УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для дистанционного измерения оптических характеристик высокотемпературной газовой среды, определения ее физических параметров и может быть использована для эффективного визуального изучения, видео регистрации картины течения, полей параметров высокотемпературного газа при экспериментальных исследованиях камер сгорания и проточных трактов газотурбинных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей.
Для обеспечения эффективного изучения сложных пространственных процессов, характерных для высокотемпературных газовых сред газотурбинных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, верификации расчетных исследований необходимо обеспечение визуализации полей параметров газовых сред, что в свою очередь требует наличия средств оптического наблюдения потока.
Развитие современных газотурбинных и воздушно-реактивных двигателей характеризуется постоянным ростом температур рабочего процесса и это предъявляет повышенные требования к устойчивости измерительного оборудования к жестким условиям в изучаемой области. При изучении газовых потоков необходимо обеспечить тепловую устойчивость оптических частей измерительного устройства к температурам порядка 2400°C, устойчивость к летящим в потоке раскаленным частицам металла, противодействовать осаждению копоти на оптических элементах устройств и при этом обеспечить технологичность изготовления такого оборудования.
Известно устройство для оптических измерений параметров газовой среды, содержащее камеру с исследуемой газовой средой, в противоположных стенках которой выполнены два соосных отверстия, два окна, выполненные из оптически прозрачного материала, каждое из которых размещено в одном из отверстий стенок камеры и закреплено на стенке камеры, источник света, размещенный снаружи камеры напротив одного из отверстий камеры, измерительный блок, установленный напротив другого отверстия камеры и оптически связанный с источником света через окна и внутреннюю полость камеры (авторское свидетельство СССР №1767394).
В известном устройстве перед окнами создаются воздушные защитные шторки для предотвращения контакта рабочих поверхностей окон с исследуемой газовой средой. Это позволяет сохранить прозрачность оптических окон постоянной и тем самым повысить точность измерения параметров газовой среды, в частности, показателей дымности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. В этом устройстве не предусмотрена компенсация помех, возникающих из-за поглощения компонентов в потоке воздуха, что приводит к снижению точности измерения параметров исследуемого газа.
Известно устройство для оптических измерений параметров газовой среды, содержащее камеру с исследуемой газовой средой, в противоположных стенках которой выполнены два соосных отверстия, два окна, выполненные из оптически прозрачного материала, каждое из которых размещено в одном из отверстий стенок камеры и закреплено на стенке камеры, источник света, размещенный снаружи камеры напротив одного из отверстий камеры, измерительный блок, установленный напротив другого отверстия камеры и оптически связанный с источником света через окна и внутреннюю полость камеры, которые снабжены компенсирующей емкостью с дополнительными источником света и измерительным блоком, подключенным к блоку обработки информации (заявка США №2006/0192967).
В этом устройстве поглощение света в продувочном воздухе измеряется в компенсирующей емкости и его значение учитывается при измерении параметров исследуемого газа. Однако поток воздуха, подаваемый в камеру с исследуемой средой, будет искажать реальную картину распределения параметров газовой среды вследствие взаимодействия и взаимопроникновения потоков воздуха и выхлопных газов в камере.
Для исключения такого взаимодействия и для улучшения защиты окон от загрязнения продуктами сгорания в известных устройствах для оптических измерений параметров газовой среды между буферной полостью, в которую подводят воздушный поток, и потоком выхлопных газов на оптической оси источника света и измерительного блока установлены два блока сотовой структуры, каналы которых соосны между собой и перпендикулярны к рабочим плоскостям окон (авторское свидетельство СССР №1583802).
Каналы сотовой структуры препятствуют проникновению вихрей выхлопных газов в буферную полость, примыкающую к рабочим поверхностям окон, образуя надежную защиту оптической системы от загрязнения и тепловых воздействий выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Однако использовать известное устройство для проведения исследований камеры сгорания и проточного тракта газотурбинных и воздушно-реактивных двигателей практически не представляется возможным из-за высокого температурного теплоперепада на концах сотовых структур и их неизбежной деформации.
Известно также устройство для оптических измерений параметров газовой среды, содержащее камеру с исследуемой газовой средой, в противоположных стенках которой выполнены два соосных отверстия, два окна, выполненные из оптически прозрачного материала, каждое из которых размещено в одном из отверстий стенок камеры и закреплено на стенке камеры, источник света, размещенный снаружи камеры напротив одного из отверстий камеры, измерительный блок, установленный напротив другого отверстия камеры и оптически связанный с источником света через окна и внутреннюю полость камеры, которые снабжены компенсирующей емкостью с дополнительными источником света и измерительным блоком, подключенным к блоку обработки информации (патент РФ №2112960). В этом устройстве оптические окна с целью защиты их от загрязнения продуктами неполного сгорания выполнены из кварцевого материала и покрыты пленкой из диоксида олова, подключенной к источнику электропитания.
