Устройство для измерения параметров пульсирующего потока

Авторы патента:

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована для диагностирования технического состояния газотурбинных двигателей, исследования течения в трубопроводах и каналах с отрывом потока. Устройство для измерения параметров пульсирующего потока содержит насадок, установленный неподвижно относительно потока и выполненный с возможностью определения трех компонент скорости пульсирующего потока (U - осевая скорость, V - радиальная скорость, W - окружная скорость), статического и полного давления пульсирующего потока. Насадок содержит приемное устройство, выполненное в виде полусферы с заданным радиусом. На поверхности полусферы расположены приемные отверстия, соединенные с не менее тремя датчиками пульсаций давления, причем расстояние между приемными отверстиями менее одной трети радиуса полусферы.

Полезная модель предназначена для определения динамики изменения газодинамических параметров потока в лопаточных машинах и каналах, например в лопаточных компрессорах, трубопроводах и диффузорах в заданных областях течения, как в пограничных зонах, так и в ядре газового потока.

Известны устройства для определения осредненной (стационарной) величины приведенной скорости потока в сечении, перпендикулярном направлению движения потока, с измерением в одном сечении полного и статического давления с помощью зондов или насадков, устанавливаемых в проходном сечении трубопровода, регистрации полученных измерений и обработки результатов измерений (С.М. Горлин. Экспериментальная аэромеханика. Москва: Высшая школа 1970, с. 173-178).

Недостатком данных устройств является низкая точность измерений и недостаточность полноты информации для определения структуры потока.

Для наблюдения за изменением во времени структуры потока и компонент вектора скорости этих измерений недостаточно, так как эти устройства не предоставляют необходимой информации о мгновенных значениях абсолютной скорости потока и ее трех компонент: осевой скорости, радиальной скорости и окружной скорости и их направлениях.

Известно приемное устройство фирмы «Kulite» (Kulite Semiconductor Products, Inc.) «Ультраминиатюрный пьезорезистивный датчик», которое приводится в статье (Alexander A. Ned, Dr. Tonghuo Shang, Scott Goodman, Adam Hurst, Dr. John Chivers //Fully integrated miniature, high frequency flow probe utilizing leadless, soi technology suitable for gas turbines// http://www.a-tech.ca/doc_series/FAP-250_ATI.pdf). Устройство позволяет определять углы потока, использует пять высокотемпературных миниатюрных датчиков абсолютного давления, расположенных в шарообразной головке. Вместе с тем неоднородность сферической поверхности датчика может приводить к нестабильным результатам измерений.

Основными недостатками этого устройства является: непрочность (хрупкость) конструкции приемного элемента, незащищенность датчиков от попадания твердых частиц, использование датчиков абсолютного давления, расположение центрального датчика навстречу потока, и как следствие измерение бокового давления четырьмя другими - на неоднородной сферической поверхности датчика - почти конической поверхности, где могут возникать возмущения, вызванные возникновением вихревых структур на его поверхности.

К числу недостатков можно отнести так же близкое расположение головки к державке и, как следствие, возникновение возмущений от державки.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для определения пульсаций скорости потока (RU 2285244, G01P 5/14, 2006). Устройство содержит насадок, блок коррекции положения приемника насадка, состоящий из определителя угла потока и корректирующего устройства, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, который включает блок задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов, блок перевода электрических величин в физические, блок наблюдения за преобразованными аналоговыми сигналами, блок продолжительности преобразования аналоговых сигналов, блок регистрации аналоговых сигналов, блок синхронизации аналоговых сигналов, и блок определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки. Приемник насадка оснащен датчиками пульсаций полного и статического давления и определителем направления потока. Один датчик установлен в насадке параллельно направлению потока и обеспечивает измерение пульсаций статического давления, а другой датчик - перпендикулярно направлению потока и обеспечивает измерение пульсаций полного давления, при этом датчики расположены в приемнике насадка в одной заданной точке и не имеют присоединенных объемов. Насадок соединен с блоком коррекции положения приемника насадка относительно направления потока и с блоком цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, которые соединены между собой, а блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов соединен с блоком определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки.

