Генератор акустических колебаний

 

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях и может быть использовано, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания на акустическую неустойчивость. Сущность: генератор содержит заполненный рабочей средой корпус, в котором установлены два электрода, подключенные к источнику высокого напряжения. Кроме того, он снабжен вихревой камерой из диэлектрического материала, расположенной между электродами соосно с ними. При этом один из электродов выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, больший диаметр которого обращен к выходному отверстию. Технический результат: улучшение частотной характеристики излучения путем исключения срыва электрического разряда высокоскоростным потоком газа. 5 ил.

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде, и может быть использован, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания на акустическую неустойчивость.

В литературе (см. книгу "Неустойчивость горения в ЖРД", Изд-во "Мир", М., 1975, с.41-42) отмечается, что для идеальной оценки устойчивости камеры сгорания необходимо, чтобы все моды неустойчивости и механизмы неустойчивого горения могли быть возбуждены искусственно для получения колебаний конечной амплитуды. В этом случае отдельные возмущающие факторы могли бы последовательно устраняться, чтобы определить способность системы возвращаться к исходному состоянию.

Однако отмечается, что методы внесения в камеру сгорания возмущений с заданными характеристиками, т.е. метод создания акустических колебаний давления большой амплитуды в широком спектре частот, пока отсутствуют.

Известны устройства для генерации акустических колебаний, содержащие горелку с пламенем и электроды, связанные с источником питания. При этом на пламя воздействуют модулированным электрическим разрядом, т.е. осуществляют самостоятельный разряд между двумя электродами в плазме пламени (см. статьи: Buchard J.К. Preliminary Investiqation of the Electrotermal Loudspeaker, С.&.F., vol.13.82-86, 1969; Sodha M.S., et al. Flame Loudspeakers, Acoustica, vol.40, 68-69, 1978; Медведев Н.А., и др. "Излучение звука модулированным электрическим разрядом в пламени. - В кн.: Физика горения и методы ее исследования, Чебоксары, 1981, с.101-110).

Показано, что механизм диссипации электрической энергии при разряде происходит за счет ускорения заряженных частиц в электрическом поле и передачи энергии нейтральным молекулам при столкновениях. В случае модуляции электрического разряда звуковой частотой внутренняя энергия газа периодически изменялась, т.е. периодически изменялась температура газа в объеме разряда, и, как вследствие этого, за счет адиабатического расширения газа возникали акустические колебания.

Установлено, что амплитуда акустического давления, генерируемого пламенем, прямо пропорционально мощности рассеиваемой электрической энергии в пламени.

Однако подобные устройства не позволяют осуществлять разряд в высокофорсированных камерах сгорания, так как в них будет происходить срыв дуги с электродов вследствие больших значений скорости потока продуктов сгорания, к тому же для создания разряда необходимо ввести в камеру сгорания два электрода, что сопряжено с техническими трудностями. Кроме того, введение электродов в камеру сгорания вносит гидродинамические возмущения в процесс горения и меняет акустические свойства камеры сгорания.

Целью изобретения является устранение срыва дуги с электродов при больших скоростях потока продуктов сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе, содержащем два электрода и рабочую среду модулированный электрический разряд осуществляется в электроразрядном канале, создаваемого одним из электродов, изготовленный в виде полого цилиндра, внутреннее отверстие которого выполнено ступенчатым, расширяющимся на выходе и снабжен со стороны второго электрода вихревой камерой из диэлектрика для тангенциальной подачи рабочего газа.

На фиг.1 изображено описываемое устройство с вихревой стабилизацией дуги; на фиг.2 - прямая скоростная киносъемка струи плазмы, истекающий с генератора при частоте модуляции 450 Гц; на фиг.3 - частотная характеристика генератора; на фиг.4 - общий вид камеры сгорания двигателя ВК-1A с генератором; на фиг.5 - частотная характеристика отклика камеры сгорания на внутрикамерное возмущение, создаваемое данным устройством.

Генератор (фиг.1) включает в себя два водоохлаждаемых электрода 1 и 2, один из которых выполнен из вольфрама, а другой - из меди в виде полого цилиндра, внутреннее отверстие которого ступенчатое, вихревую камеру 3 с тангенциальной подачей рабочего газа (азота), штуцера для подвода воды 5 и отвода воды 6, болтов 7 для крепления вихревой камеры с вольфрамовым электродом: через фторопластовый изолятор 8 к полому электроду 2, клемм 9 для подключения высокого напряжения и узла крепления 10 к камере сгорания.

