Приборы и устройства для измерений параметров при исследовании процессов и интегральных характеристик
Приборы и устройства для измерений параметров при исследовании процессов и интегральных характеристик
элементов и турбоустановки в целом
Параметры рабочего тела: 
, направление движения потока, влажность, степень турбулентности.
Параметры режима работы установки: 
.
При изучении движения воздуха в турбомашинах наиболее важное значение имеют величины полного и статического давлений, температуры и направления потока. Зная эти величины, можно, не производя других измерений, а лишь используя общие газодинамические соотношения, определить числа l или М, плотность и скорость потока, расход воздуха, энергию и т. д.
Измерение полей давлений и скоростей в различных сечениях проточной части представляет большие трудности, связанные с большими длинами лопаток, высокими числами l и необходимостью дистанционного измерения и управления приборами. Эти трудности усугубляются еще и тем, что на показания прибора при измерениях оказывают влияние его размеры и расположение относительно рабочего колеса и стенок проточной части, а также нестационарность, неравномерность, радиальная составляющая скорости и турбулентность потока. Влияние указанных факторов на показания приборов еще плохо изучено.
Перечисленные выше трудности вызывают необходимость разработки специальных приборов, пригодных для тех или иных измерений. Однако при разработке приборов не всегда удается полностью преодолевать эти трудности. Часто несовершенство аппаратуры проявляется в том, что она имеет нестабильную аэродинамическую характеристику и сравнительно большие габариты, что создает возмущение потока и не позволяет одновременно измерить все параметры потока с высокой степенью точности. Кроме того, часть применяемой аппаратуры имеет ограниченный диапазон работы по числу l и сравнительно небольшую нечувствительность к изменению направления потока.
В настоящее время для измерения средних параметров потока применяется большое количество приборов (насадков, гребенок, флюгарок, термопар и термометров сопротивления) различных конструкций и размеров.
Применяемые при измерениях приборы делятся на ориентируемые и неориентируемые. При измерении первыми требуется совмещение оси приемного элемента с направлением потока. Вторые не нуждаются в ориентировании по направлению потока и устанавливаются в проточную часть турбомашины под некоторым постоянным углом.
Рекомендуемые материалы
В качестве ориентируемых приборов используются главным образом трех- и четырехточечные трубчатые Г-образные насадки, позволяющие одновременно измерять полное и статическое давления и направление в двухмерном потоке до значений чисел l близких к единице, и пятиточечный шаровой насадок для измерения тех же параметров в трехмерном потоке до значений l £ 0,8.
В качестве неориентируемых приборов нашли применение многопоясные насадки, гребенки, термопары, термометры сопротивления и термисторы. Насадки и гребенки используются для измерения полного давления; первые по радиусу в нескольких поясах, а вторые по шагу кольцевой решетки – в нескольких точках. Термопары – одноточечные и многопоясные применяются для измерения температуры потока.
В турбомашине, работающей на высокой окружной скорости, когда доступ к ней во время испытания невозможен, измерение полей давлений и скоростей производится ориентируемыми насадками, перемещающимися по высоте канала и углу вокруг собственной оси с помощью специальных координатников. Однако такой способ измерения полей скоростей и давлений, особенно в многоступенчатой турбомашине требует много времени и связан с погрешностями измерения вследствие трудности поддержания постоянства режима работы. В связи с этим, в последнее время и появились комбинированные неориентируемые многопоясные насадки, позволяющие производить измерения одновременно в нескольких точках по высоте канала.
1. Приборы для измерения давлений и направления потока.
На поверхности приемного элемента пневмометрического прибора, помещенного в поток, возникает вполне конкретное распределение давлений. При обтекании приемного элемента дозвуковым потоком в одной из точек его поверхности, обращенной навстречу потоку – так называемой критической точке, где скорость набегающего потока полностью тормозится, давление равно полному давлению невозмущенного потока. На поверхности приемного элемента находится одна или несколько точек, в которых давление равно статическому давлению в потоке. В остальных точках давление выше или ниже статического давления.
