Аэродинамические трубы кратковременного действия

Основной недостаток сверхзвуковых аэродинамических труб непрерывного действия заключается в том, что мощности, необхо­димые для их работы, чрезвычайно велики. Даже для относительно небольших чисел М потребные мощности таких труб достигают сотен тысяч киловатт. Стоимость и конструктивная сложность труб непрерывного действия почти полностью определяются их энергетическим оборудованием (двигатели, компрессоры, холо­дильники и пр.). Поэтому в последние годы трубы кратковременного действия получают все большее распространение. Размеры рабочей части современных труб уже превосходят 1 м, а числа М, получаемые в них, достигают значений, равных 27. Освоение быстродействующей аппаратуры для измерения давле­ний и скоростей содействует все более широкому применению таких труб.

Существующие конструкции труб можно разделить на два типа: схема с истечением из баллонов сжатого воздуха и схема с истечением в вакуумную емкость (рис. 2.3).

По первой схеме (рис. 2.3, а) труба состоит из компрессора 1, устройства для отделения воды, масла и осушки воздуха 2, ем­кости для сжатого воздуха 3, быстродействующего крана 4, подогревателя 5 и рабочего участка трубы, состоящего из коллек­тора 6, сопла 7, рабочей части 8 и диффузора 9. Выбрасывание воздуха в атмосферу и глушение шума производятся с помощью выхлопной шахты 10.

В вакуумной установке (рис. 2.3, б) воздух из атмосферы, пройдя осушитель 1, попадает в рабочий участок, состоящий из коллек­тора 2, сопла 3, собственно рабочей части 4 и диффузора 5. Впуск воздуха производится быстродействующим краном 6. Разрежение и вакуумной емкости 7 создается эксгаустером 8.

Рис. 2.3. Схемы основных типов труб кратковременного действия

В емкостях для труб первого типа используются баллоны, широко применяемые в различных отраслях промышленности. Для вакуумных емкостей используются специально изготовляемые стальные шары с диаметром до 20 м. Отношение диаметра шара к толщине стальной стенки шара сохраняется равным около 670.

Сопла и диффузоры могут иметь регулируемые горла. Быстро­действующие краны должны открываться в течение примерно секунды. В практике успешно применяются дроссельные кра­ны с резиновыми прокладками, приводимые в действие балло­нами сжатого воздуха. Для сни­жения потерь давления диаметры быстродействующих кранов должны быть достаточно боль­шими.

Наиболее громоздкой частью трубы являются осушающие устройства (особенно для вакуумных труб). В качестве погло­тителя влаги используется силикагель или активированный боксит (глинозем). Чтобы в рабочей части трубы не возникало конденсации паров воды, абсолютная влажность воздуха не должна превышать 0,01%. Ко­личество глинозема, необходи­мого для вакуумной трубы, можно определить из расчета 1000 кг глинозема на 13 500 кг воздуха, если при этом считать, что полезная концентрация слоя равна 2%, а абсолютная атмосфер­ная влажность воздуха — 1,5%. В баллонных трубах количество осушителя требуется меньше, чем в вакуумных. Восстановление осушителя производится путем его нагрева горячим воздухом до 180°С и последующего охлаждения до нормальной температуры.

В эжекторной трубе так же, как и в баллонной, осушение воз­духа производится сжатием его при некоторой постоянной темпе­ратуре и последующим расширением.

На рис. 2.4 показана схема трубы эжекторного типа, в которой осуществлен почти замкнутый цикл. Трехступенчатый поршневой компрессор 1 имеет промежуточный и выходной холо­дильник 2. Воздух из компрессора, пройдя водоотделительную головку 3, попадает в ресивер 4, где окончательно охлаждается. Дросселирующий кран 5 служит для регулирования скорости. Поток из ресивера через щели эжектора 6 засасывает в рабочую часть 7 воздух из атмосферы и, пройдя обратный канал 8, частично выбрасывается в атмосферу. Практически после непродолжитель­ного периода запуска весь воздух в контуре трубы состоит из су­хого воздуха, поступающего из ресивера.

Рис. 2.4. Труба эжекторного типа

На рис. 2.5 приведены кривые изменения отношения мощности трубы непрерывного действия (к. п. д. компрессора — 80%) к мощности труб кратковременного действия в зависимости от числа М, работающих 60 с/ч при равных числах М.

Видно, что для всех чисел М потребная мощность труб непре­рывного действия больше, чем для труб кратковременного действия. При М = 4,5 вакуумные трубы требуют мощность в 15 раз меньшую мощности труб непрерывного действия. При М > 2,5 вакуумные трубы значительно выгоднее баллонных труб давления, а при М < 2,5 — первые менее выгодны, чем вторые.

