АэродинамичЕское сопло



0)history.back()» style=»text-decoration:none; font-size:12px; font-stretch:expanded;font-weight:bold»> ◄Назад

Банные печи «Кирасир»

Линейка дровяных печей каменок для бани «GREIVARI» моделей «Кирасир» 15, 20 и 25, серийно производится с апреля 2009 г. на Новосибирском заводе «Технотрейд».
В основу конструкции положены как традиционные, испытанные временем так и новые решения, присущие только печам «GREIVARI»:

  1. Аэродинамическое сопло-экран, эффективно защищающее заднюю стенку топки от перегрева и одновременно подающее вторичный воздух в область дожигания;
  2. Зольные подушки защищают конструкцию от перегрева;
  3. Балочный колосник-воздухоподогреватель прогревает входящий воздушный поток до 130-150 о С;
  4. Стенки топки делаются из конструкционной стали, толщиной от 3 до 6 мм.

Преимущества банной печи Кирасир:

Надежность и прочность

1 . Аэродинамическое сопло-экран — активная защита задней стенки от нагрева за счет потока холодного воздуха, направляемого в зону вторичного дожигания. Пассивная защита — экран принимает на себя часть теплового потока, защищая заднюю стенку от перегрева.
2 . Стенки дымового коллектора и дефлектор сделаны из стали 6 мм.
3 . Самоохлаждаемая конструкция балочного колосника продлевает срок его жизни.
4 . «Зольные подушки» — защищают дно печи от перегрева.
5 . Изогнутая форма (без сварных швов) боковой стенки топки хорошо противостоит термическим деформациям.
6 . Патрубок-переходник из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм установлен в зоне высокого нагрева.
7 . Беспрепятственная конвекция между стенками топки и кожухом интенсивно снимает тепло с нагретых стенок топки.

Легкий пар и быстрое тепло

1 . Объем топки 78 л обеспечивает быстрый прогрев парилки и камней.
2 . Большой объем камней, закладываемых в каменку позволяет получить качественный пар.
3 . Беспрепятственная конвекция между стенками топки и кожухом интенсивно снимает тепло с нагретых стенок топки и направляет его на нагрев парилки.
4 . Площади поверхностей нагрева камней увеличена за счет дымового коллектора и наклонного дна каменки. Наклонное дно каменки не позволяет «залить» камни. Вентиляционные отверстия в каменке обеспечивают дополнительный прогрев камней за счет горячих конвекционных потоков.
5 . Высокая температура отходящих газов используется для прогрева камней.

Удобство монтажа и эксплуатации

1 . Декоративный экран-накладка упрощают монтаж и закрывает щели в стене.
2 . Дверка может перевешиваться без переворачивания, что позволяет открывать ее в любую сторону.
3 . Регулировочные винты позволяют выставить печь горизонтально независимо от профиля основания.
4 . Прочистное отверстие дает возможность проводить ревизию состояния топки и очищать ее от сажи.
5 . Самоочищение от золы колосниковой решетки происходит благодаря перемещению и колебанию составляющих колосник планок (балок) относительно друг друга. Эти «автоколебания» возникают из-за неравномерного нагрева. Зола просыпается в зольник, а процесс горения активируется.

1 . Большой объем топки обеспечивает полное сгорание летучих углеводородов, выделяющихся при горении дров в размере 35-56% от общего веса.
2 . Через аэродинамическое сопло-экран в верхнюю область факела поступает воздух для вторичного дожигания несгоревших частиц топлива.
3 . Дефлектор формирует и удлиняет пламенный поток и направляет его в дымовой коллектор.
4 . Зольный ящик регулируйте количество воздуха, необходимого для горения в заданном режиме.
5 . Балочная конструкция колосниковой решетки позволяет значительно повысить качество горения за счет нагрева поступающего в топку воздуха. Эффект подогрева воздуха особенно сказывается при топке сырыми, свежеспилинными дровами, когда требуется их дополнительная подсушка.

Аэродинамическое сопло

По виду рабочей части аэродинамические трубы делятся на трубы с открытой рабочей частью и трубы с закрытой рабочей частью (рис.2). Встречаются трубы с герметической камерой вокруг рабочей части (камера Эйфеля).

В зависимости от продолжительности работы различают АДТ периодического (кратковременного) действия и непрерывного действия.

3.2. Дозвуковые аэродинамические трубы

На рис.3 приведена схема дозвуковой незамкнутой АДТ. Из рисунка видно, что вентилятор 6, приводимый во вращение электродвигателем 7, засасывает в трубу воздух через сопло 1. Поток воздуха, пройдя спрямляющую решетку (хонейкомб) 2 и сетку 3, становится плоскопараллельным и входит в рабочую часть 4, где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 5 и затем выбрасывается в окружающее пространство.

