способ определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении, заключающийся в размещении за выходным срезом сопла штанги с термодатчиками, роль которых выполняют термопары, и измерении температур газа, отличающийся тем, что съемное сопло устанавливают в стенке камеры через отверстие в другой стенке внутрь камеры концом, выполненным с острой входной кромкой и обращенным в сторону выходного среза сопла, вводят часть штанги, представляющей собой вихревую трубу с размещенным внутри нее по меньшей мере одним завихрителем потока и герметично соединенной со стенкой камеры с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси штанги, и в ее осевом направлении, при этом одна часть термопар распределена по длине вихревой трубы за завихрителем, установленным на ее входном участке, обращенном к соплу, в направлении движения потока по меньшей мере в одном первом продольном сечении трубы, обеспечивая измерение температуры вихревого потока у внутренней поверхности вихревой трубы в разных поперечных сечениях, а другая часть термопар заделана в стержни, которые распределены по длине вихревой трубы за завихрителем в направлении движения потока во втором продольном сечении трубы, не совпадающем с первым, и через отверстия в стенке вихревой трубы вставлены внутрь последней с возможностью перемещения в радиальном направлении, обеспечивая измерение температуры вихревого потока в осевой зоне вихревой трубы, а измерение температур газа при установленном давлении перед соплом и расстоянии "а" между входной кромкой вихревой трубы и выходным сечением сопла осуществляют при сканировании потока газа вихревой трубой в выбранном сечении в условиях, при которых за выходным сечением каждого завихрителя потока происходит разделение частиц газа по плотности в порядке возрастания ее по направлению к приосевой зоне вихревого потока или его периферийной зоне, обеспечиваемых путем совместного регулирования регулирующего запорного устройства, установленного на трубопроводе отвода газа из камеры, и степени открытия дроссельной заслонки, установленной на выходе из вихревой трубы.

2. Устройство для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении, содержащее штангу с термодатчиками, роль которых выполняют термопары, обращенную одним концом в сторону выходного среза сопла, отличающееся тем, что съемное сопло установлено в стенке камеры, внутреннее пространство которой сообщено с трубопроводом отвода газа, снабженным регулирующим запорным устройством, на трубопроводе подвода газа к соплу установлено регулирующее запорное устройство, обеспечивающее регулирование давления газа на входе в сопло, а часть штанги, представляющей собой вихревую трубу, обращенным в сторону выходного среза сопла концом, выполненным с острой входной кромкой, введена в камеру через отверстие в другой стенке и герметично соединена со стенкой посредством устройства, обеспечивающего перемещение штанги в плоскости, перпендикулярной оси штанги, и в ее осевом направлении, при этом внутри вихревой трубы размещен по меньшей мере один завихритель потока, на выходе из трубы установлена дроссельная заслонка, одна часть термопар распределена по длине вихревой трубы за завихрителем потока, установленным на ее входном участке, обращенном к соплу, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении вихревой трубы и закреплена в стенке последней, а другая часть термопар заделана в стержни, которые распределены по длине вихревой трубы за завихрителем в направлении движения потока во втором продольном сечении трубы, не совпадающем с первым, и через отверстия в стенке вихревой трубы вставлены внутрь последней с возможностью перемещения в радиальном направлении.

3. Устройство для определения неоднородности температурного поля по п.2, отличающееся тем, что внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, выполнен шнековым многозаходным.

5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, выполнен лопаточным.

6. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что каждый последующий завихритель потока в направлении движения газа, отсчитываемый от завихрителя потока, расположенного на входном участке вихревой трубы, выполнен лопаточным.

7. Устройство по любому из пп.2 - 6, отличающееся тем, что входное сечение завихрителя потока, расположенного на входном участке вихревой трубы, смещено в направлении движения потока относительно входного сечения последней.

8. Устройство по любому из пп.2 - 7, отличающееся тем, что вихревая труба снабжена несколькими сменными комплектами завихрителей потока, отличающимися между собой характеристиками завихрителей.

9. Устройство по любому из пп.2 - 8, отличающееся тем, что каждый завихритель потока выполнен съемным.

10. Устройство по любому из пп.2,3,5 - 7,9, отличающееся тем, что каждый завихритель потока, установленный в вихревой трубе, выполнен с возможностью изменения угла выхода потока газа из завихрителя к оси вихревой трубы в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло, и параметров его истечения: давления и температуры газа на входе в сопло и его давления за соплом.

11. Устройство по любому из пп.5 - 9, отличающееся тем, что в лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен по меньшей мере на два канала боковым участком по меньшей мере одного цилиндрического пустотелого тела, соосного вихревой трубе.

12. Устройство для определения неоднородности температурного поля по любому из пп. 5 - 9, отличающееся тем, что в лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен участок по меньшей мере одного пустотелого усеченного тела вращения, соосного вихревой трубе, по меньшей мере на два канала.

13. Устройство по любому из пп.5 - 9, отличающееся тем, что в лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен по меньшей мере одной плоской перегородкой, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней правильного многогранника, соосного вихревой трубе и имеющего количество граней, равное количеству каналов, образованных каждыми двумя смежными лопатками завихрителя потока, по меньшей мере на два канала.

14. Устройство по любому из пп.11 - 13, отличающееся тем, что в лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый периферийный канал, образованный двумя смежными лопатками, перегородкой и участком внутренней поверхности вихревой трубы, в каждом сечении последней на участке завихрителя потока симметрично разделен по меньшей мере одной перегородкой, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток.

15. Устройство по любому из пп.11 - 14, отличающееся тем, что обращенный навстречу потоку торец каждой перегородки, выполненной в каждом канале лопаточного завихрителя потока, образованном двумя смежными лопатками, выполнен заостренным.

16. Устройство по любому из пп.2 - 15, отличающееся тем, что расстояние между выходным сечением каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока не превышает длины участка вихревой трубы, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока.

17. Устройство по любому из пп.2 - 15, отличающееся тем, что расстояние между выходным сечением каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока не превышает длины участка вихревой трубы, на котором максимальное значение окружной скорости потока, выходящего из выходного сечения предыдущего завихрителя потока, снижается до ее критического значения.

18. Устройство по любому из пп.2 - 17, отличающееся тем, что каждый последующий по движению потока завихритель потока установлен с возможностью смещения в осевом направлении вихревой трубы в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло, и параметров его истечения: давления и температуры газа на входе в сопло и его давления за соплом.

19. Устройство по любому из пп.5 - 9, 16 - 18, отличающееся тем, что каждый лопаточный завихритель потока выполнен с центральным цилиндрическим и соосным вихревой трубе отверстием для прохода части потока газа, а лопатки при этом размещены снаружи кольцеобразного элемента, внутренняя поверхность которого образует вышеуказанное отверстие, при этом торец вышеуказанного элемента, обращенный навстречу потоку, выполнен заостренным.

20. Устройство по любому из пп.2 - 19, отличающееся тем, что вихревая труба выполнена составной, состоящей из нескольких взаимозаменяемых частей, обеспечивающих изменение ее длины в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло, и параметров истечения: давления и температуры газа на входе в сопло и его давления за соплом.

21. Устройство по любому из пп.2 - 20, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой трубы выполнена в форме усеченного конуса, вершина которого обращена в сторону, противоположную направлению движения потока газа.

22. Устройство по любому из пп.18 - 20, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой трубы на участках между каждыми двумя смежными завихрителями потока выполнена в форме усеченного конуса, вершина каждого из которых обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках, на которых осуществляется перемещение завихрителей потока в осевом направлении вихревой трубы, внутренняя поверхность последней выполнена цилиндрической формы.

23. Устройство по любому из пп.2 - 20, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой трубы выполнена в направлении движения потока газа коническо-цилиндрической, при этом внутренняя поверхность участка вихревой трубы, примыкающего к ее входному сечению, выполнена в форме усеченного конуса с вершиной, обращенной навстречу потоку, а на последнем участке, примыкающем к выходному сечению вихревой трубы, внутренняя поверхность последней выполнена цилиндрической диаметром, равным диаметру большего основания усеченного конуса.

24. Устройство по любому из пп.2 - 20, отличающееся тем, что площадь проходного сечения вихревой трубы увеличивается в направлении к выходу потока из последней.

25. Устройство по любому из пп.2, 4, 5, 7 - 15, 19 - 21, 23, 24, отличающееся тем, что по меньшей мере на части длины вихревой трубы, расположенной на стороне входа потока газа в последнюю, выполнены периферийные каналы в ее стенке, сообщенные на всей их длине с внутренним пространством вихревой трубы, создающие сопротивление вращательному движению потока.

26. Устройство по любому из пп.2, 4, 5, 7 - 15, 19 - 21, 23, 24, отличающееся тем, что на всей длине вихревой трубы выполнены периферийные каналы ее в стенке, сообщенные на всей их длине с внутренним пространством вихревой трубы, создающие сопротивление вращательному движению потока.

27. Устройство по п.25 или 26, отличающееся тем, что каналы выполнены цилиндрическими.

28. Устройство по п.25 или 26, отличающееся тем, что каналы в своем поперечном сечении выполнены прямоугольной формы.

29. Устройство по любому из пп.25 - 28, отличающееся тем, что ось каждого канала совпадает с плоскостью продольного сечения вихревой трубы, при этом каналы размещены симметрично относительно оси последней.

30. Устройство по любому из пп.25 - 28, отличающаяся тем, что каждый канал выполнен винтовым.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что направление закрутки каждого винтового канала совпадает с направлением вращения потока газа.

32. Устройство по п.30, отличающееся тем, что направление закрутки каждого винтового канала противоположно направлению закрутки потока газа.

33. Устройство по любому из пп.2, 4, 5, 7 - 15, 19 - 21, 23, 24, отличающееся тем, что по меньшей мере на части длины вихревой трубы, расположенной на стороне входа потока газа в трубу, на ее внутренней поверхности нарезана резьба.

34. Устройство по любому из пп.2 - 33, отличающееся тем, что вихревая труба установлена в камере в среднем базовом положении вертикально.

35. Устройство по любому из пп.2 - 33, отличающееся тем, что вихревая труба установлена в камере в среднем базовом положении под углом к горизонтальной плоскости.

36. Устройство по любому из пп.2 - 35, отличающееся тем, что передний торец дроссельной заслонки, установленной на выходе из вихревой трубы, выполнен в форме конуса с вершиной, обращенной навстречу потока газа.

37. Устройство по любому из пп.2 - 35, отличающееся тем, что передний торец дроссельной заслонки, установленной на выходе из вихревой трубы, выполнен в форме конусообразного тела вращения, соосного с вихревой трубой, с вершиной, обращенной навстречу потока газа, и вогнутостью, образующей тела вращения, выполненной в направлении к оси вращения тела.

38. Устройство по любому из пп.2 - 35, отличающееся тем, что дроссельная заслонка выполнена с центральным сквозным отверстием, соосным вихревой трубе и снабженным набором сменных диафрагм, отличающихся друг от друга размером проходного сечения отверстия.

39. Устройство по любому из пп.2 - 38, отличающееся тем, что выход для газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы сообщен с атмосферой.

