Пакет контрольных задач (539881), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

а + b = 12.1

и b = 6, 98 a = 5, 12.

Эмпирическая формула принимает вид y = 5, 12 + 6,98 x.

Графический метод выравнивания можно применять, если экспериментальная кривая превращается в прямую линию на логарифмической сетке.

Рассмотрим пример подбора эмпирической формулы для следующей серии измерений:

На основе этих данных можно построить график, соответствующий

кривым: y = ae^bx

После логарифмирования этого выражения получим . Обозначим .

Тогда , т. е. в полулогарифмических координатах выражение для Y представляет собой прямую линию. Подстановка в уравнение координат крайних точек дает:

Из решения получим а = 1, 85 b = 0, 58. Окончательно эмпирическая формула приобретает вид:

При подборе эмпирических формул широко используются полиномы вида:

( 3)

где A₀, А₁,…А_n – постоянные коэффициенты.

Полиномами можно аппроксимировать любые результаты измерений, если они графически выражаются непрерывными функциями. Особенно ценным является то, что даже при неизвестном точном выражении функции можно определить значения коэффициентов А. Порядок расчета коэффициентов полинома сводится к следующему.

Определяется число членов ряда (обычно не более 3………4). В принятое выражение последовательно подставляют координаты х и у нескольких (m) экспериментальных точек и получают систему из m уравнений. Каждое уравнение приравнивают соответствующему отклонению:

……………………………… (4)

Число уравнений должно быть не меньше числа коэффициентов А , что позволяет их определить из решения системы 4. Для определения коэффициентов А можно применять метод наименьших квадратов.

Сущность метода наименьших квадратов заключается в том, что если все измерения функций y₁, y₂,…y_n произведены с одинаковой точностью, и распределения величины ошибок измерения соответствуют нормальному закону, то параметры искомого уравнения определяют из условия, при котором сумма квадратов отклонений измеренных значений от расчетных по формуле принимает наименьшее значение; т.е.: . Тогда и кривая расположится наиболее близко ко всем экспериментальным точкам. Пусть х _i - точки на абсциссе графика, соответствующие величинам параметра – независимого переменного, у _i - ординаты этих точек ( х _i и у _i - результат n измерений ); искомая связь у = f ( x ) описывается уравнением прямой:

y = a x + b

Расстояние по ординате от точек у _i до прямой а х _i + b будет равно а х _i + b - y _i, то есть отклонениям Δ_i. Для оптимальной прямой должно быть соблюдено условие:

Для нахождения оптимальных величин коэффициентов а и b в теории дифференциальных исчислений получены следующие выражения:

(5)

Если искомая функция ожидается нелинейной, то необходимо выразить ее через линейные зависимости способом, изложенным выше.

Вместе с тем, метод наименьших квадратов не позволяет установить вид функции, наилучшим образом аппроксимирующей экспериментальные данные. В связи с этим, часто возникает необходимость проверки возможности использования нескольких видов исходных формул с помощью вычислений на ЭВМ.

6

Что такое регрессионный анализ в задачах испытания ГТУ.

Регрессионный анализ – это исследование закономерностей связи между процессами, которые зависят от многих факторов (иногда неизвестных). То есть две величины х и у не связаны между собой конкретной функциональной зависимостью, но имеют вероятностную связь, или одному значению х соответствует несколько значений у . В таких случаях связь называют регрессионной. Таким образом, функция у = f (x) является регрессионной (корреляционной), если каждому значению аргумента соответствует статистический ряд распределения у. Следовательно, регрессионные зависимости характеризуются вероятностными (стохастическими) связями. Поэтому, установление регрессионных зависимостей между величинами у и х возможно лишь тогда, когда выполнены статистические измерения.

Статистические зависимости описываются математическими моделями процесса, то есть регрессионными выражениями, связывающими независимые значения х с зависимой переменной у. Модель подбирается по возможности простой и адекватной.

Регрессионный анализ сводится к установлению уравнения регрессии, т. е. вида кривой между случайными величинами (аргументами х и функциями у), оценке тесноты связей между ними, достоверности результатов измерений.

Чтобы предварительно определить наличие подобной связи между х и у, наносят точки на графике и по ним строят корреляционное поле.

По тесноте группирования точек вокруг прямой или кривой линии, по наклону прямой можно визуально судить о наличии корреляционной связи.

Корреляционное поле характеризует вид связи между х и у. По форме поля можно ориентировочно судить о форме графика - прямолинейная или криволинейная зависимость.

Вследствие статистического характера связи исследуемого процесса одно значение х может иметь несколько значений у. Если на поле корреляций провести линию, которая аппроксимирует средние значения у, то получится регрессионная зависимость.

Различают однофакторные и многофакторные регрессионные зависимости.

Однофакторная регрессия может быть аппроксимирована прямой линией, параболой, гиперболой, логарифмической, показательной, степенной функцией, полиномом и т. п.

Двухфакторное поле можно аппроксимировать плоскостью, параболоидом второго порядка, гиперболоидом…

При построении регрессионной зависимости оптимальной является такая функция, в которой выполняется условие наименьших квадратов , где у₁ - фактические ординаты поля, у_ср – среднее значение ординаты с абсциссой х. Поле корреляции аппроксимируется уравнением прямой у = а + bx. Коэффициенты а и b вычисляют по выражениям:

(1)

Критерием близости корреляционной зависимости между х и у к линейной функциональной зависимости у = а + bx является коэффициент корреляции r, показывающий степень тесноты связи х и у и определяемый отношением:

(2)

где n - число измерений. Значение r всегда меньше единицы. При r = 1 , х и у связаны линейной зависимостью: каждому значению х соответствует только одно значение у. Если r < 1 , линейной связи не существует. При r = 0 линейная корреляционная связь между х и у отсутствует, но может существовать нелинейная регрессия. Обычно считают тесноту связи удовлетворительной при r 0, 5 ; хорошей при r = 0, 8…….0, 85.

7

Как оформляются результаты экспериментов.

Результаты экспериментов оформляются в виде протоколов, актов, отчетов.

Протокол испытаний (акт) - это документ, в котором зафиксированы (представлены) первичные материалы измерений, которые осуществлялись в соответствии с принятой программой работ. Протокол составляется на каждый опыт (эксперимент), на группу опытов или на все испытания. Протокол является основным источником информации для последующих действий с результатами.