На рис. 4 представлена схема простейшей аэродинамической трубы прямого действия с открытой рабочей частью, работающей в режиме нагнетания. Основным требованиям к трубе является получение качественного потока. Выполнение этого требования в полном объеме является наибольшей трудностью при создании трубы. Прямолинейность и равномерность потока обеспечивается главным образом, геометрической формой внутреннего контура, стенок и внутренних устройств аэродинамической трубы, обеспечением плавности аэродинамического контура в области сопла и рабочей части.

Не менее важным, но значительно более сложным по своему выполнению является требование обеспечения малой начальной турбулентности потока в рабочей части трубы (здесь– среднеквадратичная величина пульсационной составляющей скорости). Высокая степень турбулентности или завихренности потока оказывает существенное влияние на результаты опытов, а иногда искажает их, так как приводит к изменению качественного характера обтекания.

Существенным требованием к аэродинамической трубе является требование отсутствия пульсаций скорости воздушного потока. Возникновение пульсаций в основном связано с периодическими вихрями, срывающимися с различных плохо обтекаемых элементов трубы (вентиляторная установка, обтекатели, выступы) и неплавностями общего аэродинамического контура трубы. Улучшение поля скоростей и уменьшение скосов и степени турбулентности потока может быть достигнуты за счет исправления аэродинамического контура трубы, применения коллектора с двойным поджатием, установки в форкамере специальных выравнивающих устройств – хонейкомбов и детурбулизирующих сеток.

В замкнутых трубах, которые строятся как с открытой, так и с закрытой рабочей частью, поток, пройдя рабочую часть и диффузор, направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть, т.е. поворачивает на 360 о . Поворот осуществляется в четырех коленах канала. В каждом колене поток поворачивается на 90 о . В этих коленах устанавливаются направляющие профилированные лопатки, которые плавно, с минимальными потерями, поворачивают поток и способствуют получению равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части. Для устранения закрутки потока вентилятором за его рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат.

Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. В ней устанавливаются хонейкомб и детурбулизирующие сетки. Размеры форкамеры существенно влияют на равномерность поля скоростей в рабочей части. Чем больше форкамера, тем равномернее поле.

Хонейкомб предназначен для уменьшения скоса потока и разрушения крупных вихрей. Хонейкомб представляет собой сотообразную решетку, состоящую из ячеек длиной 5…10 калибров при толщине стенок порядка 0,3…1,5 мм. Отношение поперечного размера ячейки к поперечному размеру форкамеры выбирается в пределах 1/50 … 1/100. Хонейкомб выравнивает поток по направлению, разбивая крупные вихри, а также уменьшает неравномерность распределения продольных скоростей. В то же время он вносит возмущения в поток за счет аэродинамического следа, образующегося за стенками ячеек. Поэтому в тех трубах, где в форкамере кроме хонейкомба ничего больше не устанавлено, для успокоения возмущений необходимо увеличивать расстояние между хонейкомбом и соплом.

Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию поля скоростей и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы.

Сопло служит для формирования прямолинейного, равномерного потока в рабочей части, разгона потока воздуха от минимальной скорости на входе до расчетной скорости на выходе в рабочую часть. Поперечное сечение сопла может быть круглым, эллиптическим, прямоугольным, квадратным и восьмигранным. Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов, спрофилированных особым образом. Форма образующей сопла, его длина и степень поджатия определяют не столько величину скорости, сколько характер поля скоростей. Сопло, благодаря поджатию потока (уменьшению площади поперечного сечения на выходе из него по сравнению с площадью входа), дополнительно к перечисленным выше устройствам устраняет неравномерности распределения скоростей. Степень поджатия потока определяется как . Неравномерность скорости в рабочей части враз меньше неравномерности скорости на входе в сопло. Поджатие потока в сопле способствует уменьшению турбулентности потока в рабочей части.

Рабочая часть – это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливаются модели для испытания, здесь же располагаются аэродинамические весы и другие приборы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений. Рабочая часть может быть открытой (не иметь стенок), закрытой (ограничена стенками) или иметь вид герметической камеры (рис.2). Открытая рабочая часть обеспечивает свободный доступ к модели и удобство наблюдений. Однако трубы с открытой рабочей частью требуют дополнительной мощности на восполнение потерь, вызванных взаимодействием свободной струи с окружающим воздухом.

Для уменьшения потребной мощности привода для труб с большими скоростями (м/с) применяют закрытую рабочую часть. Аэродинамические характеристики потока в трубе с закрытой рабочей частью лучше, чем в трубе с открытой рабочей частью.

Диффузор располагается сразу за рабочей частью. Он представляет собой спрофилированный канал, который служит для уменьшения скорости потока. Дозвуковой диффузор – расширяющийся вниз по течению канал, в котором происходит торможение потока.

