В плазмотронах с вихревой или магнитной стабилизацией разряда горячий газ за зоной горения дуги закручен, и если не принять специальные меры, то на выходе из сопла плазмотрона возникнет существенная неравномерность скоростей. На выходе из плазмотронов с вихревой стабилизацией и в ряде плазмотронов других схем без демпферной камеры на выходе из сопла будет также наблюдаться су­щественная неравномерность поля температур. Для многих задач тре­бования к равномерности поля температур и давлений весьма высоки. Например, для исследования стойкости теплозащитных материалов необходима равномерность как поля температур, так и поля ско­ростей. Для ряда задач химической технологии достаточно только равномерности поля температур.

Смесительные камеры могут быть как отдельным агрегатом, уста­навливаемым за плазмотроном (см. рис. 1.2, б), так и элементом самого плазмотрона (см. рис. 1.14). В обоих случаях требуется оп­ределить минимальные размеры камеры, необходимые для создания равномерного поля температур и давлений на выходе из сопла. Ес-

Рис. 3.48. Схема экспериментальной установки для исследования га­шения закрутки потока

тественно, что завышенные размеры смесительной камеры нежелатель­ны, так как приведут к уменьшению термического КПД.

Рассмотрим результаты гашения закрутки струи в шаровой демп­ферной камере при осевом и боковом выводах из нее потока. В ка­честве рабочей среды в данных испытаниях использовался осушенный воздух при нормальной температуре. Схема экспериментальной уста­новки представлена на рис. 3.48. Вихревой поток создавался вихре­вой камерой, имеющей форму простейшей центробежной форсунки. Газодинамика таких вихревых камер исследовалась в работе [2]. Корпус вихревой камеры 1 представлял собой цилиндр длиной 20 мм и диаметром 2R = 80 мм с тремя сменными цилиндрическими соплами 2, расположенными по касательной к боковой поверхности цилиндра на середине его длины. Внутренний диаметр подводящих сопел имел

значения 3,6: 8 мм. Корпус вихревой камеры сообщался с шаровой полостью демпферной камеры 4 диаметром 0,1 м через сменное соп­ло 3. Диаметр сопла 3 d' имел значения 8; 18; 40 мм. Выброс возду­ха из демпферной камеры осуществлялся через сопло 5, расположенное на одной оси с вихревой камерой или перпендикулярно к ней. Диаметр выходного сопла d был примерно в 2 раза меньше диаметра сопла 3 и

принимал соответственно значения 4; 9; 18 мм. В линии подвода сжа­того воздуха устанавливалось сменное мерное звуковое сопло 6.

В опытах измеряли давления перед мерным соплом и за ним

давление внутри демпферной камеры и параметры потока на входе в демпферную камеру и в выходном сечении сопла 5. При выводе газа из
демпферной камеры через боковое сопло измерения параметров в его выходном сечении проводились по диаметру, расположенному в плос­кости, перпендикулярной оси вихревой камеры. Величину и направ­ление вектора скорости на выходе из сопел 3 и 5 измеряли трех­трубчатым насадком. Насадок изготовлен из тонких медицинских игл. Все три приемных отверстия располагались в одной плоскости. Оси

о

крайних приемников составляли 45 относительно оси средней трубки. Вращая насадок и наблюдая за показаниями манометров, добивались равенства давлений р и р, измеряемых крайними приемниками на-

садка. Зная нулевое положение насадка и положение, которому соот­ветствует равенство р и р, определяли угол скоса потока в из-

I О

мерительной плоскости насадка. Порог чувствительности при изме­рении угла скоса потока составлял ± 0,1 . Индивидуально изготов­ленный насадок калибровали в осесимметричной струе, истекающей из профилированного сужающегося сопла с практически равномерным по­током в выходном сечении. Относительная ошибка в измерениях коэф­фициента скорости X не превышала ± 5 %.

На рис. 3.49 представлены профили значений модуля коэффициента безразмерной скорости X и угла ^ между вектором скорости и мери­диональной плоскостью, проходящей через ось сопла на выходе из сопла вихревой камеры, полученные при различных режимах течения. На дозвуковых режимах истечения (G = 0,031 кг/с) коэффициент век­тора скорости X убывает практически линейно к центру вплоть до зоны обратного тока. Следует отметить, что в приосевой области существовала зо­на обратного тока. Радиус зоны обратного тока практически совпадает с положением первой экспериментальной точки от оси

Рис. 3.49. Профили коэффициента скорос­ти X и угла наклона вектора скорости к меридиональной плоскости на срезе сопла в истекающем потоке: 0,008 м; Г /R а 0,031 кг/с (1); С = 0,048 кг/с (2); (?= = 0,197 кг/с (3)

а G = 2тг / purdr г

X /oe(X)rrfr

2я

|г(Х ) si W

а 2 К = 2тг / purdr г

где r(X), e(X) - газодинамические функции температуры и плотности соответственно; R - газовая постоянная, для воздуха равная 287 Дж/(кгтрад); к - показатель адиабаты; - абсолютная тем­пература; - радиус зоны обратного тока.

Ниже представлены результаты измерений расхода мерным соплом G и значений Gq, и на срезе сопла, определенные по ре­зультатам измерения параметров в истекающем потоке на срезе сопла

Согласно этим данным на режимах с обратным током расход в зоне обратного течения может превышать расход подаваемого в вихревую камеру газа более чем на 50 %. При больших расходах в вихревых камерах с как и следовало ожидать, расход в зоне обрат­

ного течения стремится к нулю. По полученным интегральным харак­теристикам определена закрутка потока в начальном сечении

закрученной струи, истекающей из вихревой камеры. Как видно, величина закрутки изменяется незначительно с увеличением расхода, т. е. при переходе от одного режима к другому.

