E-mail:
а.Л. Гусев.
Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно -исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)
Россия, Нижегородская обл., Саров
Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели микропотоков газов и паров для контроля герметичности энергетических объектов (краткий обзор)
■зо
Обсуждены вопросы генерации микропотоков газов для объектов водородной энергетики, водородного транспорта и космических исследований.
Рассматривается современное состояние и перспективы развития исследований в области газогидродинамики физических сред, проникающих через регулируемые кольцевые конические микроотверстия.
Проанализирован спектр возмущающих факторов, изменяющих установившееся течение жидкостей и газов через профилированные микроотверстия. Описаны исследования, проведенные при разработке прецизионного регулируемого дросселя, в основе которых была заложена идея термо- и вибростабилизации регулировочной иглы, а также принципы повышения точности механизма ее подами. Традиционный резьбовой механизм подачи иглы имеет низкую воспроизводимость из-за появления микролюфтов, он также подвержен влиянию вибраций. В ходе исследований регулировочная игла термо-стабилизировалась на различных температурных уровнях, проводились: криостабилизация, термостабилизация при комнатных, а также при повышенных температурах.
Криостабилизация регулировочной иглы, не всегда отвечает требованиям эргономики, а, кроме того, образование кристалликов льда в дросселирующем отверстии приводит к срыву заданного установившегося микропотока. Термостабилизация дросселя в области комнатных температур не устраняет изменяющейся поверхностной влажностной пленки. Свойства этой пленки в пределах приповерхностного слоя существенно меняются. Они зависят как от характера межмолекулярного взаимодействия в жидкости, так и от взаимодействия молекул жидкости с молекулами стенки, а так же от размеров микроотверстий. Поэтому наличие влажностной пленки не позволяет обеспечить надежность и точность регулирования микроотверстий. Наиболее оптимальной является термостабилизация дросселя в районе 70 -750С и выше.
Представлена методика синтеза конструкций натекателей с одновременным выбором закона управления.
ABSTRACT
Generation of gas microflows for hydrogen energy objects, hydrogen transport and space exploration are discussed. The present state of studies in the field of gas and fluid dynamics of physical environments penetrating through adjustable ring-shaped conic microholes and their future opportunities are discussed. The disturbing factors changing the steady flow of fluids and gases through profiled micro-holes have been analyzed. The studies are described that were carried out during development of the precision adjustable throttle. The idea of thermal and vibration stabilization of the regulator needle as well as the principles of increasing its feeding mechanism accuracy were used as their basis. The conventional threaded mechanism for the needle feeding has a low reproducibility because of microgaps. It is also subject to vibration effects. In the course of studies the regulator needle experienced thermal stabilization at different temperature levels. Cryostabilization, thermal stabilization at room and elevated temperatures were performed.
Cryostabilization of the regulator needle is not always compatible with the ergonomics requirements. Besides, formation of ice crystals in the throttling hole results in interruption of the steady microflow. Thermal stabilization of the throttle in the range of room temperatures does not remove the changing surface moist film. The properties of this film change greatly within the layer near the surface. They depend on the character of intermolecular interaction in the fluid, on interaction between the fluid molecules and the wall molecules and on the size of microholes. Therefore, the presence of a moist film prevents from reliable and accurate adjusting of microholes. Thermal stabilization of the throttle at 70-75° and over is most optimal. The procedure of synthesizing leak designs is presented with simultaneous selection of the control law.
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития измерительной и в особенности газоаналитической техники характеризуется значительным ужесточением условий эксплуатации, определяемых влиянием температуры, давления, влажности, напряжения питания, значительным загрязненностью и сложностью анализируемых проб, повышенным уровнем радиации, запыленностью, загазованностью, изменяющимися в широких пределах. Вместе с тем значительно повышаются требования к точности, надежности, чувствительности и быстродействию аппаратуры газового анализа. В связи с этим к газоанализаторам и газоаналитическим системам предъявляются дополнительные требования (Р. Т. Франко, 1983):
щ сохранение работоспособности в сложных условиях при ограниченных возможностях обслуживания, что может быть достигнуто повышением степени автоматизации процесса измерений; резким повышением ремонтопригодности, резервированием наименее надежных блоков и узлов; щ обеспечение возможности автоматической проверки основных метрологических параметров и работоспособности;
щ обеспечение самоконтроля и прогнозирования технического состояния измерительных трактов и приборов в целом;
щ повышенная стабильность коэффициентов преобразования измерительных трактов (метрологическая надежность);
щ увеличение быстродействия газоаналитической аппаратуры.
