УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ ПОТОКА

Изобретение относится к газодинамике, а именно, к устройствам для измерения параметров потока.
Необходимость улучшения параметров компрессоров требует представлений о структуре потока в их проточной части. Особенно это важно при решении задач, связанных с повышением эффективности работы компрессоров, расширением запасов их устойчивости и понижением шума, так как их решение зависит от организации процесса повышения давления в компрессоре и возможности управления нестационарными эффектами, которые при этом возникают. Проведение исследований структуры потока в проточной части компрессоров с помощью неподвижных приборов представляет трудную задачу, в виду наличия вращающихся рабочих колес, так как любой параметр
потока, измеряемый данными приборами, имеет вид пульсаций с широкополосным полигармоническим спектром, основной вклад в который вносят пульсации на частоте следования лопаток и на кратных ей частотах.
рот
pк
Поэтому необходимо создание системы измерений, позволяющей исследовать нестационарные процессы, имеющие различную структуру и время существования. Так, например, по данным, полученным на основании измерений пульсаций давления, во входном канале компрессора могут возникать возмущения, распространяющиеся от колеса и имеющие различную структуру и интенсивность в зависимости от окружной скорости, расхода воздуха и степени сжатия. Наблюдаются, как возмущения, связанные с частотой следования лопаток, вызванные ударным обтеканием передних кромок и проявляющиеся в спектре в виде гармоник их частоты следования, так и возмущения, являющиеся следствием окружной неоднородности потока, проявляющиеся в виде роторных гармоник в полосе частот от 0 до f×xz. Структура потока на входе является следствием взаимодействия этих различных по природе возмущений и изменения их соотношения.
Аналогичная картина структуры потока наблюдается на выходе из колеса и ступени компрессора, что обусловлено следами от лопаток ротора. Поэтому система измерений должна включать:
- измерительные устройства, позволяющие измерять параметры пульсирующего потока, такие как полное и статическое давления, необходимые для определения при вторичной обработке потерь полного давления или степени сжатия и скорости потока;
- регистрирующую аппаратуру;
- систему вторичной обработки.
Частотный диапазон системы измерений, используемой для исследования нестационарной структуры потока должен соответствовать частоте следования лопаток рабочего колеса компрессора и превышать ее в 3-5 раз. Известно, что динамика изменения скорости потока, измеряемой в межвенцовых зазорах, соответствует шаговым и окружным неравномерностям, порождаемым рабочим колесом. Спектр регистрируемых пульсаций при этом состоит из роторных гармоник и гармоник частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора. До настоящего времени для измерения пульсаций скорости потока использовался термоанемометр, имеющий приемник, изготовленный из тонкой металлической нити.
К основному недостатку термоанемометра относится то, что его нить имеет короткий срок эксплуатации, в пределах 40-50 минут. При этом термоанемометр может предоставить достоверную информацию о скорости потока только в диапазоне приведенных скоростей потока λ=0.1-0.3.
Известно «Устройство для измерения параметров потока» патент США 4,372,170, от 07.02.1977 г., позволяющее измерять осредненные значения полного и статического давления.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Комбинированный насадок», авторское свидетельство №805179, от 25 октября 197бг, который позволяет измерять осредненные полное и статическое давление с последующим определением скорости потока.
Основным недостатком данных технических решений является принципиальная невозможность измерения пульсаций параметров потока.
Задачей заявляемого технического решения является повышение информативности определения пульсаций скорости потока.
Технический результат достигается за счет обеспечения синхронного измерения пульсаций полного и статического давлений в потоке, их синхронной регистрации с высокой частотой дискретизации для последующей вторичной обработки. Это осуществляется в заявляемом устройстве, состоящем из блока коррекции положения приемника насадка относительно направления потока, блока цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, блока визуализации преобразованных данных, блока расчета приведенной скорости потока, и насадка для определения пульсаций скорости, который оснащен датчиками пульсаций давления, при этом один датчик пульсаций давления в приемнике насадка установлен в плоскости параллельной направлению потока для измерения пульсаций статического давления, а второй - в плоскости перпендикулярной направлению потока для измерения пульсаций полного давления, при этом датчики в приемнике насадка соединены с блоком цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, который соединен с блоком визуализации преобразованных сигналов и блоком определения скорости потока
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства для определения пульсаций скорости потока.
На фиг.2 изображен вид осциллограмм статического и полного давлений в трех точках - а, б, в - течения потока.
