Лекции Паро- и газотурбинные установки эксперимент (лекции, билеты), страница 10

Термоанемометры.

Термоанемометр является одним из электрических средств измерения скорости, а следовательно и расхода газа (жидкости). Термоанемометр – это устройство, основанное на использовании закономерностей теплообмена между подогреваемой электрическим током нитью (проволокой) и потоком газа, охлаждающем эту нить рис. 10. Чем больше нить отдает тепла, тем ниже её температура, меньше электросопротивление, и следовательно, больше скорость движения газа (жидкости). Термоанемометры применяются двух типов:

1. Нагреваемую тонкую проволоку включают непосредственно в измерительный мост в качестве одного из плеч и измеряют при этом силу тока при постоянном сопротивлении и температуре проволоки.

2. Измеряют сопротивление проволоки при постоянной силе тока, а температура самой проволоки определяется экспериментально.

Чувствительный элемент термоанемометра выполняют из платиновой или вольфрамовой проволоки диаметром 0,005-0,3 и длиной 3-20 мм. На показания термоанемометра оказывают влияние многие факторы, поэтому в современных термоанемометрах применяют сложные системы компенсации. Это позволяет измерять с помощью термоанемометров пульсационные составляющие скорости и турбулентность газового потока.

Расходомеры обтекания.

Эту группу расходомеров составляют приборы, первичный преобразователь которых (поплавок, поршень, диск, пластина,…) воспринимают силовое воздействие набегающего потока. Рис. 11. Обтекаемое тело перемещается или прямолинейно, сохраняя положение своей оси симметрии, или поворачивается вокруг точки крепления. Силам, действующим со стороны потока, противодействует сила веса обтекаемого тела (при вертикальном направлении потока снизу вверх) или сила, развиваемая специальной пружиной, поддерживающей тело (в этом случае направление потока может быть произвольным).

Выходным сигналом таких расходомеров служит величина перемещения или угол поворота. Наибольшее распространение в исследованиях получили ротаметры, преимущество которых – возможность измерения как больших так и очень малых расходов. Нижний предел измерения ротаметра обычно составляет 10-20% от верхнего. Ротаметры имеют классы точности 1,0; 1,5; 2,5.

Скоростные тахометрические расходомеры.

В тахометрических первичных преобразователях движущийся поток жидкости (газа) приводит во вращение первичный элемент – ротор, скорость вращения которого является мерой скорости (расхода) потока рис. 12. Таким образом скоростной тахометрический расходомер состоит из первичного, вторичного преобразователей и измерительного прибора с регистрирующим устройством. Частотная модуляция сигнала датчика (при малой инерционности ротора) позволяет сочетать высокую точность и малую инерционность измерения расходов. В современных расходомерах такого типа для измерения расходов в трубопроводах диаметром от 4 до 1000 мм, суммарная погрешность составляет до 0,25%, постоянная времени менее 0,01 с в широком рабочем диапазоне (G_max/G_min = 180)

Конструктивно скоростные тахометрические преобразователи выполняются чаще всего с роторами в виде осевых или тангенциальных турбин (крыльчаток)

Ультразвуковые расходомеры.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на том, что скорость распространения ультразвуковых колебаний в потоке жидкости или газа отличается от скорости в такой же неподвижной среде, т.е. они основаны на взаимосвязи между скоростью измеряемого потока и скоростью распространения звуковых колебаний. Первичный преобразователь такого расходомера представляет собой участок трубы, на который установлены измерители и приемники ультразвуковых колебаний. Измеряемым параметром может быть сдвиг фаз или разность частот колебаний, направляемых по потоку или против него.

Основные источники погрешностей ультразвуковых расходомеров – изменение скорости распространения колебаний из-за изменения плотности потока, отражение ультразвукового луча, зависимость показаний от чисел Re, Pr. Точность измерения расхода с использованием ультразвуковых расходомеров определяется прежде всего тем, что параметры жидкости или газа должны точно соответствовать тем, которые были при тарировке расходомера. Выполнить это условие и проконтролировать его представляет трудную задачу.

Измерение расхода воздуха (газа) при испытаниях ГТУ.

Наиболее распространенными являются два способа измерение суммарного расхода. Это использование лемнискатного насадка и установка гребенки для измерения полных и статических давлений и полной температуры на выходе из двигателя.

Лемнискатный насадок, устанавливаемый на входе в ГТУ, имеет плавную входную часть (выполнена по лемнискате) для получения равномерного по сечению профиля скоростей. По окружности насадка расположены трубки отбора статического давления, которые объединены в коллектор.

Расход воздуха через двигатель в этом случае вычисляется по формуле:

(61)

m – постоянная

P^*₀ – полное давление в том же сечении, где измеряется статическое давление.

Т^*₀ – температура торможения

F₀ – площадь сечения насадка, где измеряется статическое давление

q()₀ – газодинамическая функция скорости

 - коэффициент потерь полного давления.

Потерями полного давления в лемнискатном насадке можно пренебречь. Температура торможения равна температуре окружающего воздуха на входе.

Визуальные и оптические методы исследования газовых потоков.

С помощью визуализации можно определить направление газового потока, наличие отрывных зон и их границы, положение скачков уплотнения и т.п. Каждый из известных методов визуализации применим для определенных условий и конкретных задач исследования.

