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 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.