Измерение давления

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ДВС

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ДВС

Создание двигателей связано с большим числом разнообразных экспериментов, в процессе которых используется практически весь арсенал методов и средств теплотехнических измерений. Причем при испытаниях ДВС датчики находятся в особо сложных усло­виях. Это связано со следующими причинами:

разнообразие рабочих тел (жидкость, газ, агрессивные среды); широкий температурный диапазон (—200... + 3500 К); значительные вибрации элементов конструкции; широкий частотный диапазон колебаний измеряемых величин (от долей Гц до ~ 10 кГц).

Исходя из этих особенностей, формулируются основные требования к первичным преобразователям (ПП):

малая чувствительность к колебаниям температуры, если, конечно, она не является измеряемой величиной;

малая чувствительность к перегрузкам давления и вибрации;

собственная частота ПП (, где c - жесткость си­стемы, т. е. усилие, которое нужно приложить, чтобы вызвать ее единичное перемещение; m - масса системы) должна быть примерно на порядок больше частоты исследуемого процесса;

небольшие габариты;

стабильность характеристик во времени;

возможность дистанционного снятия показаний;

в ряде случаев полная герметизация полости ПП, чтобы его можно было установить в агрессивной среде.

В потоке различают давление торможения и статическое давление, зная которые, можно найти основные параметры движущегося газа. Давление торможения - это давление изоэнтропно заторможенного потока. Статическое давление - это давление среды, действующее на тело, движущееся с потоком, или на неподвижную стенку, расположенную параллельно скорости потока. Связь давления торможения и статического давления для несжимаемой жидкости определяется уравнением Бернулли:

где - плотность жидкости (газа).

Для замера давления в потоке нужно иметь специальные приемники (рисунок 3). Они должны: - не слишком возмущать поток, а значит, помимо прочего, иметь сравнительно небольшие габариты;

- быть не слишком чувствительными к изменению направления
потока;

- обладать достаточной механической прочностью, а иногда и жаропрочностью.

Рисунок 3 - Приёмник статического давления

Измерение статического давления. Измерение давления при помощи прибора, движущегося вместе с потоком, практически неосуществимо, и статическое давление обычно измеряют при помощи неподвижного по отношению к потоку насадка. Для этой цели на стенке обтекаемого тела в такой его точке, где ли­нии тока не искривлены и параллельны линиям тока невозму­щенного потока, сверлят нормально к поверхности отверстие, ко­торое сообщают с манометром. Если не учитывать небольших возмущений, вносимых отверстием, то воспринимаемое манометром давление равно статическому давлению в невозмущен­ном потоке.

Статическое давление в потоке может изменяться от точки к точке в направлении, нормальном к скорости невозмущенного потока лишь в том случае, если линии тока имеют кривизну. Если линии тока являются прямыми, то поперечные градиенты скорости не изменяют статического давления. Поэтому наилуч­шие условия измерения статического давления невозмущенного потока имеют место при течении вдоль стенки с прямолиней­ными образующими (рис. 4.3,а), где все линии тока прямые (если не учитывать возмущений, вызываемых пограничным слоем). Наличие тонкого пограничного слоя на криволинейной стенке с практически постоянным давлением поперек слоя не препятствует проникновению статического давления в приемные отверстия извне пограничного слоя. Измерение статического да­вления набегающего потока в аэродинамической трубе часто производится при помощи отверстий на плоской или цилиндрической стенке в начале рабочей части.

Если просверлить отверстие нормально к стенке, обтекаемой вдоль криволинейной образующей (рис. 4.З, б), то отверстие воспримет местное статическое давление, вобщем случае отличающееся от давления в точках нормали, находящихся в потоке.

Если статическое давление по сечению аэродинамической трубы не постоянно, то для его измерения во внутренних точках потока в трубе приме­няют приемник статического давления, представляющий со­бой помещенное в

Рис. 4.3 Измерение статического давления: а – на плоской стенке; б – на криволинейной стенке.

Рис. 4.4 Распределение давления на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра

поток тело, в определенных точках кото­рого просверлены приемные отверстия, сообщенные с мано­метром. В передней части тела любой формы линии тока всегда искривлены. В критиче­ской точке передней части тела поток полностью тормозится, и давление в этой точке равно полному давлению или давле­нию торможения. Давление в других точках поверхности тела в общем случае отличается от полного, так и от статического давления в невозмущенном потоке.

Приемники статического давления можно разбить на две группы. К первой группе относятся приемники в виде насадков небольшой протяженности в направлении потока. У таких насадков приемные отверстия располагают в точках, где давление близко к статическому, но где имеется существенный градиент давления вдоль поверхности. Например, на поверхности круглого цилиндра с осью, перпендикулярной к потоку, такие точки расположены под углом около 30° к направлению потока (рис. 4.4).

Характеристикой приемника статического давления является определяемая тарировкой величина

; ε — коэффициент, учитывающий сжимаемость; — коэф­фициенты, учитывающие шероховатость, неостроту кромок, тепло­вое расширение диафрагмы,

- m – модуль сужающего устройства;

На образование кольцевых вихрей в областях А и В тратится некоторая часть энергии потока и, соответственно, уменьшается его полное давление (на рис. 2.30). Это, безусловно, является недостатком сужающих устройств.