Рис. 2.5. Отношение потребных мощностей для труб

непрерывного и кратковременного действия:

1 – привод от сжатого воздуха; 2 – вакуумный привод

1. Ударные трубы

Для изучения движений при больших числах М в последние годы широкое применение получили ударные трубы различных конструкций. Они использовались для изучения про­цессов возникновения ударных волн, отражения и преломления их, процессов детонации в горючих газах, для изучения явлений конденсации и поведения газов при высокой температуре. Ударные трубы могут также применяться для исследования ряда нестационарных явлений в машинах, изучения гашения возмуще­ний при электрических разрядах, распространения взрывных волн в горных разработках, при изучении действия взрывных волн на элементы конструкций машин и сооружений.

Устройство ударной трубы очень несложно. Обычно она представляет собой трубу (рис. 2.6, а), чаще всего прямоуголь­ного сечения, разделенную перегородкой (диафрагмой) на две неравные части: меньшую — камеру высокого давления и боль­шую — камеру низкого давления.

Площадь поперечного сечения современных труб меняется в широком диапазоне — от нескольких квадратных сантиметров до квадратного метра и даже больше. Длина труб достигает десяти и более метров. Для изготовления корпуса трубы при высоких давлениях используются достаточно прочные материалы, чаще всего сталь. Разделяющая трубу диафрагма изготовляется обычно из фольги, тонких металлических пластин и т. п. В некоторых случаях (при получении ударных волн малой интенсивности) в качестве диафрагмы можно применять фотопленку и даже кальку.

Рис. 2.6. Схема ударной трубы и изменение основных параметров потока

Присоединяемый к камере низкого давления бак играет вспо­могательную роль и служит главным образом для гашения звука, возникающего при разрыве диафрагмы.

Для «запуска» трубы в камеру высокого давления подают газ под большим (часто до нескольких десятков атмосфер) давлением либо создают в ней резкое повышение давления за счет взрыва какой-либо горючей смеси или мощного электрического разряда. При этом в камере низкого давления оставляют нормальное дав­ление или даже создают некоторое разрежение.

Под действием созданного высокого давления или каким-либо другим способом диафрагма разрывается, и по трубе низкого дав­ления распространяется волна сжатия, которая, быстро увеличи­вая свою крутизну, превращается в ударную волну. Ударная волна, бегущая по частицам невозмущенного газа в камере низ­кого давления, создает за собой спутный поток газа, имеющий вполне определенную скорость (но меньшую, чем скорость самой волны).

Вслед за частицами газа, находившегося до разрыва диафрагмы в камере низкого давления, в спутном потоке движутся частицы газа из камеры высокого давления. Перемещающаяся поверх­ность, разделяющая в процессе движения частицы этих газов, называется контактной поверхностью. Передвижение частиц газа из камеры высокого давления приводит к возникновению непре­рывной системы волн разрежения, в которой происходит плавное изменение давления от давления в спутном потоке до давления в невозмущенной еще движением части камеры высокого дав­ления.

Таким образом, всю длину трубы в некоторый произвольный момент времени t можно разделить на пять участков (рис. 2.6).

Первый — камера низкого давления до распространяющейся в ней ударной волны. В этой области все параметры газа остались такими же, как и до разрыва диафрагмы.

Второй участок занимает область от ударной волны до кон­тактной поверхности. В этой области скорость движения частиц, давление и температура, возросшие в ударной волне, а также и число М остаются постоянными.

Третий участок расположен между контактной поверхностью и началом области разрежения. Сравнивая значения параметров газа на этом участке с их значениями во втором участке, можно установить, что давление и скорость имеют такие же величины, температура резко падает, а число М возрастает.

Четвертый участок — это область, в которой происходит рас­ширение газа. Здесь давление, плотность и температура падают (от их значений в камере высокого давления), а скорость и число М растут от нуля до соответствующих величин в третьем участке. Наконец, в камере высокого давления будет еще область невоз­мущенного газа — пятый участок, в котором все параметры газа останутся такими же, какими они были до разрыва диафрагмы. Характер изменения параметров газа по всем участкам трубы в момент времени t показан на рис. 2.6, б—е.

Весь процесс, происходящий в трубе, удобно представить в координатной системе х—t. На рис. 2.6, ж приведен процесс перемещения границ указанных выше участков от момента раз­рыва диафрагмы (t = 0) со временем t. Такие диаграммы широко используются для изучения одномерных движений газа. Для каж­дого момента времени , пользуясь этой диаграммой, можно найти ширину каждого участка трубы, а для каждой точки трубы за диафрагмой вправо можно найти момент времени про­хождения ударной волны t₁, контактной поверхности t₂ и начала четвертого участка t₃. Очевидно, что разность опре­деляет время, в течение которого участок 2 проходит точку трубы с координатой , а разность — время про­хождения третьего участка.

Весьма широкое распространение получили ударные трубы переменного сечения, а также трубы, разделенные на три и более камеры.

Дата добавления: 2015-06-27