Использование описанного выше устройства показало, что в реальных условиях скорость потока в точке поля является переменной величиной, в значительной степени обусловленной турбулентностью потока, распространением возмущений от конструктивных элементов, вязкостью среды и другими процессами.

Опыты, проведенные по определению структуры газового потока в компрессоре и изменению газодинамических параметров течения во времени при непрерывном, синхронном измерении полного и статического давления в изменяющем направление набегающем нестационарном потоке (с построением изолиний полного и статического давлений и приведенной скорости потока в абсолютном движении, изолиний повышения и/или потерь полного давления, определением приведенной скорости потока, и газодинамических параметров потока в широком частотном диапазоне, который в условиях изменения режима работы компрессора составляет от 5 до 10000 Гц и более) показали, что структура потока и соответственно мгновенные значения параметров в компрессоре изменяются в зависимости от расположения вблизи измерительного устройства межлопаточных каналов и лопаток их образующих. Для определения трех компонент скорости двух датчиков давления недостаточно.

В основу полезной модели положено решение следующих задач:

- определение трех компонент скорости пульсирующего потока: U - осевая скорость, V - радиальная скорость, W - окружная скорость;

- одновременное определение трех компонент скорости, статического и полного давления пульсирующего потока;

- определение статического и полного давления пульсирующего потока в широком диапазоне значений углов потока (до ±85°).

Поставленные задачи решаются тем, что устройство для измерения параметров пульсирующего потока содержит насадок, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, содержащий блок задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов, при этом в насадке расположены датчики пульсаций давления.

Новым в полезной модели является то, что насадок установлен неподвижно относительно потока, выполнен с возможностью определения пульсаций трех компонент скорости потока и содержит приемное устройство, выполненное в виде полусферы с заданным радиусом. На поверхности полусферы расположены приемные отверстия, соединенные с не менее тремя датчиками пульсаций давления. Расстояние между приемными отверстиями менее одной трети радиуса полусферы. Блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов дополнительно содержит блок учета тарировочных кривых, блок алгоритма математической модели определения газодинамических функций и аппроксимирующих коэффициентов, блок определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки, блок индикации трех компонент скорости потока, углов атаки и скольжения, степени сжатия и потерь полного давления.

В настоящей заявке целью является создание насадка - измерителя трех компонент скорости пульсирующего потока при использовании в качестве чувствительных элементов высокочастотных малогабаритных датчиков пульсаций давления. Насадок предназначен для одновременного измерения трех компонент скорости (U, V, W), статического (P) и полного давления (P) потока в широком частотном диапазоне, например 100 кГц в диапазоне средних значений скорости потока =0.01-0.8.

Для получения значений трех компонент скорости (U, V, W) и давлений P, P минимальное количество датчиков составляет три, однако для повышения точности необходимо использовать большее количество датчиков - четыре и больше.

Для достижения поставленной задачи в качестве чувствительных элементов использованы малоинерционные датчики пульсаций давления. Продувка имеющегося насадка для измерения пульсаций осевой скорости потока в аэродинамической трубе показала, что при использовании в качестве чувствительных элементов малоинерционных датчиков пульсаций давления можно получить измеритель скорости пульсирующего потока с точностью 0.7-3% по постоянной составляющей в диапазоне скоса потока от 0 до 15-20°. Отличие скорости, определенной по постоянной составляющей пульсаций полного и статического давлений и скорости потока, полученной осреднением всех данных за длительный промежуток времени от значений скорости, полученной с помощью инерционного эталонного насадка составляет не более 2%. Точность определения пульсаций скорости - 1.1% при нулевом скосе потока и 1.6%-1.2% при скосе потока в диапазоне ±20°. Использование высокочастотных датчиков и небольшой габарит приемного устройства в виде полусферы за счет синхронного измерения и регистрации позволяют получить мгновенные значения давлений. Уменьшение размеров датчиков позволяет уменьшить расстояния между приемными отверстиями на полусфере, что позволяет расширить частотный диапазон. Кроме этого увеличение количества датчиков позволяет расширить диапазон определения скоростей набегающего потока и диапазон углов атаки () и скольжения () за счет размещения большего количества отверстий на поверхности полусферы. В данном случае размер поверхности полусферы 08 мм, обусловлен расположением в ней четырех малогабаритных датчиков, имеющих форму цилиндров с 1.6 мм. В качестве регистратора в данном случае может быть использован регистратор, имеющий при синхронной регистрации частоту дискретизации 200 кГц.

