СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОТОКА ГАЗА В ГИПЕРЗВУКОВОЙ ВАКУУМНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА
METHOD OF GENERATING GAS STREAM IN HYPERSONIC RAREFIED-AIR WIND TUNNEL AND WIND TUNNEL

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики, в частности к гиперзвуковым аэродинамическим трубам (АДТ).
6
В АДТ при больших числах Маха (М>5) поток необходимо нагревать для предотвращения конденсации газа, причем, чем больше скорость, тем выше уровень предварительного подогрева. Для реализации течения в гиперзвуковом сопле необходимо, например, для числа М=12 обеспечить отношение давлений в форкамере сопла и в рабочей части трубы ~10.
В промышленных трубах такие перепады давления получают за счет понижения давления на выходе трубы с помощью системы многоступенчатых эжекторов или вакуумных камер. Для получения нужного разрежения эжекторные системы потребляют большое количество газа высокого давления, поэтому являются неэкономичными и имеют малую продолжительность работы. Вакуумные камеры откачиваются насосами различных типов в зависимости от диапазонов давления.
-1
-8
В тех практических задачах, где возникает потребность в создании разрежения в пределах 10÷10 Па, обычно используется один из трех типов насосов: масляный диффузионный насос, турбомолекулярные насосы и крионасосы. Из всех перечисленных типов крионасосы наиболее просты в эксплуатации, обеспечивают наиболее быструю откачку и при этом абсолютно не загрязняют откачиваемый объем, т.к. не перемещают молекулы газа, а замораживают их, и в связи с этим у крионасосов отсутствуют какие-либо подвижные части или жидкие среды, контактирующие непосредственно с откачиваемым объемом.
Криогенные насосы обеспечивают первоначальный уровень давления в вакуумной камере и ввиду большой производительности при малых давлениях по сравнению с другими типами вакуумных насосов поддерживают стационарный режим для проведения необходимых измерений в АДТ.
Примером такой установки является гиперзвуковая вакуумная аэродинамическая труба с импульсным криогенным насосом (Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. В.И.Благосклонов, В.А.Жохов, В.Г.Кехваянц и др., Ученые записки ЦАГИ, т.XXX, №1-2, 1999 г.). Во время пуска трубы криопанели аккумулируют теплоту конденсации газа в твердую фазу собственной теплоемкостью и теплоемкостью уже образовавшегося конденсата. Производительность крионасоса в импульсном режиме его работы достигает 100÷200 кВт при холодопроизводительности холодильной станции всего 0,6 кВт. Приведенный крионасос способен вымораживать расход интенсивностью 0,001 кг/с в течение продолжительного времени и потоки с большой интенсивностью (около 0,2 кг/с) в течение 5 с. Импульсный режим работы крионасоса означает предварительное охлаждение криопанелей до температур Т=10÷25°К перед экспериментом и в перерыве между пусками. Из приведенных данных видно, производительность крионасоса по откачиванию массы газа в импульсном режиме в 200 раз выше, чем на стационарном режиме.
Основным недостатком этой АДТ и способа создания потока в ней является совмещение рабочей части трубы с вакуумной камерой и с криогенным насосом, что приводит к остановке работы и повторному запуску АДТ при каждой перестановке модели. Подготовка к повторному запуску занимает более 10 часов, что кроме потери времени приводит к увеличению энергозатрат, связанных с повторным вакуумированием рабочей части и захолаживанием криопанелей и азотных теплозащитных экранов.
Наиболее близким аналогом является гиперзвуковая АДТ (Henshall В. and Brower Е.A Cryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. “Advances in Cryogenic Engineering”, v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan, Michigan, 1962), реализующая способ создания гиперзвукового потока, включающий создание разрежения в вакуумной камере и в рабочей части АДТ с предварительной и окончательной откачкой газа из вакуумной камеры и рабочей части АДТ, получение и регулирование давления газа, нагревание газа, запуск сопла, охлаждение стенок сопла, охлаждение газа после прохождения рабочей части и диффузора, регенерацию криопанелей.
Недостатком этой АДТ является низкая скорость откачки газа из вакуумной камеры и рабочей части.