В качестве двигателя для вентилятора аэродинамических труб применяются электромоторы постоянного тока, которые дают возможность изменять в широких пределах число оборотов вентилятора и вместе с этим скорость потока в рабочей части.

В простейшей аэродинамической трубе (рис.4) поток в рабочей части имеет, по сравнению с трубами всасывания (с закрытой рабочей частью, рис.3) и с трубами замкнутого типа, невысокое качество и характеризуется:

большой неравномерностью – различие величины скорости в различных точках сечения потока в рабочей части достигает 3 … 5 %;

значительным скосом потока – не параллельность векторов скорости в разных точках достигает 1о … 3о;

повышенной начальной турбулентностью .

Однако они более простые в эксплуатации и предназначены, как правило, для получения качественной картины обтекания исследуемых тел. Поток газа, сформированный соплом АДТ с открытой рабочей частью, имеет структуру и свойства затопленной турбулентной струи.

аэродинамическая труба

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА — установка, создающая поток газа (в большинстве случаев воздуха) с целью изучения воздействия его на обтекаемый объект — самолёт, ракету, автомобиль, корабль, спускаемый космич. аппарат, мост, здание и др., а также эксперим. изучения аэродинамич. явлений. А. т.- осн. оборудование аэродинамич. центров и лабораторий. Принцип обратимости движения, согласно к-рому перемещение тела в неподвижном воздухе может быть заменено движением воздуха относительно неподвижного тела, при соблюдении условий подобия теории позволяет получать значение силовых и тепловых нагрузок, действующих на летат. аппарат, испытывая его модель в А. т. Геометрически подобная натурному изделию модель устанавливается в рабочую часть А. т.

Для того чтобы безразмерные значения аэродинамических сил и моментов — аэродинамические коэффициенты, полученные в А. т., были равны аналогичным величинам для натурного объекта в полёте, необходимо: исключить или максимально ослабить влияние ограниченности потока — стенок А. т. или границ свободной струи; обеспечить в рабочей части А. т. перед моделью равномерный, однородный поток и те же значения критериев подобия — Маха числа , Рейнольдса числа , а для полёта на больших высотах и Кнудсена числа , что и для натурного объекта (здесь l — характерный размер модели, — скорость движения газа, а — скорость звука, — плотность, — коэфф. динамич. вязкости, — длина свободного пробега молекул газа перед моделью).

Существующие А. т. можно разделить на группы по числу M перед моделью: дозвуковые с числами М 1 и трансзвуковые с числами 0,8 2 и обратно пропорциональна р. Для уменьшения мощности установки при заданных значениях чисел M и Re создают т. н. А. т. перем. плотности, давление в рабочей части к-рых достигает 2,5 МПа.

Сверхзвуковые аэродинамич. трубы по схеме аналогичны дозвуковым. Для получения в рабочей части потока с числом M >1 применяется сверхзвуковое сопло 4 с (рис. 1), состоящее из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей; в миним. (критич.) сечении скорость газа равна скорости звука. Число M, получаемое в рабочей части, определяется отношением F/F площадей сечения рабочей части F и критич. сечения сопла F Для изменения числа M в рабочей части применяют сменные или регулируемые сопла, позволяющие менять отношение F/FKp. Рабочая часть сверхзвуковых А. т. аналогична рабочей части дозвуковых. В диффузоре сверхзвуковой А. т., состоящем, как и сопло, из сужающегося и расширяющегося участков, сверхзвуковая скорость переходит в дозвуковую с образованием ударных волн, поэтому торможение газа в сверхзвуковых диффузорах сопровождается большими потерями энергии, к-рые быстро увеличиваются с ростом числа M.

Для повышения эффективности диффузора торможение сверхзвуковой струи осуществляется в системе косых скачков уплотнения; при этом положение стенок диффузора и, в частности, размер его миним. сечения иногда делают регулируемыми в процессе запуска А. т. Необходимые для работы сверхзвуковой А. т. степень сжатия компрессора и мощность силовой установки быстро увеличиваются по мере роста числа M. С увеличением скорости воздуха, изоэнтропически расширяющегося в сверхзвуковом сопле, уменьшаются его темп-pa и давление в соответствии с ур-ниями

При этом относит. влажность воздуха, обычно содержащего водяные пары, возрастает, и при числе M1,2 происходит конденсация паров воды, сопровождающаяся образованием ударных волн — скачков конденсации, существенно нарушающих равномерность потока в рабочей части А. т. Для предотвращения скачков конденсации влага из воздуха, циркулирующего в А. т., удаляется в осушителях.

Одним из осн. преимуществ сверхзвуковых А. т. непрерывного действия, осуществляемых по схеме, аналогичной схеме дозвуковой А. т. (рис. 1), является возможность проведения опытов значит. продолжительности. Однако для решения MH. задач аэродинамики это преимущество не является решающим. Недостатки таких А. т.- необходимость создания энергетич. установок большой мощности и трудности, возникающие при числах М>4 вследствие быстрого роста необходимой степени сжатия компрессора.

Рис. 3. Две аэродинамические трубы с повышенным давлением на входе в сопло и атмосферными давлениями на выходе из сопла (верхняя труба) и из диффузора (нижняя): 1 — компрессор высокого давления; 2 — осушитель воздуха; 3 — батарея баллонов; 4 — дроссельные краны; 5 — ресивер сопла; 6 — сопло; 7 — модель; 8 — диффузор.

Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные А. т., к-рые создаются по незамкнутой схеме и могут быть отнесены к одной из двух групп. Установки 1-й группы (рис. 3) применяются для получения чисел М[5; они позволяют получать большие числа Re при относительно малой мощности компрессоров. Малый секундный расход воздуха через компрессор даёт возможность создавать небольшие по размерам и хорошо работающие осушители воздуха. Давление в баллонах воздушного аккумулятора может достигать 100 МПа. А. т. 2-й группы (рис. 4) используются, когда необходимо получить числа M >5 при достаточно больших значениях числа Re. Одной из осн. особенностей А. т. больших чисел М(М>5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате быстрого понижения темп-ры с ростом числа M. В отличие от водяных паров, воздух при давлениях в рабочей части р>1 кПа (10мм рт. ст.) конденсируется без заметного переохлаждения. Конденсация его существенно изменяет свойства струи, вытекающей из сопла, и делает её практически непригодной для аэродинамич. эксперимента.

Рис. 4. Две аэродинамические трубы с повышенным давлением на входе в сопло и с пониженным давлением на выходе из диффузора, создаваемым двух-ступенчатым эжектором (верхняя труба) и вакуумным газгольдером (нижняя): 1 — компрессор высокого давления; 2 — осушитель воздуха; 3 — баллоны высокого давления; 4 — дроссельный кран; 5 — ресивер сопла; 6 — сопло; 7 — модель; 8 — диффузор аэродинамической трубы; 9 — эжекторы; 10 — дроссельные краны; 11 — диффузор эжектора; 12 — быстродействующий кран; 13 — вакуумный газгольдер; 14 — вакуумный насос; 15-подогреватель воздуха.

Предельное число Мс, соответствующее началу равновесной конденсации воздуха, является ф-цией полного давления р0 и темп-ры T0 газа, расширяющегося в сопле (рис. 5). Для предотвращения конденсации воздух подогревается до заданной темп-ры в подогревателе 15 (рис. 4).

Трансзвуковые аэродинамич. трубы позволяют исследовать модели летат. аппаратов при скоростях полёта, близких или равных скорости звука. Особенностью обтекания тел в этих условиях является большой угол между фронтом возникающих ударных волн и скоростью потока перед телом .

Рис. 5. Зависимость предельного числа Mc от давления и температуры в форкамере перед соплом.

В отличие от условий свободного полёта, в А. т. фронт ударной волны, отразившись от границ рабочей части, может пересечь поверхность модели, искажая её обтекание.

Рис. 6. Схема трансзвуковой аэродинамической трубы. 1 — сопло; 2 — камера, 3 — перфорированная стенка; 4 — регулируемая створка диффузора; 5 — диффузор;6 — модель.

В трансзвуковых А. т. боковые стенки рабочей части делают щелевыми или перфорированными. Подбирая форму и размер перфорации, можно предотвратить отражение от стенок волн сжатия и разрежения, возникающих при обтекании модели. Проницаемость боковых стенок трансзвуковой А. т. (рис. 6) позволяет изменять расход воздуха через перфорацию путём изменения перепада давления, что дает возможность непрерывно изменять числа M в рабочей части в трансзвуковом диапазоне 0,7 -3 с).

Рис. 7. а — схема ударной аэродинамической трубы; б — циклограмма её работы в координатах: время t, длина вдоль оси трубы L.

Ударная аэродинамич. труба (рис. 7) состоит из двух цилиндрич. ёмкостей 1 и 2, сверхзвукового сопла 3 и вакуумированного газгольдера 4. Мембраны 5 и 6 отделяют разгоняющий газ от рабочего, а рабочий — от сопла. В начале эксперимента давление и темп-pa разгоняющего газа в отсеке 1 повышаются до значений, существенно превышающих соответствующие величины рабочего газа в отсеке 2. Мембрана 5 разрушается, и разгоняющий газ, отделённый от рабочего т. н. контактной поверхностью, устремляется в отсек 2, при этом в рабочем газе возникает ударная волна. Скорость движения ударной волны I (рис. 7, 6)значительно больше скорости движения контактнон поверхности II. Проходя по рабочему газу, ударная волна повышает в нём давление и темп-ру и сообщает ему скорость, равную скорости движения контактной поверхности.

