Измерение давлений и скоростей

Статическое давление может быть определено как давление на поверхности бесконечно тонкой неподвижной пластинки, помешенной в поток идеальной жидкости параллельно его направлению или на стенке, вдоль которой движется поток газа. Последнее определение является основанием для измерения статического давления в каналах.

Полным называется давление, которое испытывает неподвижное тело, помещенное в поток газа в той его точке, где поток тормозится до нуля. Соотношение между статическим р и полным р* давлениями устанавливается уравнением Бернулли

(5.2)

Схема измерения статического и полного давлений в сечении канала показана на рис.5.6.

Рис.5.6. Схема измерения полного и статического давлений в канале

Простейшим приёмником полного давления является трубка Пито - Г-образная трубка, открытым концом направленная против потока. Точность измерения полного давления в значительной мере зависит от угла скоса потока, под которым понимается угол несовпадения направления потока с осью отверстия приёмника. На рис.5.7 показано влияние угла скоса потока на показания приёмника полного давления.

Скорость потока в любой точке сечения может быть определена в измерениях по схеме рис.5.6, если можно считать давление постоянным по сечению. В этом случае скорость подсчитывается по значениям динамического напора и температуры в точке замера полного давления. Величина ошибки измерения в зависимости от диаметра приёмного отверстия трубки Пито составляет 0,4 – 1,5% от величины скоростного напора для диаметров 0,5 – 2,0 мм, соответственно.

Рис.5.7. Влияние угла скоса потока на показание приёмника полного давления

Рис.5.8. Трубка Прандтля

Местное значение динамического напора может быть замерено с помощью трубки Прандтля, представляющей собой комбинацию отборников полного и статического давлений (рис.5.8).

Для исследований пространственного потока в жаровых трубах камер сгорания ГТД, как и вообще в закрученных потоках, в МАИ был разработан охлаждаемый пятидырчатый насадок с полусферической головкой диаметрами от 6 до10 мм. В головке насадка просверлено 5 отверстий, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. К каждому из отверстий со стороны внутренней поверхности полусферы припаяно по трубке. Концы трубок выводятся к U - образным манометрам или микроманометрам. По измеренным величинам при помощи заранее полученных тарировочных графиков вычисляется величина и направление вектора скорости в точке замера и, следовательно, трех ее проекций - осевой, тангенциальной и радиальной. Если измерения проводятся в неизотермическом потоке, то одновременно должно быть снято поле температур в данном сечении. Тарировка насадка обычно проводится в ровном потоке, например, за соплом в ядре струи. Схема пятидырчатого насадка показана на рис.5.9, а тарировочные графики на рис.5.10.

Рис.5.9. Схема пятидырчатого насадка

Рис.5.10. Тарировочные графики пятидырчатого насадка

Измерение расхода воздуха

Расход воздуха в трубе может быть подсчитан по уравнению расхода, если известна величина средней скорости в сечении. Для этого должны быть измерены величины полного и статического давления по схеме на рис.5.6 и температура торможения в точке расположения приёмника полного давления. При расположении трубки Пито в центре трубы при измерении потока с турбулентным профилем скорости может быть получена величина максимальной скорости в сечении.

Согласно исследованиям А. Д. Альтшуля (Гидравлические сопротивления): Недра, 1970) расстояние от стенки трубы до точки, в которой w = w_cp составляет:

, (5.3)

где - радиус трубы.

Таким образом, если установить приемник полного давления в точку с координатой y_wcp, можно рассчитать среднюю скорость турбулентного течения в трубе w_cp и расход воздуха по газодинамическому уравнению расхода:

кг/с (5.4)

Где – площадь сечения трубы, находится по таблицам газодинамических функций через

Если трубка Пито установлена в центре трубы, то измеряется скорость w_мах и соответствующее полное давление р^*. В этом случае можно воспользоваться соотношением между средней и максимальной скоростями турбулентного профиля в трубе и подсчитать расход воздуха по уравнению неразрывности:

w_cpmp / w_max = 0,825 (5.5)

G_в = w_cpmp·F_mp·ρ_в, (5.6)

где - плотность воздуха, кг/м³;

Изложенная методика даёт хорошие результаты и особенно удобна для измерений расхода в трубах малого диаметра, до 50 мм, где нельзя применить широко известные дроссельные устройства без предварительной тарировки последних.

Дроссельные устройства - это мерные диафрагмы и шайбы, мерные сопла и трубы Вентури. Принцип измерения заключается в том, что увеличение скорости потока в мерном сечении вызывает соответствующее уменьшение статического давления, по перепаду которого в сечении до дросселя и в месте сужения можно определить расход жидкости (воздуха).

Давление на оси потока падает (пунктир на рис.5.11), но кривизна линий тока вызывает увеличение статического давления на стенке канала перед диафрагмой. По инерции поток продолжает сужаться за диафрагмой и наименьшее его сечение и, следовательно, наименьшее давление имеет место за диафрагмой. Далее поток тормозится и растекается до стенок, но часть давления p₁ теряется. Наибольшая потеря имеется в диафрагме, наименьшая в трубе Вентури.