Общим недостатком вышеперечисленных АДТ является то, что в них используют крионасосы, содержащие криопанели из сплошного металла, имеющие малую площадь соприкосновения с откачиваемым газом, и не используют жидкий газ, образующийся при регенерации панелей крионасоса, кроме того, толщина пограничного слоя на стенках гиперзвукового сопла достаточно велика, что приводит к уменьшению равномерного ядра потока в выходном сечении сопла и соответственно масштаба исследуемых моделей и чисел Рейнольдса.
Недостатком указанных АДТ является также использование разнородных вакуумных насосов, рассчитанных на разные диапазоны давлений. Все вакуумные насосы, за исключением криогенных, удаляют откачиваемый газ за пределы тракта АДТ (из-за этого надо контролировать состав и влажность вновь поступающего газа, а в случае выброса в атмосферу, например, азота, могут возникнуть экологические проблемы). Кроме того, усложняется проблема взаимозаменяемости насосов и их ремонта.
Задачей изобретения является создание компактной, дешевой в строительстве и экономичной в эксплуатации АДТ непрерывного действия, охватывающей весь гиперзвуковой диапазон скоростей с числами Маха М≥5.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости откачки газа, снижение энергозатрат на получение газа высокого давления, увеличение времени работы АДТ, за счет создания замкнутого непрерывного цикла работы, уменьшение толщины пограничного слоя в сопле и, как следствие, увеличение масштаба исследуемых моделей при неизменных геометрических параметрах выходного сечения сопла.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе, включающем создание разрежения в вакуумной камере с предварительной и окончательной откачкой газа из вакуумной камеры и рабочей части, генерацию газа высокого давления и регулирование его давления, нагрев газа, запуск сопла, охлаждение стенок сопла, охлаждение газа после прохождения рабочей части, регенерацию криопанелей, предварительную и окончательную откачку газа из вакуумной камеры производят с помощью крионасосов. Затем дополнительно охлаждают сверхзвуковую часть сопла, находящуюся внутри рабочей части, а после прохождения рабочей части и диффузора газ направляют непосредственно в вакуумную камеру, содержащую внутри себя устройство охлаждения, в котором циркулирует сжиженный газ, поступающий из резервуара для хранения сжиженного газа. После чего охлажденный газ направляют в крионасосы и вымораживают на криопанелях в твердую фазу, а регенерацию криопанелей производят, напуская в изолированную полость крионасоса газ более высокого давления и температуры. Полученный в результате регенерации сжиженный газ направляют в резервуар для хранения сжиженного газа, который по мере необходимости превращают в газ высокого давления и направляют в резервуар для хранения газа высокого давления, куда также поступает газ высокой температуры и давления после прохождения устройства охлаждения газа вакуумной камеры, который используют в системах генерации, регулирования давления и нагрева газа. Во всех случаях дросселирования газа используют детандерно-генераторный агрегат для выработки электроэнергии.
Указанный технический результат достигается также и тем, что в вакуумной гиперзвуковой аэродинамической трубе, содержащей источник газа высокого давления с системой регулирования давления, подогреватель газа, гиперзвуковое сопло, рабочую часть, диффузор, систему охлаждения газа после прохождения рабочей части, вакуумную камеру, насосы предварительной и окончательной откачки газа из вакуумной камеры, устанавлены криогенные насосы, как для предварительной, так и для окончательной откачки. Причем криопанели насосов выполнены из пористого металла с открытой системой пор, а внешняя поверхность гиперзвукового сопла внутри рабочей части аэродинамической трубы снабжена змеевиками для охлаждения стенок сопла. Система охлаждения высокотемпературного газа, поступающего из рабочей части, размещена внутри вакуумной камеры. Кроме того, аэродинамическая труба содержит резервуар жидкого газа с насосом для перекачки и детандерно-генераторные агрегаты для получения электроэнергии.
На фиг.1 представлена схема гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубы, которая включает систему регулирования газа высокого давления 1, газонагреватель 2, запорные и регулировочные клапаны 3, сопло 4, рабочую часть с моделью 5, диффузор 6, детандерно-генераторные агрегаты 7, вакуумную камеру 8, систему криогенных насосов 9, содержащих криогенные панели, гелиевую линию 10 для охлаждения стенок части гиперзвукового сопла 4, находящейся внутри рабочей части, насосы для перекачки жидкого газа 11, резервуар для хранения жидкого газа 12, линия жидкого газа 13 для предварительного охлаждения потока, поступающего в вакуумную камеру 8, резервуар газа высокого давления 14.