Отчет по результатам испытаний составляется на основании протоколов (актов) и, как правило, включает в себя следующие разделы:

• Название работы. Название работы должно быть кратким, определенным, отвечающим содержанию работы. Название работы выносится на титульную страницу, где также указывается организация, где выполнена работа, Ф. И. О. Руководителя, номер (индекс) и шифр темы, Ф. И. О. Ответственного исполнителя (исполнителей), год оформления работы.

• Список исполнителей работы и лиц, участвовавших в составлении отчета. Приводятся сведения от всех участниках работы с кратким указанием степени участия.

• Оглавление (содержание). В краткой форме показывается содержание работы путем обозначения основных глав, разделов, параграфов и других подразделений отсчета.

• Введение. В данном разделе дается постановка основной проблемы эксперимента, ее значение, актуальность, цели и задачи испытаний, излагаются предпосылки работы, перечисляются организации и лица, оказывавшие содействие при выполнении работы. Во введении обычно не затрагиваются факты и выводы, излагаемые в последующих разделах отсчета. Во введении может быть дан краткий обзор литературных источников по данной проблеме.

• Основное содержание. В этот раздел включаются описания методов и средств эксперимента, экспериментальные данные, приводится анализ результатов, обобщение и выводы – ответы на поставленные задачи. При составлении этого раздела необходимо представить четко вопросы по предлагаемому материалу, которые могут прежде всего заинтересовать заказчика данной работы, и в соответствии с этим дать по ним возможно исчерпывающий ответ. Особое внимание необходимо обращать на точность изложения, не допускать возможности двусмысленного толкования. Вновь введенные понятия, определения, термины необходимо доступно разъяснить. Общеизвестные термины и понятия раскрывать необязательно, так как отчет предназначен для специалистов данной отрасли. Каждая таблица, включенная в текст, должна иметь наименование (заголовок) и номер, либо для всей работы, либо для данной главы. Таблица должна содержать ответы как минимум на четыре вопроса: что, когда, где, откуда. Если в таблице имеются пропуски, то нужно пояснить, что они значат. Текст к таблицам необходимо делать как можно более кратким. В данном разделе должна быть изложена информация об эксперименте в объеме, достаточном для формулирования выводов по работе.

• Выводы. Выводы должны отвечать тому материалу, который изложен в предыдущих разделах, прежде всего в содержании. Выводы – это итоги в виде кратко сформулированных и пронумерованных кратких тезисов (положений). Иногда их представляют в связанном, но предельно сжатом изложении. При этом необходимо руководствоваться принципом: в выводах надо двигаться от частных к более общим и важным положениям. В выводах формулируются результаты экспериментов в сжатой форме, а не повторяется то, о чем говорилось в основном содержании отчета.

• Заключение. В этом разделе дается обобщение наиболее существенных положений работы, подводятся итоги экспериментов, показывается обоснованность новых положений, выдвигаются вопросы и проблемы, которые требуют разрешения. Заключение не должно повторять выводы. Оно должно быть небольшим по величине, но емким по содержанию – количеству информации. Заключение должно быть составлено так, чтобы специалист (эксперт) по данному направлению, прочитав заключение, мог отчетливо представить качественную сущность данной работы без ее методических и других конкретных аспектов и сделать выводы о возможных направлениях дальнейших исследований.

• Перечень использованных литературных источников. Цитируемые литературные источники могут указываться в тексте (если их немного), а если их много, то в тексте указывается порядковый номер источника по списку литературы, приведенному в конце отчета. В каждой позиции библиографии должны быть указаны: фамилия и инициалы автора (авторов), наименование книги (статьи), издательство, год издания, объем в страницах.

• Приложение. В этот раздел помещаются вспомогательные таблицы, графики, дополнительные материалы и т. д. При этом каждому материалу в приложении надо присвоить самостоятельный порядковый номер, который указывается в тексте отчета.

• Аннотация. Аннотация – это краткая характеристика отчета с точки зрения содержания, назначения, формы и других особенностей. Аннотация выполняет прежде всего сигнальные функции и должна прежде всего отвечать на вопрос: о чем говорится в отчете. Поэтому, аннотация включает в себя фразы преимущественно в форме оборотов типа «рассматривается», «обсуждается», «исследуется», «рассмотрено», «исследовано», «доказано» и т. п.

• Реферат. Реферат – это сокращенное изложение содержания отчета (или его части) с основными фактическими сведениями и выводами. Реферат выполняет познавательную функцию, отвечая на вопрос «что говорится в первичном документе». Реферат поэтому может включать в себя фразы, выраженные любой грамматической формой.

Состав отчета по результатам эксперимента может дополняться и изменяться по сравнению с вышеизложенным, по согласованию между заказчиком данной работы и ее исполнителем. Если эксперимент является научно – исследовательской работой в рамках какой – либо государственной программы, то состав и требования к нему (отчету) определяются соответствующим ГОСТ. Так, основные требования к оформлению научно – технического отчета (отчета по НИР) содержит ГОСТ 7.32-81. Согласно этому ГОСТу, отчет включает аннотацию, реферат, введение и текст отчета. В текст отчета входят: постановка задачи, формулировка технического задания, анализ известных методов и способов решения задачи, обоснование принятого решения по методам испытаний, расчеты и результаты экспериментов, выводы, заключение.

8

Каким образом защитить авторские права экспериментатора.

Результаты умственного труда, используемого при экспериментах, являются промышленной собственностью. Она разделяется на открытия, изобретения, полезные модели, промышленные образцы, товарные знаки.

Открытием признается установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств, явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. (Например, открытием признано явление сверхпроводимости).

Изобретением признается новое и обладающее существенными отличиями техническое решение задачи в той или иной области хозяйства, имеющее положительный эффект. (Например, изобретением признано устройство турбореактивного двигателя и установка для испытаний его в наземных условиях.).

Полезная модель – это отличающееся относительной новизной решение технической задачи, относящееся к устройству и имеющее явно выраженные пространственные формы (объем, компоновка). (Например, полезной моделью признан автомобильный пылесос с комплексом специальных насадков для очистки салона.).