Дойдя до мембраны 6, ударная волна отражается от неё и движется по рабочему газу в обратном направлении I‘, вторично повышая его давление и темп-ру. Повышение давления приводит к разрушению мембраны 6, рабочий газ устремляется в сверхзвуковое сопло 3, ускоряется в нём и обтекает исследуемую модель 7. Длительность установившегося обтекания рабочим газом модели т определяется как время, прошедшее с момента разрыва мембраны 6 до момента прихода контактной поверхности II или волны разрежения III в сопло 3. Повышение давления и темп-ры рабочего газа тем больше, чем больше скорость движущейся в нём ударной волны, к-рая зависит от отношения начальных давлений и скоростей звука в отсеках 1 и 2. В качестве разгоняющего газа часто используют нагретый водород или гелий, а в качестве рабочего газа — азот или воздух.

В ударных А. т. получают давление торможения

2*10 7 Па при темп-ре торможения

8000 К и 6 MC. Для получения высоких значений давления и темп-ры при достаточной длительности эксперимента увеличивают длину отсеков 1 и 2, к-рая у совр. ударных А. т. достигает

Импульсные аэродинамич. трубы (рис. 8) значительно более компактны. Они состоят из разрядной камеры 1, отделённой от сверхзвукового сопла 4 мембраной 3. Рабочий газ, выходящий из сопла, проходит рабочую часть 5, где установлена модель б, и поступает в откачанный газгольдер 7. Перед запуском установки давление в камере 1 повышается до заданной величины и между электродами 2 производится разряд батареи конденсаторов. Сила тока в разряде достигает 10 6 А. Давление и темп-pa в камере возрастают, мембрана 3 разрывается и начинается течение газа, давление и темп-pa к-рого в камере 1 достигают в нач. момент 4500 К и 1,5*10 8 Па. Время эксперимента 10 MC. В процессе эксперимента темп-pa и давление в камере монотонно убывают, а в рабочем газе присутствуют продукты уноса электродов. Увеличение эрозии электродов ограничивает возможности дальнейшего повышения параметров в камере.

Рис. 8. Схема им-пульсиой аэродинамической трубы.

Электродуговые аэродинамич. трубы (рис. 9) представляют собой особый класс установок, обеспечивающих давление в камере

10 7 Па и темп-ру

5000 К при времени работы 5-10 с. Осн. область их применения — исследование свойств теплозащитных материалов, работающих при высоких темп-pax. Дуговой разряд между охлаждаемыми поверхностями центр. электрода 6 и камеры 7 вращается магн. полем, создаваемым катушкой 8. Это уменьшает эрозию электродов, однако она остаётся значительной, и дуговые подогреватели обычно не применяют в установках, на к-рых исследуют аэродинамич. характеристики летат. аппаратов.

Высотные аэродинамич. трубы (рис. 10) предназначены для исследования обтекания моделей разреженным газом, что соответствует полётам на больших высотах, когда числа 10 -2 -10 2 . Подготовка установки к запуску начинается с откачки камеры форвакуумными диффузионными насосами и захолаживания панелей криогенного насоса.

Рис. 9. Схема электродуговой аэродинамической трубы: 1 — форкамера сопла; 2 — сопло; 3 — рабочая часть с высотной камерой; 4 — диффузор; 5 — модель; 6 — грибовидный электрод; 7 — разряд; 8 — индукционная катушка; 9 — рабочий газ (воздух); 10 — охлаждающая вода; I — ток дугового разряда; II — ток индукционной катушки.

Рабочий газ поступает из баллонов высокого давления в ресивер 5, где установлен подогреватель 7. Расширяясь в сопле 6 до заданного значения числа M, газ обтекает исследуемую модель 9 и конденсируется на панелях криогенного насоса 3 и 4. Внеш. панели 3 охлаждаются жидким азотом, а внутренняя 4 — гелием, охлаждённым до Тy20 К. Установки рассматриваемого типа обеспечивают давление в рабочей части p

10 -3 Па и значит. длительность эксперимента 10 3 с.

Рис. 10. Схема высотной аэродинамической трубы: 1 — корпус высотной камеры; 2 — люк в стенке камеры, закрытый стеклом; 3 и 4 — панели криогенного насоса; 5 — ресивер сопла; 6 — сопло, 7 — подогреватель рабочего газа; 8 — координатник; 9 — модель.

Аэроакустические аэродинамич. трубы предназначены для исследования влияния акустич. полей на прочность конструкции изучаемого изделия, работу приборных отсеков и т. п. В большинстве случаев рассматривается воздействие акустич. поля, возникающего при работе двигателей и обтекании поверхностей летат. аппарата. Аэроакустич. А. т. отличаются от обычных тем, что их конструкция предусматривает спец. мероприятия, препятствующие проникновению в рабочую часть акустич. полей, связанных с работой силовой установки и вентиляторов А. т. Стенки рабочей части покрывают звукопоглощающим материалом, чтобы они не отражали звуковые волны, возникающие при обтекании модели и работе установленных на ней двигателей.

