Газодинамический насадок для определения температуры потока нагретого газа

Техническое решение предназначено для определения максимальных температур в камерах сгорания авиадвигателей различного назначения. Полезная модель позволяет надежно измерять с повышенной точностью локальные значения температуры потока газа нагретого до 2700 K, что снижает время и стоимость газодинамических натурных и модельных испытаний камер сгорания. Указанный технический результат достигается тем, что газодинамический насадок для определения температуры потока нагретого газа содержит проточную камеру с входным и выходным патрубками и жиклерами в них, датчик давления газа перед жиклером во входном патрубке, датчик давления газа и датчик температуры в проточной камере, и датчик давления газа в выходном патрубке. Входной патрубок выполнен в виде газоотборной трубки с жиклером на входе и снабжен водоохлаждаемым корпусом со штуцерами подвода и отвода воды. Выходной патрубок сделан со штуцерами на входе и выходе. В штуцере на входе патрубка установлен выходной жиклер, сообщающийся на входе с проточной камерой. Для определения температуры потока газа насадок вводят в заданную точку потока, осуществляют отбор пробы газа через жиклер входного патрубка и пропускают пробу газа через насадок. Понижая давление в выходном патрубке, устанавливают на жиклерах сверхкритические перепады давлений. При этом измеряют давление газа датчиком, установленным в потоке перед входным патрубком, давление и температуру газа датчиками внутри проточной камеры перед жиклером выходного патрубка и датчиком давления газа в выходном патрубке после жиклера. По полученным данным определяют температуру газа по заданной зависимости.1 н.п., 4 з.п., ил. 1.

Полезная модель относится к области экспериментальной и промышленной термогазодинамики, а именно к термометрии нагретых до высокой температуры потоков газа, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), форсажных камерах (ФК) турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДДФ_см), камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), на выходе из которых надежное локальное измерение температур нагретого до 2700 K потока продуктов сгорания сталкивается с серьезными затруднениями.

В большинстве испытаний форсажных камер и камер сгорания ПВРД измерить непосредственно температуру торможения газообразного потока продуктов сгорания на срезе сопла с помощью термопар для высокотемпературных измерений, например на основе платины и родия, не представляется возможным, поскольку платина является катализатором для догорания несгоревших остатков топлива, что искажает результаты испытаний. Для определения локального значения температуры потока газов использование результатов химического анализа отбираемых проб продуктов сгорания сопряжено с большими затратами времени и средств.

Известно устройство для измерения температуры газового потока (SU 127841, 20.11.1972). Устройство содержит хромель-копелевые термопары, горячие спаи которых открыто расположены внутри дефлекторов, укрепленных на стержне (державке) поперек его оси, причем концы дефлекторов заделаны заподлицо со стержнем. Дефлектор на входе имеет отверстие конической формы, а на выходе - отверстие диаметром 0,5-1 мм для выхода газа. В каждом дефлекторе размещается один спай термопары. Электроды внутри стержня термопары электроизолированы друг от друга асбестовым шнуром, пропитанным смесью, состоящей из жидкого стекла, кварцевой пудры и каолина. Эта изоляция позволяет безотказно работать термопарам в двигателе с повышенной точностью измерений в диапазоне температур от минус 30 до плюс 500°C. Однако данное устройство неприменимо для газовых потоков, нагретых до температур свыше 500°C.

Известно устройство для измерения температуры газового потока порядка 2000К (SU 1682830, 06.02.1989). Устройство содержит охлаждаемый измерительный канал с двумя термопреобразователями на оси и одним термопреобразователем в стенке измерительного канала. На входе и выходе из измерительного канала установлены соответственно входное сужающееся и выходное суживающееся-расширяющееся сопла, причем площадь проходного сечения выходного сопла превышает площадь проходного сечения входного сопла более чем в два раза. Измерительный канал размещен в охлаждаемом отсосном канале, на входе в который установлено суживающееся сопло в виде острокромочной диафрагмы. Причем площадь проходного сечения диафрагмы не меньше площади проходного сечения входного сопла, а на выходе из отсосного канала установлено дополнительное устройство для изменения расхода газа. Устройство обеспечивает повышение точности измерения высоких температур газовых потоков в условиях переменных скоростей и турбулентности. Однако данное устройство неприменимо для измерения температур потоков газа нагретых свыше 2000К.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство определения температуры газа (SU 480926, 20.11.1972).

Устройство для измерения температуры потока нагретого газа, содержит проточную камеру с входным и выходным патрубками с жиклерами в них и клапаном за выходным жиклером, датчик давления во входном патрубке перед жиклером и датчики давления и изменения давления в проточной камере. Устройство повышает точность определения температуры потока газа. Однако оно требует дополнительного времени для стабилизации давления газа в камере, а надежная временная фиксация наступления момента стабилизации давления в данном устройстве не предусмотрена.

