RU2222850C1

RU2222850C1 - Method for attaining optimal parameters of pressure recovery system for supersonic chemical lasers

Info

Publication number: RU2222850C1
Application number: RU2002114252/28A
Authority: RU
Inventors: А.С. Борейшо; В.М. Мальков; А.В. Савин; А.В. Морозов; А.Ф. Леонов; А.Е. Орлов; И.А. Киселев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НПП "Лазерные системы"
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2004-01-27
Also published as: RU2002114252A

Abstract

FIELD: laser engineering; single-step pressure recovery systems for supersonic chemical lasers such as mobile systems. SUBSTANCE: pressure recovery system is finished by connecting it to supersonic low-pressure gas flow source made in the form of gas-dynamic supersonic chemical laser simulator and varying physical and chemical parameters of both in following sequence: ejector is separately started at no load until gas pressure upstream of nozzles is equalized with rated pressure in gas supply channel upstream of ejector; optimal parameters of pressure recovery system are set by determining and matching ejector and supersonic diffuser characteristics; for the purpose loading characteristics of ejector and ejector gas feed channel pressure are measured, ejector pressure drop as function of flowrate of model gas being ejected is found by varying sectional area of ejector nozzle neck or of ejector neck. Each time when geometric parameters of ejector are varied, its loading characteristic is measured again. Then starting pressure and pressure drop of supersonic diffuser are measured. EFFECT: reduced cost of experimental finishing of laser. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности, к одноступенчатым системам восстановления давления (СВД) для химических сверхзвуковых лазеров, используемых, например, в передвижных системах. The invention relates to laser technology, in particular, to single-stage pressure recovery systems (SVD) for chemical supersonic lasers used, for example, in mobile systems.

Известен способ получения оптимальных параметров системы восстановления давления для химических сверхзвуковых лазеров, заключающийся в ее экспериментальной доработке путем присоединения к химическому сверхзвуковому лазеру и совместного варьирования их физических параметров (см. 1. AIAA Journal, October 1982 "A Theoretical and Experimental Investigation of the Constant Area, Sypersonic-Supersonic Egector", J.C. Button, C.D. Mikkelsen and A.L. Addy; 2. AIAA - paper 1978-1217 "ON THE RATIONAL DESIGN OF COMPRESSIBLE FLOW EJECTORS", P.J. Ortwerth). There is a method of obtaining optimal parameters of a pressure recovery system for chemical supersonic lasers, which consists in its experimental development by connecting to a chemical supersonic laser and jointly varying their physical parameters (see 1. AIAA Journal, October 1982 "A Theoretical and Experimental Investigation of the Constant Area , Sypersonic-Supersonic Egector ", JC Button, CD Mikkelsen and AL Addy; 2. AIAA - paper 1978-1217" ON THE RATIONAL DESIGN OF COMPRESSIBLE FLOW EJECTORS ", PJ Ortwerth).

Недостаток известного способа состоит в том, что экспериментальная доработка СВД требует большого количества пусков сверхзвукового химического HF (DF) лазера совместно с СВД, для которого она предназначена. При этом лазер расходует в качестве топлива очень дорогостоящие и токсичные компоненты (дейтерий). The disadvantage of this method is that the experimental development of the SVD requires a large number of launches of a supersonic chemical HF (DF) laser in conjunction with the SVD for which it is intended. At the same time, the laser consumes very expensive and toxic components (deuterium) as fuel.