Сделав два отверстия на приемном элементе насадка, одно – в критической точке и другое в точке, где давление равно статическому давлению, и соединив эти отверстия с помощью проложенных внутри прибора каналов, с двумя манометрами, можно по показаниям одного из них определить разность между полным давлением и барометрическим давлением, по показаниям другого – разность между статическим и барометрическим давлением и затем по отношению статического давления к полному определить число l или М потока.
Следует заметить, что приписываемое здесь и далее насадку свойство измерять указанные выше параметры потока строго говоря неправильно, так как ни один насадок сам по себе не измеряет давление, он только воспринимает его и передает к манометрам. Таким образом, в каждом из приборов, измеряющих давление, имеются две части – приемный элемент насадка и измеритель давления – манометр.
Чтобы определить статическое давление в потоке, не обязательно располагать сверления в той точке приемного элемента насадка, в которой давление равно статическому давлению. Можно, если известно или будет измерено полное давление в данной точке потока, сделать отверстие в приемном элементе насадка в какой-либо другой точке поверхности. В этом случае для определения истинного статического давления придется пользоваться графиком, полученным предварительным тарированием насадка в аэродинамической трубе.
Насадки для измерения полного или статического давления могут быть применены и для измерения направления потока, так как их показания зависят от углов потока в горизонтальной a или меридиональной g плоскости.
Насадки для измерения направления потока могут быть подразделены на три группы. Одна группа таких насадков позволяет измерять направление потока только в горизонтальной плоскости, другая – в меридиональной, а третья – одновременно в тангенциальной и меридиональной плоскостях турбомашины. В первых двух случаях мы называем их насадками для измерения направления в двухмерном потоке, а в третьем – в трехмерном.
Классификация пневмометрических приборов.
Приборы, применяемые при экспериментальных исследованиях турбомашин, можно разделить по следующим признакам:
1. По положению аэродинамической оси приемного элемента относительно направления потока:
а) ориентируемые; б) неориентируемые.
2. По роду измеряемого потока:
а) для двухмерного потока; б) для трехмерного потока.
3. По величине измеряемой скорости:
а) для измерения дозвуковых скоростей; б) для измерения сверхзвуковых скоростей.
4. По числу точек измерения:
а) одноточечные; б) многоточечные.
5. По расположению точек измерения относительно оси державки:
а) радиальные (для измерения параметров потока по высоте кольцевого канала); б) многопоясные (по шагу кольцевой решетки).
6. По месту измерения параметров потока относительно стенок проточной части турбомашины:
а) в ядре потока; б) в пограничном слое.
7. По конструктивной форме приемного элемента:
а) шаровые; б) цилиндрические; в) Г-образные (одно-, двух-, трех-, четырех- и шеститочечные); г) Т-образные двухточечные; д) F-образные двухточечные; е) w-образные трех- и пятиточечные; ж) веерообразные трех- и пятиточечные.
8. По общей форме стержня насадка:
а) пластинчатый; б) трубчатый; в) цилиндрический.
9. По наличию или отсутствию воздушного протока в приемной части:
а) с протоком; б) без протока.
10. По назначению:
а) для измерения полного давления; б) статического давления; в) числа l и углов потока в тангенциальной или меридиональной плоскости турбомашины; г) числа l и направления в двухмерном потоке; д) числа l и направления в трехмерном потоке.
2. Электрические приборы для измерения температуры потока.
Требования, предъявляемые к приборам.
Общими требованиями, предъявляемыми к приборам для измерения температуры потока в турбомашине, являются:
а) максимальная точность измерения температуры (не ниже 0,5..1%).
б) стабильность коэффициента восстановления;
в) малый габарит и удобообтекаемая форма;
г) малая инерционность;
д) максимальная нечувствительность к изменению направления потока;
е) надежность и простота устройства;
ж) возможность одновременного измерения температуры потока в нескольких точках по высоте и ширине канала и дистанционного отсчета.
Приборы, применяющиеся при измерениях.
Для измерения температуры воздушного потока в турбомашине обычно применяются термопары и термометры сопротивления. Как правило, термопары используются при измерениях в проточной части, а термометры сопротивления – перед входом в турбомашину.