При подаче азота в вихревую камеру 3 и модулированного напряжения к клеммам 9 между электродами 1 и 2 возникает пульсирующая дуга, которая истекает с выходного электрода под действием рабочего газа также периодически с частотой, равной частоте модуляции разряда (см. фиг.2). Причем модулированный дуговой разряд в основном сосредоточен в доуступной части полого электрода 2, что позволяет устранить контакт дуги, а точнее ее срыв с электродов, высокоскоростным потоком продуктов сгорания. Периодически истекающая струя плазмы, адиабатически расширяясь и охлаждаясь, генерирует волны сжатия, т.е. акустические колебания заданной частоты.

Рабочий газ применяется также для стабилизации дуги в доуступной части выходного электрода за счет тангенциальной подачи его в электроразрядный канал. Известно, что тангенциальная подача рабочего газа создает в электроразрядном канале градиент плотности газа по ее радиусу, который приводит к появлению архимедовой силы, выталкивающей столб дуги в центральную осевую зону канала в случае его отклонения от оси под действием возмущающих сил в доуступной части выходного электрода. Стабилизирующее действие закрутки потока сохраняется до тех пор, пока не произойдет проникновение пристенного турбулентного пограничного слоя в приосевую зону канала. В ступенчатой части выходного электрода, в результате внезапного расширения потока происходит интенсивное перемешивание газа, что создает благоприятные условия для шунтирования электрической дуги за уступом и обеспечивает неизменность средней длины дуги в широком диапазоне изменения тока и расхода газа.

Генератор акустических колебаний со ступенчатым выходным электродом имеет восходящую вольт-амперную характеристику, так как не происходит падение напряжения с ростом тока из-за неизменности средней длины дуги, что повышает КПД генератора и устойчивое горение дуги.

Частотная характеристика описываемого генератора представлена на фиг.3. Мощность электрической энергии, рассеиваемой при этом, составляла около 2 кВт. Измерения акустического давления производились без анализатора гармоник точным импульсным шумомером PSI-202, конденсаторный микрофон которого располагался на расстоянии 1 м от генератора.

В отличие от частотной характеристики акустического излучателя, реализованного на модулированном разряде в пламени (см. статью Медведев Н.А. и др. "Излучение звука модулированным электрическим разрядом в пламени". - В кн.: Физика горения и методы ее исследования, Чебоксары, 1981, c.101-110), частотная характеристика описываемого генератора практически остается постоянной в широком диапазоне частот. Изменение частоты модуляции от 100 Гц до 20 кГц вызывает увеличение уровня акустического давления всего на 8 dB.

Предварительные эксперименты, проведенные на трех генераторах, показали, что генератор акустических колебаний при достаточном количестве расхода азота и охлаждающей воды работает устойчиво во всем звуковом диапазоне. Следует также отметить, что наряду с основной частотой звука, возникающего вследствие модуляции, присутствует также шум истекающей струи плазмы. Однако уровень его значительно (почти на три порядка) ниже звука основного тона.

Были проведены предварительные эксперименты на одной камере сгорания турбореактивного двигателя BK-1A по получению частотной характеристики отклика камеры на описываемое внутрикамерное возмущение. Внешний вид камеры сгорания и генератора, помещенные в звукомерную камеру, представлена на фиг.4. Компрессор двигателя работал в режиме малого газа (2500 об/мин), а микрофон шумомера располагался на расстоянии 2 м по нормали к оси камеры сгорания. Зависимость интенсивности генерирования акустических колебаний от частоты модуляции разряда показана на фиг.5. Как и следовало ожидать, камера сгорания работает довольно устойчиво, наблюдаются лишь незначительные резонансы на некоторых частотах.

Таким образом проведенные исследования показывают возможность использования генератора акустических колебаний заданной частоты для диагностики высокофорсированных камер сгорания на акустическую неустойчивость.

Предложение использовать генератор акустических колебаний для диагностики камер сгорания имеет преимущества, так как он позволяет возбудить в камере сгорания последовательно все моды неустойчивости в широком диапазоне частот (от 50 Гц до 20 кГц). Генератор прост по устройству и в изготовлении.

Использование генератора позволит устранить до минимума гидродинамические возмущения процесса горения, так как генератор крепится с внешней стороны камеры сгорания.

Испытания, проведенные на трех образцах, показали надежность работы генератора и возможность применения его в качестве внутрикамерного возмущающего устройства.

Формула изобретения

Генератор акустических колебаний, содержащий заполненный рабочей средой корпус с установленными в нем двумя электродами, подключенными к источнику высокого напряжения, отличающийся тем, что, с целью улучшения частотной характеристики излучения путем исключения срыва электрического разряда высокоскоростным потоком газа, он снабжен вихревой камерой из диэлектрического материала, расположенной между электродами соосно с ними, причем один из электродов выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, больший диаметр которого обращен к выходному отверстию.

РИСУНКИ