Способ создания сверхзвукового потока и сопло

 

Использование: в авиационной и ракетной технике, а также в гидродинамических генераторах. Сущность изобретения: способ создания сверхзвукового потока пропускания рабочей среды через сужающе-расширяющийся канал, например сопло, под воздействием перепада давления в продольном направлении между входом и выходом канала, при котором в расширяющейся части канала посредством продольных углублений, например гофров в стенках канала сопла, формируют поток с добавлением рабочей среды на выходе в части, примыкающей к стенкам канала, в диапазоне, минимальная величина которого равна произведению величин давления окружающей среды и критерия Соммерфильда, а максимальная величина равна давлению в окружающей среде или превышает ее, причем давление в части осевой зоны меньше, чем в части, примыкающей к стенкам, или равна ему. Суммарные продольные и поперечные площади углублений меньше соответствующих площадей канала, расположенных в диапазоне радиусов и длин углублений, причем углубления установлены вдоль канала в части больших и/или быстро изменяющихся углов его расширения. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике, а также к способам создания сверхзвуковых потоков рабочей среды и соплам и может также использоваться в гидродинамических генераторах.

Известен способ создания сверхзвукового потока путем пропускания рабочей среды через сужающе-расширяющийся канал под воздействием продольного перепада давления между входом и выходом канала [1] Данный способ осуществляют посредством известного сопла, включающего расширительный канал [1] В соответствии с известным способом формируют поток рабочей среды в канале, включающем расширяющуюся к выходу часть, при этом поток движется одновременно в двух направлениях (фиг. 1): в продольном, вдоль канала, со сверхзвуковой скоростью U, через поперечную площадь S_пот.к, которая увеличивается в квадратичной зависимости от радиуса канала R_k; и в поперечном, относительно оси канала, с дозвуковой скоростью V, через продольную площадь канала S_пр.к, которая увеличивается в линейной зависимости от радиуса канала Rk, при длине канала L_k, являющейся постоянной величиной.

По этой причине величина U вдоль расширяющегося канала всегда сверхзвуковая и ускоряется, а величина V всегда дозвуковая, тормозится и поэтому значительно меньше U, т.е. V<U, примерно в 3.5 раз. Величины продольных и поперечных скоростей определяют профиль канала, при условии безотрывного от его стенок течения потока, с малыми полууглами расширения α/2, полная величина которых не превышает 30 50^o [2] и большой длиной канала, особенно при больших значениях ζ = S_вых/S_кр расширения потока, где S_вых и S_кр соответственно поперечные площади выхода сопла его критического сечения.

Таким образом, технический недостаток известного способа и сопла и ограниченных величин максимальной выходной скорости, а также удельной реактивной силы.

Техническая задача изобретения заключается в повышении максимальной скорости потока на выходе, удельной реактивной силы и уменьшении длины сопла, а также в расширении технологических возможностей.

Поставленная задача решается за счет того, что способ создания сверхзвукового потока пропускания рабочей среды через сужающийся, расширяющийся или сущающе-расширяющийся канал под воздействием перепада давления между его входом и выходом без отрыва от стенок, реализуется так, что в канале формируют поток с давлением рабочей среды на выходе по крайней мере в части примыкающей к стенкам канала в диапазоне, минимальная величина которого равна произведению величин давления окружающей среды и величине равной 5% ^oC 100% от значения критерия Соммерфильда, который в зависимости от особенности конструкции сопла и режима его работы, а также вязкости рабочего тела и других пичин находится, примерно, в диапазоне 0,3 0,8 (2) и характеризует предельную границу безотрывного течения.

При этом величина давления на выходе в части осевой зоны, создается меньшей, чем давление в части примыкающей к стенке, с целью дополнительного перерасширения потока, что обеспечивает возможность работы сопла с максимальной выходной продольной скоростью U_макс в соответствии с величиной ζ расширения потока.

Кроме того, способ может отличаться тем, что в расширяющемся канале формируют поток с максимальным давлением рабочей среды, на выходе канала в части примыкающей к стенке, равным давлению окружающей среды или превышающей ее. При этом давление в части осевой зоны также меньше, чем давление в части примыкающей к стенке В этом случае, режим работы сопла с максимальной удельной реактивной силой будет достигаться при максимальной величине x и при давлении на выходе в части примыкающей к стенкам канала, равном давлению окружающей среды, а также при давлении в части осевой зоны на выходе, значительно меньшим давления окружающей среды.

