СМЕСИТЕЛЬ ГАЗОВ

Полезная модель относится к газогидродинамике, в частности к средствам воздействия на поток в каналах, предназначенных для перемещения высокоэнтальпийных газовых сред.
При экспериментальных исследованях гиперзвуковых летательных аппаратов на испытательном стенде возникает необходимость смешивания высокоэнтальпийных газовых потоков (Т~3000 К) посредством смесительного устройства с равномерным распределением параметров газовой смеси по площади выходного сечения смесителя
Известна конструкция смесителя газов в виде трубопровода с газовым потоком, в котором концентрично или радиально встроена труба для подачи другого газа (Гречко А.В. и др. «Практика физического моделирования на металлургическом заводе», М., Металлургия, 1976, с.113-118). В этом случае перемешивание газов происходит по ходу движения газовых потоков в общей (смесительной) трубе.
Недостатком смесителя является замедленный (затяжной) процесс перемешивания газов: где однородная смесь получается на участке смешения длиной более 50 диаметров общей трубы, что приводит к большим габаритам смесителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому смесителю газов является смеситель, содержащий две концентрично расположенные трубы с рядами отверстий разного диаметра по периметру внутренней трубы и патрубком на внешней трубе (Гречко А.В. «Способы получения однородной газовой смеси перед тепловыми агрегатами», Промышленная энергетика №6, 2002, с.38-43, Рис.4). Здесь перед отверстиями по ходу движения основного потока радиально во внутренней трубе установлены металлические трубки с заглублениями их выходных концов до середины кольцевых равновеликих участков, что направлено на получение однородной газовой смеси на выходе из смесителя. Техническое решение защищено авторским свидетельством СССР №1762995, B01F 5/00, 1990 г. Недостатком этого смесителя является отсутствие конструктивных элементов обеспечивающих качественное смешение газов на ограниченной длине смесителя. Другой газ, подаваемый через отверстия во внутреннюю трубу, не сможет достичь всей массы основного потока газа и останется в пристеночном слое последнего. Кроме того, радиальные трубки в основном потоке создают добавочное гидродинамическое сопротивление. Консольное крепление трубок в скоростном потоке газа создает высокую силовую (изгибную) нагрузку на трубки и вызывает их вибрацию, что сокращает ресурс работы смесителя. Использование трубок без системы их охлаждения не позволяет применять смеситель для высокоэнтальпийных потоков газов (2000-3000 К).
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- обеспечение получения равномерности распределения параметров: температуры и скорости потока смеси на выходе из смесителя при несовпадении осей входа газов в смеситель и выхода смеси из него;
- обеспечение защиты элементов смесителя от воздействия высокоэнтальпийных потоков газов и снижение температуры газовой смеси, т.е. увеличение ресурса смесителя.
Поставленные задачи решаются тем, что смеситель газов содержит трубу подачи основного газа и равноотстоящий относительно трубы кольцевой коллектор подачи другого газа. Полости коллектора и трубы имеют раздельные входы и общий выход, сообщаются между собой и образуют первую камеру смешения.
Новым в полезной модели является то, что смеситель содержит сопло, вторую камеру смешения, два криволинейных патрубка, трубчатые решетки, охладительный коллектор стенок второй камеры смешения и криволинейных патрубков, трубки подачи атмосферного воздуха во вторую камеру смешения и криволинейные патрубки через их стенки, и охладительный коллектор, размещенный снаружи последних, где сопло присоединено к входу трубы в первую камеру смешения. Полости кольцевого коллектора и сопла сообщаются между собой через первую камеру смешения и имеют из нее общий выход. Вторая камера смешения на входе соединена с выходом из первой камеры смешения через один из криволинейных патрубков и снабжена на выходе другим криволинейным патрубком. Притом отдельная трубчатая решетка поперечно расположена на выходе каждого патрубка и сообщается трубками с охладительным коллектором.
При таком устройстве полезной модели:
- наличие в смесителе сопла, второй камеры смешения, двух криволинейных патрубков, трубчатых решеток, обеспечивает получение равномерных полей параметров газовой смеси на выходе из смесителя;
- сообщение полости кольцевого коллектора и сопла между собой через первую камеру смешения и наличие из нее общего выхода обеспечивает первоначальное смешение газов, и начало образования газовой смеси;
- соединение второй камеры смешения на входе с выходом из первой камеры смешения через один из криволинейных патрубков и соединение на выходе с другим криволинейным патрубком обеспечивает заданное смешение газов и передачу газовой смеси в заданное место стенда;
- наличие трубчатых решеток, охладительного коллектора стенок второй камеры смешения и криволинейных патрубков, размещенных снаружи последних, трубок подачи атмосферного воздуха во вторую камеру смешения и криволинейные патрубки через их стенки, и охладительный коллектор, расположение трубчатых решеток на выходе из каждого патрубка и сообщение их трубок с охладительным коллектором обеспечивает равномерное распределение параметров потока в поперечном сечении тракта смесителя, охлаждение газового потока и стенок смесителя.
