Прямоточное устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках

 

Использование: в машиностроительной, энергомашиностроительной, авиационной, ракетно-космической, металлургической, нефтяной, химической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках. Сущность изобретения: прямоточное устройство содержит заборный насадок в виде полой трубки, пробоотборные сосуды, средства автоматики и средства фильтрации. Устройство снабжено клапаном-прерывателем и сверхзвуковыми микросоплами. Заборный насадок, клапан-прерыватель и средства фильтрации смонтированы с образованием единого узла с выполненным в нем сквозным прямоточным каналом с последовательно установленными в нем сменными сверхзвуковыми микросоплами. Первое из них подвижно смонтировано в подвижно установленном поршне клапана-прерывателя. Второе из микросопл неподвижно смонтировано в выходном патрубке средства фильтрации и выполнено с площадью критического сечения, по меньшей мере в 2 раза превышающей площадь критического сечения микросопла, установленного в поршне. Заборный насадок выполнен в виде продольно обтекаемой потоком носовой части, кормовой части и дополнительного наружного кругового цилиндра, смонтированного коаксиально с полой трубкой и жестко связанного с ней с образованием кольцевого щелевого охлаждающего канала, соединенного посредством штуцера с магистралью подачи дозированного инертного хладагента. Носовая часть заборного насадка выполнена в виде аэродинамической формы с центральным цилиндрическим каналом в нем и с выполненной внутри носка со стороны сквозного прямоточного канала полуторовой выточкой для плавного разворота вытекающего из охлаждающего канала инертного хладагента. Кормовая часть заборного насадка выполнена в виде крепежного элемента для фиксации во входном штуцере клапана-прерывателя. Подвижный с уплотнениями поршень клапана-прерывателя подпружинен и в нем выполнен глухой цилиндрический канал. Последний расположен от первого микросопла на расстоянии рабочего хода поршня и имеет диаметр, равный диаметру сквозного прямоточного канала. На конце штока клапана-прерывателя, выполненного заодно целое с поршнем, образованы плоские лыски для контактирования с гнездом-направляющей, выполненным в крышке клапана, для устранения поворота поршня вокруг своей оси в процессе его перемещения под действием сжатого воздуха, поступающего под днище подвижного поршня. Средство фильтрации выполнено с дисковым пористым фильтром и с возможностью отбора отфильтрованных газообразных продуктов сгорания в вакуумированный сосуд - баллон посредством штуцера, расположенного перед вторым микросоплом за дисковым пористым фильтром. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроительной, энергомашиностроительной, авиационной, ракетно-космической, металлургической, нефтяной, химической, строительной, пищевой и другим отраслям промышленности и предназначено для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках.

Известно устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках [1].

Известно устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках, содержащее заборной насадок в виде полой трубки, пробоотборные сосуды, средства автоматики и средства фильтрации [2] . Данное устройство включает заборный насадок и три пробоотборных сосуда со столиками и предметными стеклами.

Заборный насадок в известном устройстве выполнен в виде изогнутой под 90^o трубки из нержавеющей стали диаметром 25,4 мм, причем эта трубка помещалась в облицованную углеродистой сталью водяную рубашку. Наконечник у заборного насадка изготавливался из вольфрама. Заборный насадок специальной трубкой и агрегатами автоматики был связан со всеми тремя пробоотборными сосудами.

Течение через устройство поддерживалось с помощью трубки обратного тока, которая была соединена с камерой низкого давления (P_k=0,25 МПа).

Работа известного устройства осуществляется следующим образом.

Согласно циклограмме срабатывали агрегаты автоматики, и двухфазная струйка продуктов сгорания по заборному насадку и изогнутому несколько раз трубопроводу начинала поступать в один из трех пробоотборных сосудов, где дисперсные частицы осаждались на предметный столик, отфильтрованный газ через выходной патрубок вытекал в выхлопную систему стенда. Далее в заданное циклограммой время заборный насадок подключался к следующему пробоотборному сосуду, дисперсные частицы осаждались на предметный столик этого сосуда, отфильтрованный газ, как и ранее, вытекал в выхлопную систему стенда.