40. Устройство по любому из пп.2 - 39, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы установлено регулирующее запорное устройство.

41. Устройство по любому из пп.2 - 38, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы соединен с герметичной емкостью, которая соединена с отсасывающим устройством, а между последними установлено регулирующее запорное устройство.

42. Устройство по п. 41, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы между последней и герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

43. Устройство по любому из пп.2 - 38, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы соединен с отсасывающим устройством.

44. Устройство по п.43, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через дроссельную заслонку из вихревой трубы между последней и отсасывающим устройством установлено регулирующее запорное устройство.

45. Устройство по п.38, отличающееся тем, что выход для газа через диафрагму из вихревой трубы сообщен с атмосферой.

46. Устройство по п. 38 или 39, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через диафрагму из вихревой трубы установлено регулирующее запорное устройство.

47. Устройство по п.38, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа через диафрагму из вихревой трубы соединен с герметичной емкостью, которая соединена с отсасывающим устройством, а между последними установлено регулирующее запорное устройство.

48. Устройство по п.47, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через диафрагму из вихревой трубы между последней и герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

49. Устройство по п.38, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа через диафрагму из вихревой трубы соединен с отсасывающим устройством.

50. Устройство по п.49, отличающееся тем, что на трубопроводе отвода газа через диафрагму из вихревой трубы между последней и отсасывающим устройством установлено регулирующее запорное устройство.

51. Устройство по любому из пп.2 - 50, отличающееся тем, что камера выполнена со смотровыми окнами.

52. Устройство по любому из пп.2 - 51, отличающееся тем, что в дополнение к регулирующему запорному устройству в стенке камеры выполнено по меньшей мере одно отверстие со штуцером, снабженным набором сменных шайб и заглушкой.

53. Устройство по любому из пп.2 - 52, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа из камеры за регулирующим запорным устройством в направлении движения потока газа соединен с отсасывающим устройством.

54. Устройство по любому из пп.2 - 52, отличающееся тем, что трубопровод отвода газа из камеры за регулирующим запорным устройством в направлении движения потока газа соединен с герметичной емкостью, соединенной с отсасывающим устройством, а между последним и герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

55. Устройство по любому из пп.2 - 54, отличающееся тем, что съемное сопло установлено в стенке камеры с возможностью поворота его оси на угол относительно базового положения вышеуказанной оси, при котором последняя располагается по меньшей мере параллельно оси вихревой трубы, а при повороте ось сопла перекрещивается с осью при базовом положении последнего.

56. Устройство по любому из пп.2 - 55, отличающееся тем, что снаружи камеры размещен сильфон, одним концом соединенный со стенкой камеры, а другим концом - с вихревой трубой, выступающий из сильфона конец которой закреплен в устройстве, обеспечивающем перемещения вихревой трубы в трех координатных направлениях и повороты ее на угол вокруг своей оси в обе стороны от среднего положения и ее оси плоскости на угол относительно базового положения оси сильфона, и снабженном координатным определителем положения центра входного отверстия вихревой трубы относительно центра выходного сечения сопла.

57. Устройство по любому из пп.2 - 56, отличающееся тем, что вихревая труба соединена со стенкой камеры посредством фланца с обеспечением возможности перемещения трубы в направлениях, перпендикулярных ее оси, при этом между стенкой и фланцем установлена сменная проставка с центральным отверстием для прохода вихревой трубы, и торцевыми поверхностями, расположенными под углом друг к другу.

58. Устройство по любому из пп.2 - 56, отличающееся тем, что к фланцу, свободно надетому на вихревую трубу, соосно последней приварена цилиндрическая втулка, обеспечивающая осевые перемещения вихревой трубы и поворот ее на угол вокруг своей оси, вихревая труба и втулка снабжены стопорным устройством от взаимного осевого перемещения при выполнении замеров, а герметичность соединения вихревой трубы со втулкой обеспечивается сальниковым уплотнением.

59. Устройство по любому из пп.2 - 50, отличающееся тем, что вихревая труба установлена в участок натурной установки, расположенный за выходным сечением сопла и выполняющий роль камеры.

60. Устройство по любому из пп.2 - 59, отличающееся тем, что камера снабжена комплектом сменных вихревых труб, отличающихся друг от друга своими геометрическими характеристиками.

61. Устройство по любому из пп. 2 - 60, отличающееся тем, что часть входного участка вихревой трубы до входного сечения завихрителя потока, установленного на вышеуказанном участке трубы, в направлении движения потока газа выполнена в форме конфузора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу определения неоднородности температурного поля газового потока, возникающей при сверхкритическом истечении из сопла, и устройству для его реализации, что позволяет изучить ранее неизвестное физическое явление, и оно может быть использовано в различных отраслях науки и техники, в частности в энергетике, авиационной, химической, газовой промышленности и других, использующих сопла со сверхкритическим истечением газа.

Известен способ определения изменения температуры газа при дросселировании, заключающийся в том, что газ при начальных параметрах поступает во входную камеру, протекает через пористую пробку в промежуточную камеру, далее через легко проницаемую набивку, снабженную электрическим нагревателем, - в выходную камеру, при этом зона, где температура газа отличается от первоначальной, изолирована теплоизоляцией, а изменение температуры газа, протекающего через прибор, контролируется дифференциальной термопарой и включенным в ее цепь нуль-гальванометром [1].

Недостатком такого способа определения изменения температуры газа при дросселировании является невозможность его использования по целому ряду причин для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении и устройство для его реализации, заключающийся в размещении за выходным срезом сопла штанги с термодатчиками, роль которых выполняют термопары, обращенной одним концом в сторону выходного среза сопла, и измерении температуры газа [2].

Недостатком прототипа в способе определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении является невозможность определения действительной неоднородности температурного поля газового потока, так как он позволяет определить в каждой точке с соответствующими координатами сканируемого сечения потока лишь осредненное значение температуры во времени, при этом полученные значения температур в разных точках замера оказываются близкими друг к другу, а при малой разности давлений на входе в сопло и в среде, в которую происходит истечение, определяемую неоднородность температурного поля обнаружить невозможно.

Цель изобретения - разработка способа определения неоднородности температурного поля газового потока при сверхкритическом истечении из сопла и устройства для его осуществления.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении, заключающемся в размещении за выходным срезом сопла штанги с термодатчиками, роль которых выполняют термопары, и измерении температур газа, съемное сопло устанавливают в стенке камеры, через отверстие в другой стенке внутрь камеры концом, выполненным с острой входной кромкой и обращенным в сторону выходного среза сопла, вводят часть штанги, представляющей собой вихревую трубу с размещенным внутри нее по меньшей мере одним завихрителем потока и герметично соединенной со стенкой камеры с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси штанги, и в ее осевом направлении, при этом одна часть термопар распределена по длине вихревой трубы за завихрителем, установленным на ее входном участке, обращенном к соплу, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении трубы, обеспечивая измерение температуры вихревого потока у внутренней поверхности вихревой трубы в разных поперечных сечениях, а другая часть термопар заделана в стержни, которые распределены по длине вихревой трубы за завихрителем в направлении движения потока во втором продольном сечении трубы, не совпадающем с первым, и через отверстия в стенке вихревой трубы вставлены внутрь последней с возможностью перемещения в радиальном направлении, обеспечивая измерение температуры вихревого потока в осевой зоне вихревой трубы, а измерение температур газа при установленном давлении перед соплом и расстоянии "а" между входной кромкой вихревой трубы и выходным сечением сопла осуществляют при сканировании потока газа вихревой трубой в выбранном сечении в условиях, при которых за выходным сечением каждого завихрителя потока происходит разделение частиц газа по плотности в порядке возрастания ее по направлению к приосевой зоне вихревого потока или его периферийной зоне, обеспечиваемых путем совместного регулирования регулирующего запорного устройства, установленного на трубопроводе отвода газа из камеры, и степени открытия дроссельной заслонки, установленной на выходе из вихревой трубы.

При этом в известном устройстве для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении, содержащем штангу с термодатчиками, роль которых выполняют термопары, обращенной одним концом в сторону выходного среза сопла, съемное сопло установлено в стенке камеры, внутреннее пространство которой сообщено с трубопроводом отвода газа, снабженным регулирующим запорным устройством, на трубопроводе подвода газа к соплу установлено регулирующее запорное устройство, обеспечивающее регулирование давления газа на входе в сопло, а часть штанги, представляющей собой вихревую трубу с обращенным в сторону выходного среза сопла концом, выполненным с острой входной кромкой, введена в камеру через отверстие в другой стенке и герметично соединена со стенкой посредством устройства, обеспечивающего перемещение штанги в плоскости, перпендикулярной оси штанги, и в ее осевом направлении, при этом внутри вихревой трубы размещен по меньшей мере один завихритель потока, на выходе из трубы установлена дроссельная заслонка, одна часть термопар распределена по длине вихревой трубы за завихрителем потока, установленным на ее входном участке, обращенном к соплу, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении вихревой трубы и закреплена в стенке последней, а другая часть термопар заделана в стержни, которые распределены по длине вихревой трубы за завихрителем в направлении движения потока во втором продольном сечении трубы, не совпадающем с первым, и через отверстия в стенке вихревой трубы вставлены внутрь последней с возможностью перемещения в радиальном направлении.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено устройство для определения неоднородности температурного поля газового потока за сопло при сверхкритическом истечении; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вихревая труба с завихрителями потока; на фиг. 4 - сечение по Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение по Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 - сечение по Б-Б на фиг. 3; на фиг. 7 - фрагмент соединения составной вихревой трубы; на фиг. 8 - вихревая труба; на фиг. 9 - вихревая труба с дроссельной заслонкой; на фиг. 10 - вихревая труба; на фиг. 11 - сечение по В-В на фиг. 1; на фиг. 12 - сечение по В-В на фиг. 1; на фиг. 13-дроссельная заслонка; на фиг. 14 - дроссельная заслонка; на фиг. 15-вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 16 - вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 17 - вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 18 - вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 19 - вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 20 - вариант отвода газового потока из вихревой трубы; на фиг. 21 - вариант отвода газа из камеры; на фиг. 22 - вариант установки сопла в камеру; на фиг. 23 - вариант установки вихревой трубы в камеру; на фиг. 24 -вариант установки вихревой трубы в камеру; на фиг. 25 - вариант установки вихревой трубы в камеру; на фиг. 26 - вихревая труба с конфузорным участком; на фиг. 27 - схема неоднородного температурного поля в потоке воздуха при сверхкритическом истечении из сопла; на фиг. 28 - характерное изменение окружной скорости потока W по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя; на фиг. 29 - характерное изменение окружной скорости потока W по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя; на фиг. 30 - фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении Г-Г вихревой трубы на фиг. 8; на фиг. 31 - фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении Г-Г вихревой трубы на фиг. 8; на фиг. 32 -сечение по В-В на фиг. 1; на фиг. 33 - сечение по В-В на фиг. 1.