Подмешивание в поток дымовых струек делает течение видимым, размещение на тонких проволоках легких шелковинок позволяет определить основное направление течения у поверхности тел. Для визуализации течения у отверстий впрыскивают на обтекаемую поверхность краску, легко испаряющуюся жидкость, активный газ. При сверх звуковых скоростях часто используется метод нанесения сажево – масляного покрытия, которое располагается на обтекаемой поверхности в соответствии с особенностями течения в пограничном слое, и в таком виде может быть зафиксировано в процессе эксперимента или после него.

Использование оптических методов исследования потоков основано на зависимости коэффициента преломления газа от плотности. Так теневой метод Теплера состоит в том, что области потока, в которых имеют место различные неоднородности (скачок уплотнения, или введена струя) получают при проецировании на экран разную освещенность.

Теневой прибор позволяет получить качественную картину обтекания тела газом. Волны слабых возмущений изображаются на экране в виде линий, наклоненных к оси. Это позволяет определить число М потока.

5.4 Измерение крутящего момента и мощности.

Одним из основных параметров устройств, преобразующих энергию рабочего тела во вращательное движение (или с помощью вращения передающих энергию рабочему телу) является мощность, которая определяется лишь косвенным путем – по измерению крутящего момента и угловой скорости вращения ротора. (N_e = M_кр n/30, где n- число оборотов ротора) ГТУ (ПТУ) являются источниками мощности, поэтому измерение крутящего момента на валу осуществляется поглощением мощности – используются тормозные устройства со свободно подвешенным статором. При измерении крутящего момента М_кр с помощью тормозных устройств измеряемая мощность подводится к ротору тормоза. За счет взаимодействия ротора со статором на последнем возникает реактивный момент, равный М_кр. Для осуществления измерения статору придается дополнительная степень свободы – он устанавливается на подшипниках относительно неподвижной части конструкции. По типу осуществления отбора мощности тормоза могут быть гидравлическими, электрическими или механическими. Схема гидротормоза представлена на Рис. 13.

Поглощение мощности в гидротормозе происходит вследствие выполнения работы трения ротора о жидкость и работы на ее перемещения. Во время работы вода нагревается. Необходимое для работы гидротормоза количество воды G_воды определяется по уравнению баланса:

N_T – мощность, поглощаемая тормозом

Т_вых, Т_вх – температура воды на выходе из тормоза и входе

G – расход воды

C_р – теплоемкость воды.

При снятии характеристик турбин, компрессоров и ГТУ в целом важно учитывать моменты сил трения, возникающие в подшипниках исследуемого устройства.

Измерить этот момент можно, например, установив подшипники (опоры) турбины в «стакане», имеющем возможность поворачиваться в неподвижном корпусе станины. В этом случае момент сил с наружных обойм подшипников передается «стакану» и с помощью рычагов передаются динамометру. Каждый гидравлический тормоз имеет свою тарировочную нагрузочную характеристику – зависимость поглощаемой мощности от оборотов для разной степени загрузки (заполняемой водой).  - Рис. 14.

Электрические тормоза представляют собой электрическую машину в балансирном исполнении, вал которой соединен с валом ГТУ. Механическая энергия двигателя в таких тормозах преобразуется в электрическую.

Электрические тормоза в режиме двигателя имеют ряд важных преимуществ: позволяют прокручивать вал ГТУ, проводить «холодную» обкатку его после сборки, пускать в работу без стартера и т.п. При наличии определенных условий, энергию электрических тормозов целесообразно отдавать в общую электрическую сеть и таким образом утилизировать механическую энергию испытываемых ГТУ.

5.5 Измерение частоты вращения.

Прибор, измеряющий частоту вращения называют тахометром. Существуют механические и электрические методы измерения частоты вращения.

К механическим тахометрам относятся центробежные, вибрационные, фрикционные и т.п.

Принцип действия центробежных механических тахометров основан на регистрации перемещения тела (или группы тел) под действием центробежной силы, возникающей при его вращении. Ввиду значительной погрешности измерений, существенными эксплуатационными недостатками, механические тахометры при испытаниях ГТУ (ПТУ) применяются очень редко.

Электрические методы измерения частоты вращения n (угловая скорость ) обеспечивают более высокую точность измерения и позволяют достаточно просто и надежно осуществлять измерение и регистрацию дистанционно при помощи универсальной аппаратуры. Устройство электрических тахометров состоит в следующем: к валу испытываемых ГТУ (ПТУ) подсоединяют датчик, в котором используется зависимость частоты или напряжения тока от скорости (числа оборотов). Шкала регистратора для таких тахометров практически линейна.

В стробоскопических тахометрах со световой вспышкой вращающийся вал освещается импульсной лампой, частота вспышек которой регулируется в широком диапазоне. При частоте вспышек, равной частоте вращения вала, он кажется неподвижным. По известной частоте вспышек судят о частоте вращения вала. Вал будет казаться неподвижным и при частоте вспышек, меньшей частоты вращения вала в кратное число раз. Поэтому измерения начинают с самой высокой частотой вспышек лампы. Кроме стробоскопических в качестве тахометров, не требующих механической связи с валом испытываемой ГТУ (ПТУ) широко применяют различные электронные импульсные устройства