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

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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= _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.