Кроме того, способ может отличаться тем, что на выходе из канала превышение давления в части потока примыкающего к стенкам по сравнению с давлением в части осевой зоны, производят путем полного или частичного торможения поперечного потока и/или расширения продольного в части примыкающего к стенкам с меньшей скоростью, чем в осевой зоне. Такое пристенное повышение давления может быть еще осуществлено, например, наддувом в зоне выхода. Создание пристенного перепада давления не влияет на общий характер течения потока, т.к. его осуществляют локально в конце сверхзвукового потока.

Наличие потока в части примыкающей к стенке на выходе необходимо, в основном, для предотвращения отрыва от стенки перерасширяющегося потока. Отрыв же потоков между собой по их совместной границе экспериментально не зафиксирован [2] Создание пристенного и осевого зон продольного потока с минимальной величиной давления на выходе канала способствует повышению коэффициента полезного действия КПД сопла, благодаря возможности продольного и/или поперечного расширения и перерасширения потоков, особенно в части осевой зоны для получения максимальной скорости на выходе, а также для получения максимальных углов расширения потока a_макс в начале канала и максимальной величины удельного импульса реактивной силы. Работа сопла с более высокими давлениями на выходе, чем в окружающей среде или наоборот, с превышением давления осевого потока над пристеночным возможна, но в этом случае КПД и соответственно ему другие показатели потока и сопла будут более низкими.

Таким образом, формирование потока по предлагаемому способу позволит создать его безотрывное расширение, получить максимальную скорость на выходе и максимальный удельный импульс реактивной силы, а также уменьшить длину расширяющегося канала.

Поставленная задача решается также тем, что сопло, включающее расширяющий канал, отличается тем, что стенки вдоль канала, в частности углов расширения, по крайней мере, т.е. как минимум, равных или превышающих 30-50^o, а именно в зоне больших и/или быстро изменяющихся углов α выполнено с продольными расширяющимися к выходу углублениями, поперечное сечение которых может быть сужающимися, расширяющимся или их комбинацией, а также другой формы. Причем их суммарные продольные и поперечные площади меньше соответствующих площадей канала, т.е. расположенных в диапазоне радиусов и длин углублений с равными величинами R_у R_к и L_у L_к.

где: Σ S_у.пр суммарная продольная площадь углублений; Σ S_у.поп суммарная поперечная площадь углублений; π число "пи", равное 3,14;
R_к радиус канала, равный R_у;
L_к длина канала, равная
n количество углублений.

Кроме того, максимальная величина угла расширения канала a_макс с углублениями (фиг. 1) значительно превышает 30-50^o.

Кроме того, углубления могут быть выполнены, например, в виде готов.

Кроме того, углубления установлены в зоне наиболее вероятного отрыва потока от стенки, т.е. установлены, по крайней мере, в начальной части канала; в зоне больших и быстро изменяющихся углов расширения, равных или превышающих 30-35^o.

Устанавливать углубления вдоль всей длины расширяющейся части канала можно, но при этом КПД сопла уменьшится из-за возрастающих потерь энергии.

Кроме того, минимальный радиус углубления вдоль канала R_у.мин (фиг. 4) равен или превышает радиус критического сечения (фиг. 1), а максимальный радиус углубления R_у.макс (фиг. 3 и 4) вдоль канала равен радиусу канала или меньше его.

Кроме того, в поперечном сечении канала углубления расположены по периметру симметрично и/или равномерно.

Кроме того, углубления и переходы к ним могут выполняться плавными.

На фиг. 1 изображен продольный разрез половины осесимметричного сопла.

На фиг. 2 поперечный разрез в критическом сечении на фиг. 1.

На фиг. 3 поперечный разрез У-У по углублениям на фиг. 1.

На фиг. 4 вид А на фиг. 1.