Аэроакустич. А. т.- один из видов А. т. спец. назначения, предназначенных для решения конкретных аэродинамич. задач. К такого рода А. т. относятся также штопорные, малотурбулентные А. т., установки для испытания воздушно-реактивных двигателей, воздухозаборников, сопел и др.

В гидродинамике для исследования характеристик водных гребных винтов, подводных лодок, подводных частей судов и др. применяют гидродинамич. и кавитац. трубы, устройство и принцип действия к-рых во многом схожи с А. т., но рабочим телом в них является вода.

Лит.: Пэнкхёрст Р., Холдер Д., Техника эксперимента в аэродинамических трубах, пер. с англ., M., 1955; Горлин С. M., Слезингер И. И., Аэромеханичеокиё измерения. Методы и приборы, M., 1964; Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей, пер. с англ., M., 1968; Горлин С. M., Экспериментальная аэромеханика) M., 1970; Экспериментальные методы в динамике разреженных газов, Новосиб.. 1974. М. Я. Юделович

Сопло для пескоструйного аппарата. Как найти самое долговечное?

Качественная поверхностная очистка металлических поверхностей концентрированной струёй песка невозможна, если неверно определены параметры сопла – выходной части устройства. Сопло для пескоструйного аппарата – самая быстроизнашивающийся его деталь, долговечность которой, в зависимости от материала и расхода воздушно-песчаной смеси, не превышает 800…1000 часов, если учесть что оно правильно подобрано. О выборе, сегодня, и пойдёт речь в нашей статье.

Конструкция типового сопла

Простейшее сопло для пескоструйного аппарата представляет собой полую трубку с резьбовой частью на одном из концов, которая предназначена для присоединения детали к соплодержателю.

Основные геометрические характеристики сменных сопел промышленного производства:

  1. Диаметр присоединительной резьбы (зависит от технической характеристики пескоструйного аппарата, но обычно используется трубная цилиндрическая резьба 2” или 1¼”). Возможен также вариант соединения сопла с соплодержателем при помощи накидной гайки и герметизирующей шайбы. Сопла, изготовленные своими руками, присоединяют к шлангу рабочей установки при помощи обычных хомутов.
  2. Длина детали, которая варьируется в диапазоне 7…23 мм (более короткие используются для очистки менее загрязнённых поверхностей).
  3. Диаметр внутреннего отверстия в его минимальном поперечном сечении. Выпускаются сменные наконечники с диаметрами 6, 8, 10 и 12 мм.
  4. Заходный диаметр сопла, определяемый диаметром присоединительного шланга (он может быть 25 или 32 мм).

Главным параметром рассматриваемой детали является профиль внутреннего отверстия, который определяет потери расхода воздушно-песчаной смеси, скорость её на входе и выходе из сопла, а также величину суммарного гидравлического сопротивления, которое в итоге и определяет долговечность сопла.

Наиболее простым вариантом (пригодным для изготовления своими руками) является сопло с цилиндрическим внутренним отверстием постоянного диаметра. Но для улучшения аэродинамических характеристик на таких деталях иногда изготавливают два конических участка:

  • Входной конфузор, наличие которого позволяет увеличить энергию потока смеси, входящей в сопло;
  • Выходной диффузор, наличие которого способствует увеличению площади поверхности, обрабатывающейся одновременно. Энергия потока при этом падает, поэтому при необходимости более качественной очистки, диффузорный профиль окончания сопла предусматривают не всегда.

Наиболее эффективным профилем внутреннего отверстия для обеспечения минимальных потерь потока является сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури.

В этом случае отверстие состоит из трёх взаимосвязанных участков, каждый из которых выполняет определённые функции:

  1. На входе сопла с профилем Вентури имеется конфузорное расширение, угол которого, однако, меньше, чем у конфузора обычного сопла (не более 20…22º). Конфузорная часть занимает до 30% от общей длины детали.
  2. Цилиндрическая часть, длиной не более 15%.
  3. Диффузорная часть с достаточно малым углом расширения (7…15º), длина которого определяется размером самого сопла в плане.

С целью снижения гидродинамического сопротивления рабочей смеси, которая движется в канале сопла, все переходы от одной части к следующей выполняются с радиусными закруглениями, величина которых принимается в пределах r = (0,02…0,03) d, где d — диаметр средней, цилиндрической части сопла.

Как выбирать сопло для пескоструйного аппарата?

