Устройство для определения пространственного распределения концентрации капель в факеле распыла форсунки
DEVICE FOR DETERMINATION OF SPACIAL DISTRIBUTION OF DROP CONCENTRATION IN NOZZLE SPRAY

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптико-электронным устройствам измерения параметров дисперсных сред, и может быть использовано при разработке и оптимизации распыливающих устройств в различных отраслях техники и технологии (ракетно-космическая и авиационная техника, порошковая металлургия, химическая технология, теплоэнергетика и т.д.).
В настоящее время для распыливания жидкостей широко применяются разные типы форсунок - струйные центробежные, эжекционные и др. [1]. Одной из основных характеристик форсунки является структура факела распыла - пространственное распределение концентрации капель по радиусу и по длине факела (плотность орошения). Эта характеристика определяет равномерность распределения капель в факеле распыла и «дальнобойность» факела, играющих важную роль, в частности при расчете топливных форсунок воздушно-реактивных и жидкостных ракетных двигателей [2].
Известен способ определения структуры факела распыла путем визуализации с использованием искровой фотографии [2] и теневых приборов [3]. Однако методы визуализации имеют ограниченную информативность - возможность определять только корневой угол распыла и форму факела.
Известна модификация метода визуализации структуры течения внутри факела форсунки с использованием лазерного «ножа» [4]. Оптическая схема установки, включающая аргоновый лазер, электромеханический модулятор, подвижное звено поворотных зеркал и цилиндрический объектив, формирует световую плоскость в объеме факела. Синхронный поворот цилиндрических линз объектива обеспечивает визуализацию с помощью фоторегистрации структуры течения в поперечной и продольной плоскостях факела. Данный метод позволяет определять только качественную картину распределения капель в исследуемом сечении.
Известны способ и устройство для определения объемной концентрации капель и их среднего диаметра [5], в котором формируется лазерная (световая) плоскость в объеме факела распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки. Регистрируют ортогонально лазерной плоскости цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют путем специального алгоритма средние размеры и концентрацию капель в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью.
Недостатком данного технического решения являются сложность и трудоемкость юстировки устройства.
Известен способ определения радиального распределения концентрации капель в осесимметричном факеле распыла форсунки [6], основанный на измерении оптической плотности факела при лазерном сканировании по хордам в заданном сечении, с последующим решением соответствующей обратной задачи оптики аэрозолей (обращение интегрального уравнения Абеля). Для реализации этого метода необходимо обеспечить сканирование лазерного луча с его параллельным перемещением в измерительном объеме [7, 8].
Известно устройство для оптического измерения параметров частиц конденсированной фазы в двухфазном потоке, основанное на сканировании потока по хордам [9]. Исследуемый объект (сопло с истекающей двухфазной струей) монтировался на специальном столике, при помощи которого объект можно было перемещать перпендикулярно направлению зондирующего излучения. Одновременно с объектом синхронно перемещался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с помощью автоматической системы сканирования. Регистрация сигнала ФЭУ проводилась на светолучевом осциллографе.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является устройство для исследования структуры факела распыла центробежной форсунки [10]. Сканирующее устройство (сканер) представляет собой плотно насаженный на вал электродвигателя вращающийся отражатель, выполненный в виде цилиндра со срезанным под углом 45° торцом. На торце наклеено зеркало с наружным напылением. Зондирующий гелий-неоновый лазер и электродвигатель установлены соосно на оптической скамье. При вращении отражателя осуществляется круговое сканирование радиальным лучом плоскости, перпендикулярной оси вращения. Для создания параллельного перемещения луча в зоне измерений используется оптическая система, состоящая из двух линз. Отражатель и фотоэлектрический приемник излучения расположены в фокальных плоскостях входной и выходной линз соответственно.
Недостатком данного устройства является возможность проведения измерений только в одном сечении исследуемого факела распыла для каждого эксперимента.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение информативности и снижение погрешности измерений характеристик факела распыла форсунки.
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для определения пространственного распределения концентрации капель в факеле распыла форсунки, включающее лазерный источник зондирующего лазерного излучения, фотоэлектрический приемник излучения и оптический сканер в виде вращающегося уголкового отражателя и оптической системы из двух соосных одинаковых линз, между которыми симметрично расположена форсунка. Форсунка закреплена на подвижной каретке с возможностью ее перемещения вдоль оси симметрии факела распыла. Приемник излучения размещен в светонепроницаемом цилиндрическом корпусе с точечной диафрагмой на его торце, расположенной на расстоянии  от оси симметрии форсунки. В корпусе размещена дополнительная линза на расстоянии  от диафрагмы, а перед приемником излучения установлен матовый рассеиватель.
Скорость перемещения каретки соответствует неравенству
а расстояние между выходным сечением форсунки и осью оптической системы в процессе перемещения форсунки изменяется в пределах
z=0÷h,
где  - фокусное расстояние линз оптической системы, мм;
l - расстояние между линзами оптической системы, мм;
- фокусное расстояние дополнительной линзы, мм;
u - скорость перемещения каретки, мм/с;
d - диаметр лазерного луча, мм;
n - угловая скорость вращения отражателя, об/с;
R - радиус поперечного сечения факела распыла, мм;
z - расстояние между выходным сечением форсунки и осью оптической системы, мм;
h - длина факела распыла форсунки, мм.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Схема устройства для определения пространственного распределения концентрации капель в факеле распыла форсунки.
Фиг. 2 - Схема приемного устройства.
Фиг. 3 - Схема сканирования поперечного сечения факела распыла.
Фиг. 4 - Схема движения сканирующего луча в измерительном объеме.
Фиг. 5 - Фотография устройства (пример реализации изобретения).
Фиг. 6 - Радиальные распределения концентрации капель в разных сечениях факела распыла форсунки (пример реализации изобретения).
Схема устройства
Устройство состоит (Фиг. 1) из лазерного источника зондирующего излучения 1, электродвигателя 2 с насаженным на его оси уголковым отражателем 3, оптической системы, состоящей из двух одинаковых линз 4, приемного устройства 5, осциллографа 6 и компьютера 7.
Исследуемая форсунка 8 закреплена на подвижной каретке 9, которая может перемещаться с помощью червячного механизма с электроприводом в направлении оси симметрии форсунки 8 по штанге 10. Система подачи рабочей жидкости в форсунку 8 состоит из емкости с жидкостью 11, баллона со сжатым воздухом 12, запорных вентилей 13, редуктора 14 и контрольных манометров 15. Факел распыла 16 локализован в измерительном объеме между линзами 4.
Приемное устройство 5 (Фиг. 2), распложенное вдоль оптической оси линз 4, состоит из фотоэлектрического приемника излучения 17, размещенного в светонепроницаемом цилиндрическом корпусе 18. На торце корпуса 18 выполнена точечная диафрагма 19. В корпусе размещена дополнительная линза 20 на расстоянии от диафрагмы 19, равном фокусному расстоянию линзы . Непосредственно перед приемником излучения 17 установлен матовый рассеиватель 21. Приемное устройство 5 расположено таким образом, что расстояние от диафрагмы 19 до оси симметрии форсунки 8 составляет , где  - фокусное расстояние линз 4; l - расстояние между линзами 4.
Юстировка устройства
Устройство работает следующим образом (Фиг. 1). После запуска лазерного источника излучения 1 включается электродвигатель 2. Вращающийся отражатель 3, установленный соосно с лучом лазера 1, осуществляет радиальное сканирование лазерным лучом плоскости перпендикулярно оси симметрии форсунки. С помощью оптической двухлинзовой системы 4 осуществляется параллельное сканирование плоскости сечения факела распыла 16 и поступление лазерного луча в приемное устройство 5.
o
Прошедший через точечную диафрагму 19 (Фиг. 2) лазерный луч с помощью дополнительной линзы 20 преобразуется в параллельный пучок и поступает через матовый рассеиватель 21 на вход приемника излучения 17. С помощью осциллографа 6 и компьютера 7 регистрируется распределение интенсивности лазерного излучения J(y) по сечению измерительного объема (без факела распыла).
Проведение измерений
Перед проведением измерений форсунку 8 (Фиг. 1) устанавливают таким образом, чтобы выходное сечение сопла располагалось вблизи оптической оси оптической системы 4. С помощью редуктора 14 устанавливают заданный режим работы форсунки (давление на входе и связанный с ней расход жидкости). После открытия вентилей 13 жидкость с помощью вытеснительной системы (11, 12) подается на форсунку 8. Образующийся при этом факел распыла 16 локализуется в измерительном объеме устройства между линзами 4.
После установления стационарного режима распыливания, контролируемого показаниями манометров 15, включаются лазер 1, электродвигатель 2 и электропривод каретки 9. При движении каретки 9 форсунка 8 перемещается в сторону от оси оптической системы, что обеспечивает сканирование поперечного сечения факела распыла 16 по всей его длине от z=0 до z=h (где z - расстояние от среза сопла форсунки до оптической оси оптической системы). При этом с помощью осциллографа 6 и компьютера 7 регистрируется распределение интенсивности ослабленного в факеле распыла 16 зондирующего излучения J(y, z) по хордам каждого из поперечных сечений, расположенных на расстоянии z от среза сопла форсунки.
Обработка результатов
Схема сканирования поперечного сечения факела распыла для заданного расстояния z этого сечения от среза сопла форсунки приведена на Фиг. 3. На Фиг. 3: x - координата вдоль зондирующего луча; y - расстояние между линией зондирующего луча и центром факела; r - радиальная координата; R - радиус границы факела распыла в исследуемом сечении.
Обработка результатов проводится в автоматическом режиме отдельно для каждого сечения факела распыла и сводится к расчету распределения по хордам оптической плотности факела
где  - коэффициент пропускания факела распыла.
m
Экспериментальная зависимость (1) является исходной информацией для определения радиального распределения массовой концентрации капель C(r) в данном сечении факела распыла. Зависимость оптической плотности τ от координаты y применительно к осесимметричному неоднородному факелу распыла имеет вид [6]
где ρ - плотность жидкости;
Q - усредненный фактор эффективности ослабления;
32
D - средний объемно-поверхностный диаметр.
Уравнение (2), переходя к радиальной системе координат [6], можно представить в виде
m
Алгоритм расчета распределения концентрации C(r) сводится к обращению интегрального уравнения Абеля (3).
Полученный положительный эффект изобретения (повышение информативности и снижение погрешности измерений) обусловлен следующими факторами.
1. Закрепление форсунки на подвижной каретке с возможностью ее перемещения вдоль оси симметрии форсунки обеспечивает повышение информативности измерений за счет получения информации о структуре факела распыла по всей его длине h (от среза сопла форсунки до конца факела). При этом снижается трудоемкость и погрешность измерения оптической плотности факела, поскольку диагностика всего факела распыла осуществляется при одном пуске форсунки.
При использовании неподвижной форсунки (прототип) измерения проводятся для каждого сечения факела отдельно путем ступенчатого изменения положения форсунки и проведения отдельного ее пуска. Подобный порядок измерений не обеспечивает идентичности формы и структуры факела распыла из-за возможного разброса режима работы форсунки в каждом отдельном пуске.
2. Размещение форсунки таким образом, что ее ось симметрии пересекает оптическую ось оптической системы и перпендикулярна этой оси, обеспечивает симметрию положения факела распыла в измерительном объеме и сканирование поперечных сечений факела строго перпендикулярных оси симметрии. Это обеспечивает корректность полученных исходных данных по оптической плотности факела при решении обратной задачи оптики аэрозолей (обращение интегрального уравнения Абеля), поскольку обратная задача сформулирована для строго осесимметричных объектов.
3. Размещение фотоэлектрического приемника излучения в светонепроницаемом цилиндрическом корпусе с точечной диафрагмой на его торце обеспечивает исключение влияния внешней посторонней засветки (возможных бликов от элементов оптической системы) на показания приемника излучения. В частности, это позволяет проводить измерения без затемнения лабораторного помещения.
4. Размещение торца приемного устройства с точечной диафрагмой на расстоянии  от оси симметрии форсунки обеспечивает поступление на приемник излучения зондирующего луча в точке его «пережима» без потери измерительной информации.
5. Установка дополнительной линзы в корпус, размещенной на расстоянии  от точечной диафрагмы и матового рассеивателя, обеспечивает получение параллельного луча излучения, поступающего на приемник, и диффузию рассеянного излучения, поступающего на приемник. Это позволяет снизить погрешность измерения интенсивности зондирующего излучения за счет исключения влияния возможной неоднородности световой характеристики приемника излучения по площади его чувствительного элемента [11].
6. Для выбора скорости перемещения каретки с расположенной на ней исследуемой форсункой рассмотрим схему движения лазерного луча в измерительном объеме (Фиг. 4). (Для наглядности отражатель 3 на Фиг. 4 повернут на угол 90°).
Скорость перемещения луча по окружности С радиусом  (тангенциальная скорость) определяется формулой
где n - угловая скорость вращения отражателя, об/с;
- радиус окружности С, равный фокусному расстоянию линзы 4.
Время прохождения луча от точки Л до точки Б (Фиг. 4) равно
где R - радиус сечения факела распыла 16.
Подставляя (4) в (5), получим:
Для проведения измерений в строго контролируемом сечении факела распыла необходимо, чтобы за время сканирования τ факел распыла сместился в направлении его оси симметрии на расстояние Δh, не превышающее половины диаметра лазерного луча
где d - диаметр лазерного луча.
Из (7) с учетом (6) следует условие для скорости перемещения каретки
Пример реализации изобретения
Пример реализации заявляемого устройства приведен на схеме (Фиг. 1) и фотографии (Фиг. 5). В качестве источника зондирующего излучения 1 использовался гелий-неоновый лазер ЛГ-78 (длина волны излучения λ=0.6328 мкм, мощность W=5 мВт, диаметр луча d=1.5 мм), установленный соосно с синхронным электродвигателем 2 типа СД-54 (угловая скорость вращения n=96 об/мин). В качестве вращающегося уголкового отражателя использовалось плоское зеркало с наружным напылением, наклеенное на торец цилиндра, срезанный под углом 45°, и жестко закрепленного на валу электродвигателя.
Оптическая система состояла их двух одинаковых плоско-выпуклых линз 4 диаметром 200 мм с фокусным расстоянием , установленных соосно на расстоянии l=600 мм друг от друга.
-7
В качестве приемника излучения использовался кремниевый фотодиод ФД-7К с диаметром чувствительной поверхности 5 мм (рабочее напряжение 27 В, постоянная времени 10 с). В светонепроницаемом корпусе с точечной диафрагмой диаметром 3 мм установлены дополнительная плоско-выпуклая линза с фокусом расстоянием  и матовый рассеиватель.
Исследуемая форсунка 8 установлена на подвижной каретке 9 с червячным электроприводом (шаг перемещения 0.2 мм на один оборот). В соответствии с формулой (8) проведена оценка скорости перемещения каретки (n=1.6 об/с; d=1.5 мм; R=30 мм; )
u≤75 мм/с.
В экспериментах каретку перемещали со скоростью u=10 мм/с.
Регистрирующая система включала цифровой осциллограф 6 типа GDS-2064 и персональный компьютер 7.
В качестве примера реализации изобретения на Фиг. 6 приведены измеренные радиальные распределения безразмерной массовой концентрации капель  (отнесенной к ее максимальному значению в данном сечении) для трех значений расстояния от среза сопла форсунки z. Измерения проводились при распыливании воды центробежной форсункой с геометрической характеристикой A=1.63 при значении перепада давления на форсунке Δp=0.5 МПа.
Таким образом, заявляемое устройство для определения пространственного распределения концентрации капель в факеле распыла форсунки обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение информативности и снижение погрешности измерений характеристик факела распыла форсунки. Повышение информативности измерений обеспечивается измерением оптической плотности факела распыла по всей его длине в течение одного пуска форсунки. Снижение погрешности измерений обеспечивается исключением влияния внешней засветки на показания фотоэлектрического приемника излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками. - М.: - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 264 с.
2. Раушенбах Б.В., Белый С.А., Беспалов И.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. –М.: Машиностроение, 1964. - 526 с.
3. Васильев А.А. Теневые методы. - М.: Наука, 1968, 400 с.
4. Шорин В.П., Журавлев О.А., Мединская Л.Н., Токарев В.В. Визуализация гидродинамической структуры течения в факеле центробежной форсунки // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1988, №2. - С.108-109.
5. Патент РФ №2240536, МПК G01N 21/00. Способ и устройство для определения характеристик топливного факела / Ягодкин В.И., Голубев А.Г., Свириденков А.А., Васильев А.Ю.; опубл. 20.11.2004.
6. Архипов В.А., Бондарчук С.С. Оптические методы диагностики гетерогенной плазмы продуктов сгорания. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2012. 265 с.
7. Катыс Г.П. Информационные сканирующие системы. - М.: Машиностроение, 1965.-448 с.
8. Голубев B.C., Снопко В.Н. Сканирование луча с параллельным перемещением // Журн. прикл. спектроскопии. - 1976. Т.25, Вып.6. - С.1008-1010.
9. Зимин Э.П., Иноземцев О.В., Кругерский A.M., Михневич З.Г. Оптические измерения параметров диспергированной конденсированной фазы двухфазных потоков // Теплофизика высоких температур. - 1973. Т. 11, №5. - С.1037-1043.
10. Архипов В.А., Березиков А.П., Жуков АС, Ахмадеев И.Р., Бондарчук С.С. Лазерная диагностика структуры факела распыла центробежной форсунки // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2009, №1. - С.75-77.
11. Гвоздева Н.П., Коркина К.И. Прикладная оптика и оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1976. - 383 с.