Сверхзвуковое осесимметричное сопло

Полезная модель относится к экспериментальной аэродинамике и может быть использована в конструкциях гиперзвуковых, преимущественно ударных аэродинамических труб.
Известно сопло для гиперзвуковых аэродинамических труб, конструкция которого предусматривает изменение достигаемых с его использованием чисел Маха потока газа за счет изменения площади критического сечения сопла Лаваля (CN 102788677 [1]). Недостатком известной конструкции является громоздкость и неоднородность получаемого потока, поскольку критическое сечение имеет квадратную или прямоугольную форму и изменяет свою площадь за счет сближения или разведения сторон этой фигуры.
Известно сопло для гиперзвуковых аэродинамических труб, состоящее из двух отсеков и позволяющее варьировать число Маха потока газа за счет изменения геометрических параметров составных частей (CN 104359644 [2]).
Недостатком известной конструкции является громоздкость, поскольку сопло выполняется в виде сопла Лаваля, и неоднородность получаемого потока из-за неровного профиля, поскольку стенки сопла выполнены гибкими и геометрические параметры сопла изменяются путем кругового обжатия стенок. А любые, даже небольшие неровности, вызванные таким обжатием, вызывают нежелательный отклик в виде возникновения турбулентности. Кроме того, длина сопла не изменяется, поэтому меняется угол раскрытия сопла, что приводит к нерасчетному режиму, снижению качества потока и отрывным течениям.
o
BX
*
2
1
*
1
2
*
0,6
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности решению является сверхзвуковое осесимметричное сопло аэродинамической трубы, известное из описания к RU 1528116 [3]. Сопло состоит из сменного отсека и стационарного (постоянного) отсека. Сменный отсек представляет собой разгонный участок сопла. Он состоит из сужающейся и расширяющейся частей, обеспечивающих разгон потока до заданного значения числа M. Постоянный отсек - это выравнивающий участок сопла. Для конкретной аэродинамической трубы полная длина сопла L, диаметры входного D и выходного D сечений сопла считаются заданными. Диаметр d критического сечения при заданном диаметре выходного сечения зависит от значения числа М на выходе из сопла и определяется расчетным путем. Отношение длин отсеков составляет L/L=(0,63 ± 0,02) (D/d), где L - длина сменного отсека; L - длина стационарного отсека; D - диаметр выходного сечения; d - диаметр критического сечения сопла.
Недостатком известной конструкции является ее сравнительно большие габариты, связанные с тем, что это сопло Лаваля. Использование его в ударных аэродинамических трубах затруднительно. Кроме того, существуют определенные трудности при состыковке двух отсеков в единое сопло стационарного размера.
2
1
Известное сопло имеет постоянную общую длину и постоянную длину L одного из отсеков (стационарный отсек), а сменный отсек вставляется вовнутрь этого сопла Лаваля. При изменении длины сменного отсека L необходимо изменять радиусы сопряжения двух дуг окружностей для обеспечения плавного вхождения потока в критическое сечение сопла для каждого сменного отсека. Для каждого сменного отсека критические сечения исполняются с объемными радиусами сопряжения, что представляют большую техническую трудность и может приводить к нерасчетному режиму, снижению качества потока и отрывным течениям.
Заявляемое сверхзвуковое осесимметричное сопло направлено на упрощение конструкции, снижение габаритов и обеспечение равномерности потока.
Указанный результат достигается тем, что сверхзвуковое осесимметричное сопло содержит установленные последовательно сменный и стационарный отсеки, образующие своими внутренними поверхностями контур сопла. При этом сопло выполнено с внутренним коническим профилем, а отсеки выполнены со следующим соотношением размеров:
,
1
где L - длина сменного отсека, м;
2
L - длина стационарного отсека, м;
D - диаметр выходного сечения, м;
K
d - диаметр критического сечения сменного отсека, м;
BX
2
D - диаметр входного сечения стационарного отсека длиной L, м.
Указанный результат достигается также тем, что вход в сопло перекрыт мембраной, прижатой накидной гайкой, отверстие в которой в продольном сечении выполнено в виде обращенного меньшим основанием к соплу кругового криволинейного усеченного конуса, образующая которого выполнена в виде дуги окружности, вогнутой к оси конуса.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции сопла являются:
- сопло выполнено с внутренним коническим профилем;
- отсеки выполнены с определенным соотношением размеров;
- сумма длин стационарного и сменного отсеков имеет переменную длину;
- вход в сопло перекрыт мембраной, прижатой накидной гайкой, входное отверстие в которую в продольном сечении выполнено в виде обращенного меньшим основанием к соплу кругового криволинейного усеченного конуса, образующая которого выполнена в виде дуги окружности, вогнутой к оси конуса для безударного входа в сопло.
