КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО
VALVE ASSEMBLY

Изобретение относится к области проектирования ударных аэродинамических труб и, в частности, их входных устройств.
Известно клапанное устройство (а.с. СССР №305304, МПК F16k l7/40, опубл. 04.06.71, бюл. №18) с разрушаемой диафрагмой из полимерной пленки и бумаги и нагревательным элементом, выполненным в виде проволочного кольца, удерживаемого равномерно расположенными крепежными проволочными петлями.
Недостатком данного устройства применительно к использованию в ударных трубах является то, что при выполнении цельного проволочного кольца технологически образуется незамкнутая зона. В незамкнутой зоне кольца нагревательного элемента в процессе вскрытия мембраны образуется участок непрорезанной мембраны. Это вызывает значительные возмущения на профиле формируемой ударной волны. Дополнительно в неравномерность вскрытия мембраны вносит то, что нагревательный элемент расположен в вершине угла опорного кольца по периметру канала низкого давления. В этом случае в процессе разогрева проволока увеличивается по длине за счет теплового расширения и способна выйти из контакта с мембраной.
Решаемой технической задачей является равномерное вскрытие по окружности мембраны при помощи нагревательного элемента и расширение рабочего диапазона давления в камере высокого давления.
Технический результат: равномерное вскрытие по всей окружности мембраны, что приводит к ее поступательному движению, при этом формируется ударная волна с низким уровнем побочных возмущений, коротким передним фронтом и амплитудой высокой точности в широком диапазоне давления.
Техническая задача решается следующим образом
В заявляемом клапанном устройстве, содержащем мембрану из полимерной пленки, установленную с возможностью взаимодействия с нагревательным элементом в виде проволочного кольца, удерживаемого на опорном кольце из электроизоляционного материала, в отличие от прототипа нагревательный элемент выполнен состоящим из двух полуколец, электрически параллельно соединенных между собой, закреплен на торцовой поверхности опорного кольца на расстоянии от кромки его центрального отверстия, выбранном из условия исключения выхода нагревательного элемента за торцовую поверхность опорного кольца при термическом расширении нагревательного элемента.
Также клапанное устройство может дополнительно содержать одну или несколько друг за другом установленных на дополнительных опорных кольцах мембран с нагревательными элементами, проекции которых на плоскость, параллельную торцовой поверхности опорных колец, расположены концентрично.
Выполнение нагревательного элемента в виде кольца, образованного двумя полукольцами, электрически параллельно соединенных между собой, обеспечивает выполнение замкнутого кольца по всему периметру окружности, что обеспечивает одинаковые условия для вскрытия мембраны по всему периметру окружности и, тем самым, исключает образование отдельных непрорезанных участков мембраны. Это позволяет вырезанному круговому фрагменту мембраны под действием перепада давления совершить плоскопараллельное поступательное движение, формируя перед собой ударную волну с заданными параметрами.
Размещение нагревательного элемента на расстоянии от кромки центрального отверстия опорного кольца, выбранном из условия исключения выхода нагревательного элемента за торцовую поверхность опорного кольца при термическом расширении нагревательного элемента, обеспечивает надежный контакт нагревательного элемента с мембраной во всем диапазоне температуры нагревательного элемента. Это решение дополнительно стабилизирует условия вскрытия мембраны по всему периметру окружности. Более близкое размещение нагревательного элемента к внутреннему краю торцовой поверхности опорного кольца может при термическом расширении нагревательного элемента привести к выходу его отдельных участков за плоскость опорного кольца. При этом усилие поджатия нагревательного элемента к мембране на этих участках практически будет отсутствовать, что не позволяет обеспечить условия для равномерного вскрытия мембраны по окружности.
Использование дополнительно одной или нескольких друг за другом установленных на дополнительных опорных кольцах мембран с нагревательными элементами, проекции которых на плоскость, параллельную торцовой поверхности опорных колец, расположены концентрично, позволяет использовать предлагаемое клапанное устройство при более высоком давлении в камере высокого давления. Этим достигается расширение динамического диапазона давления формируемых ударных волн.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан пример выполнения заявляемого клапанного устройства, на фиг.2 - вид А на фиг.1, на фиг.3 - отдельно схема монтажа нагревательного элемента. На фиг.4 показан пример выполнения клапанного устройства с одной дополнительно установленной мембраной.
Клапанное устройство содержит мембрану 1 из полимерной пленки, установленную на опорном кольце 2 в данном случае выполнения при помощи опорного кольца 3. Опорные кольца 2 и 3 зажаты в осевом направлении между фланцем 4 камеры 8 высокого давления и фланцем 5 канала 9 низкого давления. На торцовой поверхности опорного кольца 2 на расстоянии Δ от кромки его центрального отверстия размещен нагревательный элемент 6, который удерживается равномерно расположенными по окружности крепежными проволочными петлями 7. Расстояние выбирается из условия исключения выхода нагревательного элемента за плоскость опорного кольца 2 и может быть определено по приближённой формуле:
где D - диаметр канала низкого давления;
n - количество точек крепления нагревательного элемента;
α - коэффициент линейного расширения материала нагревательного элемента;
Т - разность между максимальной и начальной температурой нагревательного элемента.
Нагревательный элемент 6 изготовлен из нихромовой проволоки и выполнен в виде двух полуколец, как показано на фиг.3, электрически параллельно соединенных между собой. Мембрана 1 относительно нагревательного элемента 6 располагается со стороны большего давления, что обеспечивает ее поджатие к нагревательному элементу 6.
Предлагаемое клапанное устройство работает следующим образом. Созданное в камере 8 повышенное давление поджимает мембрану 1 к нагревательному элементу 6, обеспечивая их надежный контакт по всему периметру. После достижения заданной величины давления в камере 8 высокого давления на нагревательный элемент 6 подается импульс тока. Нагретый до высокой температуры импульсом тока нагревательный элемент 6 прожигает мембрану 1 по замкнутому кольцу в месте контакта. Ослабленная мембрана 1 отрывается по всему периметру и совершает поступательное движение. При этом перед движущимся в канале низкого давления круговым фрагментом мембраны формируется ударная волна с низким уровнем побочных возмущений, коротким передним фронтом и амплитудой высокой точности в широком диапазоне давления.
Клапанное устройство может дополнительно содержать в данном примере выполнения одну мембрану (фиг.4), установленную на дополнительном опорном кольце 3 при помощи опорного кольца 4, с нагревательным элементом (на фиг.4 не показан). Проекции нагревательных элементов на плоскость, параллельную торцовой поверхности опорных колец, расположены концентрично. Установка дополнительных мембран позволяет использовать клапанное устройство при более высоком давлении в отсеке высокого давления, что расширяет диапазон давлений формируемых ударных волн.
Были проведены испытания предлагаемого клапанного устройства в составе ударной трубы калибром 400 мм. На выходе волновода длиной 3 м ударной трубы была получена ударная волна с прямоугольным профилем с низким уровнем побочных возмущений, коротким передним фронтом с параметрами:
1) амплитуда от 1.5 до 160 кПа
2) длительность фронта - менее 5 мкс.