Существенные признаки полезной модели могут иметь дополнение и развитие:
- трубки подачи атмосферного воздуха во вторую камеру смешения и криволинейные патрубки могут быть расположены в поперечных кольцевых рядах. Это способствует образованию равномерного поля и стабилизации параметров смешанного потока газов;
- трубки подачи атмосферного воздуха в смежных рядах могут быть расположены в шахматном порядке. Это, при необходимости, позволяет увеличить объем сдуваемого пограничного слоя;
- концы трубок подачи атмосферного воздуха могут выступать в полости второй камеры смешения и криволинейных патрубков. Выступающий конец каждой трубки может иметь Г-образную, а в поперечном сечении эллиптическую форму, контактировать с внутренней поверхностью стенки в месте установки и быть направлен в сторону выхода смесителя. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление выступающих в тракт смесителя концов трубок и улучшить воздействие вдуваемого атмосферного воздуха на пограничный слой.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- обеспечено получение равномерных параметров: температуры, и скорости потока смеси на выходе из смесителя при несовпадении осей входа газов в смеситель и выхода смеси из него;
- обеспечена защита элементов смесителя от воздействия высокоэнтальпийных потоков газов для обеспечения заданного ресурса смесителя.
Полезная настоящая модель поясняется последующим подробным описанием смесителя и его работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-3, где:
- на фиг.1 изображен продольный разрез смесителя газов;
- на фиг.2 - элемент I на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение А-А элемента I на фиг.2.
Смеситель газов (см. фиг.1) содержит трубу 1 подачи основного газа и равноотстоящий относительно трубы 1 кольцевой коллектор 2 подачи другого газа. Полости 3, 4 коллектора 2 и трубы 1 сообщаются между собой, имеют соответственно раздельные входы 5, 6 и общий выход 7. Смеситель содержит сопло 8, первую камеру 9 смешения, вторую камеру 10 смешения, два криволинейных патрубка 11 и 12, трубчатые решетки 13 и 14, охладительный коллектор 15 стенок 16 второй камеры 10 смешения и стенок 17 и 18 криволинейных патрубков 11 и 12, размещенный снаружи последних.
Кроме того, смеситель содержит трубки 19 подачи атмосферного воздуха во вторую камеру 10 смешения и криволинейные патрубки 11 и 12, которые проходят через стенки 16, 17, 18 и охладительный коллектор 15. Сопло 8 присоединено к выходу трубы 1 в первую камеру смешения 9. Вторая камера 10 смешения на входе соединена с выходом 7 из первой камеры 9 смешения через один из криволинейных патрубков 11 и снабжена на выходе другим криволинейным патрубком 12. Отдельная трубчатая решетка 13 или 14 соответственно поперечно расположена на выходе каждого патрубка 11, 12 и сообщается трубками (не показано) с охладительным коллектором 15. Трубки 19 подачи атмосферного воздуха во вторую камеру 10 смешения газов и криволинейные патрубки 11, 12 расположены в поперечных кольцевых рядах тракта смесителя. Кроме того, трубки 19 подачи атмосферного воздуха в смежных рядах расположены в шахматном порядке (не показано).
Концы трубок 19 (см. фиг.1, 2) подачи атмосферного воздуха выступают в полости второй камеры 10 смешения и криволинейных патрубков 11, 12. Выступающий конец каждой трубки 19 имеет Г-образную, а в поперечном сечении эллиптическую форму, контактирует с внутренней поверхностью стенок 16, 17, 18 в месте установки и направлен в сторону выхода смесителя.
Смеситель газов работает следующим образом. В охладительный коллектор 15 и сообщающимися с ним трубчатые решетки 13 и 14 подают хладагент, например воду. На вход 5 коллектора 2 и вход 6 трубы 1 и далее сопло 8 подают потоки газов, которые поступают соответственно в полости 3 и 4, а далее в первую камеру 9, где первоначально смешиваются между собой, образуя неоднородный по скорости и температуре общий поток. Этот поток из камеры 9 через общий выход 7 подают на вход второй камеры 10 смешения через криволинейный патрубок 11 и трубчатую решетку 13. Течение потока в патрубке 11 совершается при неравномерном по сечению поле скоростей и температур из-за разности скоростей и температур при движении газов вблизи поверхностей имеющих разные радиусы поворота. При течении потока через решетку 13 происходит дальнейшее перемешивание газов с некоторым уменьшением неравномерности и снижением температуры. В камере 10 осуществляют основное смешение газов с охлаждением на стенке 16 и выравниванием параметров потока по скорости и температуре. Из камеры 10 смешанный газ подают в криволинейный патрубок 12. Здесь, по указанной выше причине, равномерность параметров потока несколько снижается, но затем восстанавливается при дальнейшем перемещении потока через трубчатую решетку 14 с дополнительным охлаждением газовой смеси. Затем равномерно смешанный поток направляют потребителю.
Поскольку в процессе движения газового потока на внутренних стенках проточного тракта смесителя всегда образуется пограничный слой, тормозящий поток и способствующий повышению неравномерности параметров потока, то этот слой сдувают со стенок 16, 17, 18 атмосферным воздухом через поперечные ряды трубок 19, который подается автоматически за счет разряжения в проточном тракте смесителя. Этот воздух одновременно прижимается основным потоком газов к стенкам смесителя, что обеспечивает у стенок 16, 17 и 18 теплозащитную завесу. Таким образом, благодаря совокупности известных и новых существенных признаков полезной модели решаются задачи достижения равномерности параметров: температуры и скорости потоков высокоэнтальпийных смесей газов на выходе из смесителя при обеспечении заданных ресурсов.