В последнее время начали применяться для измерения температуры потока также термисторы – объемные полупроводниковые нелинейные сопротивления, величина электрического сопротивления которых резко уменьшается при увеличении температуры.
Для измерения температуры масла и воздуха во время тарирования электрических приборов соответственно в масляных ваннах и аэродинамических трубах применяется также ртутный термометр.
Принцип работы термопары основан на существовании определенной зависимости между термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.), устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами в местах их соединения.
Принцип действия термометров сопротивления и термисторов основан на зависимости от температуры электрического сопротивления различных материалов. В термометрах сопротивления используются проводники, у которых, как известно, сопротивление с ростом температуры увеличивается весьма незначительно. У полупроводниковых материалов, используемых в термисторах, сопротивление с ростом температуры падает. Температурный коэффициент у полупроводников во много раз больше, чем у проводников.
Достоинства и недостатки применяющихся приборов.
Каждому прибору для измерения температуры присущи свои достоинства и недостатки. Так, например, ртутный термометр удобен тем, что он позволяет измерять температуру непосредственно. Однако он имеет высокую инерционность, не позволяет производить дистанционный отсчет показаний, а главное, недостаточно прочен. Поэтому ртутные термометры при измерениях температуры потока в турбомашине не применяются.
Термопара, в отличие от ртутного термометра, достаточно малоинерционная, позволяет измерять температуру практически в точке, дистанционно.
Термометр сопротивления, так же, как и ртутный термометр, позволяет измерять среднюю температуру на некотором участке, занятом рабочим элементом, а не в отдельной точке. Недостатками термометра сопротивления является сравнительно большой габарит датчика.
Основными достоинствами термистора являются высокая температурная чувствительность, малый габарит и малая инерционность. Недостатком термистора пока является невозможность его использования при измерениях высоких температур.
Классификация термопар.
Применяющиеся широко при экспериментальных исследованиях термопары могут быть классифицированы по следующим признакам: расположению горячего спая относительно корпуса (стержня), числу спаев, схеме работы, конструкции корпуса и числу поясов измерений.
По расположению горячего спая относительно корпуса термопары делятся на открытые и экранированные. У первых спай находится вне корпуса термопары (выступает из него на 3…7 мм), а у вторых – внутри его.
По числу спаев термопары подразделяются на односпайные, двухспайные и трехспайные. У двух- и трехспайных термопар термо-э.д.с. по сравнению с термо-э.д.с. односпайной термопары увеличивается соответственно в два-три раза. Это дает возможность с помощью многоспайных термопар измерять малые разности температур.
В лекции "5.3 Магнитный и механический момент электрона" также много полезной информации.
По схеме работы термопары делятся на нормальные и дифференциальные. Здесь следует отметить, что деление термопар на нормальные и дифференциальные чисто условно. Возможно, следовало бы называть обе эти термопары дифференциальными, так как с помощью той и другой измеряют разности температур. Принципиальное различие нормальной и дифференциальной термопар заключается только в том, что первая измеряет разность температур в двух средах, в одной из которых температура равна 0 °С, а в другой – выше 0 °С, а вторая – разность температур между двумя нагретыми средами, имеющими температуры, отличные от 0 °С.
3. Визуальные методы исследования потока в турбомашинах.
Они дополняют и уточняют картину течения потока, получаемую с помощью насадков, позволяют ее объяснить и указать детали механизма обтекания и правильно наметить физическую модель изучаемого явления.
Они могут использоваться не только для качественной оценки, но и при соответствующей постановке эксперимента фиксируемые секторы течения могут дать количественные характеристики потока.
Визуальные методы, как правило, не искажают поток, как это происходит при погружении в поток измерительного насадка в зоне измерений.
Особенно визуальные методы применимы при изучении нестационарных и периодических процессов. Они менее трудоемкие, т.к. в пределах одного опыта могут охватить все изучаемое поле потока, тогда как с помощью насадков их надо последовательно перемещать из одной точки в другую.