На фиг.3 изображен вид спектров пульсаций полного и статического давлений в точке измерения
На фиг.4 изображен вид временной реализации приведенной скорости потока в абсолютном движении в трех точках измерений.
Схема устройства для определения пульсаций скорости потока, изображенного на фиг.1, содержит ориентируемый по потоку насадок 1, оснащенный датчиком 2 пульсаций статического давления и датчиком 3 пульсаций полного давления, определитель 4 направления потока, блок 5 коррекции положения насадка 1 в потоке, блок 6 регистрации аналогового сигнала, блок 7 визуализации результатов измерения, блок 8 определения приведенной скорости потока. Насадок 1, размещенный в точке измерения, обеспечивает синхронное измерение пульсаций полного давления в плоскости, перпендикулярной направлению движения набегающего потока, относительно давления внешней среды и измерение пульсаций статического давления в плоскости параллельной направлению движения набегающего потока, в одной и той же точке потока, и обеспечивающим формирование на выходах измерительного насадка 1 аналоговых сигналов, соответствующих по величине мгновенным значениям полного и статического давлений в точке измерения.
Насадок 1, измеряющий пульсации скорости потока позволяет корректировать положение измерительных элементов датчиков 2 и 3 пульсаций статического
и полного давления в случае не перпендикулярности плоскости измерения пульсаций полного давления направлению потока.
Устройство для определения пульсаций скорости потока работает следующим образом.
Насадок 1 размещают в точке измерения, расположенной, например, в периферийной пристеночной области во входном канале компрессора. Набегающий поток поступает в насадок 1 к чувствительным элементам - датчикам 2 и 3, оказывая на них непрерывное силовое воздействие. Датчик 2 давления непрерывно фиксирует мгновенное значение пульсации статического давления в точке измерения относительно давления окружающей среды, датчик 3 давления непрерывно фиксирует мгновенное значение пульсации полного давления в точке измерения относительно давления окружающей среды. Измерительное устройство 1 пульсаций полного и статического давления с помощью блоков 4 и 5 позволяет определять и корректировать положение измерительных элементов датчиков 2 и 3 пульсаций статического и полного давления в случае не перпендикулярности плоскости измерения пульсаций полного давления направлению потока. Затем аналоговые сигналы поступают в блок 6 цифрового преобразования и регистрации результатов измерений и блок 7 визуализации результатов регистрации для получения осциллограмм пульсаций полного и статического давлений в точке измерения, и в блок 8 определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки.
Вид осциллограмм, изображенный на фиг.2 и содержащий записи аналоговых сигналов при синхронном непрерывном измерении пульсаций полного и статического давлений в точке измерения в течение времени t позволяет определить величину статического давления (Р) на основании соотношения:
P=f(t),
и величину полного давления (Р*) на основании соотношения:
P*=f(t),
где Р и Р* являются функциями времени.
Вид осциллограмм на фиг.2 статического и полного давлений в трех точках течения потока, радиально расположенных на входе в рабочую ступень лопаточной машины показывает картину визуализации изменения во времени указанных давлений.
Вид спектров, изображенный на фиг.3, пульсаций полного и статического давлений в точке измерения входного канала показывает возможность получения неискаженной структуры потока.
Вид временной реализации приведенной скорости потока в абсолютном движении (X), изображенный на фиг.4, показан в трех точках измерений. При этом приведенную скорость потока (λ) определяют по формуле:
где λ - мгновенное значение приведенной скорости потока;
k - показатель адиабаты;
Р - мгновенное значение величины статического давления потока;
Р* - мгновенное значение величины полного давления.
Предлагаемое устройство для определения пульсаций скорости потока превосходит имеющиеся устройства для измерения пульсаций скорости, такие как термоанемометр тем, что оно имеет более широкий рабочий диапазон значений приведенной скорости потока λ=0.1-0.8, в котором достигается высокая точность получаемых значений скорости. Кроме того, насадок заявляемого устройства, изготовлен с использованием датчиков и обладает высокой продолжительностью времени его эксплуатации, в отличие от приемника термоанемометра, состоящего из тонкой проволоки, которая легко разрушается. Данное устройство также предоставляет дополнительную информацию по изменению во времени полного и статического давления, что позволяет после дополнительной обработки измеренных данных получать значения потерь полного давления (или степени повышения давления), а также отклонения от среднего значения углов направления потока. Обладает дешевизной при изготовления и простотой использования.