Под промышленным образцом понимаются особенности внешнего вида промышленного изделия, которые придают ему художественные (эстетические) достоинства и обладают новизной или оригинальностью. (Например, флакон духов в форме гранаты.).

Товарный знак – это помещаемые на товарах или употребляемые при их рекламе обозначения, отличающие данные товары от аналогичных товаров других производителей.

Все, что создано умственным трудом в промышленности, создано конкретным исполнителем (автором) или группой исполнителей (соавторов). В случае создания какого-то технического устройства, установки для испытаний и т. п. группой авторов, всегда возможно установить долю участия каждого из них во всем созданном. Защита авторства в создании промышленной собственности признана необходимой во всех странах мирового сообщества. Документом, подтверждающим авторство на тот или иной вид промышленной собственности, является авторское свидетельство на изобретение (патент). Если автор идеи защитил ее патентом в той или иной стране, то это означает, что только он имеет исключительное право распоряжаться своим изобретением в этих странах.

Информация о достижениях в различных областях науки и техники, в том числе и в экспериментальных исследованиях, содержащая сведения об зарегистрированных изобретениях, называется научно – технической патентной информацией – мировой патентный фонд. Основой этой информации являются описания изобретений, которые согласно патентному законодательству не могут содержать неправильных сведений и должны отличаться новизной. В связи с этим использование патентной информации дает возможность осуществлять новые разработки ( в том числе и в области эксперимента ) на уровне лучших мировых образцов техники с учетом имеющихся решений и основных тенденций в развитии науки и техники.

Нередко для решения той или иной задачи выгоднее приобрести у автора изобретения право на его использование. В целом следует всегда перед началом эксперимента (на этапе формулирования задач) провести патентные исследования (поиск) – определить уровень предполагаемых испытаний, наличие в них новизны, степень сходства с известными и т. п. Источником информации при патентных исследованиях являются прежде всего бюллетени патентных ведомств стран мирового сообщества, в которых дается сигнальная информация о патентах – чаще всего описание и возможно схема (чертеж). Рост объема мирового патентного фонда и развитие международного сотрудничества привели к необходимости создания единой для всех Международной классификации изобретений (МКИ), которая охватывает все области знаний человечества. Все сферы материального производства в МКИ подразделяются на разделы, классы, подклассы, группы и подгруппы. В МКИ восемь разделов, которые обозначаются прописными латинскими буквами от А до H. Каждый раздел подразделяется на классы, индексы которых состоят из индекса раздела и двухзначного числа, например, В64. Индекс подкласса состоит из индекса класса и прописной латинской буквы, например, В64С. Каждый подкласс разбит на рубрики – группы и подгруппы. Индекс основной группы состоит из индекса подкласса, за которым следует одно-, двух-, или трехзначное число с символом 00 после косой черты. Например, В64С 25/00.

Степень подчиненности подгруппы в группе определяется наличием «сдвига» текста вправо и точками, которые стоят перед текстом подгруппы. Эти точки как бы заменяют текст более старших (с меньшим количеством точек) рубрик, чтобы не повторять тексты рубрик каждый раз. Например: Рубрика В64С25/30:

Раздел В – Различные технологические процессы. Транспортирование.

Класс В64 – Воздухоплавание, авиация, космонавтика.

Подкласс В64С – Летательные аппараты тяжелее воздуха.

Основная группа В64С – 25/00- Посадочные устройства летательных аппаратов.

Подгруппа с 1 точкой – 25/02. –Шасси.

Подгруппа с 2 точками – 25/08.. – Подвижно закрепляемые, например, сбрасываемые.

Подгруппа с 3 точками – 25/10… - Убирающиеся, складывающиеся и т. п.

Подгруппа с 4 точками – 25/18…. – Приводы.

Подгруппа с 5 точками – 25/26….. – Контрольные или блокирующие устройства.

Подгруппа с 6 точками – 25/30…… - Аварийно включаемые.

Рубрика В64С25/30 включает в целом “Аварийно включаемые контрольные или блокирующие устройства приводов убирающихся или складывающихся подвижно закрепленных шасси, используемых в посадочных устройствах летательных аппаратов тяжелее воздуха”.

Проведя патентный поиск близких к данному эксперименту решений, следует проанализировать его всесторонне на предмет возможного нового технического решения, и если таковое обнаруживается, необходимо оформить заявку на предполагаемое изобретение – тем самым заявить о своих правах на данное техническое решение. Объектами изобретения могут являться: устройство (например, ПТУ (ГТУ), стенд для испытаний, устройство для измерений, прибор…), способ (например, способ испытаний на долговечность, способ изготовления лопатки турбины ), вещество (сплав, раствор…), применение ранее известных устройств, способов, веществ, по новому назначению с положительным эффектом.

При составлении заявки на изобретение (патент) необходимо руководствоваться указаниями по составлению заявки. Заявка, как правило, включает в себя: заявление о выдаче авторского свидетельства или патента, описание изобретения с формулой изобретения, чертежи, схемы, акт по испытаниям, заключение о новизне.

Основной частью заявки является формула изобретения – составленная по определенным правилам краткая словесная характеристика, выражающая техническую сущность, признаки объекта изобретения.

Юридически права автора на техническое решение фиксируются официальным документом – авторским свидетельством с указанной датой приоритета.

При опубликовании материалов экспериментов целесообразно включать в них сведения о всех использованных новых технических решениях, защищенных авторскими свидетельствами. Это свидетельствует о высоком уровне проведенных испытаний, соответствующем мировому уровню развития науки и техники.

9

Методы и средства измерения температуры.

Температура – важнейший измеряемый параметр испытаний газо-паротурбинных установок. Величина температуры не может быть определена непосредственно. Измерительные преобразователи температуры основаны на учете изменения какого-либо параметра объекта или специального термометрического вещества, связанного с температурой известной зависимостью.

