Способ получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретения относятся к области экспериментальной аэродинамики. Температуру и давление рабочего газа предварительно повышают до энтропии S₁, затем газ дросселируют с повышением энтропии до значения S₀, соответствующего параметрам торможения. После дросселирования рабочий газ адиабатически сжимают до параметров торможения, а затем выпускают через сопло. Устройство, реализующее способ, содержит ресивер, клапан пуска-отсечки, два мультипликатора, обеспечивающих адиабатическое сжатие газа, и сопло. Мультипликаторы соединены через последовательно расположенные перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан. Кауперный подогреватель повышает температуру газа, поступающего в мультипликатор из ресивера. В вариантах устройства газ нагревается на выходе из мультипликатора либо внутри его малого цилиндра. Изобретения позволяют более чем на порядок увеличить исходный запас рабочего газа при высоких температурах и давлениях торможения, а также обеспечивают возможность увеличения температуры торможения или уменьшения габаритов установки при сохранении массы рабочего газа. 4 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к области экспериментальной аэродинамики и могут быть использованы для получения гиперзвуковых потоков газа для аэродинамических исследований.

Наиболее близким из известных решений к заявленному способу является способ получения гиперзвукового потока газа, основанный на накоплении рабочего газа, изменений его состояния до параметров торможения путем преобразования потенциальной энергии толкающего газа в потенциальную энергию рабочего газа с помощью адиабатического сжатия, дросселирования и напуска рабочего газа в аккумулирующую полость.

Устройство для реализации этого способа содержит полость предварительной подготовки газа с системой питания ее рабочим газом, соединенную с аккумулирующей полостью через перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан (см. авт. св. СССР N 972931, G 01 M 9/02, 1989).

Недостатком указанных решений является то, что исходный запас рабочего газа в стволе резко уменьшается с увеличением потребной температуры торможения газа T₀. Это связано с тем, что для получения высоких температур торможения T₀ > T₁, (T₁ - начальная (до сжатия) температура газа в стволе) необходимо обеспечить высокую степень сжатия P₀/P₁, что для заданного давления торможения P₀ достигается уменьшением начального (до сжатия) давления в стволе P₁.

Задачей данных изобретений является увеличение исходного запаса газа в стволе при высоких температурах торможения, либо (при одинаковых запасах массы газа) - увеличение температуры торможения. Технический результат, достигаемый при этом - либо увеличение диаметра гиперзвукового потока, а значит, и числа Рейнольдса, либо увеличение диапазона моделирования температуры торможения и числа Маха потока.

Этот технический результат достигается тем, что в способе получения гиперзвукового потока, основанном на адиабатическом сжатии и дросселировании рабочего газа, с последующим выпуском его через сопло, предварительно повышают температуру и давление рабочего газа до энтропии S₁, при дросселировании энтропию S₁ рабочего газа повышают до значения S₀, соответствующего параметрам торможения T₀, P₀, затем адиабатически сжимают рабочий газ до параметров торможения.

Указанный результат достигается тем, что устройство для получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований, предназначенное для осуществления способа и содержащее ресивер, клапан пуска-отсечки, последовательно расположенные перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, и сопло снабжено мультипликаторами, обеспечивающими адиабатическое сжатие рабочего газа, соединенными через перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, системой синхронизации работы мультипликаторов, клапана пуска-отсечки и перекрывающего устройства, и кауперным подогревателем для нагрева рабочего газа, наступающего в мультипликатор из ресивера через клапан пуска-отсечки.

Технический результат также может быть достигнут тем, что в варианте выполнения известное устройство для получения гиперзвукового потока снабжено мультипликаторами, обеспечивающими повышение давления рабочего газа и его адиабатическое сжатие, системой синхронизации работы мультипликатора, и перекрывающего устройства, и кауперным подогревателем для нагрева рабочего газа, поступающего из мультипликатора, при этом мультипликаторы соединены через кауперный подогреватель, перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан.

Во втором варианте выполнения известное устройство для получения гиперзвукового потока снабжено мультипликаторами, обеспечивающими повышение давления рабочего газа и его адиабатическое сжатие, соединенными через перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, системой синхронизации работы мультипликаторов и перекрывающего устройства, и элементами разогрева рабочего газа внутри малого цилиндра мультипликатора.

Схемы устройств для получения гиперзвукового потока газа по предлагаемому способу приведены на фиг.1-3.