В способе определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом 1 при сверхкритическом истечении (фиг. 1, 2), заключающемся в размещении за выходным срезом сопла 1 штанги 2 с термодатчиками 3 и 4, роль которых выполняют термопары, и измерении температур газа, съемное сопло 1 устанавливают в стенке 5 камеры 6, через отверстие 7 в другой стенке 8 внутрь камеры 6 концом 9, выполненным с острой входной кромкой 10 и обращенным в сторону выходного среза сопла 1, вводят часть 11 штанги 2, представляющей собой вихревую трубу 2 с размещенным внутри нее по меньшей мере одним завихрителем потока 12 и герметично соединенной со стенкой 8 камеры 6 с возможностью перемещения (X, Y), перпендикулярной оси 13 штанги 2, и в ее осевом направлении (Z), при этом одна часть термопар 3 распределена по длине вихревой трубы 2 за завихрителем 18, установленным на ее входном участке 14, обращенном к соплу 1, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении 1-1 трубы 2, обеспечивая измерение температуры вихревого потока у внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 в разных поперечных сечениях, а другая часть термопар 4 заделана в стержни 16, которые распределены по длине вихревой трубы 2 за завихрителем 12 в направлении движения потока во втором продольном сечении 2-2 трубы 2, не совпадающем с первым 1-1, и через отверстия 17 в стенке вихревой трубы 2 вставлены внутрь последней с возможностью перемещения (X) в радиальном направлении, обеспечивая измерение температуры вихревого потока в осевой зоне вихревой трубы 2.

Измерение температур газа при установленном давлении P₁ перед соплом 1 и расстоянии "а" между входной кромкой 10 вихревой трубы 2, и выходным сечением 3-3 сопла 1 осуществляют при сканировании потока газа вихревой трубой 2 в выбранном сечении в условиях, при которых за выходным сечением 4-4 каждого завихрителя потока 12 происходит разделение частиц газа по плотности в порядке возрастания ее по направлению к приосевой зоне вихревого потока или его периферийной зоне, обеспечиваемых путем совместного регулирования регулирующего запорного устройства 18, установленного на трубопроводе 19 отвода газа из камеры 6, и степени открытия дроссельной заслонки 20, установленной на выходе из вихревой трубы 2.

В устройстве для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом 1 при сверхкритическом истечении (фиг. 1, 2), содержащем штангу 2 с термодатчиками 3 и 4, роль которых выполняют термопары, обращенной одним концом 9 в сторону выходного среза сопла 1, съемное сопло 1 установлено в стенке 5 камеры 6, внутреннее пространство которой сообщено с трубопроводом 19 отвода газа, снабженным регулирующим запорным устройством 18, на трубопроводе 21 подвода газа к соплу 1 установлено регулирующее запорное устройство 22, обеспечивающее регулирование давления P₁ газа на входе в сопло 1, а часть 11 штанги 2, с представляющей собой вихревую трубу 2 с обращенным в сторону выходного среза сопла 1 концом 9, выполненным с острой входной кромкой 10, введена в камеру 6 через отверстие 7 в другой стенке 8 и герметично соединена со стенкой 8 посредством устройства 23, обеспечивающего перемещение (X, Y) штанги 2 в плоскости, перпендикулярной оси 13 штанги 2, и в ее осевом направлении (Z). При этом внутри вихревой трубы 2 размещен по меньшей мере один завихритель потока 12, на выходе из трубы 2 установлена дроссельная заслонка 20, одна часть термопар 3 распределена по длине вихревой трубы 2 за завихрителем потока 12, установленным на ее входном участке 14, обращенном к соплу 1, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении 1-1 вихревой трубы 2 и закреплена в стенке последней, а другая часть термопар 4 заделана в стержни 16, которые распределены по длине вихревой трубы 2 за завихрителем 12 в направлении движения потока во втором продольном сечении 2-2 трубы 2, не совпадающем с первым, и через отверстия 17 в стенке вихревой трубы 2 вставлены внутрь последней с возможностью перемещения (X) в радиальном направлении.

При этом внутри вихревой трубы 2 на расстоянии l от завихрителя потока 12, размещенного на ее входном участке 14, может быть установлен второй завихритель потока 24, обеспечивающий дозакрутку последнего (фиг. 3); завихритель потока 12, установленный на входном участке 14 вихревой трубы 2, может быть выполнен шнековым многозаходным (фиг. 1); завихритель потока 12, установленный на входном участке 14 вихревой трубы 2, может быть выполнен лопаточным (фиг. 1); по крайней мере каждый последующий завихритель потока 24 в направлении движения газа, отсчитываемый от завихрителя потока 12, расположенного на входном участке 14 вихревой трубы 2, может быть выполнен лопаточным (фиг. 1, 3);

Входное сечение 5-5 завихрителя потока 12, расположенного на входном участке 14 вихревой трубы 2, может быть смещено (b) в направлении движения потока относительно входного сечения 6-6 последней 2 (фиг. 1, 3); вихревая труба 2 может быть снабжена несколькими сменными комплектами завихрители потока 12, 24, отличающимися между собой характеристиками завихрителей (фиг. 1, 3) каждый завихритель потока 12, 24 может быть выполнен съемным (фиг. 1, 3);

Каждый завихритель потока 12, 24, установленный в вихревой трубе 2, может быть выполнен с возможностью изменения угла выхода потока газа из первого 12, 24 к оси 13 вихревой трубы 2 в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров его истечения: давления P₁ и температуры T₁ газа на входе в сопло 1 и его давления P₂ за соплом 1 (фиг. 1, 3); в лопаточном завихрителе потока 12, 24, установленном в вихревой трубе 2, каждый канал 25, образованный двумя смежными лопатками 26, может быть разделен по меньшей мере на два канала 27, 28 боковым участком 29 по меньшей мере одного цилиндрического пустотелого тела, соосного вихревой трубе 2 (фиг. 1, 3, 4); в лопаточном завихрителе потока 12, 24, установленном в вихревой трубе 2, каждый канал 25, образованный двумя смежными лопатками 26, может быть разделен участком 30 по меньшей мере одного пустотелого усеченного тела вращения, соосного вихревой трубе 2, по меньшей мере на два канала 27, 28 (фиг. 1, 3, 5); в лопаточном завихрителе потока 12, 24, установленном в вихревой трубе 2, каждый канал 25, образованный двумя смежными лопатками 26, может быть разделен по меньшей мере одной плоской перегородкой 31, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней 32 правильного многогранника 33, соосного вихревой трубе 2 и имеющего количество граней 32, равное количеству каналов 25, образованных каждыми двумя смежными лопатками 26 завихрителя потока 12, 24, при этом при совмещении каждой перегородки 31 с соответствующей гранью 32 многогранника 33 каждая из последних 32 располагается между двумя смежными лопатками 26, по меньшей мере на два канала 27, 28 (фиг. 1, 3, 4); в лопаточном завихрителе потока 12, 24; установленном в вихревой трубе 2, по меньшей мере каждый периферийный канал 34, образованный двумя смежными лопатками 26, перегородкой 29 и по крайней мере участком внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2, в каждом сечении последней 2 на участке завихрителя потока 12, 24 может быть симметрично разделен по меньшей мере одной перегородкой 35, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток 26 (фиг. 1, 3, 4); каждый торец 36, 37, обращенный навстречу потока, каждой перегородки 29, 35, выполненной в каждом канале 25 лопаточного завихрителя потока 12, 24, образованном двумя смежными лопатками 26, может быть выполнен заостренным (фиг. 3,4).

Расстояние l между выходным сечением 4-4 каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 5-5 смежного с ним последующего завихрителя потока 24 может не превышать длины участка вихревой трубы 2, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока (фиг. 3).

Расстояние l между выходным сечением 4-4 каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 5-5 смежного с ним последующего завихрителя потока 24 может не превышать длины участка вихревой трубы 2, на котором максимальное значение окружной скорости W_макс потока, выходящего из выходного сечения 4-4 предыдущего завихрителя потока 12, снижается до ее критического значения W_кр (фиг. 3).

Каждый последующий по движению потока завихритель потока 24 может быть установлен с возможностью смещения (X) в осевом направлении вихревой трубы 2 в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров его истечения: давления P₁ и температуры T₁ газа на входе в сопло 1 и его давления P₂ за соплом 1 (фиг. 1, 3), каждый лопаточный завихритель потока 12, 24 может быть выполнен с центральным цилиндрическим и соосным вихревой трубе 2 отверстием 38 для прохода части потока газа, а лопатки 39 при этом размещаются снаружи кольцеобразного элемента 40, внутренняя поверхность которого образует вышеуказанное отверстие 38, при этом торец 41 вышеуказанного элемента 40, обращенный навстречу потока, выполняется заостренным (фиг. 6).

Вихревая труба 2 может быть выполнена составной, состоящей из нескольких взаимозаменяемых частей 42, 43, 44, обеспечивающих изменение ее длины в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров истечения: давления P₁ и температуры T₁ газа на входе в сопло 1 и его давления P₂ за соплом 1 (фиг. 1, 7).

Внутренняя поверхность 15 вихревой трубы 2 может быть выполнена в форме усеченного конуса, вершина которого обращена в сторону, противоположную направлению движения потока газа (фиг. 8).

Внутренняя поверхность 15 вихревой трубы 2 на участка 45, 46 между каждыми двумя смежными завихрителями потока 12, 24 и 24, 47 может быть выполнена в форме усеченного конуса, вершина каждого из которых обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках 48, 49, на которых осуществляется перемещение завихрителей потока 24, 47 в осевом направлении вихревой трубы 2, внутренняя поверхность 15 последней 2 может быть выполнена цилиндрической формы (фиг. 9)

Внутренняя поверхность 15 вихревой трубы 2 может выполнена в направлении движения потока газа коническо-цилиндрической, при этом внутренняя поверхность участка 50 вихревой трубы 2, примыкающего к ее входному сечению 6-6, может быть выполнена в форме усеченного конуса с вершиной, обращенной навстречу потока, а на последующем участке 51, примыкающем к выходному сечению 7-7 вихревой трубы 2, внутренняя поверхность последней может быть выполнена цилиндрической диаметром d₁, равным диаметру большего основания усеченного конуса (фиг. 10).

Площадь проходного сечения вихревой трубы 2 может увеличиваться в направлении к выходу потока из последней (фиг. 1); по меньшей мере на части длины вихревой трубы 2, расположенной на стороне входа потока газа в последнюю, могут выполняться периферийные каналы 52 в стенке ее, сообщенные в каждом своем сечении (на всей их длине) с внутренний пространством вихревой трубы 2, создающие сопротивление вращательному движению потока (фиг. 1, 11).