Предлагается использовать для целей откачки газа, начиная с атмосферных условий, только криогенные насосы. В аналогах криогенные насосы используются только на заключительной стадии вакуумирования при таких низких давлениях, когда практически только крионасосы и справляются с откачкой газа, а предварительную откачку производят вакуумными насосами, рассчитанными на разные диапазоны давлений, отличительной чертой которых является выброс газа за пределы откачиваемого объема. Как будет показано ниже, энергетически выгодно использование криогенных насосов и вымораживание всей массы газа в твердую фазу.
2
-4
2
Известно, что крионасосы являются насосами поверхностного действия, т.е. чем больше поверхность контакта газа с панелью крионасоса, тем выше скорость откачки газа. Предлагается использовать панели крионасоса из пористого металла с открытой системой пор, которая считается открытой, если она сообщается с поверхностями пористого тела и проницаема для газа при наличии градиента давления на пористом теле. Удельная поверхность (отношение суммарной поверхности тела к его массе) пористого металла, полученного методами порошковой металлургии, в зависимости от степени пористости составляет порядка 0,05÷1 м/г (см. Е.Л.Шведков, Э.Т.Денисенко, Н.Н.Ковенский. “Словарь-справочник по порошковой металлургии”, Киев, 1982 и С.В.Белов. “Пористые металлы в машиностроении”, М., 1976). Для пластин из компактных металлов, используемых в качестве криопанели, эта величина порядка 10 м/г. Из приведенных данных видно, что площадь контакта с откачиваемым газом пористой криопанели по сравнению с криопанелью из сплошного металла увеличивается на ~2-4 порядка, что позволяет увеличить производительность крионасоса. Применение пористых криопанелей и импульсный режим работы крионасоса позволяют откачивать через сопло поток газа с расходом, характерным для гиперзвуковых АДТ.
В вакуумных АДТ с крионасосами имеется уникальная возможность уменьшения толщины пограничного слоя на стенках гиперзвукового сопла путем его вымораживания в твердую фазу (“Способ уменьшения толщины пограничного слоя на обтекаемой поверхности”, патент РФ №2103667, 1994). Известно, что уже при числе М=10 пограничный слой занимает половину выходного сечения сопла. Уменьшение толщины пограничного слоя позволяет увеличить число Рейнольдса и размеры равномерного ядра потока, соответственно, и размеры исследуемой модели. Приблизительные оценки показывают, что толщина пограничного слоя h в выходном сечении сопла уменьшается в соотношении:
a
s
h=Hρ/ρ,
где Н - толщина пограничного слоя в выходном сечении сопла без охлаждения;
a,
ρ - плотность газа;
s
ρ - плотность газа в твердой фазе.
Способ создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе рассмотрим на примере работы приведенной выше АДТ (фиг.1), причем проанализируем самый сложный вариант запуска трубы, когда в вакуумной камере, рабочей части и полостях крионасосов газ находится в атмосферных условиях. Как отмечалось выше, при откачке газа из вакуумной камеры с атмосферного до требуемого уровня давления для получения определенного числа М и далее в ходе испытаний используют только крионасосы.
Перед началом работы трубы в этом случае закрывают клапаны (3) до и после системы крионасосов и приводят в рабочее состояние первый из крионасосов, т.е. обеспечивают соответствующие давление в полости крионасоса и температуру криопанелей 10÷25 К, достаточные для вымораживания в твердую фазу поступающего из вакуумной камеры газа. Далее с помощью первого крионасоса последовательно откачивают полости остальных крионасосов и с помощью жидкого или газообразного гелия охлаждают криопанели до температур Т=10-25 К. После этого открывают клапаны 3, кроме клапана, находящегося между воздухонагревателем 2 и соплом 4, и начинают откачку пространства АДТ от вакуумной камеры 8 до сопла 4 всеми крионасосами.
При достижении равного уровня давлений в вакуумной камере, в рабочей части АДТ и в полостях крионасосов производят с целью уменьшения толщины пограничного слоя охлаждение стенок гиперзвукового сопла внутри рабочей части с помощью змеевика, по которому циркулирует жидкий или газообразный гелий с температурой Т=10÷25 К, который подают по гелиевой линии 10 от одного из крионасосов. После охлаждения стенок производят запуск сопла и измерения необходимых параметров при обтекании потоком исследуемой модели, размещенной в рабочей части АДТ. Крионасосы при этом, поддерживая соответствующий уровень давления в вакуумной камере и в рабочей части АДТ, обеспечивают стационарный режим истечения газа из сопла необходимой продолжительности в зависимости от числа М и типа испытаний (весовые, тепловые, распределения давлений и т.д.).