Температура может представлять собой как параметр состояния, определяющий качественную (тепловую) сторону процесса, так и в некоторых случаях потенциал переноса тепловой энергии, определяющий количественную сторону процесса, например в термодинамически неравновесном газе. Так как измерение температуры связано с использованием определенных тел и их термометрических свойств, то принятая единица измерения температуры (1 град.) является по существу лишь мерой масштаба принятой температурной шкалы. Сам процесс измерения температуры является фактически определением положения на температурной шкале уровня измеряемой температуры. Поэтому, особое значение в термометрии имеет принцип построения и воспроизведения температурной шкалы. В настоящее время используется термодинамическая шкала, в основу которой заложено то, что 1 градус шкалы определяется тем, что температуре тройной точки воды приписано числовое значение 273,16⁰ К, а нижней границей основного интервала шкалы является абсолютный нуль. Определенный таким образом градус термодинамической шкалы совпадает с величиной 1⁰ С, а переход от температуры t ⁰ C к температуре t ⁰ К выражается формулой

Т = t + 273,16 ⁰ К

Наиболее общий подход к оценке взаимодействия измерителя температуры и объекта исследования приводит к разделению всех методов на две группы: контактные и бесконтактные методы измерения.

К контактным методам измерения температур относятся:

- измерения с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар) типа ТВР (вольфрамрений - вольфрамрений), типа ТПР (платинородий - платинородий), типа ТХА (хромель - алюмень) и типа ТХК (хромель - конель) в комплекте с приборами. Указанные преобразователи применяют в диапазоне температур от -50 до 2500 ⁰С;

- измерения с помощью термопреобразователей типа ТСП ( платиновый ), ТСМ ( медный ) в комплекте с приборами. Указанные преобразователи применяют в диапазоне температур от -200 до 1100⁰ С;

- измерения с помощью полупроводниковых термопреобразователей сопротивления в комплекте с приборами. Указанные преобразователи применяют в диапазоне температур от 100 до 300⁰ С.

- измерения с помощью манометрических термометров типа ТГ - газовые ( они применяются в диапазоне температур от -50 до 600⁰С ), типа ТЖ и ТП - жидкостные и конденсаторные ( они применяются в диапазоне температур от -50 до 300⁰ С );

- измерения с помощью термометров расширения ( стеклянные, жидкостные ). Они применяются в диапазоне температур от -100 до 650⁰ С.

К бесконтактным методам измерения температур относятся:

- измерения с помощью пирометров частичного излучения (оптические пирометры) и пирометров полного излучения. Эти пирометры применяются в диапазоне температур от 30 до 6000⁰ С.

Контактные методы измерения температур. Термометры термоэлектрические.

Термоэлектрический термометр состоит из первичного преобразователя - термоэлектрического и измерительного прибора. Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на свойстве металлов и сплавов создавать термо эдс, зависящую от температуры соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Термоэлектрический преобразователь, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и имеющий средства для подключения соединительной линии к измерительному прибору, является первичным преобразователем.

Значение термо эдс, развиваемое термопарой, зависит от материала термоэлектродов и температур среды, в которую помещены «горячий» и «холодные» спаи термопар - рис. 1.

Включение в цепь (Рис.1) третьего проводника – третьего проводника – измерительного прибора, элементы соединения (С) с термоэлектродами которого имеет одинаковую температуру, не влияют на возникающую термо эдс.

При градуировании термопары в ее аттестате указывают результаты индивидуальной градуировки в виде значений термо эдс для разных температур. Отличие индивидуальной градуировки от стандартной необходимо учитывать при анализе результатов измерений. Таблицы термо эдс для различных термопар составлены для случая, когда температура “холодных” спаев (t_х) находится при 0 ⁰С. Если, по какой-то причине, t_х  0 ⁰С, то нахождение действительного значения измеряемой температуры, необходимо измеряемую термо ЭДС сложить с термо ЭДС, соответствующей температуры холодного спая, и по этому значению определи t.

А

В

t_г

t_x

С

Б

Рис. 1

t_г – “горячий” спай термопары; находится в среде, температуру которой измеряют;

t_x – “холодный” спай термопары; находится в среде с постоянной (известной) температурой;

А, Б – компенсационные провода;

В – измеритель термо э.д.с.

Термометры сопротивления.

Термометр сопротивления состоит из термопреобразователя сопротивления (медного или платинового) и измерительного прибора (измерительные мосты, магнитоэлектрические логометры, цифровые регистраторы). Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на изменении электрического сопротивления металлических проводников и полупроводниковых материалов в зависимости от температуры.

Преимуществом термопреобразователя сопротивления является высокая точность измерений, легкость осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний. К недостаткам относится необходимость постороннего источника питания, нестабильность тарировочных характеристик.

Материалы, применяемые для изготовления обмотки металлических термопреобразователей, должны обладать:

- устойчивостью при нагревании

- стойкостью против коррозии

- высоким, постоянным коэффициентом электрического сопротивления, дающим высокую чувствительность прибора и линейную зависимость сопротивления от температуры

- большим удельным сопротивлением, позволяющим изготовлять термометры разных размеров.

Наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления является платина. Верхний температурный предел применения платиновых термометров сопротивления ограничивается 1100⁰ С.

Медь также обладает рядом положительных свойств, позволяющих использовать ее для изготовления термопреобразователей сопротивления. Преимуществом меди является ее относительная дешевизна, легкость получения в чистом виде и сравнительно высокий коэффициент электрического сопротивления. К ее недостаткам относятся небольшое удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ТСМ ограничен температурой 200⁰ С.

Сопротивление термопреобразователей при 0⁰ должно выбираться в пределах 1-500 ОМ для ТСП, от 10 до 100 ОМ для ТСМ.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (ПТС) обладают рядом преимуществ перед металлическими термопреобразователями сопротивления. Они имеют на порядок выше температурный коэффициент сопротивления, следовательно, более высокую чувствительность, большее начальное сопротивление, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов.

Термометры манометрические.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости или газа в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры в зависимости от заключенного в термостате рабочего вещества. Манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Данные термометры являются показывающими и самопишущими приборами, предназначенными для измерения медленно меняющихся (0,1 - 1,0 мин.) температур до 600 ⁰ С.

Термометры расширения.

Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел изменять свой объем под воздействием температуры. К этим термометрам относятся жидкостные ртутные и не ртутные (этиловый спирт, толуол…).

Ртутные термометры благодаря своей простоте имеют достаточно большое распространение при стендовых испытаниях. Термометры с органическими жидкостями применяются в основном для измерения низких температур до 190 ⁰ С.