Устройство для реализации способа, приведенное на фиг.1, содержит мультипликатор адиабатического сжатия газа 1, оборудованный соплом 2 и стартовым устройством поршней 3 в виде клапана 4. Дополнительный мультипликатор адиабатического сжатия 5 соединен с мультипликатором 1 через последовательно расположенные перекрывающее устройство 6, дроссель 7 и обратный клапан 8. Система предварительной подготовки газа в виде ресивера 9, клапана пуска-отсечки 10, кауперного подогревателя 11 и обратного клапана 12 соединена с дополнительным мультипликатором. Дополнительный мультипликатор оборудован стартовым устройством в виде клапана 13. Устройство снабжено системой синхронизации 14 работы мультипликаторов, клапана пуска-отсечки и перекрывающего устройства, и вентилями 15 и 16 подачи толкающего газа в мультипликаторы.

Устройство для реализации способа, приведенное на фиг.2, содержит мультипликатор адиабатического сжатия 1 газа, оборудованный соплом 2 и стартовым устройством поршней 3 в виде клапана 4. Мультипликатор давления 5 соединен с мультипликатором 1 через кауперный подогреватель 11, перекрывающее устройство 6, дроссель 7 и обратный клапан 8. Мультипликатор 5 оборудован вентилем подачи газа 10 и стартовым устройством в виде клапана 13. Устройство оборудовано системой синхронизации 14 работы мультипликаторов и перекрывающего устройства и вентилями 15, 16 подачи в них толкающего газа.

Устройство для реализации способа, приведенное на фиг. 3, содержит мультипликатор адиабатического сжатия 1 газа, оборудованный соплом 2, и стартовым устройством поршней 3 в виде клапан 4. Мультипликатор давления 5 снабжен элементами разогрева газа 11 внутри малого цилиндра, вентилем 10 закачки рабочего газа и стартовым устройством в виде клапана 13. Мультипликаторы 1 и 5 соединены через перекрывающее устройство 6, дроссель 7 и обратный клапан 8. Устройство оборудовано системой синхронизации 14 работы мультипликаторов и перекрывающего устройства и вентилями 15, 16 подачи толкающего газа в мультипликаторы.

Устройство, приведенное на фиг.1, работает следующим образом.

Поршни мультипликаторов отводят в крайнее левое положение путем подачи жидкости через клапаны 4 и 13, после чего клапаны перекрывают. Выход газа в сопло закрывают диафрагмой 17. Накапливают рабочий газ в ресивере 9 до требуемого давления P_р и разогревают кауперный подогреватель 11 до требуемой температуры T_к. Синхронизирующую систему 14 настраивают на заданное время открытия τ_н клапана пуска-отсечки 10 и срабатывание стартового устройства дополнительного мультипликатора 5 - клапан 13 в момент τ = τ_н, срабатывание перекрывающего устройства 6 на момент τ = τ_н+τ_сж , где τ_сж - время сжатия газа до расчетных параметров в дополнительном мультипликаторе, и срабатывание стартового устройства мультипликатора 1 - клапана 4 в момент времени τ = τ_н+τ_сж+τ_п, где τ_п - время перетекания газа из дополнительного мультипликатора 5 в мультипликатор 1. Подают давление толкающего газа в мультипликаторы 1 и 5 путем открытия вентилей 15, 16.

Для пуска установки открывают клапан пуска-отсечки 10 на заданное время τ_н. . В течение этого времени газ из ресивера 9 пропускают через клапан 10, кауперный подогреватель 11 и обратный клапан 12 в дополнительный мультипликатор 5. При этом температуру газа доводят до значения T₁, давление P₁, а энтропию - S₁ и все параметры меньше параметров торможения T₀, P₀, S₀.

По истечении времени напуска τ = τ_н с помощью синхронизующей системы перекрывают клапан 10 и в этот же момент времени открывают клапан 13 стартового устройства поршней дополнительного мультипликатора. Синхронизация срабатывания клапанов 10 и 13 продиктована уменьшением потерь тепла от предварительно подогретого рабочего газа в холодные стенки ствола дополнительного мультипликатора. После срабатывания стартового устройства поршни дополнительного мультипликатора давлением толкающего газа приводят в движение и снижают рабочий газ.

После выравнивания давления в мультипликаторе 5 и в подводящем трубопроводе обратный клапан 12 закрывают и дальнейшее сжатие газа до параметров T₂, P₂, S₁ (температура T₂ выше T₁ и меньше T₀, а давление P₂ - больше предельного давления торможения P₀ пред) проводят адиабатически при S₁ = const. После сжатия газа с помощью синхронизирующего устройства 14 открывающего перекрывающее устройство 6 и рабочий газ через дроссель 7 и обратный клапан 8 дросселируют в мультипликатор 1. При этом давление газа уменьшают до P₃ < P₀, а температуру повышают в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона T₃ > T₂. Энтропию газа повышают до S = S₀, соответствующей параметрам торможения. В процессе дросселирования газа поршни мультипликатора 5 перемещают и в конце процесса доводят до крайнего положения и останавливают. В этот же момент с помощью синхронизирующей системы 14 открывают клапан 4 стартового устройства поршней 3 мультипликатора 1. Поршни 3 приходят в движение и адиабатически сжимают рабочий газ (при неизменной энтропии) S = S₀ до параметров торможения P₀, T₀. При этих параметрах разрушают диафрагму 17 и поршни 3 выталкивают рабочий газ в сопло 2 при постоянных параметрах торможения P₀, T₀.