Сопло с профилем Вентури позволяет увеличить скорость перемещения песчано-воздушной смеси в 2,5…3 раза по сравнению с соплами иной конфигурации внутреннего отверстия. Современное сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури способно обеспечить движение частиц на выходе до 700…720 км/ч. При этом производительность очистки при тех же расходах смеси и давлениях увеличивается примерно в 2 раза.

Ориентировочно выбор параметров сопла можно производить по следующим критериям:

  • По производительности. При требуемой производительности установки до 10…12 м 3 /ч внутренний диаметр сопла не превышает 8 мм, при 12…22 м 3 /ч – 10 мм, при более высоких значениях производительности диаметр внутреннего канала должен быть 12 мм;
  • По наибольшему давлению воздуха. Если оно не превышает 5 ат, то диаметр канала может приниматься 6…8 мм, при давлениях до 7 ат – 8…10 мм, при более высоких давлениях – 12 мм;
  • В зависимости от удельного расхода абразива. Если данный параметр не превышает 200…250 кг/ч, то пригодно сопло диаметром 6 мм, при 350…400 кг/ч – 8 мм, при 600…900 кг/ч — 10 мм, в остальных случаях – 12 мм.

Данные рекомендации касаются сопел с цилиндрическими внутренними отверстиями. Для пересчёта приведённых данных на сопло для пескоструйного аппарата с профилем Вентури данные по производительности обработки следует увеличить на 35…50%, по расходу – на 60…75%, а по давлению – на 15…20%.

Важным элементом выбора считают материал сопла. Обычные высокоуглеродистые стали с повышенной абразивной стойкостью (например, стали типа 75 или 65Г) для этих целей подходят мало, поскольку при состоянии закалки на максимальную твёрдость отличаются повышенной чувствительностью к ударным нагрузкам, которые неизбежно возникают в начальный момент подачи в сопло абразивной смеси.

Ещё меньшую стойкость имеют керамические композиции. Например, при изготовлении сопла своими руками часто используют в качестве исходной заготовки отработанную свечу от автомобильного двигателя, удаляя из неё металлический корпус. При этом не учитывают, что керамика в конструкции свечи рассчитана на работу с газовым потоком, в котором отсутствуют твёрдые абразивные частицы. Поэтому стойкость таких керамических сопел, изготовленных своими руками, не превышает нескольких часов.

Более работоспособным является вариант с твердосплавными соплами, которые изготавливаются из карбида вольфрама. Поверхностная твёрдость таких изделий достигает 85…90 HRA, при поверхностной прочности по изгибу до 1400…1600 МПа. Недостаток таких решений – высокая чувствительность карбидов вольфрама к температуре. При повышении температуры до 80…100ºС (что вполне вероятно при длительной пескоструйной обработке) на поверхности сопла могут появиться температурные трещины. Стойкость сопел из твёрдых сплавов достигает 750…800 ч.

Наилучший вариант – изготовить сопло из карбида бора. При примерно такой же твёрдости и прочности, карбиды бора выгодно отличаются своей высокой устойчивостью от температурных перепадов, поэтому сохраняют свою работоспособность при температурах 600…750ºС.

Небезынтересно сравнить и цены на сопла пескоструйных установок. Промышленные изделия из карбида бора в зависимости от длины, профиля и диаметра внутреннего отверстия можно приобрести за 1200…1600 руб., а твердосплавные сопла – за 2500…7000 руб.

Тема №1

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия — на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура — на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12 Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы.

1- хонейкомб 2 — сетки 3 — форкамера 4 — конфузор 5 — направление потока 6 — рабочая часть с моделью 7 — диффузор, 8 — колено с поворотными лопатками, 9 — компрессор 10 — воздухоохладитель

Рис. 13 Схема баллонной трансзвуковой эжекторной аэродинамической трубы

1 — хонейкомб 2 — сетки 3 — форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 — подвод воздуха от баллонов

Рис. 14 Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы

1 — баллон со сжатым воздухом 2 — трубопровод 3 — регулирующий дроссель 4 — выравнивающие сетки 5 — хонейкомб 6 — детурбулизирующие сетки 7 — форкамера 8 — конфузор 9 — сверхзвуковое сопло 10 — рабочая часть с моделью 11 — сверхзвуковой диффузор 12 — дозвуковой диффузор 13 — выброс в атмосферу

Рис. 15 Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы

1 — баллон с высоким давлением 2 — трубопровод 3 — регулирующий дроссель 4 — подогреватель 5 — форкамера с хонейкомбом и сетками 6 — гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 — рабочая часть с моделью 8 — гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 — воздухоохладитель 10 — направление потока 11 — подвод воздуха в эжекторы 12 — эжекторы 13 — затворы 14 — вакуумная емкость 15 — дозвуковой диффузор

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

ОБТЕКАНИЕ ТЕЛ ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ

При обтекании твердого тела воздушный поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений воздуха. Наличие различных по величине давлений у поверхности твердого тела приводит к возникновению аэродинамических сил и моментов. Распределение этих сил зависит от характера обтекания тела, его положения в потоке, конфигурации тела. Для изучения физической картины обтекания твердых тел применяются различные способы показа видимой картины обтекания тела. Видимую картину обтекания тел воздушным потоком принято называть аэродинамическим спектром.