Применяемые в известном устройстве оптические кварцевые пластины не могут быть использованы для исследования параметров проточных трактов газотурбинных и воздушно-реактивных двигателей, т.к. имеют рабочую температуру до 1400°C, что гораздо ниже уровня значений максимальных температур в современных газотурбинных двигателей и в особенности прямоточных воздушно-реактивных двигателей, где температура в камере сгорания может достигать значений 2000-2400°C. Нанесение покрытий из диоксида олова на оптические элементы устройства ухудшает их оптические свойства, снижает точность проводимых измерений, что затрудняет изучение и валидацию происходящих в двигателе процессов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для оптических измерений параметров газовой среды, содержащее камеру с исследуемой газовой средой, в противоположных стенках которой выполнены два соосных отверстия, два окна, выполненные из оптически прозрачного материала, каждое из которых размещено в одном из отверстий стенок камеры и закреплено на стенке камеры с помощью оправки с уплотнением, источник когерентного света, размещенный снаружи камеры напротив одного из отверстий камеры, измерительный блок, установленный напротив другого отверстия камеры и оптически связанный с источником света через окна и внутреннюю полость камеры, и блок обработки информации, подключенный к измерительному блоку (патент РФ №2075066).
Известное устройство не содержит элементов, помещенных в камеру с исследуемой газовой средой, и позволяет устранить влияние неравномерности загрязнения рабочих поверхностей окон на результаты измерения параметров газовой среды, но при этом не устраняется основной недостаток оптических систем измерения параметров газовой среды, связанный с изменением оптических свойств окон под воздействием температурных изменений и загрязнения их рабочих поверхностей продуктами неполного сгорания топлива в течение процесса измерения.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является обеспечение проведения исследования процессов горения и смесеобразования непосредственно в камерах сгорания и проточных трактах перспективных газотурбинных, гиперзвуковых прямоточных и детонационных двигателей.
Техническим результатом, полученным в результате решения поставленной задачи, является повышение точности измерения параметров газовой среды путем устранения влияния характеристик оптической системы на результаты измерений.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в устройстве для оптических измерений параметров газовой среды, содержащем камеру с исследуемой газовой средой, в противоположных стенках которой выполнены два соосных отверстия, два окна, выполненные из оптически прозрачного материала, каждое из которых размещено в одном из отверстий стенок камеры и закреплено на стенке камеры с помощью оправки с уплотнением, источник когерентного света, размещенный снаружи камеры напротив одного из отверстий камеры, измерительный блок, установленный напротив другого отверстия камеры и оптически связанный с источником света через окна и внутреннюю полость камеры, и блок обработки информации, подключенный к измерительному блоку, согласно полезной модели окна выполнены из кристаллического диоксида циркония, стабилизированного иттрием с процентным содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента, рабочие поверхности окон, обращенные к внутренней полости камеры, источнику когерентного света и измерительному блоку, предварительно обработаны до шероховатости не более 0,05 мкм, причем рабочие поверхности окон, обращенные к внутренней полости камеры, расположены в одной плоскости с внутренней поверхностью камеры, а боковые поверхности окон, сопряженные с поверхностью оправок и отверстий в стенках камеры, снабжены светопоглощающим покрытием.
Устройство может применяться для изучения процессов горения и смесеобразования в камерах сгорания и проточных трактах перспективных газотурбинных, гиперзвуковых прямоточных и детонационных двигателей, как при испытании образцов в свободном потоке, так и по системе присоединенного воздухопровода. В зависимости от задач, во время испытаний устройство может быть установлено сразу за поясом подачи горючего для определения эффективности смесеобразования, либо в камере сгорания для изучения процессов и определения параметров горения, таких как полнота сгорания, равномерность и стабильность горения, либо на выходе из проточного тракта для определения состава выхлопных газов.
Кроме того, предлагаемая полезная модель может быть использована в системах визуализации процессов в камере интерференционными методами, в частности, на основе метода Маха-Цандера.
Существо полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена общая схема устройства для оптических измерений параметров газовой среды интерференционными методами;
на фиг. 2 представлен изометрический вид твердотельной модели окна, выполненного из диоксида циркония.