У этого устройства имеется ряд серьезных недостатков, а именно постоянно открытое входное отверстие заборного насадка, не имеющего ни газодинамического, ни механического затвора, во время пребывания его в выхлопном факеле работающей энергетической установки постоянно отбирает какое-то неконтролируемое количество дисперсных частиц в силу их инерционности; влетевшие в заборный насадок и высадившиеся затем на его стенках дисперсные частицы в дальнейшем искажают представительность пробы; среди влетевших при отборе в заборный насадок дисперсных частиц могут быть незатвердевшие частицы, дробящиеся при ударе о стенки заборной трубки, что также искажает представительность пробы.

Технический результат изобретения состоит в повышении точности отбора дисперсной фазы и улучшении условий его эксплуатации.

Для достижения технического результата прямоточное устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках, содержащее заборный насадок в виде полой трубки, пробоотборные сосуды, средства автоматики и средства фильтрации, снабжено клапаном-прерывателем и сверхзвуковыми микросоплами, а заборный насадок, клапан-прерыватель и средство фильтрации смонтированы с образованием единого узла с выполненным в нем сквозным прямоточным каналом с последовательно установленными в нем сменными сверхзвуковыми микросоплами, первое из которых подвижно смонтировано в подвижно установленном поршне клапана-прерывателя и второе микросопло - неподвижно смонтировано в выходном патрубке средства фильтрации и выполнено с площадью критического сечении, по меньшей мере в 2 раза превышающей площадь критического сечения микроскопа, установленного в поршне, причем заборный насадок выполнен в виде продольно обтекаемой потоком носовой части, кормовой части и дополнительного наружного кругового цилиндра, смонтированного коаксиально с полой трубкой и жестко связанного с ней с образованием кольцевого щелевого охлаждающего канала, соединенного посредством штуцера с магистралью подачи дозированного инертного хладагента, а носовая часть заборного насадка выполнена в виде носка аэродинамической формы с центральным цилиндрическим каналом в нем и с выполненной внутри носка со стороны сквозного прямоточного канала полуторовой выточкой для плавного разворота вытекающего из охлаждающего канала инертного хладагента, причем кормовая часть заборного насадка выполнена в виде крепежного элемента для фиксации во входном штуцере клапана-прерывателя, а подвижный с уплотнениями поршень клапана-прерывателя подпружинен и в нем выполнен глухой цилиндрический канал, расположенный от первого микросопла на расстоянии рабочего хода поршня и имеющий диаметр, равный диаметру сквозного прямоточного канала, при этом на конце штока клапана-прерывателя, выполненного заодно целое с поршнем, образованы плоские лыски для контактирования с гнездом-направляющей, выполненным в крышке клапана для устранения поворота поршня вокруг своей оси в процессе его перемещения под действием сжатого воздуха, поступающего под днище подвижного поршня, причем средство фильтрации выполнено с дисковым пористым фильтром и с возможностью отбора отфильтрованных газообразных продуктов сгорания в вакуумированный сосуд-баллон посредством штуцера, расположенного перед вторым микросоплом за дисковым пористым фильтром.

На фиг. 1 представлено прямоточное устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 а, б, в - общий вид разборного силового корпуса, в котором монтируется прямоточное устройство.

Основным функционально связанными между собой узлами данного прямоточного устройства являются заборный насадок 1 с принудительным охлаждением продуктов сгорания (или высокотемпературного двухфазного потока), автоматически управляемый клапан-прерыватель 2, узел фильтрации 3, силовой корпус 4, наружная тепловая защита 5, опорно-крепежная платформа 6.

Заборный насадок 1 с принудительным охлаждением продуктов сгорания (или высокотемпературного двухфазного потока) содержит собственно носок 7 аэродинамической формы с центральным цилиндрическим каналом 8 в нем и выполненной внутри этого носка со стороны сквозного прямоточного канала 9 полуторовой выточкой 10, наружный цилиндрический корпус 11 со штуцером 12, служащим для подвода инертного хладагента, например, гелия, заборную трубку 13, отделенную от коаксиально смонтированного наружного цилиндрического корпуса 11 кольцевым щелевым охлаждающим каналом 14. Кормовая часть 15 заборного насадка 1 выполнена в виде крепежного элемента, закрепленного во входном штуцере 16, изготовленном как единое целое с корпусом клапана-прерывателя 2. С целью уменьшения тепловых потоков от набегающего высокотемпературного и высокоскоростного потока к заборному насадку 1 последний обматывается, например, асбестовым шнуром 17 и обмазывается, например, термоцементом 18.