Аналогичные измерения параметров были проведены на срезе сопла демпферной камеры, расположенного соосно с соплом вихревой камеры. Структура потока на выходе из демпферной камеры качественно ана­логична структуре потока, истекающего из вихревой камеры. Поток на выходе из демпферной камеры остается сильно закрученным, и на не­которых режимах в нем также зарегистрирована приосевая зона об-

Рис. 3.51. Профили полного относительно-
го давления на срезе сопла демпферной
камеры при осевом и боковом истечении:

а) dn = 0.008 м; Г /R = 0.225; Г /R =

Как

= 0,112; G = 0,487 (1); G = 0,935 (2) - нормальное истечение; G - 0,487 (3); G - - 0,935 кг/с (4) — осевое истечение;

б) dD = 0,0036 м; Г /R = 0,5; Г /R =

К а к

= 0,25; G = 0,135 кг/с (5) — осевое ис-
течение; (6) — нормальное истечение

ратного тока (рис. 3.51). Угол наклона вектора скорости на выходе из сопла демпферной камеры примерно в 2 раза меньше, чем в струе на срезе сопла вихревой камеры при одинаковых расходах.

При боковом выводе газа из демпферной камеры улучшается равно­мерность потока на выходе из сопла. При d^ = 0,008 м, г

= 0,225, rJR = 0,112 равномерность практически такова, как при

истечении без закрутки. Однако при больших степенях закрутки и слабом демпфировании (т. е. для больших г^иг) происходит сущест­венное искажение осевой симметрии на выходе из бокового сопла (см. рис. 3.51). Это вызвано тем, что в истекающей из демпферной камеры струе сохраняется вращательное движение газа относительно оси вихревой камеры.

По результатам измерения параметров потока в выходном сечении сопла демпферной камеры, расположенного соосно с соплом вихревой камеры, были определены интегральные характеристики закрученного потока для тех же расходов через мерное сопло, что и при отсут­ствии демпферной камеры.

Для теоретической оценки гашения закрутки струи демпферной ка­мерой использовалось решение задачи о распространении турбулентной закрученной струи в безграничном пространстве, затопленном той же жидкостью, по методу, предложенному Л. Г. Лойцянским. При такой оценке потери момента количества движения в закрученном потоке за счет трения о стенки демпферной камеры заменяются потерями момента количества движения вдоль оси закрученной затопленной струи в пределах ее границы, соответствующей постоянной массе в начальном сечении струи. При этом предполагается равенство расходов и коэф­
фициента закрутки в начальном сечении для действительной и модель­ной струи. Подробно методика расчета момента количества движения в закрученной струе изложена в [3]. На рис. 3.52 приведены расчетные кривые изменения относительного момента количества движения вдоль закрученной струи в пределах границы ее постоянной массы (/3 = = G/2ttm, где и - коэффициент динамической вязкости). Там же при­ведено значение относительного момента количества движения, из­меренного на срезе сопла демпферной камеры. Экспериментальные результаты лежат несколько выше расчетных, так как не вся масса закрученного потока, истекающего из сопла вихревой камеры, сразу проходит через сопло демпферной камеры. Периферийная часть за­крученного потока внутри демпферной камеры разворачивается обратно и способствует сохранению момента количества движения всего по­тока. Результаты такого расчета позволяют качественно оценить гашение закрутки потока внутри демпферной камеры с осевым выходом рабочей среды и тем самым приближенно оценить размеры демпферной камеры.

Результаты опытных исследований и теоретические оценочные расчеты показали, что при соосном расположении сопла демпферной камеры по отношению к оси вихревой камеры осуществляется слабое гашение закрутки потока, причем профиль полного давления на выходе из сопла остается неравномерным во всем исследуемом диапазоне па­раметров модели. Поэтому с точки зрения получения равномерного потока на выходе из сопла демпферной камеры преимущество остается за теми камерами, выход рабочей среды у которых осуществляется через сопло с осью, расположенной по нормали к оси вихревой каме­ры. Однако при сильной закрутке потока и большом значении rJRQ на

выходе из такого сопла может иметь место искажение профиля пара-

Рис. 3.52. Изменение отно­сительного значения момента

количества движения закру -

ченного потока вдоль оси демпферной камеры: о-1 - = 0,0036 м;

Г //?= 0,1: G = 0,0073 кг/с; а

X - 2 - dn = 0,008 м; Г //?= R а

= 0,225; G = 0,934 кг/с

метров потока (см. рис. 3.51). Для уменьшения скоса потока на вы­ходе из бокового сопла необходимо уменьшить отношение вращательной компоненты скорости на максимальном радиусе R^ внутри демпфер­

ной камеры к скорости истечения потока из сопла ю /и. При сверх­звуковом истечении равна скорости звука а.

Скос потока на выходе из сопла можно охарактеризовать вели-

Р ~Р

„ А п/ Отах О

чинои Ал % = ---------------------- 100, где рл - максимальное, а рл -

0 Pq Отах 0

среднее давление на выходе из сопла. Максимальное значение враща­тельной компоненты коэффициента скорости Л;, обеспечивающее до­пустимое значение Др, определяется опытным путем. Согласно ре­зультатам, представленным на рис. 3.51 в модели с параметрами = = 0,008 м, гJR = 0,225, rJR = 0,112, R = 0,05 м, искажение про­филя давления Дро не превышает 5 % при Х^ = 0,145. Дальнейшая задача сводится к определению радиуса демпферной камеры /?*, при

котором Х^ < Х^. Согласно закону сохранения циркуляции зависимость

ж

радиуса демпферной камеры от Х^ можно определить по формуле

R* = (X г )А* , к wa а ш

где Х^ - коэффициент скорости, определенный по окружной состав­ляющей в потоке на входе в демпферную камеру.