На всей длине вихревой трубы 2 могут выполняться периферийные каналы 52 в стенке ее, сообщенные в каждом своем сечении (на всей их длине) с внутренним пространством вихревой трубы 2, создающие сопротивление вращательному движению потока (фиг. 1, 11); каналы могут быть выполнены цилиндрическими (фиг. 11); каналы 52 в своем поперечном сечении могут быть выполнены прямоугольной формы (фиг. 12); ось каждого канала 52 может совпадать с плоскостью продольного сечения вихревой трубы 2, при этом каналы 52 размещаются симметрично относительно оси 13 последней (фиг. 1, 11, 12); каждый канал 52 может быть выполнен винтовым (фиг. 1, 11, 12); направление закрутки каждого винтового канала 52 может совпадать с направлением вращения потока газа (фиг. 1, 11, 12); направление закрутки каждого винтового канала 52 может быть противоположно направлению закрутки потока газа (фиг. 1, 11, 12); по меньшей мере на части длины вихревой трубы 2, расположенной на стороне входа потока газа в трубу 2, на ее внутренней поверхности 15 может быть нарезана резьба (фиг. 1) вихревая труба 2 может быть установлена в камере 6 в среднем базовом положении вертикально (фиг. 1);

Вихревая труба 2 может быть установлена в камере 6 в среднем базовом положении под углом к горизонтальной плоскости (фиг.1); передний торец 53 дроссельной заслонки 20, установленной на выходе из вихревой трубы 2, может быть выполнен в форме конуса с вершиной, обращенной навстречу потока газа (фиг. 1).

Передний торец 53 дроссельной заслонки 20, установленной на выходе из вихревой трубы 2, может быть выполнен в форме конусообразного тела вращения, соосного вихревой трубе 2, с вершиной 54, обращенной навстречу потока газа, и вогнутостью образующей 55 тела вращения, выполненной в направлении к оси 56 вращения тела (фиг. 1, 13).

Дроссельная заслонка 20 может быть выполнена с центральным сквозным отверстием 57, соосным вихревой трубе 2 и снабженным набором сменных диафрагм 58, отличающихся друг от друга размером проходного сечения отверстия 59 (фиг. 1, 14); выход для газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может быть сообщен с атмосферой (фиг. 1); на трубопроводе 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может быть установлено регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 15).

Трубопровод 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может быть соединен с герметичной емкостью 62, которая соединена с отсасывающим устройством 63, а между последними установлено регулирующее запорное устройство 64 (фиг. 16).

На трубопроводе 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 между последней 2 и герметичной емкостью 62 может быть установлено регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 16).

Трубопровод 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может быть соединен с отсасывающим устройством 65 (фиг. 17).

На трубопроводе 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 между последней 20 и отсасывающим устройством 65 может быть установлено регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 17).

Выход для газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может быть сообщен с атмосферой (фиг. 1, 14), на трубопроводе 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может быть установлено регулирующее запорное устройство 67 (фиг. 18).

Трубопровод 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может быть соединен с герметичной емкостью 68, которая соединяется с отсасывающим устройством 69, а между последними 68 и 69 устанавливается регулирующее запорное устройство 70 (фиг. 19).

На трубопроводе 66 отвода газа через диафрагму 58 и вихревой трубы 2 между последней и герметичной емкостью 68 может быть установлено регулирующее запорное устройство 67 (фиг. 19).

Трубопровод 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может быть соединен с отсасывающим устройством 71 (фиг. 20); на трубопроводе 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 между последней и отсасывающим устройством 71 может быть установлено регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 20).

Камера 6 может быть выполнена со смотровыми окнами (фиг.1).

В дополнение к регулирующему запорному устройству 18 в стенке камеры 6 может быть выполнено по меньшей мере одно отверстие 72 со штуцером 73, снабженным набором сменных шайб 74 и заглушкой (фиг. 1).

Трубопровод 19 отвода газа из камеры 6 за регулирующим запорным устройством 18 в направлении движения потока газа соединен с отсасывающим устройством 75 (фиг. 1).

Трубопровод 19 отвода газа из камеры 6 за регулирующим запорным устройством 18 в направлении движения потока газа может быть соединен с герметичной емкостью 76, соединенной с отсасывающим устройством 77, а между последним и герметичной емкостью 76 может быть установлено регулирующее запорное устройство 78 (фиг. 21).

Съемное сопло 1 может быть установлено в стенке 5 камеры 6 с возможностью поворота его оси 79 на угол относительно базового положения вышеуказанной оси 79, при котором последняя располагается по меньшей мере параллельно оси 13 вихревой трубы 2, а при повороте ось 79 сопла 1 перекрещивается с осью при базовом положении последнего (фиг. 1, 22).

Снаружи камеры 6 может быть размещен сильфон 80, одним концом 81 соединенный со стенкой 8 камеры 6, а другим концом 82 - с вихревой трубой 2, выступающий из сильфона 80 конец которой 2 закреплен в устройстве 83, обеспечивающем перемещения вихревой трубы 2 в трех координатных направлениях (X, Y, Z) и повороты ее на угол вокруг своей оси 13 в обе стороны от среднего положения, и ее оси 13 в плоскости на угол относительно базового положения оси сильфона 80, и снабженном координатным определителем положения центра входного отверстия вихревой трубы 2 относительно центра выходного сечения сопла 1 (фиг. 1, 23).

Вихревая труба 2 может быть соединена со стенкой 8 камеры 6 посредством фланца 84, с обеспечением возможности перемещения трубы 2 в направлениях (X, Y), перпендикулярных к ее оси 13, при этом между стенкой 8 и фланцем 84 может быть установлена сменная проставка 85 с центральным отверстием для прохода, вихревой трубы 2, и торцевыми поверхностями, расположенными под углом друг к другу (фиг. 24).

К фланцу 86, свободно надетому на вихревую трубу 2, соосно последней может быть приварена цилиндрическая втулка 87, обеспечивающая осевые перемещения Z вихревой трубы 2 и поворот ее на угол вокруг своей оси 13, вихревая труба 2 и втулка 87 снабжаются стопорным устройством от взаимного осевого перемещения при выполнении замеров, а герметичность соединения вихревой трубы 2 со втулкой 87 обеспечивается сальниковым уплотнением 88 (фиг. 25). Вихревая труба 2 может быть установлена в участок натурной установки, расположенный за выходным сечением сопла 1 и выполняющий роль камеры 6 (фиг. 1). Камера 6 может быть снабжена комплектом сменных вихревых труб 2, отличающихся друг от друга своими геометрическими характеристиками (фиг. 1); часть входного участка 14 вихревой трубы 2 до входного сечения 5-5 завихрителя потока 12, установленного на вышеуказанном участке 14 трубы 2, в направлении движения потока газа может быть выполнена в форме конфузора 89 (фиг. 26).

Способ определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении связан с открытым автором в 1994 г ранее неизвестного явления, заключающегося в образовании за выходным сечением сопла с косым срезом, из которого происходит истечение газа со сверхзвуковой скоростью, потока с неодинаковой температурой частиц газа по его сечению (заявка N 94042117/28, решение о выдаче патента РФ 09.12.96). В общем случае при сверхкритическом истечении газа из сопла любой геометрической формы последнее можно рассматривать как совокупность множества элементарных сопл с косым срезом, т.е. независимо от формы выходной части сопла при сверхкритическом истечении за выходным срезом сопла в потоке газа всегда возникает неоднородное температурное поле, при котором по сечению потока частицы имеют неодинаковую температуру.

Так, при сверхкритическом истечении воздуха через конфузорное сопло с косым срезом, установленное тангенциально к внутренней поверхности трубы с диаметром 30 мм, разрезанной по ее продольной плоскости, и соотношением сторон сопла 1: 2; f_с = 65,7 мм², при давлении на входе в сопло 1 МПа и давлении за соплом, равном атмосферному, автором с помощью термозонда с установленной в нем медь-константановой термопарой с диаметром проволоки 0,1 мм при сканировании потока газа за соплом в выбранном сечении последнего была зафиксирована максимальная неоднородность температурного поля T = 7K, что говорит о том, что процесс расширения в объеме потока воздуха за выходным срезом сопла при сверхкритическом истечении происходит неодинаково. Объясняется это следующим образом. При сверхкритическом истечении (больших перепадах давления) из конфузорного сопла с косым срезом имеет место сложное до- и сверхкритическое пространственное течение. На кромке сопла в зоне узкого сечения устанавливается критическая скорость. За выходной кромкой давление ниже критического, поэтому на ее срезе распространяется волна разрежения. За срезом сопла поток перерасширяется, возникает система косых скачков уплотнения. Скорость вдоль линии тока в косом скачке с уменьшением давления за соплом может достигать значительных сверхзвуковых значений [3].

Более раннее расширение одних элементов объема воздуха (газа) в потоке происходит с преобразованием не только своей внутренней энергии в кинетическую, но и рядом сосуществующих элементов объемов воздуха за счет резкого уменьшения температуры первых элементов. В свою очередь дорасширение других элементов объема воздуха происходит уже в других окружающих их условиях и при более низкой их температуре, что приводит в конечном итоге к тому, что температура этих, других, элементов объема воздуха в конце процесса дорасширения оказывается самой низкой.

Полученное значение максимальной неоднородности температурного поля T = 7K не говорит об абсолютных значениях минимальной и максимальной температур частиц (молекул и атомов) среды в потоке, так как в последнем одновременно сосуществуют частицы, имеющие разные температуры и контактирующие между собой.

На фиг. 27 схематично показано возникающее неоднородное температурное поле в потоке воздуха (газа) за выходным срезом сопла 1 при сверхкритическом истечении. Следует отметить, что температура T₁ для одноименных частиц (по T₁) не является одинаковой для всех вышеуказанных частиц на фиг. 27, что аналогичным образом касается и температур T₂ и T₃ частиц.

Использование рассматриваемого способа определения неоднородности температурного поля газового потока позволяет осуществить разделение частиц газа по температурам и тем самым получить более полную характеристику температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении.

Сущность способа определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении и устройства для его осуществления состоят в следующем. За выходным срезом сопла 1 (фиг.1), из которого происходит сверхкритическое истечение газа, размещается штанга 2 с термодатчиками 3 и 4, роль которых выполняют термопары. При этом съемное сопло 1 устанавливают в стенке 5 камеры 6, а через отверстие 7 в другой стенке 8 внутрь камеры 6 концом 9, выполненным с острой входной кромкой 10 и обращенным в сторону выходного среза сопла 1, вводят часть 11 штанги 2. Последняя 2 представляет из себя вихревую трубу 2 с размещенным внутри нее по меньшей мере одним завихрителем потока 12 и герметично соединяется со стенкой 8 камеры 6 с возможностью перемещения (X, Y) в плоскости, перпендикулярной оси 13 штанги 2, и в ее осевом направлении (Z).

Завихритель потока 12 обеспечивает закрутку поступающего в вихревую трубу 2 из сопла 1 потока газа, который на выходе из завихрителя потока 12, перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 2, одновременно осуществляет и вращательное движение.

Одна часть термопар 3 распределяется по длине вихревой трубы 2 за завихрителем потока 12, установленным на ее входном участке 14, обращенном к соплу 1, в направлении движения потока по меньшей мере в одном, первом продольном сечении 1-1 трубы 2 (фиг. 1, 2), обеспечивая измерение температуры вихревого потока у внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 в разных поперечных сечениях.

Другая часть термопар 4 заделывается в стержни 16, которые распределяются по длине вихревой трубы 2 за завихрителем потока 12 в направлении движения потока во втором продольном сечении 2-2 трубы 2, не совпадающем с первым 1-1, и через отверстия 17 в стенке вихревой трубы 2 вставляются внутрь последней с возможностью перемещения (X) в радиальном направлении, обеспечивая измерение температуры вихревого потока в осевой зоне вихревой трубы 2. Указанное распределение термопар 3 и 4 целесообразно из условий облегчения работы с устройством, а также из технологических соображений. В общем случае возможно и иное распределение термопар по длине вихревой трубы 2.