Измерение поверхностных температур термопарами и термометрами сопротивления.

Стремление к получению наиболее достоверных данных о температуре в точке, где установлен термопреобразователь, вызывает необходимость использования различных способов установки термопар и термометров сопротивления. Эти способы отличаются в зависимости от того, какому нагреву подвергается элемент ГТУ (стационарному или нестационарному), от вида нагрева и т.п. Большое разнообразие условий и требований, которые необходимо выполнять при испытаниях ГТУ и элементов, не позволяет рекомендовать единый способ установки. В каждом конкретном случае необходимо использовать способ установки, который может обеспечить минимальные погрешности измерения температуры поверхности. Наиболее типичными условиями являются следующие:

Нагрев стационарный, конвективный; термопара устанавливается на металлический элемент.

Одним из наиболее распространенных способов установки термопар является зачеканка рабочего слоя термопары в отверстие, высверленное в конструкции – Рис. 2а. Диаметр отверстия быть на 5-10 % мм больше диаметра спая; глубина погружения – заподлицо с поверхностью. После установки спая термопары в отверстие, края последнего зачеканиваются так, чтобы обеспечить полный, надежный контакт всей поверхности спая с поверхностью элемента ГТУ. Это выполняется для гарантированного теплового контакта наподобие металлических проводников тепла. Термоэлектрические провода (термоэлектроды) должны находиться на расстоянии L не менее 20 диаметров в изотермической зоне для уменьшения погрешности измерения из-за утечек тепла по термоэлектродам. Для крепление термоэлектрических проводов к конструкции ГТУ (ее элементов) используют бандажи. Если температура не превышает 300 ^оС, то в качестве бандажа можно использовать полоски стеклоткани, приклеиваемой высоко температурным клеем; если температура превышает 300 ^оС, то используют металлические бандажи, прикрепляемые к конструкции при помощи точечной сварки.

В некоторых случаях, когда нежелательно нарушать целостность конструкции, спай термопары зачеканивается в материал с высокой теплопроводностью, например медь, и затем медную пластину укрепляют на исследуемой конструкции рис. 2 б. Недостатками этого способа являются отсутствие гарантии на хороший тепловой контакт и возможность изменения условий теплообмена из-за появления препятствия. Несколько меньшую точность измерений обеспечивает приварка спая термопары к конструкции или прижатие ее специальной накладкой с гарантированным тепловым контактом рис.2 в.

Для измерения поля температур в конструкции, применяют термометрические пробки – 2, рис. 2 г, выполненные из материала конструкции. В пробки заранее устанавливаются термопары 1.

Нагрев стационарный, лучисто-конвективный, термопреобразователи установлены на металлической поверхности.

В данном случае необходимо предусмотреть идентичность условий не только конвективного, но и лучистого теплообмена, прежде всего степень черноты спая термопары и элемента поверхности должны быть одинаковы, а термоэлектродные провода защищены от лучистого теплового потока.

Нагрев нестационарный, лучисто-конвективный, термопара на металлической поверхности.

Измерение нестационарной t_w = температуры поверхностей наиболее часто проводится термопарами или термометрами сопротивления, которые устанавливаются по схемам рис. 2. Температура спая термопары отличается от действительного значения температуры тела, так как он обладает собственным тепловым сопротивлением и тепло емкостью. При этом измеренная температура может опережать действительную температуру или отставать от нее.

В принципе, анализ погрешностей измерения нестационарной температуры может быть сделан на основе решения двух задач:

а) процесса теплового взаимодействия конструкции с окружающей средой,

б) процесса теплового взаимодействия конструкции с термопарой, с окружающей средой.

В результате решения этих двух задач выясняются степени влияния различных факторов на точность измерения нестационарной температуры; на этом основании формируются требования к конструктивному оформлению мест установки термопар.

Естественно, что для измерения нестационарных температур должны использоваться термопары с минимально возможными размерами спая термопары.

Нагрев нестационарный, лучисто-конвективный, поверхность неметаллическая.

При измерении температуры в этом случае возникают большие трудности связанные с теплоотводом по электродам и различным теплофизическим свойствами материала поверхности и спая термопары. В таких случаях чаще всего применяют ленточные термопары, вмонтированные в пробки из исследуемого материала (по схеме рис 2г). Для удобства монтажа пробка может выполнятся конической. Затем она разрезается пополам, и в нее устанавливают термопары. Половинки склеиваются, и пробка с термопарами устанавливаются в конструкцию. Чаще всего применяют при испытании ГТУ термоэлектроды диаметром 0,2 мм и меньшими. Однако, а связи с большим электросопротивлением и малой механической прочностью, изготовление термопар длиною в несколько метров с таким термоэлектродами весьма затруднительно. В экспериментальной практике используют составные термопары, у которых термоэлектроды  0,2 мм или меньше имеют длину 0,2 – 0,3 м, а остальную длину термопары составляют из термоэлектродов диаметром не менее 0,5 мм. Следует иметь в виду, что в местах сварки толстого и тонкого термоэлектродов из-за температурного градиента при нестационарном нагреве могут возникнуть паразитные термоэдс.

Измерение температур газового потока при испытаниях ГТУ.

Измерить температуру газа, движущегося с малой скоростью, сравнительно просто. Если скорость потока меньше 50 м/с, то температура движущегося или неподвижного газа почти одинаковая. В таких случаях термопреобразователи (термопары, термометры сопротивления) устанавливают в заданной точке потока. При этом предпринимаются меры уменьшения погрешностей из-за излучения и потерь тепла по термоэлектродам. Если газ движется с большей скоростью, то поток характеризуется двумя температурами: статической температурой Т и температурой торможения Т^*. Статическая температура – это температура, которую показал бы термометр, движущийся вместе с газом с одинаковой скоростью при отсутствии теплообмена в потоке. Температура торможения есть температура полностью адиабатически заторможенного газа, когда вся его кинетическая энергия переходит в тепло. Статическая температура и температура торможения связаны соотношением:

(1)

где с – скорость газа, С_р – теплоемкости газа при постоянном давлении.