В основу полезной модели положено решение задач:

- разработка надежного газодинамического насадка определения температуры потока газа нагретого до 2700 K - максимальной температуры в камерах сгорания современных и перспективных авиадвигателей различного назначения;

- повышение точности локального определения температуры потока нагретого газа предложенным газодинамическим насадком;

- снижение времени и стоимости газодинамических натурных и модельных испытаний камер сгорания за счет сокращения времени выполнения локальных измерений температур газового потока предложенным газодинамическим насадком.

Поставленные задачи решаются тем, что газодинамический насадок для определения температуры потока нагретого газа содержит проточную камеру с входным и выходным патрубками и жиклерами в них, датчик давления перед жиклером во входном патрубке и датчик давления в проточной камере.

Новым в полезной модели является то, что камера дополнительно снабжена датчиком температуры, а выходной патрубок - датчиком давления. Величина диаметра d₂ выходного жиклера связана с величиной диаметра входного жиклера d₁ зависимостью 1d₁/d₂0,9. Причем входной патрубок выполнен в виде газоотборной трубки с жиклером на входе и снабжен водоохлаждаемым корпусом со штуцерами подвода и отвода воды. Выходной патрубок сделан со штуцерами на входе и выходе. Причем в штуцере на входе патрубка установлен выходной жиклер, сообщающийся на входе с проточной камерой.

Указанные существенные признаки делают возможным решение поставленных задач, так как:

- снабжение камеры дополнительно датчиком температуры, а выходного патрубка - датчиком давления обеспечивает возможность использования замеренного значения температуры в качестве исходного для расчета температуры горячих газов из уравнения неразрывности течения, кроме того значение давления за вторым жиклером в выходном патрубке позволяет контролировать наличие сверхкритического перепада давлений в этом жиклере;

- связь диаметра d₂ выходного жиклера с величиной диаметра входного жиклера d ₁ зависимостью 1d₁/d₂0,9 обеспечивает возможность получения сверхкритического перепада давлений на обоих жиклерах одновременно. Отношение диаметров жиклеров d₁/d₂ не может быть меньше 0,9, так как проблематично получение сверхзвукового перепада давления на выходном жиклере, особенно при низких значениях полного давления газового потока на входе в насадок. Отношение диаметров жиклеров d₁/d₂ не может быть больше 1,0, так как проблематично получение сверхзвукового перепада давления на входном жиклере.

- выполнение входного патрубка в виде газоотборной трубки с жиклером на входе обеспечивает возможность «аэродинамического замораживания» пробы газа, фиксируя тем самым ее химический состав;

- снабжение входного патрубка водоохлаждаемым корпусом со штуцерами подвода и отвода воды обеспечивает, прежде всего, работоспособность насадка при высоких температурах газового потока, а также дополнительное охлаждение пробы газа;

- выполнение выходного патрубка со штуцерами на входе и выходе, где в штуцере на входе установлен выходной жиклер, сообщающийся на входе с проточной камерой обеспечивает как пропуск пробы газа через насадок, так и возможность регулирования давления откачки пробы газа при изменении параметров потока нагретого газа.

Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и продолжение.

Выходной патрубок на боковой стенке может быть снабжен штуцером отбора газа. Это позволяет использовать его не только для определения температуры нагретого газа, но и для пропуска пробы газа к аппаратуре выполнения химического анализа пробы.

Жиклер входного патрубка может быть сопряжен с водоохлаждаемым корпусом. Это обеспечивает меньшее изменение площади проходного сечения жиклера при помещении насадка в среду с высокой температурой.

Датчики давления и температуры могут быть установлены в полости камеры до выходного жиклера. Это, во-первых, обеспечивает возможность контроля сверхкритического перепада давлений на входном жиклере, а во-вторых, - использовать замеренное значение температуры в качестве исходного для расчета температуры горячих газов из уравнения неразрывности течения.

Ось жиклера входного патрубка может быть расположена под прямым углом к оси насадка. Это в большинстве практических случаев измерений является наилучшим конструктивным решением расположения всего газодинамического насадка в поясе измерений на выходе из камер сгорания авиадвигателей различного назначения.

Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи. Предложенный газодинамический насадок позволяет:

- разрабатывать различные конструкции газодинамического насадка для надежного определения температуры потока нагретого газа до 2700 K;

- повысить точность и надежность локального определения температуры потока газа нагретого до 2700 K;

- снизить время и стоимость газодинамических натурных и модельных испытаний камер сгорания за счет сокращения времени выполнения локальных измерений температур газового потока.

Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием конструкции газодинамического насадка и его работы со ссылками на чертеж. На чертеже дан вариант конструкции газодинамического насадка и схема его препарирования датчиками.

Газодинамический насадок для определения температуры потока нагретого газа содержит проточную камеру 1 с входным и выходным патрубками 2, 3 и соответственно жиклерами 4, 5 в них, датчик 6 давления перед жиклером 4 во входном патрубке 2 и датчик 7 давления в проточной камере 1. Камера 1 дополнительно снабжена датчиком 8 температуры, а выходной патрубок 3 - датчиком 9 давления газа. Величина диаметра d₂ выходного жиклера 5 связана с величиной диаметра d₁ входного жиклера 4 указанной выше заданной зависимостью.

Входной патрубок 2 выполнен в виде газоотборной трубки с жиклером 4 на входе и снабжен водоохлаждаемым корпусом 10 со штуцерами 11, 12 соответственно подвода и отвода воды. Выходной патрубок 3 сделан со штуцерами 13, 14 соответственно на входе и выходе. В штуцере 13 на входе патрубка 3 установлен выходной жиклер 5, сообщающийся на входе с проточной камерой 1. Выходной патрубок 3 на боковой стенке снабжен штуцером 15 отбора газа. Жиклер 4 входного патрубка 2 сопряжен герметично с водоохлаждаемым корпусом 10. Датчики 7 и 8 соответственно давления и температуры установлены в камере 1 у входа выходного жиклера 5. Ось жиклера 4 входного патрубка 2 расположена под прямым углом к оси насадка.

Способ определения температуры потока нагретого газа заключается в том, что задают площади жиклеров 4, 5 и определяют их характеристики с выполнением калибровок по расходу, учитывающих поправки на тепловое расширение диаметров сопел жиклеров и на зависимость коэффициентов расхода жиклеров µ от числа Рейнольдса.

Работа газодинамического насадка выполняется следующим образом. Вводят газодинамический насадок в заданную точку потока газа. Далее осуществляют отбор пробы газа входным патрубком 2 через жиклер 4 и пропускают пробу газа через насадок. При этом одновременно измеряют давление газа в потоке перед входным патрубком 2 датчиком 6, давление газа датчиком 7 и температуру газа датчиком 8 внутри камеры 1 перед жиклером 5 выходного патрубка 3 и давление газа датчиком 9, установленным в выходном патрубке 3 после жиклера 5.

Далее, понижая давление в выходном патрубке 3, устанавливают на жиклерах 4, 5 насадка сверхкритические перепады давления. При этом измеряют давление датчиком 7 и температуру газа датчиком 8 внутри камеры 1 до жиклера 5 выходного патрубка и давление газа датчиком 9 после жиклера 5.

По полученным данным определяют температуру потока газа в точке отбора пробы по заданному соотношению.

Газодинамический насадок для определения температуры нагретого до 2700 K газа прошел экспериментальную проверку в различных условиях работы и показал хорошие характеристики по точности и скорости выполнения измерений, которые удовлетворяют требованиям методик выполнения измерений при испытаниях камер сгорания авиадвигателей различного назначения.

Технический результат от использования заявленного технического решения заключается в повышении точности, надежности и скорости выполнения локального измерения высокой температуры потока нагретого газа, что позволяет существенно сократить прямые затраты на проведение испытаний и повысит их информативность.

1. Газодинамический насадок для определения температуры потока нагретого газа, содержащий проточную камеру с входным и выходным патрубками и жиклерами в них, датчик давления перед жиклером во входном патрубке и датчик давления в проточной камере, отличающийся тем, что камера дополнительно снабжена датчиком температуры, а выходной патрубок - датчиком давления, величина диаметра d ₂ выходного жиклера связана с величиной диаметра входного жиклера d₁ зависимостью 1d₁/d₂0,9, причем входной патрубок выполнен в виде газоотборной трубки с жиклером на входе и снабжен водоохлаждаемым корпусом со штуцерами подвода и отвода воды, а выходной патрубок сделан со штуцерами на входе и выходе, причем в штуцере на входе патрубка установлен выходной жиклер, сообщающийся на входе с проточной камерой.

2. Газодинамический насадок по п. 1, отличающийся тем, что выходной патрубок на боковой стенке снабжен штуцером отбора газа.

3. Газодинамический насадок по п. 1, отличающийся тем, что жиклер входного патрубка сопряжен с водоохлаждаемым корпусом.

4. Газодинамический насадок по п. 1, отличающийся тем, что датчики давления и температуры установлены в камере у входа выходного жиклера.

5. Газодинамический насадок по п. 1, отличающийся тем, что ось жиклера входного патрубка расположена под прямым углом к оси насадка.