рядах. Сменные элементы 8 и каналы 9 в них могут быть изготовлены в форме, например, турбинных лопаток методами быстрого прототипирования, аддитивными технологиями. Существующие аддитивные технологии позволяют изготавливать каналы пленочного охлаждения в лопатках индивидуально, с произвольной ориентацией относительно оси двигателя, поэтому в задачу проектирования входит нахождение наиболее оптимального варианта конструкции пленочного охлаждения, удовлетворяющего требованиям газодинамики, прочности, ресурса и надежности и его экспериментальное подтверждение. Аналогичные задачи могут быть решены на предлагаемой установке при исследовании форсуночных узлов, сопловых каналов и др.
Таким образом, предлагаемая конструкция установки позволяет провести значительную серию испытаний в течение одного рабочего дня, при единократном запуске компрессора аэродинамической трубы за счет быстрой модификации исследуемой конфигурации каналов 9. В связи с тем, что все датчики устанавливаются на неизменной части модуля и установки, уменьшается зависимость от погрешностей, связанных с перенастройкой блоков визуализации 16, 17 газодинамических потоков и системы сбора 5 результатов измерений, а так же, за счет того, что вариативная часть модуля - сменные элементы 8 - целесообразно изготавливать по единому технологическому процессу под неизменную часть модели: стойку 7, пластины 10 и 11, будет повышаться точность, повторяемость и достоверность эксперимента, зависящая от изменяемых параметров исследования - от геометрических параметров моделей и параметров газовых потоков.