Это выражение легко преобразуется к виду:

(2)

где к – показатель адиабаты,

М – число Маха в потоке

Торможение газового потока при измерении термопреобразователем – термопарой или термометром сопротивления происходит не всегда полным. Поэтому вводится параметр – коэффициент восстановления температуры, r_Т, учитывающий степень торможения потока термопарой. В этом случае:

(3)

Для термопар, спай которых близок по форме к шару при, М = 0,4  0,9 _Т = 0.9  1, в случае плохообтекаемого спая _Т = 0,7  0,8.

Измерение температуры газового потока при скоростях  50 м/с осуществляется с использованием экранов – камер: поперечно и продольно обтекаемых. В камерах происходит торможение газового потока. Экран должен изготавливаться из материала с низкой теплопроводностью, а его поверхность должна обладать слабой испускательной способностью.

Целесообразность использования той или иной конструкции камеры диктуется ее возможностями. Многочисленными исследованиями установлено, что абсолютное значение температуры и число Re не влияет на величину _Т. Определяющим является число М (или приведенная скорость ). В принципе, на каждый приемник для измерения температуры газового потока при больших скоростях должна выдаваться индивидуальная зависимость _Т = . При этом необходимо учитывать, что при Т  600 ⁰К погрешность приемника определяется скоростной составляющей, а при Т  600 ⁰К доля радиационных погрешностей может стать превалирующим.

Снятие электрического сигнала с термопреобразователя осуществляется:

для термопар

• контактными винтами

• штепсельными разъемами

• наконечниками

для термометров сопротивления.

• штепсельными разъемами

Соединение термоэлектрического термометра с измерительными приборами должно осуществляется компенсационными или медными проводами с термостатированием свободных концов. Соединения термометров сопротивления с измерительным прибором должно осуществляться по трехпроводной схеме соединения.

Измерение температуры на вращающихся элементах ГТУ.

Для оценки работоспособности ГТУ на всех режимах эксплуатации, при испытаниях возникает необходимость измерения температуры на вращающихся элементах (диски, лопатки, теплообменники…) Для этого наиболее удобными способами измерениями температуры являются способы с использованием термопар и термометров сопротивления. Для этих же целей могут применяться термоиндикаторные краски, и плавкие вставки. Краски могут быть также применены для определения температуры центральных участков дисков турбины, которые после остановки ГТУ нагреваются за счет тепловой отдачи периферийных участков до более высоких температур, чем во время работы.

Определение температуры рабочих колес с помощью термопар связано с использованием токосъемников для передачи термо эдс от вращающихся термопар к регистрирующему прибору.

Горячий спай термопары прикрепляется на диске или лопатке турбины в точке измерения. Термоэлектроды диаметром порядка 10,2 мм монтируются на диске и через вал турбины подводятся к токосъемнику, с помощью которого термо эдс передается на регистрирующий прибор. При этом термопары надежно изолируются асбестом и закрываются металлическими накладками. Свободные концы расположены в центре диска турбины или на поверхности соединительного вала. Место расположения свободных концов выбирается так, чтобы все концы термопар находились при одинаковой температуре и имели надежную электрическую изоляцию. Один канал токосъемника должен быть выделен для передачи термо эдс от термопары, измеряющей температуру свободных (холодных) концов. Иногда в целях увеличения количества точек измерения применяются одноэлектродные термопары, где вторым электродом служит материал диска или лопаток. Регистрирующий прибор постоянно соединен с диском проводником, а со вторым электродом его соединяет распределительное устройство, поочередно замыкая цепь каждой термопары.

Измерение поля температур газового потока.

Для ГТУ характерны неравномерности поля температур и давлений по всему газо-воздушному тракту. При исследовании полей температуры особенное внимание уделяют турбине, камере сгорания и теплообменнику. Неравномерность температур в ряде случаев достигает 200 и более ^оС, что вынуждает производить большое количество измерений (20200 и более). Поле температур можно определить по крайней мере двумя методами. Во первых устанавливая в заданном сечение термо-приемники в необходимом количестве. Термоприемники объединяются при этом в гребенке термопар. Установка гребенок приводит к загромождению газового тракта. Количество гребенок можно уменьшать, переставляя их в новое положение в том же сечении, выдерживая прежний режим работы ГТУ (что достаточно сложно). Поле температур на выходе из ГТУ можно измерить, применяя технологичное поворотное (вращающееся) устройство с гребенками.

Погрешности контактного метода измерения температуры.

Погрешности контактного метода, в том числе и при измерении температуры газового потока до скорости  50 м/с, определяются прежде всего условиями теплообмена между окружающей средой и чувствительным элементом первичного термопреобразователя. В зависимости от конкретных условий теплообмен осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Погрешности измерения возникают из-за наличия теплопотерь, неплотности монтажа термопреобразователей и высокой инерционности термопар, а также других погрешностей, связанных с неправильным выбором и монтажом термопреобразователя.

Погрешности из-за влияния теплопроводности термопреобразователя зависит от условий измерений и применяемого средства измерений. Термопреобразователь может находиться полностью в исследуемой среде с другой температурой (например, при температуре окружающей среды). Для простейшей модели теплообмена, для случая когда арматура точечного термопреобразователя (термопары) заканчивается в стенке элемента ГТУ и теплообмен между арматурой и окружающей средой мал, погрешность от влияния теплопроводности t, ⁰С, определяется по формуле:

(1)

Где t_u - температура исследуемой среды,

t_n - температура по показаниям термометра,

t₀ - температура выступающей части арматуры,

l - глубина погружения термопреобразователя, м

- коэффициент.

Здесь D – наружный диаметр арматуры термопреобразователя, м.

- площадь поперечного сечения арматуры, м².

 - коэффициент теплоотдачи от исследуемой среды к арматуре, (вт/м^{2 0}С)

 - коэффициент теплопроводности материала арматуры, (вт/м ⁰С)

Погрешность из-за влияния лучеиспускания среды на термопреобразователь возникает при измерении температур газовых сред при наличии вблизи точки измерения поверхностей, температура которых значительно отличается от температуры самого термопреобразователя. В установившемся тепловом режиме погрешность от лучеиспускания t_u определяется по формуле:

(2)

где: T_u - температура исследуемой среды, ⁰К

T_n - температура по показаниям термометра, ⁰К

T_T - температура поверхностей, отличающейся от температуры исследуемой среды (например стенки канала) ⁰К.