Задача изобретения - снижение стоимости экспериментальной доработки за счет использования газодинамического имитатора в качестве химического сверхзвукового лазера, снижение длительности процесса доработки и повышение качества доработки. The objective of the invention is to reduce the cost of experimental refinement through the use of a gas-dynamic simulator as a chemical supersonic laser, reducing the duration of the refinement process and improving the quality of refinement.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в способе получения оптимальных параметров системы восстановления давления для химических сверхзвуковых лазеров, заключающемся в ее экспериментальной доработке путем присоединения к источнику сверхзвукового газового потока низкого давления и совместного варьирования их физических параметров, предлагается в качестве источника сверхзвукового газового потока низкого давления использовать газодинамический имитатор химического сверхзвукового лазера, а варьирование физических и дополнительно геометрических параметров осуществлять в следующей последовательности: автономно в холостом режиме полностью запускают эжектор до достижения давления эжектирующего газа перед соплами равного расчетному давлению в канале подвода перед эжектором; затем устанавливают оптимальные параметры СВД путем определения и согласования характеристик эжектора и сверхзвукового диффузора: для чего при полностью запущенном эжекторе определяют: во первых, нагрузочную характеристику эжектора путем изменения расхода эжектируемого газа в пределах 10...120% от расчетной величины, а также определяют давление в канале подвода эжектирующего газа в эжектор; во вторых, - зависимость давления срыва эжектора от расхода эжектируемого модельного газа, при этом для достижения значения этого давления, меньше или равного расчетному давлению в канале подвода в эжектор, соответственно уменьшают сечение горловины сопла эжектора или сечение горла эжектора, при каждом изменении геометрических параметров эжектора снова определяют его нагрузочную характеристику и давление срыва; затем также при полностью запущенном эжекторе определяют давления запуска и срыва сверхзвукового диффузора путем изменения расхода эжектируемого модельного газа в пределах от 0. . . 120%, при этом для достижения значения давления срыва, меньше или равного расчетному статическому давлению в потоке перед сверхзвуковым диффузором, изменяют минимальное сечение канала сверхзвукового диффузора, например, заменой толщины пилонов, а для установления температуры потока эжектируемого модельного газа соответствующей расчетной изменяют поверхность и массу теплообменных элементов теплообменника. The technical result of the task is achieved by the fact that in the method of obtaining the optimal parameters of the pressure recovery system for chemical supersonic lasers, which consists in its experimental refinement by attaching to the source of a supersonic gas stream of low pressure and jointly varying their physical parameters, it is proposed as a source of a supersonic gas stream of low pressure use a gas-dynamic simulator of a chemical supersonic laser, and the variation of physical The physical and additional geometrical parameters should be carried out in the following sequence: autonomously in the idle mode, the ejector is fully started until the pressure of the ejecting gas in front of the nozzles is reached equal to the calculated pressure in the supply channel in front of the ejector; Then, the optimal SVD parameters are established by determining and coordinating the characteristics of the ejector and the supersonic diffuser: for which, when the ejector is fully started, it is determined: firstly, the load characteristic of the ejector by changing the flow rate of the ejected gas within 10 ... 120% of the calculated value, and also determine the pressure in the channel for supplying ejection gas to the ejector; secondly, the dependence of the ejector stall pressure on the flow rate of the ejected model gas, in order to achieve a value less than or equal to the calculated pressure in the supply channel to the ejector, respectively, the neck section of the ejector nozzle or the neck of the ejector are reduced, with each change in the geometric parameters of the ejector again determine its load characteristic and stall pressure; then, also when the ejector is fully started, the start and breakdown pressures of the supersonic diffuser are determined by changing the flow rate of the ejected model gas in the range from 0. . 120%, while to achieve a stall pressure less than or equal to the calculated static pressure in the flow in front of the supersonic diffuser, the minimum cross-section of the supersonic diffuser channel is changed, for example, by changing the thickness of the pylons, and to establish the temperature of the ejected model gas flow corresponding to the calculated one, the surface and mass heat exchange elements of a heat exchanger.

На фиг.1 представлен общий вид схемы экспериментальной доработки системы восстановления давления. Figure 1 presents a General view of the experimental design of the refinement of the pressure recovery system.

На фиг. 2 - согласованные нагрузочная характеристика эжектора и срывная характеристика сверхзвукового диффузора, а также характеристика статического давления перед сверхзвуковым диффузором. In FIG. 2 - coordinated load characteristic of the ejector and stall characteristic of the supersonic diffuser, as well as the characteristic of the static pressure in front of the supersonic diffuser.