Измерение температур газа при установленном давлении P₁ перед соплом 1 и расстоянии "а" между входной кромкой 10 вихревой трубы 2, и выходным сечением 3-З сопла 1 осуществляют при сканировании потока газа вихревой трубой 2 в выбранном сечении в условиях, при которых за выходным сечением 4-4 каждого завихрителя потока 12 происходит разделение частиц газа по плотности в порядке возрастания ее по направлению к приосевой зоне вихревого потока или его периферийной зоне. Последнее обеспечивается путем совместного регулирования регулирующего запорного устройства 18, установленного на трубопроводе 19 отвода газа из камеры 6, и степени открытия дроссельной заслонки 20, установленной на выходе из вихревой трубы 2.

Выполнение вихревой трубы 2 с острой входной кромкой 10 обеспечивает наиболее благоприятные условия для входа потока газа внутрь трубы 2, предотвращая перемешивание частиц газа, имеющих разную температуру, при входе в вихревую трубу 2. Указанное особенно важно в случае поступления в вихревую трубу 2 из сопла 1 части выходящего потока газа. При поступлении в вихревую трубу 2 всего выходящего из сопла 1 потока газа указанное не имеет принципиального значения, так как на результаты измерений не оказывают влияния.

Разделение частиц газа в вихревой трубе 2 за выходным сечением 4-4 завихрителя потока 12, установленного на входном участке 14 трубы 2, по температурам осуществляется в соответствии с законом, открытым автором в 1994 г. (заявка N 94042347/06, решение о выдаче патента РФ 21.05.96), который гласит: " В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.

При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".

Обеспечение оптимального (необходимого) значения максимальной окружной скорости W_макс закрученного потока в выходном сечении завихрителя потока 12 для эффективного разделения частиц газа по температурам, которое может не превышать критического значения W_кр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне потока (фиг. 28), а также может превышать вышеуказанное критическое значение окружной скорости W_кр (фиг. 29), достигается при установленном режимном давлении P₁ газа перед соплом 1 и зафиксированном расстоянии "а" между входной кромкой 10 вихревой трубы 2 и выходным сечением 3-З сопла 1 путем совместного регулирования по меньшей мере регулирующего запорного устройства 18, установленного на трубопроводе 19 отвода газа из камеры 6, и степени открытия дроссельной заслонки 20, установленной на выходе из вихревой трубы 2 (фиг. 1, 2). При осуществлении вышеуказанного регулирования устройства устанавливается заданное давление P₂ в камере 6, в которую происходит истечение газа из сопла 1.

После осуществления регулировки вышеуказанных элементов устройства и определения характеристик неоднородности температурного поля потока газа может осуществляться сканирование, т. е. перемещение входного сечения вихревой трубы 2 в плоскости выбранного сечения потока с последующей возможной подрегулировкой вышеуказанных элементов устройства при каждом перемещении трубы 2. Выполнять сканирование целесообразно в случае, когда во входное сечение вихревой трубы 2 поступает не весь поток газа, выходящий из сопла 1, а только часть его, что определяется в первую очередь геометрическими размерами выходного сечения сопла 1 и входного сечения вихревой трубы 2 и расстоянием "a" между ними. Осуществляя сканирование, можно выявить в сечении выходящего из сопла 1 потока газа зоны с отличающимися друг от друга температурами как по минимуму, так и по максимуму. Для этой цели целесообразно использовать малоразмерные вихревые трубы 2, входящие в комплектность устройства.

После выполнения вышеуказанных исследований температурного поля газового потока целесообразно, для получения более полной картины, изменить расстояние "а" между входной кромкой 10 вихревой трубы 2 и выходным сечением 3-З сопла 1, после чего произвести настройку устройства вышеуказанным способом и приступить к осуществлению исследования неоднородности температурного поля газового потока. Таким путем можно определить сечение потока газа за соплом 1, в котором происходит полное дорасширение газа, контролируя значения температур холодных и нагретых частиц газа у внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 и в разных ее поперечных сечениях по длине и в приосевой зоне, включая температуру газа на оси вихревой трубы 2, в разных сечениях последней.

Выбираемая плоскость сканирования в потоке газа вихревой трубой 2 может быть различной, что определяется самим процессом исследования и характеристиками процесса истечения газа из сопла 1 и устройства для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом.

Изменение расстояния между выходным сечением 3-З сопла 1 и входной кромкой 10 вихревой трубы 2 приводит к некоторому изменению динамического напора входящего в вихревую трубу 2 потока газа, оказывая влияние на максимальное значение окружной скорости W_макс закрученного потока газа, выходящего из завихрителя потока 12, что приводит и необходимости некоторой подрегулировки работающего устройства.

Для измерения вышеуказанных температур газа в качестве термодатчиков 3 и 4 используются высокочувствительные термопары, одна часть которых, как отмечалось выше, распределяется по длине вихревой трубы 2 за завихрителем потока 12 по движению потока по меньшей мере в одном продольном сечении 1-1 вихревой трубы 2 (фиг. 2), обеспечивая измерение температуры вихревого потока газа у внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 в разных ее поперечных сечениях. Потребность измерения температуры газа в нескольких сечениях по длине трубы 2 связана с неопределенностью расположения сечения потока газа по длине вихревой трубы 2, в котором завершается процесс разделения частиц газа по температурам с образованием кольцевых слоев, в каждом из которых температура частиц имеет свое конкретное значение.

Для измерения температуры вихревого потока в осевой зоне вихревой трубы 2 другая часть термопар 4 заделывается в стержни 16, распределяемые по длине трубы 2 аналогично вышеприведенному по меньшей мере в продольном сечении 2-2 вихревой трубы 2 (фиг. 2) не совпадающем с вышеуказанным продольным сечением 1-1 последней. В отдельном случае другая часть термопар 4 может располагаться и в продольном сечении 1-1 вихревой трубы 2, но только на противоположной стороне по отношению к стороне расположения первой части термопар 3 в вихревой трубе 2.

Установка термопар 4, заделанных в стержни 16, с возможностью перемещения (X) в радиальном направлении необходима в связи с тем, что граничные температуры, а именно минимальная и максимальная, частиц газа по сечению потока могут устанавливаться в указанном сечении с некоторым, смещением от центра сечения трубы 2. Последнее рассмотрим ниже. В качестве стержней 16 для заделки термопар 4 могут использоваться инъекционные иглы, укрепленные параллельно оси трубы 2 и перемещаемые радиально с помощью специального координатника. Указанная игла не вызывает больших возмущений в вихревом потоке. Возможны и другие варианты установки и крепления термопар 4.

Работа устройства для определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении фактически рассмотрена в способе определения вышеуказанной неоднородности температурного поля газового потока. Поэтому остановимся лишь на следующих его особенностях. Для обеспечения регулирования давления P₁ газа на входе в сопло 1 на трубопроводе 21 подвода газа к соплу 1 устанавливается регулирующее запорное устройство 22 (фиг. 1). Другая особенность устройства состоит в том, что для обеспечения перемещения (X, Y) штанги 2 в плоскости, перпендикулярной оси 13 штанги 2, и в ее осевом направлении (Z) часть штанги 2, представляющей собой вихревую трубу 2, обращенным в сторону выходного среза сопла 1 концом 9, вводят в камеру 6 через отверстие 7 в стенке 8 камеры 6 и герметично соединяют со стенкой посредством устройства 23, обеспечивающего вышеуказанные перемещения (фиг. 1).

Вследствие быстрого затухания вращательного движения потока газа после выхода его из завихрителя потока 12 даже при значительно отличающейся плотности частиц газа вследствие разной их температуры процесс разделения последних не успевает завершиться полностью, особенно это касается процесса разделения частиц газа по температурам (плотностям) в случае протекания его при максимальном значении окружной скорости W_макс закрученного потока газа в каждом сечении вихревой трубы 2 на участке разделения, превышающем его критическое значение W_кр(W_макс > W_кр).

Для достижения полного разделения частиц газа по температурам внутри вихревой трубы 2 на расстоянии l от завихрителя потока 12, размещенного на ее входном участке 14, устанавливается по меньшей мере второй завихритель потока 24, обеспечивающий дозакрутку последнего (фиг. 3). В указанном случае, чем чище обработана внутренняя поверхность вихревой трубы 2, том эффективнее ее работа по разделению частиц газа по значениям их плотностей, а соответственно по температурам, так как с изменением температуры газа изменяется его плотность. Может осуществляться внутренняя полировка вихревой трубы 2, а также могут применяться и другие мероприятия.

Количество завихрителей потока может быть различным, которое зависит от значения плотностей (температур) разделенных частиц газа. В данном случае речь идет, прежде всего, об однокомпонентном газе, т.е. о газе, не представляющем из себя смесь нескольких газов, и даже по меньшей мере двух газов.

Увеличение геометрических размеров вихревой трубы 2 устройства также приводит к увеличению количества устанавливаемых завихрителей потока для достижения полного разделения частиц газа по температурам, так как путь, проходимый частицами в направлении к периферии и к оси вращения потока, увеличивается при разделении.

Процесс разделения частиц газа по температурам при прочих равных условиях зависит также от ряда других факторов, например, вязкости.

В зависимости от разности плотностей частиц газа, определяемых их температурой, и от процентного содержания частиц газа, отличающихся друг от друга температурой, а также других условий максимальное значение окружной скорости W_макс закрученного потока газа в каждом завихрителе потока 12, 24 в их выходном сечении 4-4 может превышать ее критического значения W_кр (W_максW_кр), при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (имеющих меньшую температуру и др.) частиц газа в периферийной зоне 90 потока (фиг. 3, 28), а также может превышать вышеуказанное критическое значение окружной скорости W_кр (W_макс > W_кр) (фиг. 3, 29), в результате чего при работе устройства в первом случае в процессе затухания вращательного движения потока газа за выходным сечением 4-4 каждого завихрителя потока 12,24 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых, имеющих большую температуру, частиц газа тяжелыми, имеющими меньшую температуру, в направлении к оси вращения потока, вследствие чего разделенный газ, обладающий меньшей плотностью, а соответственно, имеющий большую температуру, располагается в периферийной зоне потока, а его температура фиксируется соответствующей термопарой 3, а разделенный газ, имеющий большую плотность, а соответственно, имеющий меньшую температуру, располагается в приосевой зоне потока, а температура его фиксируется соответствующей термопарой 4.

Вывод разделенного газа из вихревой трубы 2 может осуществляться только через дроссельную заслонку 20, обеспечивающую один выход для всего газа (фиг. 1), так как дальнейшее смешение разделенных частей газа по температурам при выходе их через дроссельную заслонку в соответствии с вышеуказанным для решаемой задачи исследования не имеет принципиального значения, а только может учитываться возможное влияние на сам процесс разделения. Для этого необходимы специальные исследования с различными конструктивными вариантами отвода газа из вихревой трубы 2 устройства. При универсальности устройства, т.е. при его многовариантности в использовании, такая задача вполне разрешима.

