Стенд для моделирования импульсного газотермодинамического воздействия высокотемпературного газа на элементы тепловой защиты конструкции

Стенд содержит состыкованные между собой твердотопливный газогенератор и газоход переменного сечения. Газоход включает переходный участок с нормированным профилем, мерный участок постоянного сечения с исследуемым материалом и установленными в нем термопарами и сопловой блок для выпуска газов в окружающую среду. Сопловой блок выполнен в виде стакана с боковыми симметрично расположенными выпускными окнами. В дне стакана осесимметрично установлена трубка Пито-Прандтля с датчиком полного давления, срез которой находится в перпендикулярной плоскости, проходящей через ось отверстия в стенке мерного газохода с датчиком статического давления, расположенного за исследуемым материалом. Термопара установлена на дне стакана. Между газогенератором и газоходом переменного сечения установлена форкамера с термостойкой диафрагмой с перфорацией, разделяющей форкамеру и газоход переменного сечения. Площадь перфорации диафрагмы, отношение площади выпускных окон к площади сечения мерного газохода, расстояние от среза сопла газогенератора до диафрагмы, длина переходного участка газохода и диаметр форкамеры определяются соотношениями, защищаемыми настоящим изобретением. Изобретение позволяет получить при испытаниях достоверные результаты об уносе и прококсовке теплозащитных материалов. 1 ил.

 

Изобретение относится к области моделирования натурных условий работы элементов конструкции механизмов, характеризующихся кратковременностью (0,5÷1,0 с) газотермодинамического высокотемпературного (~2000 К) воздействия при скорости газового обтекания 250÷600 м/с и давлении 5÷20 ата.

Известна модельная установка для испытания материалов тепловой защиты [1], содержащая корпус с размещенным в нем твердотопливным зарядом торцевого горения - источником высокотемпературного газа. Корпус имеет газоход с сужающимся переходным участком, переходящим в мерный участок цилиндрической формы с размещенным в нем исследуемым материалом, в котором встроены термопары для измерения температуры в материале. Мерный участок переходит в сопло с центральным отверстием для выпуска газа.

Недостаток данной модельной установки состоит в том, что она не обеспечивает исследование уноса и прококсовки термостойких материалов для разных давлений и скоростей обтекания образцов газовым высокотемпературным потоком в заданное время воздействия.

Целью изобретения является получение достоверных сведений о термостойкости испытываемых материалов при кратковременном (0,5÷1,0 с) газодинамическом воздействии высокотемпературного потока на испытываемые образцы.

Указанная цель достигается тем, что в модельной установке, содержащей состыкованные между собой твердотопливный газогенератор и газоход переменного сечения, включающий переходный участок с нормированным профилем, мерный участок постоянного сечения с исследуемым материалом и установленными в нем термопарами, сопловой блок для выпуска газов в окружающую среду, сопловой блок выполнен в виде стакана с боковыми симметрично расположенными выпускными окнами, в дне стакана осесимметрично установлена трубка Пито-Прандтля с датчиком полного давления, срез которой находится в перпендикулярной плоскости, проходящей через ось отверстия в стенке мерного газохода с датчиком статического давления, расположенного за исследуемым материалом, а термопара установлена на дне стакана, между газогенератором и газоходом переменного сечения установлена форкамера с термостойкой диафрагмой с перфорацией, разделяющей форкамеру и газоход переменного сечения,

F_перф=0,3÷0,4F_ф и

где F_перф - площадь перфорации диафрагмы, F_ф - площадь сечения форкамеры, F_ок - площадь выпускных окон, F_м - площадь сечения мерного газохода, а расстояние от среза сопла газогенератора до диафрагмы l_д=1,5÷2d_м, длина переходного участка газохода l_пер=2,5÷3d_м, диаметр форкамеры d_ф=1,7÷2d_м, где d_м - диаметр мерного участка газохода.

Конструкция предложенного стенда изображена на чертеже.

Стенд содержит газогенератор 1 с соплом 2, форкамеру 3, перфорированную диафрагму 4, переходный участок 5, мерный участок 6 с исследуемыми элементами 7 и датчиком замера давления 8, сопловой блок 9 с выпускными окнами 10, с датчиком замера температуры потока (термопарой) 11 и трубкой Пито 12 с датчиком давления 13 для замера полного давления газового потока.