Схема (фиг.1) экспериментальной доработки СВД содержит установленный на опорах газодинамический имитатор 1 химического сверхзвукового лазера, который предназначен для получения газовой среды с определенным составом, температурой и массовым расходом. Получаемая газовая среда имеет молярный вес и показатель адиабаты, соответствующие параметрам продуктов сгорания непрерывного химического DF-лазера. Система восстановления давления выполнена одноступенчатой, с геометрическими и физическими параметрами, определенными проектировочными расчетами. Газодинамический имитатор 1 последовательно соединен со сверхзвуковым диффузором 2, предназначенным для торможения сверхзвукового потока; теплообменником 3, предназначенным для охлаждения потока; эжектором 4, предназначенным для создания разрежения на выходе сверхзвукового диффузора 2 на режиме запуска и для повышения давления до атмосферного на рабочем режиме. Эжектор 4 состоит из соплового блока 5, камеры смешения 6, дозвукового диффузора 7, газогенератора 8 и горла 9 эжектора. Схема экспериментальной доработки содержит также контрольно-измерительную систему 10 состоящую из датчиков давления 11 и 12, установленных на входе в сверхзвуковой диффузор 2 и на входе в эжектор 4; датчиков температуры 13-16, установленных в камере сгорания газогенератора 8 и в газодинамическом имитаторе 1. Во время автономного полного запуска эжектора 4 может быть использована заглушка 17, устанавливаемая между эжектором 4 и сверхзвуковым диффузором 2. Системы подачи компонент и охлаждения не показаны. The scheme (Fig. 1) of the experimental refinement of the SVD contains a gas-dynamic simulator 1 of a chemical supersonic laser mounted on poles, which is designed to produce a gas medium with a certain composition, temperature, and mass flow rate. The resulting gas medium has a molar weight and an adiabatic index corresponding to the parameters of the combustion products of a cw chemical DF laser. The pressure recovery system is single-stage, with geometric and physical parameters determined by design calculations. Gas-dynamic simulator 1 is connected in series with a supersonic diffuser 2, designed to inhibit supersonic flow; a heat exchanger 3 for cooling the stream; an ejector 4 intended to create a vacuum at the outlet of the supersonic diffuser 2 in the starting mode and to increase the pressure to atmospheric in the operating mode. The ejector 4 consists of a nozzle block 5, a mixing chamber 6, a subsonic diffuser 7, a gas generator 8, and an ejector neck 9. The experimental development scheme also contains a control and measuring system 10 consisting of pressure sensors 11 and 12 installed at the inlet to the supersonic diffuser 2 and at the entrance to the ejector 4; temperature sensors 13-16 installed in the combustion chamber of the gas generator 8 and in the gas-dynamic simulator 1. During an autonomous full start of the ejector 4, a plug 17 can be used that is installed between the ejector 4 and the supersonic diffuser 2. The component supply and cooling systems are not shown.

Способ получения оптимальных параметров системы восстановления давления для химического сверхзвукового лазера осуществляется следующим образом. A method of obtaining optimal parameters of a pressure recovery system for a chemical supersonic laser is as follows.