Устройство для оптических измерений параметров газовой среды содержит камеру с исследуемой газовой средой 1, которой может быть камера сгорания или проточный тракт газотурбинных или бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей. В противоположных стенках камеры 1 выполнены два соосных отверстия 2 и 3, в которых размещены соответственно окна 4 и 5, выполненные из оптически прозрачного материала и закрепленные на стенках камеры 1 с помощью оправок 6 с уплотнениями 7.
Снаружи камеры 1 напротив отверстия 4 размещен источник когерентного света 8 и полупрозрачное зеркало 9, напротив другого отверстия 3 установлен измерительный блок 10 и полупрозрачное зеркало 11, оптически связанные с источником когерентного света 8 через окна 4 и 5, внутреннюю полость камеры 12 и полупрозрачное зеркало 9. Измерительный блок 10 подключен к блоку обработки информации 13. Для создания интерференционного эффекта устройство содержит компенсационные окна 14, выполненные аналогично окнам 4 и 5 и оптически связанные через зеркало 15 и полупрозрачное зеркало 9 с источником когерентного света 8, а через зеркало 16 и полупрозрачное зеркало 11 - с измерительным блоком 10.
Окна 4 и 5 и компенсационные окна 14 выполнены из кристаллического диоксида циркония, стабилизированного иттрием с процентным содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента, рабочие поверхности 17 окон 4 и 5, обращенные к внутренней полости камеры 12, источнику когерентного света 8 и измерительному блоку 10, предварительно обработаны до шероховатости не более 0,05 мкм, а боковые поверхности окон 4 и 5, сопряженные с поверхностью оправок 6 и отверстий 2 и 3 в стенках камеры 1, снабжены светопоглощающим покрытием 18.
При работе устройства световой пучок от источника когерентного света 8 делится по амплитуде на две равные части с помощью полупрозрачного зеркала 9. Одна часть пучка света через полупрозрачное зеркало 9 и окно 4 попадает во внутреннюю полость 12 камеры с исследуемой газовой средой 1, где формируется измерительный пучок света, поступающий через окно 5 на полупрозрачное зеркало 11. Вторая часть пучка света от источника когерентного света 8 отражаясь от полупрозрачного зеркала 9 направляется в компенсационные окна 14, где формируется опорный пучок света, поступающий на полупрозрачное зеркало 11. Измерительный и опорный пучки света интерферируют между собой и поступают в измерительный блок 10. В блоке обработки информации 13 производится сравнение сигналов от опорного и измеряемого пучков света и формируется картина интероферограмм, по которым определяют параметры газовой среды в камере 1.
При повышении температуры до рабочих режимов современных газотурбинных или бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей, порядка 2400°C окна 4 и 5 подвергается экстремальным термическим воздействиям. Выполненные из диоксида циркония стабилизированного иттрием окна 4 и 5 сохраняют постоянными характеристики прозрачности при указанных температурах. При содержании иттрия от 8 до 12 мольных процента, устойчивость к высокотемпературному воздействию сохраняется у окна в течение всего хода измерений и, что существенно, свойства прозрачности сохраняются в течение многих циклов нагрева-охлаждения, что позволяет проводить установку и калибровку оптической системы один раз при монтаже устройства в ходе препарирования объекта и подготовки его к проведению измерений.
При работе двигателя в потоке газов присутствуют частицы раскаленного металла, существенно снижающие срок работы измерительных приборов, используемых при исследованиях характеристик работающих двигателей. Кроме того, в ходе работы двигателя все внутренние поверхности двигателя покрываются копотью. Использование стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 8 до 12 мольных процента обеспечивает широкую полосу пропускания оптического сигнала (0,26-7,5 мкм), высокую твердость (8,5 по Моосу или 1200 кг/мм2 по Виккерсу), прочность на изгиб (σ>400 Мпа) окна, что обеспечивает устойчивость к воздействию летящих в газе частиц металла.
Кроме этого, указанные показатели позволяют провести предварительную обработку поверхности окна, достигнув шероховатости поверхности не более 0,05 мкм. Такой показатель шероховатости обеспечивает высокую гладкость поверхности и препятствует осаждению и удержанию копоти на поверхности окна.
После цикла запуска-остановки двигателя, оптическое окно не меняет своих характеристик прозрачности, что избавляет от необходимости проведения технологической обработки и настройки оптической системы перед началом каждого цикла измерения. Таким образом, повышается точность измерений и технологичность проведения исследований характеристик двигателя.
Устройство позволяет получать количественную информацию о неоднородности плотностей течения, о температуре различных участков. При применении спектрометра появляется возможность определять химический состав продуктов горения. Применение подобных устройств позволяет визуализировать процессы в камере с температурами до 2400°C.