Для оценки уноса материала образца в зависимости от скорости газового потока и давления важно в мерном газоходе по его сечению обеспечить равномерный поток.

Это достигается за счет установки термостойкой диафрагмы между переходным участком газохода и срезом сопла газогенератора.

Площадь перфорации F_перф диафрагмы составляет F_перф=0,3÷0,4F_ф (где F_ф - площадь сечения форкамеры).

Соотношения: расстояние l_д (от среза сопла газогенератора до диафрагмы) l_д=1,5÷2d_м, где d_м - диаметр мерного участка газохода, длина переходного участка газохода l_пер=2,5÷3d_м, диаметр форкамеры d_ф=1,7÷2d_м, получены экспериментально с учетом рекомендаций, приведенных в литературе [2, 3, 4].

Диаметр мерного газохода d_м определяется в зависимости от ожидаемого среднего давления Р_м в мерном газоходе (в диапазоне Р_м=5÷20 ата) и фактического давления в газогенераторе (Р_гг=150÷200 ата).

Например, для соотношения при диапазоне отношений (в исследовании). При этом соотношение площади выпускных окон F_ок соплового блока к площади сечения мерного газохода F_м находится в диапазоне Тогда замеренное давление у стенки мерного газохода позади образца испытываемого материала (статическое давление Р_м и полное давление Р_0м, замеренное в трубке Пито, срез который находится в одном сечении с датчиком замера давления у стенки газохода) с учетом замера температуры газа Т_0м на дне стакана-сопла позволяет по известным газодинамическим формулам получить скорость газового потока

(V_м=λ_м·а_кр,

где а_кр=f(Т₀)).

Стенд работает следующим образом. При задействовании газогенератора с определенными расходными характеристиками и при определенном давлении в камере поток газа из сопла устремляется к перфорированной диафрагме, обеспечивающей дозвуковое истечение газового потока, его выравнивание и ускорение происходит в переходном участке. К мерному участку газ поступает с равномерной скоростью по сечению газохода, что создает необходимые условия для корректного замера статического и полного давлений, а в сочетании с замером температуры заторможенного газа у дна стакана полученные данные позволяют с достаточной точностью определить скорость потока газов. Изменением площади выпускных окон достигается заданное давление в мерном газоходе.

Стенд предложенной конструкции позволяет получить достоверные результаты об уносе и прококсовке теплозащитных материалов. Стенд прошел испытания. В дальнейшем результаты проводимых экспериментов планируется использовать в проектных разработках.

Источники информации

1. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. Справочник. М.: Машиностроение, 1989, с.240, рис.5.4.2.

2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическому сопротивлению фасонных и прямых частей трубопроводов. ЦАГИ, 1950 г., с.215.

3. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983 г., гл.4, с.92-118.

4. Газодинамика и теплообмен. Ученые записки №369, выпуск 49. Издательство Ленинградского университета, 1973 г., с.85-100.

Стенд для моделирования импульсного газотермодинамического воздействия высокотемпературного газа на элементы тепловой защиты конструкции, содержащий состыкованные между собой твердотопливный газогенератор и газоход переменного сечения, включающий переходный участок с нормированным профилем, мерный участок постоянного сечения с исследуемым материалом и установленными в нем термопарами, сопловой блок для выпуска газов в окружающую среду, отличающийся тем, что сопловой блок выполнен в виде стакана с боковыми симметрично расположенными выпускными окнами, в дне стакана осесимметрично установлена трубка Пито-Прандтля с датчиком полного давления, срез которой находится в перпендикулярной плоскости, проходящей через ось отверстия в стенке мерного газохода с датчиком статического давления, расположенного за исследуемым материалом, а термопара установлена на дне стакана, между газогенератором и газоходом переменного сечения установлена форкамера с термостойкой диафрагмой с перфорацией, разделяющей форкамеру и газоход переменного сечения
F_перф=(0,3÷0,4)F_ф и ,
где F_перф - площадь перфорации диафрагмы; F_ф - площадь сечения форкамеры; F_ок - площадь выпускных окон; F_м - площадь сечения мерного газохода, а расстояние от среза сопла газогенератора до диафрагмы l_д=(1,5÷2)d_м, длина переходного участка газохода l_пер=(2,5÷3)d_м, диаметр форкамеры d_ф=(1,7÷2)d_м, где d_м - диаметр мерного участка газохода.