Во втором случае в процессе затухания вращательного движения потока газа за выходным сечением 4-4 каждого завихрителя потока 12, 24 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц газа, имеющих большую температуру, тяжелыми, имеющими меньшую температуру, в направлении от оси вращения потока, т.е. к его периферии. При этом во входном сечении 5-5 каждого последующего завихрителя потока 24 максимальное значение окружной скорости W_макс должно сохраняться большим или оно может достигать вышеуказанного критического значения окружной скорости W_кр (W_макс W_кр, в результате чего газ, обладающий большей плотностью, а соответственно, имеющий меньшую температуру, в конце процесса замещения располагается в периферийной зоне потока, а газ, имеющий меньшую плотность, а соответственно, с большей температурой, в конце вышеуказанного процесса располагается в приосевой зоне потока (фиг. 3, 29).

Второй случай (W_макс > W_кр) может быть наиболее эффективным, когда максимальная и минимальная температуры частиц газа за выходным сечением сопла 1 значительно отличаются друг от друга.

Для оценки целесообразности использования того или иного случая необходимы специальные исследования. Возможны случаи комплексного использования обоих случаев, так как один из них может позволить замерить самую низкую температуру, а другой - самую высокую, или наоборот.

Перемещение тяжелых частиц 91 среды ближе к оси вращения потока в случае, когда максимальное значение окружной скорости W_макс последнего в выходном сечении 4-4 завихрителя потока 12 не превышает его критического значения W_кр(W_макс W_кр) происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения (фиг. 30).

При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частицы 91, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц газа на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым. Самые легкие частицы 92 газа, вращаясь в потоке и одновременно перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 2, удаляются от оси вращения, с увеличением радиуса их вращения, по спиралеобразной траектории (фиг. 30).

Движение средней тяжести частиц 93 газа, т.е. значение плотности которых находится в промежутке между вышеуказанными частицами 91 и 92, происходит по более сложной траектории. Эти частицы 93, совершая вращательные движения в потоке газа и перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 2, одновременно совершают и свои собственные спиралеобразные круговые вращения с уменьшающимся радиусом собственного вращения в направлении движения потока и при этом смещаясь в направлении к оси вращения потока газа или к его периферии, что определяется значениями их плотностей и процентным содержанием в потоке газа, при этом они в потоке находятся во взвешенном состоянии, т.е. вращаются внутри потока.

Объясняется вышеизложенное следующим. За счет полученной дополнительной кинетической энергии от тяжелых частиц 91 средней тяжести частицы 93 газа переходят на увеличенный радиус их вращения в потоке, но движение их в указанном направлении ограничивается приобретенной энергией, которой оказывается недостаточной для дальнейшего перемещения их по спиралеобразной траектории к внутренней поверхности вихревой трубы 2, и вследствие быстрого затухания вращательного движения потока указанные частицы 93 начинают собственное круговое вращение в вихревом потоке в направлении к оси вращения потока, так как процесс приобретения дополнительной кинетической энергии и т.д., что описано выше, продолжается до тех пор, пока в процессе их собственного спиралеобразного вращения радиус спирали окажется равным нулю, что соответствует полному окончанию процесса разделения частиц газа в определенном сечении потока по длине вихревой трубы 2, когда частицы располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности, а соответственно уменьшения их температуры, в каждом последующем слое в направлении к оси вращения вихревого потока (фиг. 8, 30).

На фиг. 8, 30 траектория средней тяжести частицы 93 газа показана условно, так как частица 93, перемещаясь в потоке газа по своей траектории (показано на фиг. 8, 30), одновременно совершает движение вместе с вращающимся потоком. Траекторию указанной частицы 93 можно представить как бы в выделенном и только вращающемся вместе с потоком газа элементе объема последнего, в котором сама частица 93 совершает свои собственные вращательные движения и при этом перемещается в осевом направлении вихревой трубы 2.

В случае, когда максимальное значение окружной скорости W_макс закрученного потока газа в выходном сечении завихрителя потока 12 больше его критического значения W_кр (W_макс > W_кр), физическая картина процесса замещения менее тяжелых частиц 92 газа тяжелыми частицами 91 аналогична вышеописанному процессу, только процесс замещения происходит в противоположном направлении, а именно, в направлении к периферии потока, т.е. от оси его вращения (фиг. 31). При этом процесс заканчивается в сечении потока, когда частицы газа во вращающемся потоке располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности, а соответственно, уменьшения их температуры, в каждом последующем слое в направлении к периферии потока. Процесс взаимного замещения частиц газа в вихревом потоке, имеющих разную плотность, а соответственно, температуру, сопровождается затратой работы замещения.

Закрутка потока газа, выходящего из сопла 1, на входном участке 14 вихревой трубы 2 может осуществляться различными способами. Так, завихритель потока 12 может выполняться шнековым многозаходным или лопаточным (фиг. 1). Целесообразность выбора того или иного типа завихрителя потока зависит от многих факторов, таких как необходимость более точного определения максимальной разницы в температурах горячих и холодных частиц газа за соплом 1, насколько в действительности отличаются указанные температуры вследствие влияния самого завихрителя потока на крайние (граничные) температуры газа в потоке, физических характеристик газа и других.

Лучшие результаты в работе устройства достигаются в случаях совпадения на выходе из завихрителя потока 12 центра "0" ("нулевой точки"), вокруг которого вращаются частицы газа, расположенные в приосевой зоне вихревой трубы 2, и в котором давление газа минимальное, с осью трубы 2 (фиг. 1, 32). В этом случае термопара 4, установленная в сечении вихревой трубы 2, в котором заканчивается разделение частиц газа по температурам, будет давать реальную минимальную или максимальную температуру газа в потоке в зависимости от того, каким в процессе разделения поддерживалось максимальное значение окружной скорости вращающегося потока в каждом сечении трубы 2, а в противном случае замеренная температура будет несколько отличаться от вышеуказанных температур газа, что требует в процессе измерения температуры в заданном сечении трубы 2 перемещения термозонда 4 в радиальном направлении.

В случае несимметричного входа закрученного потока газа в вихревую трубу 2 "нулевая точка" 0 смещается эксцентрично от оси 13 трубы 2 и вместе с вихревым потоком совершает круговые движения вокруг оси 13 последней 2 (фиг. 33). Причем "нулевая точка" 0 каждого последующего сечения потока в направлении его движения оказывается повернутой на угол друг относительно друга. Подтверждением этому является вращение стержня 94, введенного в открытый, со стороны выхода потока газа, конец вихревой трубы 2 и закрепленного в подшипнике скольжения, в противоположном направлении вращению потока (33). Поэтому в связи с изменением структуры вихревого потока при несимметричном входе газа в вихревую трубу 2 возможны некоторые отличия в измеренных температурах газа по радиусу в сечении вихревой трубы 2, в котором заканчивается процесс разделения его частиц по температурам в сравнении со случаем симметричного входа газа в вихревую трубу 2.

При строгом соблюдении технологии изготовления и установки в вихревую трубу 2 лопаточные завихрители потока обеспечивают симметричный ввод газа в последнюю (фиг. 1) при условии соосного расположения сопла 1 и вихревой трубы 2 в камере 6. В случае смещения при сканировании вихревой трубой в сечении потока газа вследствие неодинакового скоростного напора газа по сечению, входящего в завихритель потока 12 вихревой трубы 2, "нулевая точка" 0 выходящего из завихрителя потока 12 газа в его сечении оказывается смещенной от оси вихревой трубы 2, что необходимо иметь ввиду при выполнении измерений температуры газа.

Каждый последующий завихритель потока 24 в направлении движения газа, отсчитываемый от завихрителя потока 12, расположенного на входном участке 14 вихревой трубы 2, целесообразно выполнять лопаточным (фиг. 3), так как он обеспечивает дозакрутку потока на коротком участке вихревой трубы 2, т.е. имеет малую длину. В общем случае могут быть использованы завихрители потока других типов.

Выполнение входного сечения 5-5 завихрителя потока 12, расположенного на входном участке 14 вихревой трубы 2, совпадающим с входным сечением последней 2 или смещенным на величину в в направлении движения потока относительно входного сечения 6-6 вихревой трубы 2 (фиг. 3) зависит от режимных параметров истечения газа, геометрических размеров сопла 1 и вихревой трубы 2 и ряда других факторов. Выбор может быть осуществлен на основании опытных данных по использованию устройства. При значительном перепаде давлений до и после сопла 1 целесообразно использование второго варианта, т.е. со смещением в.

Для возможности более широкого использования одного и того же устройства последнее может иметь вихревую трубу 2, снабженную несколькими сменными комплектами завихрителей потока 12, 24, отличающимися между собой характеристиками завихрителей (фиг. 1, 3), а также каждый завихритель потока 12, 24 может выполняться съемным, что позволяет производить изменения в количестве работающих завихрителей потока в случае необходимости.

Установка завихрителей потока 12, 24 в вихревой трубе 2 с возможностью изменения угла выхода потока газа из первых 12, 24 к оси вихревой трубы 2 в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров его истечения: давления P₁ и температуры T₁ газа на входе в сопло 1 и его давления P₂ за соплом 1 (фиг. 1, 3)позволяет изменять характеристики одних и тех же завихрители потока 12, 24 без их замены.

При относительно больших размерах вихревой трубы 2, а также в других случаях для предотвращения возможного смешения частиц газа, подвергшихся разделению по их температурам до входа в последующий завихритель потока 24 (фиг. 3, 4), и возможного смешения до начала разделения после выхода из сопла 1 в завихрителе потока 12, расположенном на входном участке 14 вихревой трубы 2, и по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 12, 24, установленном в вихревой трубе 2, каждый канал 25, образованный двумя смежными лопатками 26, может быть разделен по меньшей мере на два канала 27, 28 боковым участком 29 по меньшей мере одного цилиндрического пустотелого тела, соосного вихревой трубе 2 (фиг. 1, 3, 4), а также участком 30 по меньшей мере одного пустотелого усеченного тела вращения, соосного вихревой трубе 2 (фиг. 1, 3, 5); по меньшей мере одной плоской перегородкой 31, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней 32 правильного многогранника 33, соосного вихревой трубе 2 и имеющего количество граней 32, равное количеству каналов 25, образованных каждыми двумя смежными лопатками 26 завихрителя потока 12, 24, при этом при совмещении каждой перегородки с соответствующей гранью 32 многогранника 33 каждая из последних 32 располагается между двумя смежными лопатками 26 (фиг. 1, 3, 4), а также по меньшей мере каждый периферийный канал 34, образованный двумя смежными лопатками 26, перегородкой 29 и по крайней мере участком внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 (периферийные торцы лопаток завихрителя потока могут быть окольцованы), в каждом сечении последней 2 на участке завихрителя потока 12, 24 может быть симметрично разделен по меньшей мере одной перегородкой 35, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток 26 (фиг. 1, 3, 4).

Для вышеуказанной цели могут быть использованы перегородки других геометрических форм, обеспечивающие надлежащую закрутку потока газа. Количество перегородок между каждыми двумя смежными лопатками 26 завихрителя потока 12, 24 определяется достигаемым результатом на основании опытных данных.