В связи с вышеизложенным предполагается возможным, для достижения поставленных задач использование малоинерционных датчиков пульсаций давления в качестве чувствительных элементов в насадке для определения трех компонент скорости пульсирующего потока, статического и полного давления пульсирующего потока в широком диапазоне значений углов потока.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции устройства для измерения параметров пульсирующего потока и описанием его работы со ссылкой на фиг. 1-4, где:

на фиг. 1 изображена схема насадка с размещением четырех датчиков пульсаций давления;

на фиг. 2 изображена схема насадка, где показаны набегающий поток с числом Маха (М), угол атаки () и скольжения (), определенные значения давлений P₁, P₂, P₃, P₄ в приемных отверстиях насадка;

на фиг. 3 изображена блок-схема работы аппаратного блока для преобразования сигналов с датчиков пульсаций давления в значения трех компонент скорости (U, V, W) пульсирующего потока, статического давления (P) и полного давления (P) потока в широком частотном диапазоне;

на фиг. 4 в виде графика изображен вид тарировочных кривых для предлагаемого устройства.

Устройство для измерения параметров пульсирующего потока содержит насадок 1 (см. фиг. 1). Насадок 1 установлен неподвижно относительно потока, выполнен с возможностью определения трех компонент скорости пульсирующего потока и содержит приемное устройство 2, выполненное в виде полусферы с заданным радиусом (8 мм). На поверхности полусферы расположены приемные отверстия 3, соединенные с четырьмя датчиками 4, 5, 6, 7 пульсаций давления, причем расстояние между приемными отверстиями 3 менее одной трети радиуса полусферы.

Набегающий поток с числом Маха (М) (см. фиг. 2), углом атаки () и скольжения () создает определенные значения давлений P₁, P₂, P₃, P₄ в приемных отверстиях 3 насадка 1.

Согласно блок-схеме, изображенной на фиг. 3, аналоговые сигналы с датчиков 4, 5, 6, 7 пульсаций давлений поступают в блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов. Блок 8 содержит:

- блок 9 задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов;

- блок 10 синхронизации показаний датчиков 4, 5, 6, 7;

- блок 11 учета тарировочных кривых;

- блок 12 алгоритма математической модели определения газодинамических функций и аппроксимирующих коэффициентов;

- блок 13 определения угла атаки (), угла скольжения ();

- блок 14 определения коэффициента давления ;

- блок 15 определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки;

- блок 16 индикации трех компонент скорости потока, углов атаки и скольжения, степени сжатия и потерь полного давления.

Все блоки связаны между собой обратными связями для повышения точности определения компонент скорости и значений давлений.

Блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов содержит блок 11 учета индивидуальных тарировок датчиков 4, 5, 6, 7 пульсаций давления, а так же блок определения числа Маха набегающего потока (не показан), блок 13 определения угла атаки (), угла скольжения () и блок 14 определения коэффициента давления () с помощью аппроксимирующих коэффициентов a _ijk, b_ijk и коэффициентов C, C, C_M, определенных по измеренным давлениям P₁, P₂, P₃, P₄.