Автоматически управляемый клапан-прерыватель 2 включает корпус 19 со штуцером 20 для подвода воздуха, перемещающийся в корпусе клапана-прерывателя 2 поршень 21 со сверхзвуковым микросоплом 22 и штоком 23, возвратную пружину 24 и крышку 25. В поршне 21 изготовлен глухой цилиндрический канал 26, расположенный от сверхзвукового микросопла 22 на расстоянии рабочего хода поршня, диаметр которого равен диаметру сквозного прямоточного канала 9. На конце штока 23 клапана-прерывателя 2, выполненного как одно целое с поршнем 21, имеются плоские лыски 27 для контактирования с гнездом-направляющей 28, выполненным в крышке 25 и предназначенным для исключения поворота поршня вокруг своей оси в процессе его перемещения под действием сжатого воздуха.

Симметрично входному штуцеру 16 изготовлен как единое целое с корпусом клапана-прерывателя 2 и выходной штуцер 29, в котором закреплен узел фильтрации 3.

Узел фильтрации 3 в свою очередь содержит корпус 30, съемную крышку 31 с выходным патрубком 32, дисковый пористый фильтр 33, опорное перфорированное кольцо 34.

В выходном патрубке 32 узла фильтрации 3 закреплены неподвижное сверхзвуковое микросопло 35 и штуцер 36, служащий для отбора газообразных продуктов сгорания в вакуумированный сосуд-баллон. Крепление тепловой защиты 5 к силовому корпусу 4 осуществляется с помощью винтов 37.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Вся работа устройства протекает в автоматическом режиме в соответствии с заданной циклограммой. За несколько секунд до начала работы энергетической установки и истечения из ее сопла выхлопного факела (или за несколько секунд до ввода прямоточного устройства в промышленный газоход с высокотемпературным двухфазным потоком) через входной штуцер 12 в кольцевой щелевой охлаждающий канал 14 заборного насадка 1 начинает подаваться инертный хладагент, например, гелий. Инертный хладагент в устройстве в первый момент выполняет роль газодинамического затвора, а далее используется для охлаждения конструкции и для "замораживания" отбираемых заборным насадком 1 конденсированных частиц (частиц сажи, оксидов алюминия, магния и т.д.). Отметим, что инертный хладагент, преодолев кольцевой щелевой охлаждающий канал 14, вблизи полуторовой выточки 10 плавно разворачивается и, когда сквозной прямоточный канал 9 перекрыт глухим цилиндрическим каналом 26, истекает наружу; когда же сквозной прямоточный канал 9 соединяется с узлом фильтрации 3 посредством сверхзвукового сопла 22, хладагент вместе с отбираемой пробой попадает в этот узел фильтрации 3. Далее устройство с помощью автоматического пневмо- или гидропривода (на фиг. 1 и 2 привод не показан) выставляется в заданную точку поперечного сечения выхлопного факела энергетической установки (или промышленного газопровода с высокотемпературным двухфазным потоком). После этого в соответствии с заранее заданной циклограммой в воздушную полость клапана-прерывателя 2 подается сжатый воздух. Под воздействием сжатого воздуха имеющий уплотнения поршень 21, в котором смонтировано сменное сверхзвуковое микросопло 22, начинает перемещаться и сжимает возвратную пружину 24. По окончании движения поршня 21 сверхзвуковое микросопло 22, смонтированное в этом поршне, устанавливается соосно заборному насадку 1 и узлу фильтрации 3. Соосность сверхзвукового микроскопа 22 со сквозным прямоточным каналом 9 достигается с помощью плоских лысок 27, изготовленных на конце штока 23 и перемещающихся в прямоугольном гнезде-направляющей 28, выполненном в крышке 25 клапана-прерывателя 2. Заметим, что шток 23 и поршень 21 выполнены как единое целое. Таким образом сквозной прямоточный канал 9 делится на два участка: первый участок - до сверхзвукового микроскопа 22, второй - за сверхзвуковым микросоплом 22.