Улучшение условий входа потока газа в завихритель потока достигается тем, что каждый торец 36, 37, обращенный навстречу потока, каждой перегородки 29, 35, выполненной в каждом канале 25 лопаточного завихрителя потока 12, 24, образованном двумя смежными лопатками 26, выполняется заостренным (фиг. 3, 4).

При установке нескольких завихрителей потока в вихревой трубе 2, что определяется параметрами газа при истечении и, прежде всего, малой разностью температур горячих и холодных частиц газа за соплом 1, и выходе закрученного потока газа из выходного сечения 4-4 каждого завихрителя потока 12, 24 с максимальным значением окружной скорости W_макс, не превышающим его критического значения W_кр (W_максW_кр), максимальная эффективность работы устройства по разделению частиц газа по температурам достигается в случае, когда расстояние l между выходным сечением 4-4 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 5-5 смежного с ним последующего завихрителя потока 24 не превышает длины участка вихревой трубы 2, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока (фиг. 3). В противном случае с момента полного затухания вращательного движения потока газа в сечении, до которого произошло частичное разделение его по температурам, на оставшемся участке его пути до входного сечения 5-5 в завихритель потока 24 поток приобретает характер стабилизированного осевого течения в трубе, что приводит к некоторому выравниванию температур в объеме потока газа.

В отличие от вышеизложенного, при установке нескольких завихрителей потока в вихревой трубе 2, и выходе потока газа из выходного сечения 4-4 каждого завихрителя потока 12, 24 с максимальным значением окружной скорости W_макс превышающим его критическое значение W_кр (W_макс > W_кр), что целесообразно при значительной разности между температурами наиболее горячих и наиболее холодных частиц газа, максимальная эффективность работы устройства по разделению частиц газа по температурам достигается в случае, когда расстояние l между выходным сечением 4-4 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 5-5 смежного с ним последующего завихрителя потока 24 не превышает длины участка вихревой трубы 2, на котором максимальное значение окружной скорости W_макс потока, выходящего из выходного сечения 4-4 предыдущего завихрителя потока 12, снижается до ее критического значения W_кр (фиг. З).

В противном случае с момента, когда максимальное значение окружной скорости W_макс в определенном сечении потока вследствие затухания вращательного движения последнего после выхода его из предыдущего завихрителя потока 12 достигнет критического значения W_кр, направление замещения менее тяжелых частиц газа, имеющих большую температуру, тяжелыми, имеющими меньшую температуру, как отмечалось выше, изменяется на противоположное направление.

Следовательно, с вышеуказанного момента, когда максимальное значение окружной скорости W_макс в определенном сечении потока достигнет W_кр, на оставшемся участке его пути до входного сечения 5-5 последующего завихрителя потока 24 будет происходить процесс смешения подвергшегося разделению по температурам газа, что приведет к уменьшению вышеуказанной разности температур, т.е. к снижению точности определения максимальной неоднородности температурного поля газа за соплом 1, причем последнее определяется величиной длины оставшегося участка пути.

При установке в вихревой трубе 2 нескольких завихрителей потока выполнение по крайней мере каждого последующего по движению потока завихрителя потока 24 с возможностью смещения на величину X в осевом направлении вихревой трубы 2 (фиг. 1, 3) в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров его истечения, указанных выше, позволяет варьированием величиной вышеуказанного перемещения достигать большую точность в выполняемых измерениях степени неоднородности температурного поля газового потока при работе устройства.

Крепление и установка завихрителей потока в вихревой трубе 2 может осуществляться различными способами с осуществлением фиксации завихрителей потока от проворачивания их вокруг оси вихревой трубы 2 под воздействием набегающего потока газа.

Один из способов закрепления завихрителей потока 24, 47, установленных за входным в вихревую трубу 2 завихрителем потока 12, а также осуществления их перемещения представлен на фиг. 9. Завихритель потока 24 размещен на стержне 95 круглого поперечного сечения, причем торец стержня, обращенный навстречу потока, выполнен обтекаемым или заостренным. Последующий завихритель потока 47 размещен на полом стержне 96, внутри которого свободно проходит вышеуказанный стержень 95 круглого поперечного сечения завихрителя потока 24. Для закрепления от проворачивания завихрителей потока 24, 47 в вихревой трубе 2 могут быть на участках их перемещения предусмотрены продольные углубления (пазы), внутрь которых входит штырь (выступ) соответствующего завихрителя потока 24, 47. Способы фиксации могут быть различными.

В ряде случаев и, в частности, при большой площади поперечного сечения газового потока за соплом 1 целесообразен вариант выполнения лопаточных завихрителей потока, когда по крайней мере каждый из них выполнен с центральным цилиндрическим и соосным вихревой трубе 2 отверстием 38 для прохода части потока газа, а лопатки 39 при этом размещены снаружи кольцеобразного элемента 40, внутренняя поверхность которого образует вышеуказанное отверстие 38, при этом торец 41 вышеуказанного элемента 40, обращенный навстречу потока, выполняется заостренным (фиг. 6).

В рассматриваемом случае достигается более точное измерение соответствующих температур в периферийной зоне выходящего из сопла 1 потока газа, так как путь, проходимый частицами газа, имеющими разную температуру, в направлении к периферии и к корню лопаток (касается только направления в переносном смысле) сокращается, а соответственно, и в центральной части потока в исследуемом случае. Причем для исследования температурного поля центральной части потока газа используется устройство с малоразмерной вихревой трубой 2 с размещенными в ней вышерассмотренными завихрителями потока, т.е. без центрального отверстия 38.

Вихревая труба 2 может выполняться составной, состоящей по крайней мере из нескольких взаимозаменяемых частей 42, 43, 44, обеспечивающих изменение ее длины в зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, и параметров истечения: давления P₁ и температуры T₁ газа на входе в сопло 1 и его давления P₂ за соплом 1 (фиг. 1, 7). Указанное выполнение вихревой трубы 2 иногда необходимо для установки и замены съемных завихрители потока, контроля установки термопар и в других случаях. На фиг. 7 показан один из способов соединения участков 42, 43, 44, когда само соединение но мешает установке термопар 3 и 4. В общем случае способы соединения могут быть различными.

В зависимости от физических характеристик газа, поступающего в сопло 1, параметров его истечения, геометрических размеров вихревой трубы 2 и других условий работы устройства внутренняя поверхность 15 вихревой трубы 2 может выполняться цилиндрической формы (фиг. 1); в форме усеченного конуса, вершина которого обращена в сторону, противоположную направлению движения потока газа, по крайней мере на всей длине вихревой трубы 2 (фиг. 8); на участках 45, 46 между каждыми двумя смежными завихрителями потока 12, 24 и 24, 47 может быть выполнена в форме усеченного конуса, вершина каждого из которых обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках 48, 49, на которых осуществляется перемещение завихрителей потока 24, 47 в осевом направлении вихревой трубы 2, внутренняя поверхность 15 последней 2 может быть выполнена цилиндрической формы (фиг. 9); может быть выполнена в направлении движения потока газа коническо-цилиндрической, при этом внутренняя поверхность участка 50 вихревой трубы 2, примыкающего к ее входному сечению 6-6, может быть выполнена в форме усеченного конуса с вершиной, обращенной навстречу потока, а на последующем участке 51, примыкающем к выходному сечению 7-7 вихревой трубы 2, она может быть выполнена цилиндрической диаметром d₁, равным диаметру большего основания усеченного конуса (фиг. 10), а также площадь проходного сечения вихревой трубы 2 может увеличиваться в направлении к выходу потока из последней (фиг. 1).

Выбор формы внутренней поверхности 15 вихревой трубы 2 определяется, прежде всего, из условия достижения максимального качества разделения частиц газа по температурам на коротком участке вихревой трубы 2, а также другими условиями. При этом форма внутренней поверхности вихревой трубы может быть и иной. Наиболее эффективной формой вихревой трубы 2 является коническо-цилиндрическая в направлении движения потока газа, при этом угол конусности для предотвращения отрыва потока от внутренней поверхности вихревой трубы 2 обычно не превышает 5^o.

При больших перепадах давлений P₁ и P₂, когда температуры горячих и холодных частиц, а соответственно, плотности их значительно отличаются между собой и, когда процесс полного разделения указанных частиц газа по температурам заканчивается до входа во второй завихритель потока 24, причем максимальное значение окружной скорости W_макс в выходном сечении 4-4 завихрителя потока 12 (фиг. 3) не превышает ее критического значения W_кр (W_кр W_кр), для ускорения процесса разделения и при этом повышения точности определения вышеуказанных температур целесообразным может быть выполнение по меньшей мере на части длины вихревой трубы 2, расположенной на стороне входа потока в последнюю, периферийных каналов 52 в стенке ее, сообщающихся в каждом своем сечении (на всей их длине) с внутренним пространством вихревой трубы 2, создающих сопротивление вращательному движению потока (фиг. 1, 11). Последнее ускоряет процесс замещения менее тяжелых частиц газа тяжелыми частицами в направлении к оси вращения потока. Также вышеуказанные каналы 52 могут выполняться на всей длине вихревой трубы 2 (фиг. 1, 11). Каналы 52 могут быть цилиндрическими (фиг. 19), могут в своем поперечном сечении иметь прямоугольную форму (фиг. 12), а также могут выполняться иной формы сечения.

Ось каждого канала 52 может совпадать с плоскостью продольного сечения вихревой трубы 2, при этом каналы 52 размещаются симметрично относительно оси 13 последней (фиг. 1, 11, 12), а также каждый канал 52 может выполняться винтовым (фиг. 1, 11, 12). В последнем случае направление закрутки каждого винтового канала 52 может как совпадать с направлением вращения потока газа, так и может быть противоположно направлению закрутки потока газа (фиг. 1, 11, 12). В отдельных случаях для создания сопротивления вращательному движению потока по меньшей мере на части длины вихревой трубы 2, расположенной на стороне входа потока газа в последнюю, на ее внутренней поверхности может нарезаться резьба (фиг. 1), а также последняя может быть нарезана на всей длине вихревой трубы 2. Выбор способа торможения вращающегося потока производится на основании экспериментальных исследований.

Так как резьба на внутренней поверхности вихревой трубы 2 выполняет те же функции, что и вышеуказанные каналы 52, создающие сопротивление вращательному движению потока газа, поэтому их выполнение целесообразно в тех же случаях, что и каналов 52. Однако вышеуказанное не исключает при необходимости выполнения как каналов, так и нарезания резьбы за последующими завихрителями потока осуществлять последнее.

Расположение вихревой трубы 2 в камере 6 в среднем базовом положении может быть горизонтальным, вертикальным, а также вихревая труба 2 может быть установлена в камере 6 в среднем базовом положении под углом к горизонтальной плоскости (фиг. 1). Выбор расположения вихревой трубы 2 в камере 6 определяется значениями плотностей газа соплом 1 имеющего разную температуру своих частиц. При малых плотностях расположение может быть любым из перечисленных, а при больших значениях плотности целесообразным является расположение вертикальное, а в отдельных случаях - расположение под углом к горизонтальной плоскости (фиг. 1), так как при горизонтальном расположении вследствие действия гравитационных сил структура вращающегося потока претерпевает некоторые изменения, ухудшая процесс разделения частиц газа по температурам.