Выбор внутреннего профиля сопла коническим обусловлен тем, что в ударных аэродинамических трубах для организации сверх- и гиперзвуковых потоков чаще применяют конические сопла, внутренний профиль которых, в отличие от сопел Лаваля, имеет постоянный угол раскрытия. Для заявляемого устройства:
BX
2
K
1
2
BX
K
1
[(D-D)/2]/ L=[(D-d)/2]/ (L+L)=[D-d)/2]/ L=tg α.
Известно, что увеличение числа Маха зависит от увеличения степени расширения N, а степень расширения увеличивается при уменьшении диаметра критического сечения:
2
В отличие от более низкой степени расширения стационарного отсека длиной L:
1
Уменьшение диаметра критического сечения произведем путем удлинения сопла на длину L.
2
1
Реальные ударные аэродинамические трубы имеют конструктивные ограничения для L-расположением смотрового окна и регистрирующей аппаратуры, а L - наличием встроенного в ударную часть трубы перед критическим сечением датчика давления.
1
K,
1
K
1
В связи с нелинейным характером зависимости между параметрами потока и при ограничениях на размеры L в реальных конструкциях ударных аэродинамических труб, можно рассчитать минимально возможный d, а, при отсутствии ограничений по L, сначала выбирается d исходя из желаемой степени расширения потока, а затем вычисляется длина сменного отсека L.
Для конического сопла, где поток на входе в критическое сечение формируется ударной волной, ставится тонкая мембрана, которая разрывается при воздействии падающей ударной волны. Мембрана устанавливается на критическое сечение и прижимается накидной гайкой. Выполнение отверстия в гайке, которое в продольном сечении выполнено в виде обращенного меньшим основанием к соплу кругового криволинейного усеченного конуса, образующая которого выполнена в виде дуги окружности, вогнутой к оси конуса, обеспечивает плавность входа потока в критическое сечение сопла.
K
2
K
2
1
Преимущество этого технического решения заключается в независимости плавности входа до мембраны от выбранного сменного отсека из желаемого числа Маха. Также сменные отсеки, как конуса, изготавливаются проще, а плавность входа в сопло обеспечивается накидной гайкой. Сущность предлагаемой конструкции сопла поясняется примером реализации и графическими изображениями. На фиг. 1 представлен схематично продольный разрез сопла. На фиг. 2 представлен схематично продольный разрез сопла с мембраной и накидной гайкой. На фиг. 3 представлены результаты расчета распределения чисел Маха вдоль оси конического сопла с критическим диаметром сопла d=8 мм, длинной сверхзвуковой части L=350 мм. На фиг. 4 представлены результаты расчета распределения чисел Маха вдоль оси конического сопла с диаметром критического сечения d=2 мм, длинной сверхзвуковой части (L+L).
2
Предлагаемое сопло содержит сменный отсек 1 длиной Ц и стационарный отсек 2 длиной L, соединенные между собой резьбой. В частных случаях реализации конструкция дополнена накидной гайкой 3, прижимающей разрываемую потоком газа мембрану 4.
Проведен расчет конического сопла при изменении диаметра критического сечения.
K
В выходном сечении с диаметром выходного сечения D=175 мм, диаметром критического сечения сопла d=8 мм, длинной сверхзвуковой части L=350 мм, геометрической степенью расширения сопла:
поток истекает со средним числом Маха в ядре потока на срезе сопла М=8,0 с достаточно высоким градиентом, направленным вдоль оси симметрии сопла (фиг. 3.).
K
С уменьшением критического радиуса сопла при d=2 мм, геометрическая степень расширения сопла увеличивается и, как показано на фиг. 4, абсолютный градиент числа Маха на оси возрастает в два раза, притом, что линейные размеры изменяются в 4 раза.
Сопло используется в известных установках (см. например RU 153905 «Импульсная аэродинамическая установка», RU 166794 «Гиперзвуковая аэродинамическая ударная труба», RU 167393 «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая установка», RU 2621367 «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба», RU 167985 «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая установка») следующим образом. Сопло с выбранным соотношением размеров отсеков устанавливается в трубе на штатное место.
Инициация ударной волны происходит известным способом - повышением давления в камере высокого давления. Ударная волна, образуя газовую пробку на торце накидной гайки, проходит плавно через отверстие гайки, рвет тонкую мембрану 3 и через критическое сечение сопла, обусловленное выбором переменного отсека, расширяется и истекает через гиперзвуковое сопло на модели. Параметры процесса регистрируются соответствующей аппаратурой.