По мере необходимости (желательно это совместить по времени с технологическими перерывами в работе АДТ) крионасосы проходят операцию регенерации, т.е. удаления налипшего слоя твердофазного газа, препятствующего дальнейшей конденсации газа.
Для этого перестают охлаждать соответствующий крионасос и напускают в изолированную полость крионасоса газ более высокого давления и температуры. Твердофазный газ плавится и переходит в жидкую фазу, а напускаемый газ конденсируется в жидкую фазу. Таким образом, после каждой регенерации масса жидкого газа увеличивается по сравнению с суммарным расходом газа через сопло.
Жидкий газ из полости крионасоса откачивают с помощью насоса 11 в резервуар жидкого газа 12 и крионасос снова готов к работе. Полученный жидкий газ используют в источнике газа высокого давления 14 для создания потока в сопле и в системе 13 предварительного охлаждения газа, поступающего в вакуумную камеру для снижения тепловой нагрузки на крионасосы. При этом жидкий газ, охлаждающий газ в вакуумной камере, превращается в газ высокого давления и температуры и также поступает в источник газа высокого давления 14 для дальнейшего использования его в АДТ. Таким образом, получают АДТ с непрерывным циклом работы замкнутого типа, но без компрессора. Отметим еще раз, что не только нет специальных энергозатрат на производство газа высокого давления, а, наоборот, при регенерации криопанелей получаемый газ имеет большую массу и более высокое давление, чем исходный, протекающий через гиперзвуковое сопло.
При перестановках модели изолируют рабочую часть 5 от воздухонагревателя 2 и вакуумной камеры 8 для сохранения вакуума в ней и в полостях крионасосов и напускают газ в рабочую часть трубы.
В прототипах и предлагаемом варианте АДТ энергия в основном тратится на работу по получению газа высокого давления, на подогрев газа, на вакуумирование газа.
На подогрев газа и его вакуумирование в аналогах и в предложенном варианте АДТ затрачивается примерно одинаковая энергия, причем стоимость и характеристики крионасосов и соответствующих вакуумных насосов примерно одинаковы.
Предлагаемое изобретение дает существенный энергетический выигрыш на этапе регенерации криопанелей, когда за счет энергии окружающей среды твердофазный газ превращается сначала в жидкий газ, далее в газ высокого давления (порядка 800-1000 атм для различных типов газов), причем масса и давление вновь получаемого газа превосходит массу и давление первоначального газа, использованного в АДТ за счет дополнительной конденсации газа, напускаемого в крионасос для регенерации криопанелей. В аналогах газ, получаемый в результате регенерации не используется, а удаляется в атмосферу.
Итак, крионасосы не только откачивают вакуумную камеру, но и являются источником газа высокого давления, не требующим дополнительных затрат электроэнергии. Учитывая, что такие высокие уровни давлений торможения в АДТ не требуются, можно при дросселировании газа до нужного давления в детандерно-генераторном агрегате (ДГА) 7 вырабатывать электроэнергию. С этой же целью ДГА устанавливают на пути газа после прохождения диффузора 6 перед входом в вакуумную камеру 8.
Для сравнения приведем пример затрат энергии на получение газа высокого давления: в гиперзвуковой АДТ непрерывного действия с замкнутым контуром (CHFT) НИЦ им. Ленгли NASA. При М=10-11 мощность привода многоступенчатого компрессора составляет 17.7 Мвт (Аэродинамические трубы и газодинамические установки зарубежных стран. Том 2. Трансзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы, обзор ЦАГИ №664-86, 1986, с.185).
Кроме экономии при эксплуатации АДТ, есть экономия, связанная с ее строительством: предлагаемая АДТ охватывает весь гиперзвуковой диапазон чисел М>5. Обычно строится 2-3 различных АДТ, чтобы охватить гиперзвуковой диапазон скоростей с числами Маха М=5÷25.
Отметим, что многие приведенные предложения могут быть использованы, как при создании новых вакуумных гиперзвуковых АДТ, так и при модернизации существующих с целью расширения диапазона моделируемых параметров.