Обеспечение направленного выхода потока газа из вихревой трубы 2 достигается выполнением переднего торца 53 дроссельной заслонки 20 в форме конуса с вершиной, обращенной навстречу потока газа (фиг. 1). Лучшие условия выхода потока газа из вихревой трубы 2 достигаются выполнением переднего торца 53 дроссельной заслонки 20 в форме конусообразного тела вращения, соосного вихревой трубе 2, с вершиной 54, обращенной навстречу потока газа, и образующей 55 тела вращения, вогнутой в направлении к оси 56 вращения тела (фиг. 1, 13).

В ряде случаев дроссельная заслонка 20, что определяется опытным путем и целесообразно преимущественно при значительных перепадах давлений P₁ и P₂, выполняется с центральным сквозным отверстием 57, соосным вихревой трубе 2 и снабженным набором сменных диафрагм 58, отличающихся друг от друга размером проходного сечения отверстия 59 (фиг. 1, 14).

В зависимости от природы газа, истекающего через сопло 1, давления P₂ за соплом и других условий выпуск его из вихревой трубы 2 через дроссельную заслонку 20 может осуществляться в атмосферу (фиг. 1), а также на трубопроводе 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 15); трубопровод 60 отвода газа может соединяться с герметичной емкостью 62, которая в свою очередь соединяется с отсасывающим устройством 63, а между последними, т.е. герметичной емкостью 62 и отсасывающим устройством 63 устанавливается регулирующее запорное устройство 64 (фиг. 16), при этом на трубопроводе 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 между последней 2 и герметичной емкостью 62 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 16). Также трубопровод 60 отвода газа через дроссельную заслонку 20 из вихревой трубы 2 может соединяться напрямую с отсасывающим устройством 65 (фиг.17), при этом между вихревой трубой 2 и отсасывающим устройством 65 на трубопроводе 60 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 17). Выбор и компоновка вышеприведенных вариантов отвода газа из вихревой трубы 2 определяется из условия обеспечения требуемого давления P₂ за соплом 1 и эффективной работы устройства.

Для достижения вышеуказанных результатов аналогично вышеизложенному выпуск газа, выходящего через диафрагму 58 из вихревой трубы 2, может осуществляться в атмосферу (фиг. 1, 14). На трубопроводе 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 67 (фиг. 18), а также вышеуказанный трубопровод 66 может соединяться с герметичной емкостью 63, которая соединяется с отсасывающим устройством 69, а между последними, т.е. герметичной емкостью 68 и отсасывающим устройством 69 устанавливается регулирующее запорное устройство 70 (фиг. 19). При этом на трубопроводе 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 между последней 2 и герметичной емкостью 68 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 67 (фиг. 19). Также трубопровод 66 отвода газа через диафрагму 58 из вихревой трубы 2 может соединяться с отсасывающим устройством 71 (фиг. 20), при этом на трубопроводе 66 между вихревой трубой 2 и отсасывающим устройством 71 может устанавливаться регулирующее запорное устройство 61 (фиг. 20).

Для визуального наблюдения и контроля взаимного положения сопла 1 и вихревой трубы 2, точнее выходного сечения сопла 1 и входного сечения трубы 2 камера 6 снабжается смотровыми окнами. Выполнение камеры 6 со смотровыми окнами также целесообразно при использовании вихревого устройства в качестве универсального для любых типоразмеров сопл и параметров истечения газа через сопло 1 (фиг. 1).

При больших объемных расходах газа через камеру 6 целесообразным является выполнение в дополнение к регулирующему запорному устройству 18 в стенке камеры 6 по меньшей мере одного отверстия 72 со штуцером 73, снабженным набором сменных шайб 74 и заглушкой, служащей для закрытия штуцера 73 при отсутствии необходимости использования его для выпуска газа из камеры 6 (фиг. 1).

В камере 6 давления может поддерживаться ниже атмосферного, для чего через регулирующее запорное устройство 18, установленное на трубопроводе 19 отвода газа из камеры 6, последняя сообщается с отсасывающим устройством 75 (фиг. 1).

С целью достижения максимальной стабильности в поддержании давления P₂ в камере 6 и другим причинам трубопровод 19 отвода газа из камеры 6 за регулирующим запорным устройством 18 в направлении движения потока газа может соединяться с герметичной емкостью 76, которая в свою очередь соединяется с отсасывающим устройством 77, а между последним 77 и герметичной емкостью 76 устанавливается регулирующее запорное устройство 78 (фиг. 21).

Крепление съемного сопла 1 в стенке 5 камеры 6 осуществляется с возможностью изменения, в случае необходимости, положения его выходного среза по отношению к плоскости входного сечения вихревой трубы 2 путем поворота его оси 79 на угол относительно оси при нахождении его в своем базовом положении, при котором последняя располагается по меньшей мере параллельно оси 13 вихревой трубы 2, причем при повороте оси 79 сопла 1, соответствующие базовому положению и повернутому положению последнего 1, перекрещиваются (фиг. 1, 22).

Герметичность между стенкой 8 камеры 6 и наружной поверхностью вихревой трубы 2 может обеспечиваться сильфоном 80, расположенным снаружи камеры 6, который одним концом 81 соединяется со стенкой 8 последней 6, а другим концом 82 - с вихревой трубой 2, выступающий из сильфона 80 конец которой 2 закрепляется в устройстве 83, обеспечивающем перемещения вихревой трубы 2 в трех координатных направлениях (X, Y, Z) и повороты ее на угол вокруг своей оси 13 в обе стороны от среднего положения, и ее оси 13 в плоскости на угол относительно базового положения оси сильфона 80, и снабженном координатным определителем положения центра входного отверстия вихревой трубы 2 относительно центра выходного сечения сопла 1 (фиг. 1, 23).

Возможность выполнения вышеуказанных поворотов вихревой трубы 2 на угол и угол расширяет возможности в исследовании неоднородности температурного поля газового потока за соплом 1.

Крепление вихревой трубы 2.в стенке 8 камеры 6 может выполняться с помощью фланца 84, который соединяется с трубой 2 с возможностью перемещения трубы 2 в направлениях (X, Y), перпендикулярных к ее оси 13, при этом между стенкой 8 и фланцем 84 устанавливается сменная проставка 85 с центральным отверстием для прохода вихревой трубы 2, и торцевыми: поверхностями, расположенными под углом друг к другу (фиг. 24). Вышеуказанные перемещения вихревой трубы 2 и поворот ее выполняются в промежутках между опытами путем приотдачи гаек на шпильках или иным способом. У сменных проставок 85 угол , под которым располагаются их торцевые поверхности, выполняется разным, благодаря чему достигается возможность изменять расположение вихревой трубы 2 по отношению к ее базовому положению в камере 6.

Другой способ крепления вихревой трубы 2 в камере 6 состоит в следующем. К фланцу 86, свободно надетому на вихревую трубу 2, соосно последней приваривается цилиндрическая втулка 87, обеспечивающая осевые перемещения Z вихревой трубы 2 и поворот ее на угол вокруг своей оси 13. При этом вихревая труба 2 и втулка 87 снабжаются стопорным устройством от взаимного осевого перемещения при выполнении замеров, а герметичность соединения вихревой трубы 2 со втулкой 87 обеспечивается сальниковым уплотнением 88 (фиг. 25).

Возможны и другие способы установки и крепления вихревой трубы 2 в камере 6.

В отдельных случаях вихревая труба 2 может устанавливаться непосредственно в участок натурной (промышленной) установки, расположенный за выходным сечением сопла 1 и выполняющий роль камеры 6 (фиг. 1), что позволяет при значительных габаритах сопла и больших расходах газа значительно облегчить проведение исследований температурного поля газового потока.

Для придания универсальности устройству камера 6 снабжается комплектом сменных вихревых труб 2, в котором последние 2 отличаются друг от друга своими геометрическими характеристиками (фиг. 1). Последнее позволяет использовать устройство для исследования различных типоразмеров сопл и при различных параметрах истечения из них газа.

Для обеспечения входа всего потока газа после его истечения из сопла 1 в вихревую трубу 2 последняя на входном участке 14 до входного сечения 5-5 завихрителя потока 12, установленного на вышеуказанном участке 14 трубы 2, выполняется в форме конфузора (89) (фиг. 29).

В случае определения неоднородности температурного поля газового потока за соплом при сверхкритическом истечении из последнего смеси газов, например воздуха, на разделение частиц газа по температурам накладывается одновременное их разделение по молекулярным массам, что оказывает определенное влияние на получаемые результаты, т.е. на определяемые максимальную и минимальную температуры температурного поля газового потока. При этом указанное влияние зависит от численных значений молекулярных масс отдельных компонентов, входящих в газовую смесь, их концентрации в смеси газов, от самого процесса истечения, т. е. какие из частиц газа в большей или меньшей мере изменяют свою температуру, физических свойств компонентов, входящих в газовую смесь, и других факторов. В целом же рассматриваемый способ определения неоднородности температурного поля газового потока позволяет в любых случаях установить наличие вышеуказанной неоднородности, что имеет важное значение не только в научном плане, но и при техническом использовании данного явления.

Кроме того, на участке пути потока газа за соплом 1 от его сечения, в котором заканчивается процесс дорасширения, до сечения в вихревой трубе 2, в котором завершается процесс разделения частиц газа по температурам, вследствие теплообмена между частицами, имеющими разную температуру, происходит уменьшение высокой температуры и: увеличение низкой температуры. Значения изменений указанных температур зависят от многих факторов, в том числе физических свойств газа, перепада давлений при истечении, геометрических характеристик сопла и других факторов. Для определения величины поправки на изменение граничных температур на участке до полного разделения частиц газа по температурам необходимы комплексные исследования, выполнение которых вполне осуществимо на указанном устройстве благодаря его универсальности, т.е. возможности изменения его характеристик при разделении частиц газа по температурам.

Вихревое устройство снабжается всей необходимой измерительной аппаратурой и. средствами измерения.

Таким образом, изобретение позволяет определить и изучить открытое автором ранее неизвестное в науке физическое явление, заключающееся в возникновении неоднородного температурного поля в газовом потоке при сверхкритическом истечении его из сопла, учитывать влияние указанного явления на соответствующие характеристики оборудования, в составе которого используются сопла со сверхкритическим истечением газа, а также полезно использовать его, обеспечивая тем самым наилучшие показатели в работе соответствующего оборудования в различных отраслях техники.

Кроме того, рассмотренный способ и устройство могут найти широкое применение для контроля качества смешения сред с разной температурой в различных отраслях техники, например, при получении изотропного перегретого пара в паротурбинных установках.

Источники информации

1. X. Геращенко С.А., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство, Киев:, Наукова думка, 1965, с.7-8.

2. SU авторское свидетельство N 169826, G 01 K 13/02, 1965 г. (прототип).

З. Чижиков Ю.В. Об истечении газа из сопла вихревой трубы. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы V Всесоюзной науч.-технич. конференции. Куйбышев, 1988, с.12-16.