ПУСКОВОЙ ЗАТВОР СТРУЙНОГО АППАРАТА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE JET ASSY STARTING GATE

Изобретение относится к области авиации, в частности к технике экспериментов в аэродинамических трубах кратковременного (импульсного) действия при высоких давлениях и температурах газа.
Для запуска аэродинамических труб с малой продолжительностью течения (около 40 миллисекунд), в том числе трубы УТ-1М ЦАГИ, используются одноразовые диафрагмы, разрывающиеся под давлением высоконапорного газа. Недостатки этого устройства состоят в том, что, во-первых, для каждого режима работы аэродинамической трубы (давления и температуры газа) необходимо подобрать диафрагмы, отличающиеся толщиной и материалом. Поэтому эксперименты возможны лишь при тех условиях, для которых подобраны диафрагмы. Это затрудняет использование всех потенциальных возможностей аэродинамической трубы. Во-вторых, диафрагмы разрываются нестабильно, при несколько различающихся давлениях, вследствие чего увеличивается разброс характеристик режима эксперимента и понижается точность измерений. В-третьих, частицы разрывающейся диафрагмы нередко повреждают испытываемую модель и измерительные приборы.
Известны быстродействующие затворы, используемые в аэродинамических трубах с относительно большой продолжительностью работы (300-400 миллисекунд) (Schrijer F.F.J., Bannink W.J. Description and flow assessment of the Delft hypersonic Ludwieg tube. AIAA 2008-3943. 14 p. 2008). В них используется внутренний привод запорного элемента, то есть поршень, перемещающий запорный элемент, и сам запорный элемент находятся в проточной части аэродинамической трубы. Недостатки такого затвора применительно к аэродинамическим трубам со значительно меньшей продолжительностью работы состоят в следующем: 1) продолжительность формирования заданного режима течения за затвором составляет более 50 миллисекунд, что превышает продолжительность работы аэродинамических труб типа УТ-1М (40 миллисекунд), для которых формирование режима течения должно осуществляться в течение 2-4 миллисекунд; 2) затвор создает большие потери давления; 3) затвор поглощает много тепла и понижает температуру рабочего газа.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Пусковой затвор струйного аппарата высокого давления» (Дядченко Г.Е., Зубарев Н.С. и Плотников М.А., описание к авторскому свидетельству №693744, МПК F16K 3/10, B64C 13/36). Он содержит корпус, запирающий орган (заслонку) с профилированным сквозным каналом (отверстием), пневмоцилиндр с поршнем (пневматический привод запирающего органа), быстродействующий пусковой клапан, быстродействующий клапан сброса давления, устройство индикации запирающего органа в крайнем положении. Недостаток этого пускового затвора применительно к аэродинамическим трубам типа УТ-1М состоит, во-первых, в том, что он обеспечивает необходимое быстродействие лишь при небольшом диаметре открываемого канала (порядка 10 мм). В то же время в аэродинамических трубах типа трубы УТ-1М со сменными профилированными соплами различной конфигурации необходимо быстро открывать канал, расположенный перед соплом и имеющий значительно больший диаметр (70 мм и больше). Во-вторых, расчетное течение газа в сопле начинается лишь после полной остановки заслонки и при условии полного согласования контура отверстия в заслонке с контуром сопла. Это требование является следствием того, что контур отверстия в заслонке является частью контура профилированного сопла.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка пускового затвора, обеспечивающего быстрое открытие высоконапорного канала трубы (за время порядка 2-4 миллисекунд) в расширенном диапазоне размеров открываемого канала без существенных потерь давления и температуры газа, протекающего из канала трубы в сопло.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в пусковом затворе струйного аппарата высокого давления, содержащем корпус и заслонку с отверстием, связанную с пневматическим приводом заслонки, заслонка имеет длину, в шесть раз и более превышающую диаметр открываемого канала трубы, отверстие в заслонке выполнено прямоугольным, при этом его ширина перпендикулярна оси пускового клапана и равна диаметру канала трубы, а длина параллельна оси пускового клапана и в 1.5 раза и более превышает диаметр канала трубы, а пневматический привод заслонки содержит шток, подсоединенный к заслонке, поршень, цилиндр с расположенными в его начале окнами, перекрываемыми поршнем, и цилиндрическим обводным каналом, расположенным в середине цилиндра, а также аккумулятор сжатого воздуха, окружающий цилиндр, и гидравлический тормоз, содержащий цилиндрическую камеру, расположенную непосредственно за цилиндром и переходящую в сужающийся конус.
Сущность изобретения поясняется на чертеже. Устройство содержит:
1. корпус (устанавливается взамен диафрагменного отсека между каналом трубы и соплом),
2. заслонку с прямоугольным отверстием (на чертеже заслонка находится в положении «закрыто»),
3. шток,
4. поршень,
5. цилиндр,
6. аккумулятор сжатого воздуха,
7. цилиндрический обводной канал,
8. гидравлический тормоз,
9. пневматический механизм, предназначенный для предварительного поджатия заслонки,
10. вентиль системы предварительного поджатия заслонки,
11. вентиль запуска,
12. вентиль трассы, подводящей воздух в аккумулятор сжатого воздуха,
13. окна цилиндра,
14. вентиль подачи воздуха в гидравлическую систему,
15. камеру гидравлического тормоза,
16. отверстие в заслонке.