Несколько меньшие потери полного давления наблюдаются при использовании мерных сопел (рис. 2.31-а). В этом случае отрыв потока имеет место только на выходе из сопла, а область макси­мального сужения постоянно расположена на срезе сопла. В связи с этим точность замера с помощью сопл выше.

Рис. 2.31. Схема течения рабочего тела в мерном сопле (а) и трубе Вентури (б), * - место измерения давления

Для дальнейшего уменьшения потерь полного давления исполь­зуют трубы Вентури, спроектированные по линиям тока потока. Здесь нет отрыва потока, ни на входе, ни на выходе устройства.

Стандартизованы три типа сужающих устройств: диафрагмы, сопла и сопла Вентури, изготовление и применение которых в соответствии с определенными правилами (правила 28-64 Госстандарта) позволяет отказаться от индивидуальных градуировок приборов. Стандартные диафрагмы могут быть использованы в трубопроводах диаметром D ≥ 50 мм. Модуль диафрагмы m может иметь значения от 0,05 до 0,7. Геометрическая форма стандартной диафрагмы представлена на рис. 135. Проходное отверстие диаметром d имеет цилиндрическую форму с острой прямоугольной входной кромкой, без заусениц и зазубрин. Ширина цилиндрической части отверстия диафрагмы должна лежать в пределах (0,005 0,02)D. Толщина диафрагмы E не должна превышать 0,05D. Если Е > е, то с выходной стороны цилиндрического отвер­стия выполняется коническая расточка.

Рисунок 135 Стандартная диафрагма Рисунок 136 Профили стандартных сопел: а – сопло для 0,444; б – сопло для 0,444

Измерение перепада дав­ления осуществляется непосредственно у стенок диафрагмы (угловой отбор) с помощью отверстий, равномерно распределенных по окруж­ности, или сплошных кольцевых щелей. Для выравнивания значения перепада давления используются кольцевые камеры, полости которых сообщаются с манометрическими трубками. Размеры отверстий, щелей и сечения кольцевой камеры — стандартизованы. Стандартные сопла применяются в трубопроводах диаметром не менее 50 мм при одновременном соблюдении условия 0,05 0,65. Профили сопел приведены на рис. 136; указанные размеры — стандартизованы. Отбор давления производится аналогично отбору давления у диафрагм. Стандартные сопла Вентури в допол­нение к входной сопловой части имеют выходные конусные участки с углом 30° (рис. 137), Стандартные сопла Вентури устанав­ливаются в трубопроводах с D≥ 50 мм и могут иметь модуль m = 0,05 0,6. Сопло Вентури может быть длинным или коротким; у последнего наибольший диаметр выходного конуса меньше, чем диаметр трубопровода. Главным недостатком расходомеров с су­жающими устройствами является узкий рабочий диапазон каждого данного расходомера, что вызвано квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления. Отношение не должно превосходить 3—4, потому что c его увеличением резко возрастает погрешность измерения вблизи. Выполнение сужающих устройств в строгом соответствии со стандартами позволяет использовать их без индивидуальных гра­дуировок при известных погрешностях величины. Среднеквадра­тичная погрешность коэффициента расхода изменяется про­порционально модулю m и обратно пропорционально диаметру трубо­провода D.

Рост с умень­шением диаметра трубопровода является основной причиной отсут­ствия официальных справочных данных по сужающим устройствам для трубопроводов небольших диаметров (D < 50 мм). Однако при условии обязательного индивидуального градуирования совместно с рабочими участками трубопроводов достаточной длины сужающие устройства стандартных форм могут быть использованы в трубопро­водах малого диаметра (вплоть до 2—4 мм).

Рисунок. 137. Контуры профилей стандартных сопел Вентури для m ≤ 0,444 (при m ≥ 0,444 профиль входной части — по рис. 136, б): 1 — длинное сопло; 2 — корот­кое сопло

При измерении расхода воздуха через воздушно-реактивный двигатель использование сужающих устройств невозможно. В этом случае расход измеряется с помощью воздухомерного лемнискатного насадка 2 (рис. 2.32), который устанавливают на входе

Рис. 2.32. Принципиальная схема измерения рас­хода воздуха лемнискатным насадком: 1 - пре­дохранительная сетка; 2-лемнискатный насадок: 3 - манометр; 4 - двигатель

в двигатель. Роль насадка заключается в обеспечении плавного, т. е. практически без потерь, входа воздуха в двигатель. Тогда, считая давление и температуру торможения воздуха равными ок­ружающему, для определения расхода оказывается достаточным измерение только статического давления. Это видно из уравнения неразрывности, записанного через газодинамические функции:

(2.15)

где k — постоянный коэффициент,, — давление и темпера­тура торможения в характерном сечении насадка, F - величина площади сечения, — газодинамическая функция приведенного расхода, определяемая величиной по таблице газодинамических функций. Измеряя статическое давление в лемнискатном насадке, а также давление и температуру окружающей среды, можно по (2.15) найти расход воздуха.

Дата добавления: 2014-01-03