Способ создания сверхзвукового потока может быть осуществлен посредством сопла 1 (фиг. 1) включающего укороченный расширяющийся канала 2, в стенках которого выполнены продольные углубления в виде симметрично расположенных по поперечному периметру сопла 1 готов 3 (фиг. 1, 3, 4). Сопло имеет критическое сечение S_кр (фиг. 2, 1). Углубления в виде гофр 3 (фиг. 1, 3, 4) выполнены таким образом, что их суммарные продольные и поперечные площади изменяются вдоль радиуса R_у (фиг. 3) и длины L_у (фиг. 1) согласно зависимостей меньше линейной и квадратичной, приведенных выше. На фиг. 1 граница внутренней продольной зоны углубления 8 вдоль L_у, на фиг. 3 граница внутренней поперечной зоны углубления 8, показаны пунктирной линией, которая одновременно является границей минимальных радиусов углублений R_{у мин}.

При этом полный максимальный угол α_макс расширения канала может составлять, например, 100^o.

Способ создания сверхзвукового потока путем пропускания рабочей среды через сужающе-расширяющийся канал сопла 1 под воздействием перепада давления в продольном направлении между входом 4 и выходом 5 заключается в том, что в начале расширяющейся части канала 2, посредством гофрообразных углублений 3, формируют поток рабочей среды с поперечной составляющей скорости потока V, которая в зависимости от формы канала углубления может достигать дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой величины, препятствуя этим отрыву потока от стенок канала 2 при При этом продольная сверхзвуковая составляющая скорости потока U также постоянно возрастает. В конце потока, в части примыкающей к стенкам канала 3, а именно в части 7, внутренняя граница которой показана на фиг. 1 пунктирной линией 10, величина V уменьшается путем полного или частичного торможения или более замедленного расширения продольного потока в этой пристенной зоне до получения минимального давления на выходе, равного произведению давления окружающей среды на величину составляющую 5% ^oC 100% от значения критерия Соммерфильда, а также максимальной величины, равной давлению в окружающей среде или превышающей ее. Давление в части осевой зоны 6, расположенной от зоны 7 до оси меньше, чем в части примыкающей к стенкам или равно ему. Боковая граница углублений 9 показана на фиг. 1, 3, 4.

Промышленная применимость способа и сопла подтверждена экспериментально. При перепаде давлений на выходе и входе экспериментального сопла равного Р_вх/Р_вых 150/1,0 в части примыкающей к стенкам 7 и равного Р_вх/Р_вых 150/0,5 в части осевой зоны 6 показателе процесса К - 1,25 удельный импульс реактивной силы возрос на 10-15% а при Р_вх /Р_вых 150/0,5 в части 7 и Р_вх/Р_вых 150/0,3 в части 6 максимальная скорость увеличилась примерно на 20-25% при укороченном в 1,8 раза длине канала сопла и при безотрывном от стенок течении рабочей смеси.

Формула изобретения

1. Способ создания потока путем пропускания рабочей среды через сужающийся, расширяющийся или сужающе-расширяющийся канал под воздействием перепада давления в продольном направлении между его входом и выходом, без отрыва от стенок, отличающийся тем, что в канале формируют поток с давлением рабочей среды на выходе, по крайней мере в части, примыкающей к стенкам канала в диапазоне, минимальная величина которого равна произведению давления окружающей среды и величины, равной 5 100% от значения критерия Соммерфильда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выходе в части, примыкающей к стенкам канала, производят полное или частичное торможение поперечного потока и/или расширение продольного потока с меньшей скоростью, чем в части осевой зоны, давление в которой преимущественно меньше, чем в части, примыкающей к стенкам, или равно ему.

3. Сопло, включающее расширяющийся канал, отличающееся тем, что стенки канала выполнены с продольными расширяющимися к выходу углублениями, суммарные продольные и поперечные площади которых меньше соответствующих площадей канала, расположенных в диапазоне радиусов и длин углублений, причем углубления установлены вдоль канала в части углов его расширения, по крайней мере равных или превышающих 30 35^o.

4. Сопло по п.3, отличающееся тем, что углубления в попречном направлении выполнены сужающимися, например, в виде гофров, расширяющимися или комбинированными.

5. Сопло по п.3 или 4, отличающееся тем, что минимальный радиус углублений вдоль канала равен или превышает радиус критического сечения, а максимальный радиус углублений вдоль канала равен радиусу канала или меньше его.

6. Сопло по п.3, или 4, или 5, отличающееся тем, что в поперечном сечении канала углубления расположены по периметру равномерно.

7. Сопло по п.3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что углубления и переходы к ним выполнены плавными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4