Элементы 3, 4, 5, 6, 7, 8 образуют пневматический привод заслонки. Длина заслонки 2 в 6 раз и более превышает диаметр перекрываемого канала трубы. Кроме того, в заслонке 2 выполнено прямоугольное отверстие 16, ширина которого перпендикулярна оси пускового затвора и равна диаметру канала трубы, длина отверстия параллельна оси пускового затвора и в 1.5 раза и более превышает диаметр канала трубы. К заслонке 2 присоединен шток 3. Окна цилиндра 13 расположены в передней части цилиндра 5 и перекрываются поршнем 4. Цилиндрический обводной канал 7 расположен в середине цилиндра 5 и соединяет полости, находящиеся по обе стороны поршня 4. Цилиндр 5 окружен аккумулятором сжатого воздуха 6, а гидравлический тормоз 8 содержит цилиндрическую камеру, расположенную непосредственно за цилиндром 5 и переходящую в сужающийся конус.
Пусковой затвор струйного аппарата высокого давления работает следующим образом.
1) Во все подводящие трубы устройства подано давление. Все вентили закрыты. Заслонка 2 находится в положении «открыто».
2) Открывается вентиль 14 подачи воздуха в гидравлическую систему. В тормозную систему подается воздух под давлением 5-10 атмосфер. Заслонка 2 медленно перемещается в положение «закрыто» и полностью перекрывает канал трубы, как показано на чертеже.
3) Открывается вентиль 10 системы предварительного поджатия заслонки. Воздух под давлением больше 5 атмосфер прижимает заслонку к корпусу.
4) Открывается вентиль трассы, питающей канал трубы (не показан на схеме). Канал трубы заполняется рабочим газом (воздухом, углекислым газом и др.) под давлением от 1 до 150 атмосфер, который дополнительно поджимает заслонку 2 к корпусу.
5) Открывается вентиль 12 трассы, подводящей воздух в аккумулятор сжатого воздуха 6. Аккумулятор постепенно заполняется воздухом под давлением до 150 атмосфер.
6) Открывается вентиль запуска 11. Воздух поступает в цилиндр 5. Под давлением воздуха начинается медленное перемещение поршня 4. После небольшого смещения поршня автоматически открываются окна цилиндра 13, расположенные в начале его и непосредственно соединяющие полости цилиндра и аккумулятора сжатого воздуха. Благодаря наличию окон цилиндра 13 и достаточному запасу сжатого воздуха в аккумуляторе 6, окружающем цилиндр, резко увеличивается приток воздуха в цилиндр, давление на поршень многократно повышается, и начинается разгон подвижной части затвора (заслонки, штока и поршня) с максимальным ускорением. Благодаря тому, что длина заслонки 2 в 6 раз и более превышает диаметр перекрываемого канала трубы, заслонка 2 разгоняется до большой скорости (35 м/с) еще до начала открытия канала трубы. После смещения заслонки 2 от исходного положения на 100 мм начинается открытие канала трубы. Затем в течение 2-4 миллисекунд заслонка смещается еще на 70 мм, канал трубы диаметром 70 мм открывается полностью и устанавливается расчетный режим течения в канале трубы. При дальнейшем перемещении заслонки еще на 35 мм и после ее остановки, канал трубы остается полностью открытым. Благодаря тому, что в заслонке 2 выполнено прямоугольное отверстие 16, ширина которого перпендикулярна оси пускового затвора и равна диаметру канала трубы, а длина отверстия параллельна оси пускового затвора и в 1.5 раза и более превышает диаметр канала трубы, не требуется точное совмещение переднего и заднего краев отверстия с каналом трубы, и канал трубы открывается полностью еще во время движения заслонки, что способствует быстродействию пускового затвора.
После того как канал трубы откроется наполовину, шток 3 входит в цилиндрическую камеру гидравлического тормоза 15 и начинается торможение подвижной части затвора. Одновременно по цилиндрическому обводному каналу 7, расположенному в середине цилиндра, воздух перетекает с высоконапорной стороны поршня на его низконапорную сторону и давление в цилиндре по обе стороны поршня выравнивается. Благодаря наличию цилиндрического обводного канала сокращается длина участка торможения подвижной части затвора и смягчается удар при торможении ее. После входа штока в сужающийся конус гидравлического тормоза и торможение усиливается (на чертеже позиция 4' показывает положение поршня после остановки).
7) По окончании истечения газа из канала трубы все вентили затвора закрываются.
Пусковой затвор струйного аппарата высокого давления позволяет широко варьировать давление, при котором могут проводиться эксперименты в аэродинамической трубе, обеспечивает высокую точность воспроизведения заданного режима эксперимента, что повышает его качество, и устраняет возможность повреждения испытываемой в аэродинамической трубе модели и измерительной аппаратуры обломками разрываемой диафрагмы, обычно используемой в аэродинамических трубах импульсного действия.