С - постоянная (4.96 )

Е - степень черноты.

 - коэффициент теплоотдачи от среды к термоприемнику.

Погрешность из-за неправильного положения термопреобразователя непосредственно зависит от теплопередачи исследуемой среды к термопреобразователю. Значительные погрешности измерения температуры (2-15%) возникают при монтаже термопреобразователя в местах малых скоростей и завихрений, в местах скопления конденсата, вблизи стенок и на массивной арматуре без теплоизоляции.

Погрешности, вызванные разогреванием поверхности термопреобразователя, возникают при измерениях температур в средах с большими скоростями (50-300 м/с). Эти погрешности t_с определяется по формуле:

(3)

T_n - температура по показаниям прибора.

T_u - температура исследуемой среды.

r - коэффициент восстановления (0,7-0,9)

V - скорость потока м/с

g - ускорение м/с²

С_p - удельная теплоемкость.

Погрешность из-за инерционности термопреобразователя возникает при исследовании сред, температура которых изменяется во времени.

В случае скачкообразного изменения температуры среды время установления показаний определяется по формуле:

(4)

где: t_н - начальная температура среды, ⁰С.

t_к - конечная температура среды, ⁰С.

t - допустимая погрешность измерения температуры, ⁰C.

_Т - показатель тепловой инерции термопреобразователя.

Основными источниками погрешности при измерении температуры с помощью термоэлектрических термометров (термопар) являются:

• основная допускаемая погрешность термометров, определяемая классом точности прибора и погрешностью термопреобразователя

• несоответствие характеристик удлинительных (компенсационных) проводов характеристике термопреобразователя.

Дополнительными источниками погрешностей термоэлектрического преобразователя в комплексе с пирометрическими милливольтметрами являются:

• неправильный подбор сопротивления соединительных проводов (наличие систематической погрешности)

• нестабильность температуры холодных спаев

• изменение температуры окружающей среды

• воздействие внешних электрических и магнитных полей.

Суммарная основная погрешность измерений температуры термопарами определяется по формуле:

(5)

где _Т.п. - погрешность термопары

_п - основная допустимая погрешность прибора

_св - погрешность компенсации температуры свободных концов термопары при этом:

(6)

где: ₁ - погрешность градуировки термопары

₂ - погрешность, возникающая из-за применения удлинительных проводов.

_i - погрешности, возникающие из-за нестабильности температуры свободных концов термопар, теплоотвода по арматуре и электродам, нестабильности термоэдс.

Составляющие i должны быть рассчитаны в каждом конкретном случае применения термопар. Принимается, что сумма этих составляющих не должна превышать суммы составляющих ₁ и ₂. Тогда:

(7)

Окончательно получается следующая приближенная формула для вычисления погрешности измерения температуры термопарой:

(8)

Пример расчета погрешности измерения температуры термоэлектричеким термометром, состоящим из термопары ТХА и измерительного прибора КСП-4 класса точности 0,5 с пределом 0-1100 ⁰С в точке с t = 1000 ⁰С _СВ = 0,1 ⁰С. Найдем значение величин, входящих в формулу :

₁ = 7,72 ⁰С (ГОСТ 3044-77)

₂ = 3,86 ⁰С (ГОСТ 3044-77)

_ТП = 5,5 ⁰С (ГОСТ 7164-78)

_СВ = 0,1 ⁰С

Подставив полученные значения в формулу, получим:

⁰С

Источником погрешностей при измерении температуры с помощью термометров сопротивления являются основная допустимая погрешность, определяемая классом точности прибора и градуировочной характеристикой термопреобразователя сопротивления.

Дополнительные погрешности вызываются:

• неточной подготовкой сопротивления соединительной линии (наличие систематической ошибки)

• изменение сопротивления линии при изменении температуры окружающей среды

• дополнительным нагревом чувствительного элемента измерительным током (наличие систематической погрешности)

• воздействие внешних электрических и магнитных полей.

Суммарная основная погрешность измерений температуры термометром сопротивления определяется по формуле:

(9)

где: _П - основная допустимая погрешность прибора ⁰С.

_Г - погрешность градуировки термопреобразователей сопротивления ⁰С

_М - погрешность, возникающая от нагрева термопреобразователя измерительным током.

_Л - погрешность подгонки сопротивления соединительной линии, ⁰С.

10

Методы и средства измерения давления.

Давлением принято называть напряженное состояние газообразных тел, вызванное воздействием различных внешних факторов. Давление газов определяется силой действующей нормально к поверхности. В системе единиц СИ, единица давления - Паскаль (Н/м²).

В зависимости от выбранного начала отсчета давление имеет различную величину и наименования.

Если отсчет осуществляется от абсолютного нуля (полного вакуума), то это абсолютное давление, которое входит во все основные аэродинамические и газодинамические уравнения и выражения (уравнения состояния, Бернулли, уравнение расходов и т.п.). Для определения абсолютного давления можно воспользоваться показаниями барометра (атмосферное давление Р₀, В₀) и манометра (избыточное давление Р_изб) :

При исследованиях потоков газов различают полное и статическое давления, которые определяют газодинамическое состояние движущегося газа.

Статическим давлением называется давление которое существовало бы в данной точке невозмущенного телом потока, если бы тело двигалось со скоростью потока, или давление, которое испытало бы достаточно малое тело, не деформирующее поток и движущееся вместе с потоком.

Под полным давлением понимают давление адиабатически заторможенного потока, или давление, которое испытывает плоское тело, поставленное перпендикулярно вектору скорости.

Для того чтобы измерить давление, необходимо поместить в поток соответствующие приемники. Места для размещения приемников выбирают исходя из картины распределения давлений на поверхности тела.

К приемникам давления (называемых также насадками) предъявляют следующие требования.

1. Приемники давление должны иметь малые габариты, чтобы обеспечить минимальные возмущения в потоке.

2. При определении осредненных давлений в потоках приемники должны правильно усреднять во времени переменные характеристики потока.

3. Возможности приемников должны соответствовать исследуемым диапазонам скоростей.

4. Приемники должны быть нечувствительны к скосам потока.

5. Насадки для измерений в потоке должны обладать необходимой механической прочностью.

6. Приемники должны быть просты по конструкции с возможностью монтажа и демонтажа во времени испытаний.