На первом этапе доработки автономно определяются оптимальные параметры режима запуска эжектора 4. Для этого закрывают доступ эжектируемого газа в эжектор 4, например, устанавливая заглушку 17 между эжектором 4 и сверхзвуковым диффузором 2. Запускают газогенератор 8 эжектора 4 с таким расходом рабочего тела, чтобы давление эжектирующего газа перед соплами было равно расчетному. Режим запуска эжектора 4 контролируют датчиком давления 12 в канале подвода эжектирующего газа перед эжектором. Если давление в канале подвода эжектирующего газа выше расчетного давления, что означает неполный запуск эжектора 4, то увеличивают расход рабочего тела эжектора 4, добиваясь полного запуска. Если давление в канале подвода перед эжектором 4 меньше или равно расчетному, то эжектор 4 полностью запущен. На втором этапе доработки при том уровне расхода рабочего тела эжектора 4, который соответствует полному запуску, определяют нагрузочную характеристику эжектора 4. Для этого присоединяют ко входу эжектора 4 газодинамический имитатор 1 химического лазера и сверхзвуковой диффузор 2; с имитатора 1 подают 10% расхода эжектируемого газа (модельного газа, имитирующего поток продуктов химического лазера); запускают газогенератор эжектирующего газа; определяют давление датчиком 12 в канале подвода эжектирующего газа в эжектор 4; повторяют измерения, варьируя расход эжектируемого газа в диапазоне 10...120% от расчетной величины; строят график зависимости давления эжектируемого газа от его расхода (фиг.2). При этом измеряют температуру потока с помощью датчиков 15 и 16 перед и после теплообменника 3. Если разница температур меньше расчетной величины, то увеличивают поверхность и массу теплообменных элементов теплообменника 3. На третьем этапе доработки определяют режим срыва эжектора 4, то есть тот расход эжектируемого газа, при котором его давление начинает быстро расти. В случае, если срыв эжектора происходит при расходе эжектируемого газа, меньшем расчетного, уменьшают сечение горла 9 эжектора 4, например, заменой. После этого повторяют измерения второго этапа. В случае, если давление эжектируемого газа больше расчетной величины, увеличивают число Маха эжектирующего потока путем изменения профиля сопла. Например, уменьшают сечение горловины сопла 5 эжектора 4, сохраняя сечение выхода сопла постоянным. После этого снова повторяют измерения второго этапа. На четвертом этапе доработки определяют параметры работы сверхзвукового диффузора 2. Для этого запускают газогенератор эжектора 4 и подают эжектирующий газ в сопло эжектора 4; запускают газодинамический имитатор 1 и подают поток модельного газа на вход сверхзвукового диффузора 2; а также определяют режим запуска диффузора 2 по уровню статического давления в потоке модельного газа перед диффузором 2. Если давление в потоке модельного газа меньше или равно расчетному, то диффузор 2 запущен. Затем варьируют расход модельного газа в диапазоне 0...120% от расчетной величины и строят график зависимости давления в потоке модельного газа перед диффузором 2 от его расхода. Пятым этапом определяют режимы запуска и срыва диффузора, то есть те пределы по расходу модельного газа, в которых обеспечивается расчетное давление в потоке перед сверхзвуковым диффузором 2. В случае, если наблюдается срыв сверхзвукового режима течения перед диффузором 2 при расчетном значении расхода, то есть давление перед диффузором 2 существенно превышает расчетное, то варьируется минимальное сечение канала диффузора 2, например, заменой толщины пилонов, затем повторяют измерения четвертого этапа. В результате выполнения измерений всех этапов и построения (фиг.2) полученных характеристик эжектора 4 и сверхзвукового диффузора 2 можно сделать следующий вывод: оптимальным рабочим диапазоном СВД с оптимальными параметрами является участок между пересечениями их характеристик. Кроме того, этот рабочий диапазон СВД является наиболее экономически выгодным. At the first stage of refinement, the optimal parameters of the start mode of the ejector 4 are autonomously determined. For this, the access of the ejected gas to the ejector 4 is closed, for example, by installing a plug 17 between the ejector 4 and the supersonic diffuser 2. The gas generator 8 of the ejector 4 is launched with such a flow rate of the working fluid that the pressure of the ejector the gas in front of the nozzles was equal to the calculated one. The start mode of the ejector 4 is controlled by a pressure sensor 12 in the channel for supplying ejection gas in front of the ejector. If the pressure in the supply channel of the ejection gas is higher than the design pressure, which means incomplete start of the ejector 4, then the flow rate of the working fluid of the ejector 4 is increased, achieving a full start. If the pressure in the supply channel before the ejector 4 is less than or equal to the calculated one, then the ejector 4 is fully started. At the second stage of refinement, at the same level of flow of the working fluid of the ejector 4, which corresponds to a full start, the load characteristic of the ejector 4 is determined. For this, a gas-dynamic simulator 1 of the chemical laser and a supersonic diffuser 2 are connected to the input of the ejector 4; from simulator 1 serves 10% of the flow rate of the ejected gas (model gas simulating the flow of chemical laser products); start the gas generator of the ejection gas; determine the pressure of the sensor 12 in the channel for supplying the ejection gas to the ejector 4; repeat the measurements, varying the flow rate of the ejected gas in the range of 10 ... 120% of the calculated value; build a graph of the pressure of the ejected gas from its flow rate (figure 2). In this case, the flow temperature is measured using sensors 15 and 16 before and after the heat exchanger 3. If the temperature difference is less than the calculated value, then the surface and mass of the heat exchanger elements of the heat exchanger 3 are increased. At the third stage of refinement, the failure mode of the ejector 4 is determined, i.e. at which his pressure begins to rise rapidly. If the ejector breakdown occurs when the flow rate of the ejected gas is less than the calculated one, the throat section 9 of the ejector 4 is reduced, for example, by replacement. After that, the measurements of the second stage are repeated. If the pressure of the ejected gas is greater than the calculated value, the Mach number of the ejected flow is increased by changing the nozzle profile. For example, the neck section of the nozzle 5 of the ejector 4 is reduced, keeping the nozzle exit cross section constant. After that, the measurements of the second stage are repeated again. At the fourth stage of refinement, the operation parameters of the supersonic diffuser 2 are determined. For this, the ejector 4 gas generator is started and the ejection gas is supplied to the ejector 4 nozzle; start the gas-dynamic simulator 1 and supply the flow of model gas to the inlet of the supersonic diffuser 2; and also determine the start-up mode of the diffuser 2 by the level of static pressure in the model gas stream in front of the diffuser 2. If the pressure in the model gas stream is less than or equal to the calculated one, then the diffuser 2 is started. Then, the flow rate of the model gas is varied in the range 0 ... 120% of the calculated value and a graph is plotted of the pressure in the flow of the model gas in front of the diffuser 2 versus its flow rate. The fifth stage determines the modes of start-up and stall of the diffuser, that is, those limits on the flow rate of the model gas in which the calculated pressure in the flow in front of the supersonic diffuser 2 is provided. In case there is a breakdown of the supersonic flow regime in front of the diffuser 2 at the calculated value of the flow, i.e. Before diffuser 2 significantly exceeds the calculated one, the minimum cross-section of the channel of diffuser 2 is varied, for example, by replacing the thickness of the pylons, then the measurements of the fourth stage are repeated. As a result of the measurements of all stages and the construction (Fig. 2) of the obtained characteristics of the ejector 4 and the supersonic diffuser 2, the following conclusion can be drawn: the optimal operating range of the SVD with the optimal parameters is the section between the intersections of their characteristics. In addition, this operating range of SVD is the most cost-effective.