Пример математической модели на основе аппроксимации трехмерным полиномом второго порядка основных параметров потока представлен ниже:

;

Блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов содержит блок визуализации преобразованных аналоговых сигналов, регистрации преобразованных аналоговых сигналов и блок синхронизации аналоговых сигналов (не показаны).

Блоки представляют собой набор программ, с помощью которых осуществляется сбор, цифровое преобразование и регистрация аналоговых данных, поступающих с датчиков 4, 5, 6, 7 в компьютер для их последующей обработки.

Ниже представлен примерный вид формул для определения коэффициентов C, C, C_M и газодинамической функции :

C=(P₂-P₁)/(P₂-(P₁+P₃+P₄)/3);

C=(P₃-P₄)/(P₂-(P₁+P₃+P₄)/3);

C_M=(P₂-(P₁+P₃+P₄ )/3)/P₂;

=(P₁+P₃+P₄)/3/P=(P₁+P₃+P₄)/3/P·(1-(k+1)/(k-1)·²)^k/(k-1).

Работа устройства.

Давление с помощью датчиков 4, 5, 6, 7 преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются с помощью цифрового регистратора и переводятся в давление, после чего сравниваются с тарировками насадка 1, по которым определяется отклонение угла расположения приемного устройства 2 насадка 1 от угла направления потока. Цифровой регистратор одновременно преобразует показания датчиков 4, 5, 6, 7 в аналоговые данные со всех датчиков 4, 5, 6, 7 и производит регистрацию преобразованных аналоговых сигналов. Блок визуализации преобразованных аналоговых сигналов (не показан) производит визуализацию регистрируемых величин. Полученные в блоке 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов цифровые файлы поступают в блок 15 определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки. Блок 15 представляет собой комплекс программ, включающий программу определения приведенной скорости потока =f(t), программу графического изображения в виде осциллограмм и программу построения линий =Const приведенной скорости потока, визуализирующих структуру потока.

В качестве базового насадка для измерений нестационарных параметров , , P и P в трехмерном потоке использован насадок, разработанный для измерения аналогичных стационарных и нестационарных параметров, с помощью которого можно измерять указанные выше стационарные параметры, используя для определения угла потока и угла тарировочные кривые и с помощью тарировок определять по значениям углов отношение истинного и измеренного давлений P, а также статического давления P. Тарировочные кривые определяются предварительными продувками и системой сбора и обработки, алгоритм которой в виде графика приведен на фиг. 4, где на графике показан вид тарировочных кривых для предлагаемого устройства, полученных на одном из режимов по расходу в специальной аэродинамической трубе.

Устройство для измерения параметров пульсирующего потока позволяет определять структуру потока (при использовании предварительных тарировочных кривых) без коррекции положения приемного устройства 2 и измерительных элементов (датчиков).

Техническое решение обеспечивает определение не только одной продольной компоненты скорости, а всех трех: U - осевой, V - радиальной, W - окружной. Для определения трех компонент скорости пульсирующего потока данное устройство не требует поворота головки насадка. Устройство обеспечивает широкий диапазон углов потока. Конструкция устройства технологически проста и доступна, благодаря применению стандартных покупных датчиков.

Устройство для измерения параметров пульсирующего потока, содержащее насадок, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, содержащий блок задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов, при этом в насадке расположены датчики пульсаций давления, отличающееся тем, что насадок установлен неподвижно относительно потока, выполнен с возможностью определения пульсаций трех компонент скорости потока и содержит приемное устройство, выполненное в виде полусферы с заданным радиусом, на поверхности полусферы расположены приемные отверстия, соединенные с не менее тремя датчиками пульсаций давления, причем расстояние между приемными отверстиями менее одной трети радиуса полусферы, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов дополнительно содержит блок учета тарировочных кривых, блок алгоритма математической модели определения газодинамических функций и аппроксимирующих коэффициентов, блок определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки, блок индикации трех компонент скорости потока, углов атаки и скольжения, степени сжатия и потерь полного давления.

РИСУНКИ

Похожие патенты: