СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТНОГО ФАКЕЛА В АЭРОДИСПЕРСНОМ ПОТОКЕ

Полезная модель относится к экспериментальной гидродинамике дисперсных потоков и может быть использована для контроля диаграмм распыла струй жидкостей, выпускаемых форсунками, например, струи жидкости выпускаемой на полупроводниковую плату при ее изготовлении или в двигателестроении для определения дисперсных характеристик топливовоздушных струй, по которым можно судить о распределении капель жидкостей по размерам.
Известно устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости (патент RU 2277442, В05В 12/08, 30.11.2004). Устройство содержит форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, направленную перпендикулярно направлению действия сил тяжести капель жидкости, источник светового излучения, выполненный в виде N ламп накаливания, расположенных последовательно в одной плоскости, направляющий поток света на струю распыленной жидкости перпендикулярно направлению сил тяжести капель жидкости, N фотодатчиков, оптическую систему, фокусирующую световое излучение на фоточувствительную поверхность N фотодатчиков и расположенную оппозитно источнику светового излучения, блок обработки сигналов, то есть блок аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с персональным компьютером. N выходов фотодатчиков подключены к N входам блока аналого-цифрового преобразователя. Механизмом подачи воздуха (не показано) формируется воздушный поток, направленный в сторону сил тяжести капель жидкости. По всей длине струи жидкости капли сдуваются потоком воздуха, вследствие чего траектория полета капель искривляется, и струя жидкости трансформируется. Поток света, формируемый источником светового излучения, пересекает пролетающие капли жидкости. Световое излучение фокусируется на фоточувствительную поверхность фотодатчиков. Сигнал с фотодатчиков преобразуется в цифровую форму и далее в цифровой форме поступает для обработки на вход персонального компьютера. Оценка размеров капель жидкости, осевших вниз, осуществляется получением гистограммы дисперсного состава капель струи распыленной жидкости по регистрируемой относительной интенсивности световых лучей.
Недостатками описанного устройства являются пониженные точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также ограниченность диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости, так как поток воздуха, трансформируя струю распыленной жидкости, дробит или наоборот объединяет капли жидкости и тем самым дисперсность капель жидкости изменяется, что снижает точность и достоверность получаемых гистограмм распределения капель по размерам.
Известно устройство для определения характеристик топливного факела (патент RU 2241722, G01N 15/02, 29.05.2009). Устройство содержит последовательно расположенные лазерный источник монохроматического света и цветную цифровую видеокамеру, связанную с ЭВМ и ортогонально расположенную к оптической оси источника света. Устройство снабжено сферической собирающей линзой, лазерным измерителем дисперсности с интегрирующей диафрагмой, соединенным с преобразователями электрических импульсов, выходы которых соединены с ЭВМ через крейтовую систему. При работе этого устройства факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, освещают лазерным пучком, поляризованным перпендикулярно плоскости рассеяния. Затем регистрируют цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела. Измеряют интенсивности света падающего и прошедшего через факел распыленного топлива по каждой строке изображения сечения факела. По соотношению интенсивностей рассеянного света от щели и сектора определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра капель вдоль строк изображения сечения факела, а также поверхностной и объемной концентрации капель.
Это позволяет повысить информативность, точность и надежность измерений при определении характеристик распыла топливного факела в условиях барокамеры. Однако в этом техническом решении невозможно определить характеристики жидкостного факела по длине без дополнительного оборудования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является стенд PAT (3.3 Pressurized Atomization Test) для испытаний форсунок при высоких давлениях в барокамере.
“Gasification of high viscous slurry R&D on atomization and numerical simulation”
T.Jakobsa, N.Djordjevica, S.Flecka, M.Mancinic, R.Weberc, T.Kolba,
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261911008221
Стенд содержит опорные плиты со стойками, вертикальную барокамеру с верхней торцевой крышкой, нижним фланцем с патрубком и боковыми окнами из оптического стекла, подвижную трубу с каналом подачи воздуха, отдельный канал подачи жидкости, комбинированную форсунку с каналами подачи воздуха и жидкости, системы подачи в барокамеру воздуха и жидкости, пневмосистему защиты внутренних поверхностей окон барокамеры от жидких капель, систему отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси и оптическую измерительную систему параметров жидкостного факела с ЭВМ, установленную на нескольких опорных плитах с демпфирующими элементами, где плиты жестко связаны между собой. Барокамера крепится на отдельной опорной плите с демпфирующими элементами. Подвижная труба установлена на верхней крышке с возможностью перемещения по оси барокамеры в ее верхней части и подключена каналами подачи воздуха и жидкости к соответствующим каналам на входе систем подачи воздуха и жидкости стенда, а на выходе - к каналам комбинированной форсунки. Форсунка закреплена на подвижной трубе с выходными отверстиями напротив окон барокамеры. Пневмосистема защиты внутренних поверхностей окон барокамеры от жидких капель имеет каналы подвода воздуха к окнам и соединена с системой подачи воздуха стенда. Система отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси подключена входом к патрубку в нижней части барокамеры, а выходом - через подкачивающий насос к каналу подачи жидкости в комбинированную форсунку. Оптическая измерительная система размещена снаружи барокамеры напротив ее боковых окон и включает последовательно расположенные с одной стороны барокамеры лазер и расширитель луча лазера, а с другой - высокоскоростную камеру. Барокамера и оптическая измерительная система установлены с возможностью перемещения друг относительно друга.
3
На стенде могут распыливаться жидкости с вязкостью до 3000 Mpas при различных значениях отношения расхода воздуха к жидкости. Массовый расход жидкости может изменяться в диапазоне от 10 до 200 кг/час. Давление может изменяться в диапазоне от 1 до 20 бар. Жидкость может нагреваться в диапазоне от 10 до 50°С. Для определения параметров жидкости в дальнем поле микроскоп, установленный на камере, позволяет уменьшать измерительный объем до 2,8×2,8×0,8 mm. Маленький объем измерения в комбинации с оптическим разрешением камеры 4 мегапикселей позволяет определять размеры капель жидкости в диапазоне от 20 до 1000 мкм. Однако предложенное техническое решение не позволяет получить полную информацию о характеристиках жидкостного факела в целом без сложных и долговременных настроек предложенной оптической системы.
В основу полезной модели положено решение задач повышение точности и достоверности определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширение диапазона регистрации размеров и концентрации капель жидкости факела в аэродисперсном потоке.
Поставленные задачи решаются тем, что стенд для исследования характеристик жидкостного факела в аэродисперсном потоке содержит, опорные плиты со стойками, вертикальную барокамеру с верхней торцевой крышкой, нижним фланцем с патрубком и боковыми окнами из оптического стекла, подвижную трубу с каналом подачи воздуха расположенную на оси барокамеры, отдельный канал подачи жидкости, комбинированную форсунку с каналами подачи воздуха и жидкости, системы подачи воздуха и жидкости стенда, пневмосистему защиты внутренних поверхностей окон барокамеры от капель жидкости, систему отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси и оптическую измерительную систему параметров жидкостного факела с ЭВМ. Оптическая измерительная система установлена на нескольких опорных плитах с демпфирующими элементами, где плиты жестко связаны между собой. Барокамера крепится на отдельной опорной плите с демпфирующими элементами. Подвижная труба установлена в верхней части барокамеры и подключена каналом подачи воздуха на входе к системе подачи воздуха стенда, а на выходе - к воздушным каналам комбинированной форсунки, закрепленной на подвижной трубе с выходными отверстиями напротив окон барокамеры. Отдельный канал подачи жидкости в комбинированную форсунку подключен на входе к системе подачи жидкости стенда, а на выходе - к жидкостным каналам форсунки. Пневмосистема защиты внутренних поверхностей окон барокамеры от капель жидкости имеет каналы подвода воздуха к окнам соединенные с системой подачи воздуха в барокамеру. Система отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси подключена входом к патрубку в нижней части барокамеры, а выходом - через подкачивающий насос к системе подачи жидкости стенда. Оптическая измерительная система размещена снаружи барокамеры и включает расположенные напротив одного окна барокамеры лазер с горизонтальной оптической осью луча и расширитель луча лазера, а напротив другого окна - регистрирующую камеру. Барокамера и оптическая измерительная система установлены с возможностью перемещения друг относительно друга.
Новым в полезной модели является то, что стенд дополнительно содержит цилиндрический воздушный ресивер, привод с тягой подвижной трубы, завихритель воздуха, внутреннюю компрессионную барокамеру, собирающую линзу, лазерный измеритель дисперсности (ЛИД) капель жидкости и отстойник воздушно-жидкостной смеси. Вертикальная внешняя барокамера крепится к отдельной опорной плите на вертикальных стойках. На боковой стенке внешней барокамеры горизонтально расположены два диаметральных патрубка подвода воздуха, направленные ортогонально оптической оси лазера и подключенные к системе подачи воздуха стенда. Воздушный ресивер установлен внутри в верхней части внешней барокамеры соосно с подвижной трубой, снабжен торцевыми фланцами и на боковой стенке двумя диаметрально расположенными патрубками подвода воздуха во внутреннюю полость. На каждом патрубке ресивера расположены дополнительные фланцы. Патрубки ресивера сопряжены подвижно с патрубками на стенке внешней барокамеры и сообщаются через них с системой подачи воздуха. Торцевые фланцы ресивера снабжены каждый осевым отверстием и двумя диаметрально расположенными опорами. Подвижная труба расположена в осевых отверстиях фланцев ресивера, верхней и нижней частями скреплена с фланцами, имеющими диаметрально расположенные отверстия с втулками, и соединена с приводом тягой через стыковочный узел снаружи верхнего фланца, где привод подвижной трубы расположен снаружи на крышке барокамеры. На нижней части подвижной трубы жестко присоединена верхней частью внутренняя компрессионная барокамера. При этом в верхней части внутренней барокамеры вдоль оси выполнен выход каналов форсунки и соосно форсунке установлен завихритель воздуха, подключенный к воздушному каналу подвижной трубы. Внутренняя барокамера выполнена с окнами из оптического стекла на боковой поверхности расположенными напротив окон внешней барокамеры и имеет регулируемый вентиль на выходе. Собирающая линза и лазерный измеритель дисперсности капель жидкости установлены снаружи последовательно за окном внешней барокамеры соосно с оптической осью лазера. Регистрирующая камера расположена за окном внешней барокамеры на оси ортогональной оптической оси лазера. Внутренняя барокамера снабжена пневмосистемой защиты внутренних поверхностей окон от капель жидкости, имеет каналы подвода воздуха к окнам соединенные с системой подачи воздуха стенда. Выход патрубка в нижней части внешней барокамеры сообщается с входом подкачивающего насоса через отстойник воздушно-жидкостной смеси. Подвижная труба расположена с возможностью горизонтального и/или вертикального перемещения механизмами относительно внешней барокамеры параллельно плоскости, проходящей через ее продольную ось ортогонально оптической оси луча лазера.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- крепление внешней вертикальной барокамеры к опорной плите на вертикальных стойках обеспечивает ее устойчивость к внешним вибрациям при работе стенда;
- установка ресивера в верхней части внешней барокамеры соосно с подвижной трубой, снабжение ресивера торцевыми фланцами и на боковой стенке двумя диаметрально расположенными патрубками подвода воздуха во внутреннюю полость, где на каждом патрубке расположены дополнительные фланцы, причем патрубки ресивера сопряжены подвижно с патрубками на стенке барокамеры ортогональными оптической оси лазера и сообщаются через них с системой подачи воздуха стенда, позволяет обеспечить равномерность распределения скоростей воздушного потока, поступающего в камеру в поперечном сечении;
- дополнительное наличие на стенде завихрителя воздуха, внутренней компрессионной барокамеры, собирающей линзы, лазерного измерителя дисперсности капель жидкости и отстойника воздушно-жидкостной смеси расширяет возможности исследования характеристик распыливания жидкостного факела;
- снабжение каждого из торцевых фланцев ресивера осевым отверстием и двумя диаметрально расположенными опорами, где подвижная труба расположена в осевых отверстиях фланцев ресивера, а верхней и нижней частями скреплена с фланцами, имеющими диаметрально расположенные отверстия с втулками и соединена с приводом тягой через стыковочный узел снаружи верхнего фланца, где привод подвижной трубы расположен снаружи на крышке барокамеры обеспечивает вертикальное регулируемое перемещение жидкостного факела в барокамере и расширяет пространственный диапазон регистрации характеристик факела;
- присоединение на нижней части подвижной трубы жестко верхней частью внутренней компрессионной барокамеры, выполнение выхода каналов форсунки вдоль оси в верхней части внутренней барокамеры и установка соосно форсунке завихрителя воздуха, подключенного к воздушному каналу подвижной трубы, позволяет непрерывно получать характеристики дисперсности по длине факела распыливания жидкости;
- выполнение внутренней барокамеры с окнами из оптического стекла на боковой поверхности расположенными напротив окон внешней барокамеры и регулируемого сечение барокамеры на выходе на выходе обеспечивает оптический доступ к любой точке измерительного объема факела распыливания жидкости внутри барокамеры;
- установка собирающей линзы и лазерного измерителя дисперсности капель жидкости снаружи последовательно за окном внешней барокамеры соосно с оптической осью лазера, где регистрирующая камера расположена за окном внешней барокамеры на оси ортогональной оптической оси лазера, позволяет получить характеристики факела распыливания различными оптическими способами (способом рассеяния света на малые углы и способом, основанном на флуоресценции рассеянного факелом света), что обеспечивает достоверность измерений дисперсного состава капель струи распыленной жидкости;
- снабжение внутренней барокамеры пневмосистемой защиты внутренних поверхностей окон от капель жидкости, которая имеет каналы подвода воздуха к окнам и соединена с системой подачи воздуха стенда обеспечивает непопадание капель жидкости на окна, что повышает точность оптического измерения характеристик факела распыливания;
- сообщение выхода патрубка в нижней части внешней барокамеры с входом подкачивающего насоса через отстойник воздушно-жидкостной смеси обеспечивает замкнутый цикл циркуляции жидкости в системе стенда;
- расположение подвижной трубы с возможностью горизонтального и/или вертикального перемещения механизмами относительно внешней барокамеры параллельно плоскости проходящей через ее продольную ось ортогонально оптической оси луча лазера, обеспечивает непрерывную регистрацию в пространстве параметров факела распыливания жидкости.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано далее.
Механизм горизонтального перемещения подвижной трубы во внешней барокамере может содержать два параллельных горизонтальных штока, симметричных относительно плоскости проходящей через продольную ось внешней барокамеры ортогонально оптической оси луча лазера, где штоки в средней части жестко скреплены с дополнительными фланцами патрубков подвода воздуха ресивера, а свободными концами подвижно размещены в опорах на стенке внешней барокамеры, причем один из свободных концов штоков содержит привод. Это позволяет определять характеристики факела распыливания жидкости в горизонтальной плоскости.
Механизм вертикального перемещения подвижной трубы во внешней барокамере может содержать два параллельных вертикальных штока, симметричных относительно плоскости проходящей через продольную ось внешней барокамеры ортогонально оптической оси луча лазера. Штоки в средней части подвижно установлены в опорах торцевых фланцев ресивера, а свободными концами закреплены во втулках верхнего и нижнего фланцев подвижной трубы. Это позволяет определять характеристики факела распыливания жидкости по его длине.
Комбинированная форсунка может быть закреплена на подвижной трубе с возможностью замены. Это позволяет проводить испытания различных типов распыливающих устройств.
Завихритель воздуха может быть установлен во внутренней барокамере с возможностью замены.
Пневмосистемы защиты внутренних поверхностей окон внешней барокамеры и внутренних поверхностей окон внутренней барокамеры могут содержать перед каждым окном кольцевой коллектор, с перфорацией внутренней стенки, подключенный каналом к системе подачи воздуха стенда. Это за счет создания воздушных подушек обеспечивает защиту оптических окон от попадания на них капель жидкости.
Система подачи воздуха перед внешней барокамерой может содержать подогреватель. Это расширяет диапазон исследования рабочих параметров распыливающих устройств.
Система отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси дополнительно может содержать в нижней части внешней барокамеры кольцевой коллектор с форсунками направленными к оси барокамеры, подключенный к системе подачи жидкости. Это улучшает охрану окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, которые могут содержаться в распыленной жидкости стенда.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- повышена точность, и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости;
- расширен диапазон регистрации размеров и концентрации капель жидкости факела в аэродисперсном потоке.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы стенда со ссылкой на фиг.1-4, где:
на фиг.1 - изображена пневмогидросхема стенда для исследования характеристик жидкостного факела;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.2;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;
на фиг.4 - элемент В на фиг.4.
Стенд, изображенный на фиг.1-4, для исследования характеристик жидкостного факела в аэродисперсном потоке содержит опорные плиты 1, 2 со стойками 3, внешнюю вертикальную барокамеру 4 с верхней торцевой крышкой 5, нижним фланцем 6 с патрубком 7 и боковыми окнами 8 (см. фиг.1, 3, 4) из оптического стекла, подвижную трубу 9 с каналом 10 подачи воздуха, расположенную на оси барокамеры 4, отдельный канал 11 подачи жидкости, комбинированную форсунку 12 с каналами (не показано) подачи воздуха и жидкости, системы 13, 14 стенда соответственно подачи воздуха и жидкости в барокамеру 4, пневмосистему 15 защиты внутренних поверхностей окон 8 барокамеры 4 от капель жидкости, систему 16 отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси и оптическую измерительную систему параметров жидкостного факела с ЭВМ (не показана), установленную на нескольких опорных плитах 1 с демпфирующими элементами 17, где плиты 1 жестко связаны между собой. Барокамера 4 крепится на отдельной опорной плите 2 с демпфирующими элементами 18. Подвижная труба 9 установлена в верхней части барокамеры 4 и подключена каналом 10 подачи воздуха (см. фиг.2) на входе к системе 13 подачи воздуха стенда, а на выходе - к воздушным каналам комбинированной форсунки 12 (не показано), закрепленной на подвижной трубе 9 с выходными отверстиями (не показано) напротив окон 8 барокамеры 4. Отдельный канал 11 подачи жидкости в комбинированную форсунку 12 на входе подключен к системе 14 подачи жидкости стенда, а на выходе - к жидкостным каналам форсунки 12 (не показано). Пневмосистема 15 защиты внутренних поверхностей окон 8 барокамеры 4 от капель жидкости имеет каналы 19 подвода воздуха к окнам 8 соединенные с системой 13 подачи воздуха стенда. Система 16 отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси подключена входом к патрубку 7 в нижней части барокамеры 4, а выходом - через подкачивающий насос 20 к системе 14 подачи жидкости стенда. Оптическая измерительная система размещена снаружи барокамеры 4 и включает расположенные напротив одного окна 8 барокамеры 4 лазер 21 с горизонтальной оптической осью луча и расширитель 22 луча лазера 21, а напротив другого окна 8 - регистрирующую камеру 23. Барокамера 4 и оптическая измерительная система установлены с возможностью перемещения друг относительно друга. Стенд дополнительно содержит цилиндрический воздушный ресивер 24, привод 25 с тягой 26 подвижной трубы 9, завихритель воздуха 27, внутреннюю компрессионную барокамеру 28, собирающую линзу 29, ЛИД 30 капель жидкости и отстойник 31 воздушно-жидкостной смеси. Вертикальная внешняя барокамера 4 (см. фиг.2, 3) крепится к опорной плите 2 на вертикальных стойках 3. На боковой стенке внешней барокамеры 4 горизонтально расположены два диаметральных патрубка 32, 33 подвода воздуха, направленные ортогонально оптической оси лазера 21 и подключенные к системе 13 подачи воздуха стенда. Воздушный ресивер 24 установлен внутри в верхней части внешней барокамеры 4 соосно с подвижной трубой 9, снабжен на боковой стенке двумя диаметрально расположенными патрубками 34, 35 подвода воздуха во внутреннюю полость и торцевыми фланцами 36, 37 (см. фиг.1). На каждом патрубке 34, 35 расположены соответственно дополнительные фланцы 38, 39. Патрубки 34, 35 ресивера 24 сопряжены подвижно с патрубками 32, 33 на стенке внешней барокамеры 4 и сообщаются через них с системой 13 подачи воздуха стенда. Торцевые фланцы 36, 37 (см. фиг.1) ресивера 24 снабжены каждый соответственно осевым отверстием 40, 41 и двумя диаметрально расположенными опорами 42 и 43. Подвижная труба 9 расположена соответственно в осевых отверстиях 40, 41 фланцев 36, 37 ресивера 24, верхней и нижней частями скреплена с нижним фланцем 44 и верхним фланцем 45, имеющими соответственно диаметрально расположенные отверстия с втулками 46, 47 и соединена с приводом 25 тягой 26 через стыковочный узел 48 снаружи верхнего фланца 45,. Привод 25 подвижной трубы 9 расположен снаружи на крышке 5 барокамеры 4. На нижней части подвижной трубы 9 жестко присоединена верхней частью внутренняя компрессионная барокамера 28. В верхней части внутренней барокамеры 28 вдоль оси выполнен выход каналов комбинированной форсунки 12 и соосно форсунке 12 установлен завихритель воздуха 27, подключенный к воздушному каналу 10 подвижной трубы 9. Внутренняя барокамера 28 выполнена (см. фиг.1, 2, 3) с окнами 49 из оптического стекла на боковой поверхности расположенными напротив окон 8 внешней барокамеры 4 и имеет регулируемый вентиль 50 на выходе. Собирающая линза 29 и ЛИД 30 капель жидкости установлены (см. фиг.1, 3) снаружи последовательно за окном 8 внешней барокамеры 4 соосно с оптической осью лазера 21. Регистрирующая камера 23 расположена за окном 8 внешней барокамеры 4 на оси ортогональной оптической оси лазера 21. Внутренняя барокамера 28 снабжена пневмосистемой 51 (см. фиг.4) защиты внутренних поверхностей окон 49 от капель жидкости, имеет каналы 52 подвода воздуха к окнам 49 соединенные с системой подачи воздуха 13 стенда. Выход патрубка 7 в нижней части внешней барокамеры 4 сообщается с входом подкачивающего насоса 20 через отстойник 31 воздушно-жидкостной смеси. Подвижная труба 9 расположена с возможностью горизонтального и/или вертикального перемещения механизмами относительно внешней барокамеры 4 параллельно плоскости, проходящей через ее продольную ось ортогонально оптической оси луча лазера 21.
Механизм горизонтального перемещения подвижной трубы 9 (см. фиг.2) во внешней барокамере 4 содержит два параллельных горизонтальных штока 53, симметричных относительно плоскости проходящей через продольную ось внешней барокамеры 4 ортогонально оптической оси луча лазера 21. Штоки 53 в средней части жестко скреплены с дополнительными фланцами 38, 39 патрубков 34, 35 подвода воздуха ресивера 24, а свободными концами подвижно размещены в опорах 54 на стенке внешней барокамеры 4. Один из свободных концов штоков 53 содержит привод 55.
Механизм вертикального перемещения подвижной трубы 9 (см. фиг.1) во внешней барокамере 4 содержит два параллельных вертикальных штока 56, симметричных относительно плоскости проходящей через продольную ось внешней барокамеры ортогонально оптической оси луча лазера 21. Штоки 56 в средней части подвижно установлены в опорах 42, 43 торцевых фланцев 36, 37 ресивера 24, а свободными концами закреплены во втулках 46, 47 соответственно верхнего 45 и нижнего 44 фланцев подвижной трубы 9.
Комбинированная форсунка 12 закреплена на подвижной трубе 9 с возможностью замены.
Завихритель воздуха 27 установлен во внутренней барокамере 28 с возможностью замены.
Пневмосистема 15 (см. фиг.4) защиты внутренних поверхностей окон 8 внешней барокамеры 4 содержит перед каждым окном 8 кольцевой коллектор 57 с перфорацией внутренней стенки 58, подключенный каналом 19 к системе 13 подачи воздуха стенда.
Пневмосистема 51 (см. фиг.4) защиты внутренних поверхностей окон 49 внутренней барокамеры 28 содержит перед каждым окном 49 кольцевой коллектор 59 с перфорацией внутренней стенки 60, подключенный каналом 52 к системе 13 подачи воздуха стенда.
Система 13 подачи воздуха перед внешней барокамерой 4 содержит подогреватель 61.
Система 16 отвода и очистки воздушно-жидкостной смеси дополнительно содержит в нижней части внешней барокамеры 4 кольцевой коллектор 62 с форсунками направленными к оси барокамеры 4, подключенный к системе 14 подачи жидкости.
Исследование характеристик жидкостных факелов распыливающих устройств, например форсунок 12 в аэродисперсном потоке осуществляют использованием двух барокамер: внешней 4 низкого давления и внутренней 28 высокого давления, расширяющих диапазон рабочих параметров испытаний распыливающих устройств перемещением форсунок 12 с объектом исследования (жидкостным факелом) в вертикальном направлении приводом 25 (см. фиг.1) и/или горизонтальном направлении приводом 55 (см. фиг.2).
32
v
21
1,
2
На предложенном стенде, используются разнообразные оптические способы исследований, основанные на измерении интенсивности света, рассеянного каплями жидкости в продольном и поперечном направлениях относительно падающего лазерного излучения, а именно - рассеяния света на каплях на малые и большие углы, интенсивности флуоресценции жидкостей, содержащих присадки (родамин, оксихинол и др.), которые расширяют объем получаемой информации. Эти способы используются, как в отдельности, так и в различных комбинациях. Известны малоугловой способ определения среднего заутеровского диаметра D и объемной концентрации C капель жидкости (прибор ЛИД), одно- и двухцветный способ поляризационного отношения для определения поля распределений средних поверхностных диаметров D капель в факеле распыленного топлива по измерению отношения интенсивностей света, рассеянного под углом 90°, при облучении исследуемой среды двумя, сведенными в общий лазерный «нож», плоскими лучами поляризованного в двух взаимно перпендикулярных направлениях света с различными длинами волн (λ λ), получения цветного изображения поля размеров капель и определения пространственной неоднородности концентрации при импульсной лазерной визуализации факела. В одноцветном способе используется лазер 21 непрерывного излучения (λ=0.514 мкм), поляризованного под углом 45° к плоскости рассеяния.
32
31
Известен способ флуоресцентного отношения для определения средних диаметров D и D капель (в точках лазерного ножа), основанный на измерении отношения интенсивностей флуоресценции капель жидкости и рассеянного света, падающего на капли, для двух взаимно перпендикулярных плоскостей поляризации при использовании как непрерывных, так и импульсных источников лазерного излучения.
21
31
32
Комбинирование известных способов облегчает калибровку оптической системы измерений и открывает возможности оптимизации характеристик жидкостного факела при восстановлении функции распределения капель по размерам, используя отношения средних диаметров D, D, D кривой распределения капель по размерам.
Одновременное измерение параметров дисперсности капель распыленной жидкости во всех точках плоскости лазерного луча позволяет определять пространственные и временные неоднородности этих параметров в исследуемых устройствах, оптимизировать конструкцию и режимы работы распыливающих устройств.
Испытания одногорелочных отсеков камер, автономных форсунок, фронтовых или других распыливающих устройств проводят во внешней барокамере 4 при атмосферных условиях или в компрессионной внутренней барокамере 28 при повышенном давлении окружающей среды. Это связано с различными условиями работы распыливающих устройств. В настоящее время необходимость испытаний и исследований форсунок при повышенных давлениях, по крайней мере, до 20 бар, диктуется поиском оптимальных конструкций пневматических устройств, например для новых камер сгорания ГТД, ГТУ и разработкой способов расчета характеристик факела распыливания во всем диапазоне работы двигателей и, в первую очередь, на режиме малого газа и крейсерском, когда дисперсность топлива заметно влияет на эмиссию вредных веществ.
Стенд для исследования характеристик жидкостного факела в аэродисперсном потоке работает следующим образом. Проводится настройка оптического устройства, которое находится в неподвижном состоянии, для измерения характеристик жидкостного факела. Луч лазера 21 направляют ортогонально через окна 8 и/или 49 соответственно барокамер 4 или 28 для уменьшения нежелательного рассеяния света на поверхности окон.
Луч света, поляризованный вертикально от импульсного лазера, генерирующего моноимпульсы излучения на длине волны 447.1 нм, пройдя через окна барокамер и поперечное сечение факела распыленной жидкости, подкрашенной флуоресцирующей присадкой, частично рассеивается на каплях (Ми-рассеяние), при этом одновременно возбуждается флуоресценция в зеленом диапазоне спектра волн. При перемещении барокамеры 28 с жидкостным факелом в поперечном направлении относительно лазерного луча света получают цветное изображение сечения факела, которое регистрируется цифровой видеокамерой 23, расположенной ортогонально к лазерному лучу в горизонтальной плоскости. Таким образом, в каждой точке изображения сечения факела лазерным лучом света регистрируют интенсивности флуоресценции (зеленый свет) и Ми-рассеянного каплями света (синий свет), поляризованного перпендикулярно плоскости измерений (плоскости рассеяния, в которой расположены оптические оси источника и приемника излучения). При этом интенсивность флуоресценции жидкости пропорциональна объему всех капель, находящихся в зоне измерений, а интенсивность света, рассеянного на каплях, пропорциональна сумме квадратов диаметров всех капель. Информация с регистрирующей камеры 23 вводится в ЭВМ (не показано) для обработки по заданной программе. Наряду с этим параллельный луч света, ослабленный за счет Ми-рассеяния на каплях жидкости, пройдя через выходные окна 8 или 49 соответственно барокамер 4 или 28, сферической собирающей линзой 29 фокусируется в центр интегрирующей диафрагмы прибора ЛИД 30, где установлен светодиод с фотоприемником, позволяющий измерять при сканировании сечения факела жидкости соответственно интенсивности падающего на капли и прошедшего через факел луча света, что необходимо для определения величины ослабления света, а затем и значений поверхностной и объемной концентраций флуоресцентным способом.
Таким образом, при синхронном вводе в ЭВМ информации, получаемой одновременно флуоресцентным и малоугловыми способами, можно наряду со средним заутеровским диаметром капель найти в точках изображения сечения факела жидкости значения поверхностной и объемной концентрации капель.
Ми-рассеянный каплями жидкости луч света фокусируется собирающей линзой 29 в плоскости интегрирующей диафрагмы измерителя ЛИД 30, установленной на фокусном расстоянии от линзы 29. По соотношению интенсивностей рассеянных световых потоков, прошедших соответственно через отверстия в виде щелей и сектора в интегрирующей диафрагме, за которой установлены фотоприемники, определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра капель жидкости.
Таким образом, описанный выше стенд для определения характеристик факела распыливания жидкости, обеспечивает повышенную информативность, точность и достоверность измерений, расширяет возможности их реализации, например в условиях барокамеры 28 при исследовании в условиях повышенных давлений.
Основные трудности измерений характеристик распыливания жидкости в полузамкнутом объеме (барокамере) в потоке воздуха связаны с защитой окон барокамеры от попадания капель жидкости, которые делают окна 8, 49 оптически непрозрачными. Эта проблема на стенде решается для внешней барокамеры 4 пневмосистемой 15 защиты внутренних поверхностей окон 8, в которой установкой перед каждым окном 8, соответственно кольцевого коллектора 57 с перфорацией внутренней стенки 58, подключенного каналом 19 к системе 13 подачи воздуха стенда создают воздушный экран.
Для внутренней барокамеры 28 эта проблема решается пневмосистемой 51 защиты внутренних поверхностей окон 49, в которой установкой перед каждым окном 49 соответственно кольцевого коллектора 59 с перфорацией внутренней стенки 60, подключенного каналом 52 к системе 13 подачи воздуха стенда также создают воздушный экран.
Причем воздух, подаваемый на защиту окон от попадания капель, может нагреваться до температуры 400°С, что обеспечивает быстрое испарению капель, случайно попавших на окна барокамеры. Измерения расходов воздуха производится массовыми кориолисовыми расходомерами PROMASS, а расходов жидкости массовыми кориолисовым расходомером KROHNE-OPTIMASS. Эти расходомеры одновременно также измеряют температуру и плотность потоков воздуха и жидкости. Абсолютное давление, а также перепады давления измеряются датчиками давления фирмы ADZ. Электрические сигналы с расходомеров и датчиков давления подаются на системы сбора и обработки информации. Применяемая на стенде модульная система рассчитана на применение в широком диапазоне задач, включая задачи с повышенными требованиями к качеству измерительных каналов, количество которых может достигать более сотни. Широкая номенклатура модулей позволяет непосредственно подключатся ко всем основным типам промышленных датчиков. Затем сигналы выводятся на ЭВМ, где они преобразуются в измеряемые физические величины расходов и давления.
Для предотвращения попадания вредных веществ в атмосферу, которые могут содержаться в распыливаемой жидкости, в выхлопном участке внешней барокамеры помещается кольцевой коллектор с форсунками, через которые подается вода для захвата мелких капель из факела распыливания жидкости. Получаемая смесь дренируется в отстойник, расположенный ниже выхлопной трубы, а воздух отсасывается эжектором в шумоглушащую шахту (не показано).