Предлагаемый способ позволяет существенно снизить стоимость доработки за счет использования газодинамического имитатора, а также за счет оптимизации предложенных действий. The proposed method can significantly reduce the cost of refinement through the use of a gas-dynamic simulator, as well as through the optimization of the proposed actions.

Claims

Способ получения оптимальных параметров системы восстановления давления для химических сверхзвуковых лазеров, заключающийся в ее экспериментальной доработке путем присоединения к источнику сверхзвукового газового потока низкого давления и совместного варьирования их физических параметров, отличающийся тем, что в качестве источника сверхзвукового газового потока низкого давления используют газодинамический имитатор химического сверхзвукового лазера, а варьирование физических и дополнительно геометрических параметров осуществляют в следующей последовательности: автономно в холостом режиме полностью запускают эжектор до достижения давления эжектирующего газа перед соплами, равного расчетному давлению в канале подвода перед эжектором, затем устанавливают оптимальные параметры системы восстановления давления путем определения и согласования характеристик эжектора и сверхзвукового диффузора, для чего при полностью запущенном эжекторе определяют, во первых, нагрузочную характеристику эжектора путем изменения расхода эжектируемого газа в пределах 10...120% от расчетной величины, а также определяют давление в канале подвода эжектирующего газа в эжектор, во вторых, зависимость давления срыва эжектора от расхода эжектируемого модельного газа, при этом для достижения значения этого давления, меньше или равного расчетному давлению в канале подвода в эжектор, соответственно уменьшают сечение горловины сопла эжектора или сечение горла эжектора, при каждом изменении геометрических параметров эжектора снова определяют его нагрузочную характеристику, затем также при полностью запущенном эжекторе определяют давления запуска и срыва сверхзвукового диффузора, путем изменения расхода эжектируемого модельного газа в пределах 0...120%, при этом для достижения значения давления срыва, меньше или равного расчетному давлению в потоке, перед сверхзвуковым диффузором изменяют минимальное сечение канала диффузора, например, заменой толщины пилонов, а для установления температуры потока эжектируемого модельного газа соответствующей расчетной изменяют поверхность и массу теплообменных элементов теплообменника.A method of obtaining optimal parameters of a pressure recovery system for chemical supersonic lasers, which consists in its experimental development by connecting to a source of a supersonic gas stream of low pressure and jointly varying their physical parameters, characterized in that a gas-dynamic simulator of chemical supersonic is used as a source of a supersonic gas stream of low pressure laser, and the variation of physical and additional geometric parameters is carried out they are shown in the following sequence: autonomously, in an idle mode, the ejector is fully started until the pressure of the ejector gas in front of the nozzles is reached, equal to the calculated pressure in the supply channel in front of the ejector, then the optimal parameters of the pressure recovery system are established by determining and matching the characteristics of the ejector and the supersonic diffuser, for which running ejector determine, firstly, the load characteristic of the ejector by changing the flow rate of the ejected gas in the range of 10 ... 120% of of countable magnitude, and also determine the pressure in the channel for supplying the ejecting gas to the ejector, and secondly, the dependence of the stall pressure of the ejector on the flow rate of the ejected model gas, and in order to achieve a value of this pressure less than or equal to the calculated pressure in the channel for supplying the ejector, the cross section is accordingly reduced the neck of the ejector nozzle or the cross section of the throat of the ejector, with each change in the geometric parameters of the ejector, its load characteristic is again determined, then also when the ejector is fully started the start and breakdown pressures of the supersonic diffuser are divided by changing the flow rate of the ejected model gas within the range of 0 ... 120%, while in order to achieve a breakdown pressure less than or equal to the calculated pressure in the flow, the minimum cross section of the diffuser channel is changed in front of the supersonic diffuser, for example, replacement of the thickness of the pylons, and to establish the temperature of the flow of the ejected model gas corresponding to the calculated one, the surface and mass of the heat exchange elements of the heat exchanger are changed.