Устройство, приведенные на фиг.2 и 3, работают следующим образом.

Поршни мультипликаторов отводят в крайнее левое положение путем подачи жидкости через клапаны 4 и 13, после чего клапаны перекрывают. Вход газа в сопло 2 закрывают диафрагмой 17. С помощью синхронизирующей системы 14 согласуют моменты открытия клапана 13 и перекрывающего устройства 6, и одновременность момента окончания выталкивания рабочего газа из мультипликатора 5 с моментом открытия стартового клапана 4 поршней 3 мультипликатора 1. Заполняют мультипликатор 5 рабочим газом через вентиль 10. Разогревают кауперный подогреватель 11 (фиг. 2) или нагревательные элементы 11 (фиг.3) до требуемой температуры T_л. После разогрева газа его энтропия S₁ меньше энтропии S₀ при параметрах торможения. Подают давление толкающего газа в мультипликаторы 1 и 5 путем открытия вентилей 15 и 16. Для пуска установки с помощью синхронизирующей системы 14 одновременно открывают стартовый клапан 13 мультипликатора 5 и перекрывающее устройство 6. Нагретый рабочий газ дросселируют в мультипликатор 1 через дроссель 7 и обратный клапан 13. При этом энтропию газа доводят до значения S₀, соответствующего параметрам газа при истечении в сопло. В момент остановки поршней дополнительного мультипликатора 5 в крайнем положении с помощью синхронизирующей системы 14 открывают клапан 4 стартового устройства поршней 3 мультипликатора 1. Поршни 3 мультипликатора 1 давлением толкающего газа перемещают к соплу 2 и при этом адиабатически сжимают рабочий газ. При выравнивании давлений в цилиндре мультипликатора 1 и соединительной трассе обратный клапан закрывают. Поршни 3 адиабатически дожимают рабочий газ при энтропии S=S₀ до параметров торможения: давления P₀ и температуры T⁰. После этого разрушают диафрагму 15 сопла 2 и рабочий газ выталкивают поршнями 3 в сопло при постоянных параметрах торможения P₀, T₀.

Использование изобретений позволяет более чем на порядок увеличить количество рабочего газа в малом цилиндре дополнительного мультипликатора, а следовательно, соответственно увеличить продолжительность рабочего режима или диаметр рабочего потока по сравнению с прототипом. При одинаковых запасах рабочего газа более чем на порядок уменьшается потребный объем мультипликатора 5 и соответственно существенно сокращаются габариты установки. Температура торможения по сравнению с прототипом может быть увеличена на 1000 K и выше.

Формула изобретения

1. Способ получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований, основанный на адиабатическом сжатии и дросселировании рабочего газа с последующим выпуском его через сопло, отличающийся тем, что предварительно повышают температуру и давление рабочего газа до энтропии S₁, при дросселировании энтропию S₁ рабочего газа повышают до значения S₀, соответствующего параметрам торможения T₀, P₀, а затем адиабатически сжимают рабочий газ до параметров торможения.

2. Устройство для получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований, содержащее ресивер, клапан пуска-отсечки, последовательно расположенные перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, сопло, отличающееся тем, что оно снабжено мультипликаторами, обеспечивающими адиабатическое сжатие рабочего газа, соединенными через перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, системой синхронизации работы мультипликаторов, клапана пуска-отсечки и перекрывающего устройства, кауперным подогревателем для нагрева рабочего газа, поступающего в мультипликатор из ресивера через клапан пуска-отсечки.

3. Устройство для получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований, содержащее ресивер, клапан пуска-отсечки, последовательно расположенные перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, и сопло, отличающееся тем, что оно снабжено мультипликаторами, обеспечивающими повышение давления рабочего газа и его адиабатическое сжатие, системой синхронизации работы мультпликаторов и перекрывающего устройства, кауперным подогревателем для нагрева рабочего газа, при этом мультипликаторы соединены через кауперный подогреватель, перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан.

4. Устройство для получения гиперзвукового потока для аэродинамических исследований, содержащее ресивер, клапан пуска-отсечки, последовательно расположенные перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, и сопло, отличающееся тем, что оно снабжено мультипликаторами, обеспечивающими повышение давления рабочего газа и его сжатие, соединенными через перекрывающее устройство, дроссель и обратный клапан, системой синхронизации работы мультипликаторов и перекрывающего устройства, и элементами рабочего газа внутри малого цилиндра мультипликатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3