Процесс "замораживания" втекающей высокотемпературной двухфазной струйки происходит при смещении последней с инертным хладагентом на первом участке сквозного прямоточного канала 9 предлагаемого устройства. При установившихся параметрах натекающего двухфазного потока изменения температуры и давления втекающей в заборный насадок 1 высокотемпературной двухфазной струйки будут минимальными и, следовательно, расход замороженной смеси "продукты сгорания + хладагент" через сверхзвуковое микросопло 22 и через все прямоточное устройство - постоянным, т.е. будет осуществляться изокинетический отбор высокотемпературной двухфазной струйки. Необходимо отметить, что для создания критических перепадов давления на подвижном сверхзвуковом сопле 22 и на неподвижно закрепленном сверхзвуковом микросопле 35, а также устранения распространения возможных возмущений по сквозному прямоточному каналу 9 вверх по течению до входного сечения носка 7, площадь критического сечения неподвижно закрепленного сверхзвукового микросопла 35 не менее чем в 2 раза превышает площадь критического сечения подвижного сверхзвукового сопла 22. После сверхзвукового микроскопа 22 замороженная двухфазная смесь втекает в узел фильтрации 3.

В этом узле фильтрации 3 конденсированные частицы (сажа, частицы оксидов алюминия, магния и т. д. ) задерживаются дисковым пористым фильтром 33, а отфильтрованная газовая смесь поступает в полость за дисковым пористым фильтром 33 и далее через сверхзвуковое микросопло 35 истекает в выхлопную систему стенда.

В случае необходимости часть отфильтрованной газовой смеси по штуцеру 36 и соответствующим агрегатам автоматики (на фиг. 1 и 2 агрегаты автоматики не показаны) отбирается в вакуумированный сосуд-баллон.

По окончании отбора конденсированных частиц прямоточное устройство с опорно-крепежной платформой 6 демонтируется. Отобранные конденсированные частицы извлекаются из узла фильтрации 3 и отправляются на анализ, например дисперсионный, химический, рентгенофазовой и т.д.

После дефектации и промывки прямоточное устройство, заправленное новым дисковым пористым фильтром 33, готово к последюущим экспериментам. Данное устройство может работать и не в высокотемпературных двухфазных потоках.

Формула изобретения

Прямоточное устройство для отбора дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках, содержащее заборный насадок в виде полой трубки, пробоотборные сосуды, средства автоматики и средства фильтрации, отличающееся тем, что оно снабжено клапаном-прерывателем и сверхзвуковыми микросоплами, а заборный насадок, клапан-прерыватель и средства фильтрации смонтированы с образованием единого узла с выполненным в нем сквозным прямоточным каналом с последовательно установленными в нем сменными сверхзвуковыми микросоплами, первое из которых подвижно смонтировано в подвижно установленном поршне клапана-прерывателя, а второе микросопло неподвижно смонтировано в выходном патрубке средства фильтрации и выполнено с площадью критического сечения, по меньшей мере в 2 раза превышающей площадь критического сечения микросопла, установленного в поршне, причем заборный насадок выполнен в виде продольно обтекаемой потоком носовой части, кормовой части и дополнительного наружного кругового цилиндра, смонтированного коаксиально с полой трубкой и жестко связанного с ней с образованием кольцевого щелевого охлаждающего канала, соединенного посредством штуцера с магистралью подачи дозированного инертного хладагента, а носовая часть заборного насадка выполнена в виде носка аэродинамической формы с центральным цилиндрическим каналом в нем и с выполненной внутри носка со стороны сквозного прямоточного канада полуторовой выточкой для плавного разворота вытекующего из охлаждающего канала инертного хладагента, причем кормовая часть заборного насадка выполнена в виде крепежного элемента для фиксации во входном штуцере клапана-прерывателя, а подвижный с уплотнениями поршень клапана-прерывателя подпружинен и в нем выполнен глухой цилиндрический канал, расположенный от первого микросопла на расстоянии рабочего хода поршня и имеющий диаметр, равный диаметру сквозного прямоточного канала при этом на конце штока клапана-прерывателя, выполненного заодно целое с поршнем, образованы плоские лыски для контактирования с гнездом-направляющей, выполненным в крышке клапана, для устранения поворота поршня вокруг своей оси в процессе его перемещения под действием сжатого воздуха, поступающего под днище подвижного поршня, причем средство фильтрации выполнено с дисковым пористым фильтром и с возможностью отбора отфильтрованных газообразных продуктов сгорания в вакуумированный сосуд-баллон посредством штуцера, расположенного перед вторым микросоплом за дисковым пористым фильтром.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3