Для получения аэродинамических спектров применяют такие приборы, как дымканалы (Рис. 16), используют шелковинки, оптические меры исследования (для сверхзвуковых потоков) и др.

1 — источник дыма; 2 — струйки дыма; 3 — обтекаемое тело; 4 — вентилятор

В дымканале аэродинамический спектр создается струйками дыма, выпускаемыми из специального дымаря в поток воздуха, обтекающий тело.

Сущность способа с использованием шелковинок состоит в том, что в интересующих местах на поверхность обтекаемого тела наклеиваются специальные шелковинки, которые при обдуве тела располагаются вдоль обтекающих тело струек. По положению шелковинок судят о характере движения потока вблизи поверхности тела.

Рассмотрим аэродинамические спектры некоторых тел.

Плоская пластинка (Рис. 17), помещенная в поток под углом 90°, создает довольно резкое изменение направления движения потока, обтекающего ее: торможение потока перед ней, поджатие струек у ее краев и образование непосредственно за краем пластинки разрежения и больших вихрей, которые заполняют всю область за пластинкой. Позади пластинки можно наблюдать хорошо заметную спутную струю. Перед пластинкой давление будет больше чем в невозмущенном потоке, а за пластинкой вследствие разрежения давление уменьшится.

Рис. 17 Аэродинамический спектр плоской пластинки и шара

Симметричное удобообтекаемое (каплеобразное) тело имеет более плавный характер обтекания как в передней, так и в хвостовой частях.

В сечении А — В (наибольшая величина поперечного сечения аэродинамический спектр показывает наибольшую деформацию струек, наибольшее их поджатие. В хвостовой части образуются небольшие завихрения потока, которые создают спутную струю и уносятся потоком, постепенно затухая (Рис. 18).

Рис. 18 Аэродинамический спектр удобообтекаемого тела

Удобообтекаемое несимметричное тело по характеру обтекания близко к удобообтекаемому симметричному, и отличается величиной деформации струек в верхней и нижней частях тела (см. Рис. 19).

Рис. 19 Аэродинамический спектр удобообтекаемого несимметричного тела (профиля крыла)

Наибольшая деформация струек наблюдается там, где тело имеет наибольшую величину искривления поверхности тела (точка К). В районе этой точки струйки поджимаются, поперечное сечение их уменьшается. Нижняя, менее искривленная поверхность мало влияет на характер обтекания. Здесь имеет место так называемое несимметричное обтекание. При обтекании воздушным потоком симметричных (и несимметричных) удобообтекаемых тел, помещенных под некоторым углом к вектору скорости невозмущенного потока (Рис. 20), также будем иметь картину несимметричного обтекания и получим аэродинамический спектр, аналогичный тому, что получается при обтекании несимметричного удобообтекаемого тела (см. Рис. 19).

Рис. 20 Аэродинамический спектр удобообтекаемого тела (профиля крыла), помещенного в поток под углом a

На верхней поверхности тела, в месте наибольшего поджатия струек, согласно закону неразрывности струй будет наблюдать местное увеличение скорости потока и, следовательно, уменьшение давления. На нижней поверхности деформация потока будет меньше и, следовательно, меньше изменение скорости и давления.

Нетрудно заметить, что степень деформации струек в потоке будет зависеть от конфигурации тела и его положения в потоке. Зная спектр обтекания тела, можно для каждой его точки подсчитать величину давления воздуха и таким образом судить о величинах и характере действия аэродинамических сил. Так как на различные точки поверхности обтекаемого тела (профиля крыла) действуют разные по величине силы давления, результирующая их будет отлична от нуля. Это различие давлений в разных точках поверхности движущегося крыла является основным фактором, обусловливающим появление аэродинамических сил.

Величины давлений на поверхность для различных тел определяют в лабораториях путем продувки в аэродинамических трубах. Полученные значения давлений для каждой точки наносят на специальные графики (Рис. 21)

Кроме сил давления, на поверхность крыла по касательной к ней действуют силы трения, которые обусловлены вязкостью воздуха и целиком определяются процессами, происходящими в пограничном слое.

Суммируя распределенные по поверхности крыла силы давления и трения, получим равнодействующую силу, которая называется полной аэродинамической силой.

Точка приложения полной аэродинамической силы на хорде профиля крыла называется центром давления.

Рис. 21 Распределение давлений по профилю крыла

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о