Рис.5.11. Схема течения и распределения давления в дроссельной мерной шайбе

Рабочая формула для вычисления расхода газа или жидкости имеет вид:

, (5.7)

где ε - поправка на сжимаемость газа, α - коэффициент расхода.

Удобство пользования дроссельными приборами заключается в том, что ими можно проводить измерения без предварительной тарировки, если они применяются для трубопровода диаметром не менее 50 мм и удовлетворяют всем другим требованиям ГОСТ 3720-50. В этом случае средняя квадратичная погрешность при измерении расхода не превышает ± 1 %.

Измерение расхода топлива

При измерениях расхода топлива широко используются ротаметры и штрихпроберы, показанные на рис.5.12 и 5.13. Объемные расходомеры – штихпроберы имеют прозрачный мерный бак, внутри которого имеются диски, которые делят его объём на несколько мерных полостей. Объёмы полостей тщательно проверяются и обозначаются на приборе. Время прохождения топлива между верхним и нижним дисками фиксируется секундомером. Массовый секундный расход определяется по формуле:

, кг/с (5.8)

где V – мерный объём, л (дм³); ρ_Т – плотность топлива, кг/дм³; τ – время измерения, с. Величина ошибки измерения штихпробером 1,5 – 2,0%.

Ротаметр представляет из себя прозрачную трубку с малой конусностью (1 - 5°), внутри которой расположен поплавок. Масса поплавка зависит от величины измеряемого расхода. Снизу к трубке подводится поток жидкости, и гидродинамическое давление заставляет поплавок подниматься вверх, пока сила тяжести поплавка не уравновесится силой давления жидкости. Для большей устойчивости на верхнем буртике поплавка делают винтовые пазы, которые заставляют поплавок вращаться. Ротаметры имеют высокую чувствительность; при их использовании легко осуществить автоматизацию измерений, в ротаметрах имеется малая потеря давления и обеспечивается большой диапазон измерений. Ротаметры находят широкое применение при установке режима работы двигателя. Погрешность измерения ротаметром составляет приблизительно 2,5%.

Рис.5.12. Ротаметр: 1 – конусная прозрачная трубка, 2 – поплавок, 3 – предохранительная решётка

Рис.5.13. Принципиальная схема объёмного расходомера (штихпробера): а – исходное положение крана, б – положение при измерении расхода; 1 – компенсационный объём, 2 – резервный объём, 3 – мерный объём, 4 – страховочный объём, 5 – кран, 6 – трубка подвода топлива, 7 – уровень топлива, 8 – соединительная трубка

Наиболее точным методом измерения расхода топлива является весовой, схема которого показана на рис.5.14.

Рис.5.14. Схема устройства для массового измерения расхода топлива: 1 – топливный бак, 2 – весы, 3 – мерная колба, 4 – трёхходовой кран

После заполнения мерной колбы топливом трёхходовой кран переключают на питание из бака, на правую чашку весов ставятся уравновешивающие гири. Для замера расхода топлива кран 4 переключается в положение подачи из мерной колбы, и как только чашки весов приходят в равновесие (при подготовке к замеру чашка с мерной колбой должна немного перевешивать чашку с гирями), нужно включить секундомер. Одновременно снимается нужная гиря, и после расхода равноё ей массы топлива секундомер выключается.

Расход топлива подсчитывается по следующей формуле:

где G_Т – расход топлива, ∆G_Т – мерная доза топлива, τ – время замера.

Кроме вышеописанных измерений, входящих в классическую схему, программа испытаний может предусматривать проведение газового анализа продуктов сгорания или измерение характеристик турбулентности термоанемометром. В зависимости от поставленной задачи осуществление измерений проводится с помощью различных приспособлений, координатников, вращающихся термопар, гребенок, специальных термоанемометрических датчиков. Кроме того, при проведении испытаний требуются различные измерительные приборы - манометры, милливольтметры, амперметры и другие, комплектация которых и класс точности в каждом конкретном случае определяются исследователем.

В заключение отметим, что дальнейшее развитие методов расчета камер сгорания позволяет сократить объем доводочных заводских испытаний, ограничив их необходимой проверкой.

Тесный контакт заводов с научно-исследовательскими организациями и учебными институтами позволяет первым практически использовать результаты научных исследований и наилучшим образом решать поставленные задачи.

Контрольные вопросы к главе 5

1. Перечислите основные системы стенда для испытаний камер сгорания.

2. Объясните принцип работы термопары.

3. В чём заключается различие в устройстве и принципе измерения трубками Пито и Прандтля.

4. Объясните порядок измерения расхода топлива штихпробером и весовым способом.

5. Объясните метод измерения расхода воздуха дроссельными приборами.