Наиболее ответственным и наиболее уязвимым узлом любой газоаналитической системы является устройство забора проб - в рассматриваемом случае - вакуумный на-текатель.
Натекатели по уровню стоимости можно приравнять к немногочисленным изделиям, которые относятся к hightech классу. Если условно оценивать изделия удельным показателем стоимость/килограмм веса, то для high-tech-изделий такой показатель составляет порядка 1000 долларов за килограмм.
Исследования вакуумных натекателей с целью создания прецизионных регулируемых изделий были начаты автором данного обзора и его коллегами при выполнении космических программ. К ним относились испытания в вакуумной камере на герметичность и определение суммарной течи космических аппаратов и скафандров, а также поиск локальных течей. Автор данного обзора являлся одним из участников испытаний на герметичность космической станции «Мир», руководителем вакуумных испытаний системы заправки многоразовой транспортной космической системы (МТКС) «Энергия-Буран».
Высокое качество вакуумирования теплоизоляционных полостей криогенного оборудования позволило впервые в мировой практике обеспечить заправку системы «Буран» существенно переохлажденными компонентами топлива. Вместе с тем, технология вакуумных испытаний продолжает оставаться одним из самых трудоемких, мало поддающихся автоматизации, дорогостоящих процессов, часто лимитирующих сроки приведения криогенных систем в готовность. Этот процесс существенно усложнен воздействием на наружные поверхности теплоизоляционных полостей атмосферных осадков, вибраций, ветровой нагрузки, радиации, инсоляции, пыли, колебаний темпера-
туры и влажности. Недостаточно высокая плавность регулировки натекателей масс-спектрометров приводит к выходу из строя катодов и значительно повышает эксплуатационные расходы, связанные с заменой катодов и повторной калибровкой масс-спектрометра.
В настоящее время в России весьма трудно найти хороший прецизионный натекатель. Это положение обусловлено не только "отдыхом" отечественной промышленности, но и наличием незаполненной технологической ниши в мировом производстве регулируемых прецизионных нате-кателей широкого спектра действия. Основными производителями прецизионных натекателей в мире являются английская фирма "Edwards" и фирма "Balzers" (Лихтенштейн). Несмотря на кажущуюся простоту, прецизионные регулируемые натекатели требуют тщательного изучения и совершенствования.
В обзоре рассмотрены прецизионные регулируемые вакуумные натекатели - устройства для регулирования микропотока газа. Эти устройства должны нормально функционировать в условиях воздействия на них разнообразных дестабилизирующих факторов, обеспечивать точность регулирования и повышенную производительность при высокой стабильности газового потока, должны отвечать требованиям автоматизации процесса регулирования и поддержания пропускной способности.
Вакуумные натекатели получили широкое распространение в криовакуумной технике для испытаний откачных систем, для тарировки измерительных комплексов, использующих масс-спектрометрические течеискатели, для регулирования чувствительности масс-спектрометрических течеискателей, а также при поиске локальной негерметичности и в хроматографах при отборе газовых проб.
Незаменимы регулируемые натекатели газов в автомобильной промышленности, как в конструкции самого автомобиля, так и в установках с программным управлением для окраски машин, а также в газосварочных устройствах. Ряд прогрессивных автомобильных фирм давно оснащает свои автомобили системой управления подачей горючего и окислителя в камеру сгорания, позволяющей обеспечить стехиометрическое сжигание топлива [1]. Как правило, подобные системы прецизионной подачи топлива выполняются с обратной связью, основными элементами которой являются два устройства - газовый датчик, устанавливаемый в газовыхлопном тракте, и регулируемый натекатель (либо газа, либо жидкости) - инжектор. Инжектор по своей сути представляет гибрид регулируемого прецизионного нате-кателя и форсунки. В настоящее время выпускается достаточно широкий ассортимент инжекторов: Щ с механическим впрыском - «K(KE)-Jetronic»
(«Mercedes-123»); Щ электромеханические - «L-Jetronic» («Mercedes-124»)
электронные - «Motronic» (Audi, VW, Opel, Renault,
«Lucas» (Jaguar), «Marelli» (Fiat, Alfa Romeo).
Прецизионный регулируемый натекатель газов является одним из основных элементов космических скафандров [2], аквалангов, систем жизнеобеспечения (СОЖ) космических кораблей и станций.
Прецизионные регулируемые натекатели необходимы для автоматического соз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.