Приемники для измерения полного давления.

Простейшим приемником полного давления является согнутая Г-образно трубка, своим открытым концом короткого колена направленная против потока.

Введенная в поток трубка тормозит струйки газа, размещенные против трубки. Часть струи деформируется и симметрично обтекает приемник, но по крайней мере одна струйка тормозится до нулевой скорости и ее кинетическая энергия превращается в энергию давления. Принимается, что потери тепла и энергии вдоль линии тока, проходящей через критическую точку, отсутствуют. Значение полных давлений позволяет определить потери энергии в потоке. Измерение полных давлений является одним из основных при исследовании течений в каналах ГТУ.

Точность определения полного давления в большой степени зависит от влияния на приемник угла скоса потока. Под скосом потока понимают несовпадение направления потока с осью отверстия, а угол между направлением потока и осью отверстия называют углом скоса. Опыты показывают, что форма приемника полного давления сильно влияет на диапазон чувствительности приемника к углу сноса.

Увеличение диаметра приемного отверстия по сравнению с наружным, диаметром и наличие внутренней фаски, снятой под углом 60-90⁰ способствует увеличению диапазона нечувствительности приемника к скосу потока.

Эта характеристика приемника весьма важна в тех случаях, когда трудно установить приемник по направлению потока или если направление потока изменяется на различных режимах работы ГТУ. Как свидетельствуют опытные данные, наибольший диапазон ( = 45⁰) в отношении их нечувствительности к углу скоса потока имеют приемники полного давления с протоком. Следует отменить, что скорость потока в свою очередь оказывает влияние на чувствительность приемника к углу скоса потока: чем больше коэффициент скорости , тем меньше диапазон нечувствительности приемника к углу скоса.

В зависимости от области их применения (сверхзвуковой поток, пограничный слой….) приемник полного давления изменяются и приобретают различные специфические особенности. Существуют насадки для измерения давлений в нескольких точках по радиусу, комбинированные для одновременного измерения статического и полного давлений или полного давления и температуры, насадки с осреднением давления и другие.

При измерении в сверхзвуковом потоке перед насадком возникает ударная волна, и насадок измеряет уже полное давление за скачком, отличающееся от давления перед скачком на величину потерь энергии в скачке.

Приемники для измерения статического давления.

Статическое давление обычно измеряют либо на стенке канала, либо в потоке – при помощи насадков.

При измерении давления на стенке делают допущение, что статическое давление постоянно по сечению при равномерном установившемся потоке. В действительности это не всегда бывает справедливо, что приводит к ошибкам измерения от 1 до 3%. Если этими ошибками по условиям испытаний можно пренебречь, то в стенке делают отверстия – приемники статического давления и обеспечивают передачу давления к измерительному прибору. Приемное отверстие обычно выполняется диаметром от 0,5 до 1,5 мм в зависимости от диаметра канала, по которому двигается газ и от его скорости. Отверстия меньшего диаметра (0,5 мм) очень часто засоряются, что осложняет эксперимент. Отверстия большего диаметра (1,5 мм) дают большую ошибку в измерении давления. Поэтому вопрос о выборе диаметра отверстия решают в каждом отдельном случае исходя из потребностей точности измерения.

На точность измерения давления оказывает влияние качество выполненного отверстия. Прежде всего, ось отверстия должна быть перпендикулярна поверхности канала или касательной к ней. (в случае криволинейной поверхности).

Кромка отверстия должна быть острой. Закругления, фаски и наклон отверстия вызывают погрешности в измерении.

Если стенки канала имеют значительную толщину, то следует учитывать, что отношение толщины стенки к диаметру приемного отверстия не должно быть меньше трех. Стремление измерить статическое давление наиболее точно заставляет отбирать давление не в одной, а в нескольких точках (4-х и более) в одном сечении с последующим осреднением тем или иным образом.

Для измерения статического давления в потоке применяют насадки различного типа, прежде всего насадок Г-образной формы. Насадки такого типа отличаются обычно формой начального участка и расстоянием от передней кромки до оси приемного отверстия. Для измерения давления в потоке с малыми скоростями применяют полусферическую носовую часть, в потоках с большими скоростями – либо овальную форму, либо конус. При дозвуковых скоростях потока рассматриваемые насадки дают высокую точность измерений. Только при скоростях соответствующих  от 0,8 до 1, ошибка измерения статического давления возрастает, что это ограничивает применение таких насадков в этой области. Одним из существующих недостатков этих насадков являются их большие габариты, что ограничивает их применение в ряде случаев, например при испытаниях лопаточных машин. Наибольшим диапазоном не чувствительности с скосу потока обладает приемник статического давления с протоком.

При наличии угла скоса до 20⁰, погрешность измерения статического давления не превышает 1-2%. Недостатком таких приемников является невозможность их применения при больших скоростях потока, так как уже при  = 0,75 в канале приемника образуется критическое течение и приемник перестает работать.

При экспериментальных исследованиях ГТУ и их элементов часто применяют комбинированные приемники, чтобы уменьшить загромождаемость сечения канала и обеспечить измерение практически в любой точке. Комбинированный насадок применяют для измерения полного и статического давлений, скоростей потока, числа М и коэффициента скорости  при до звуковых и умеренно сверхзвуковых скоростях потока. Минимальная скорость, при которой можно производить одновременное измерение полного и статического давлений, находится в интервалах  = 0,1 0,2 и зависит от величины перепада давлений по манометру.

Передача давления от приемника к манометру.

Передача давления от приемника к средству регистрации может осуществляться двояким путем: по трубопроводам небольшого диаметра ( 6мм) и по проводам (если после приемника давления было преобразовано в электрическую величину). При передаче давления по трубопроводам необходимо обеспечить герметичность системы и периодически проверять ее. Источником погрешностей при измерении давлений являются также запаздывание манометрических систем. Изменение давления в приемном отверстии не сразу отражается показанием манометра, а через некоторый промежуток времени, когда установится равновесие (установившийся, стационарный режим). Время запаздывания может быть существенным и предварительный отсчет показаний(запись) приводит к существенным погрешностям.

Запаздывание манометра возникает из-за наличия сопротивления трубок, соединенных с ним, инерционности движущихся масс, в результате изменения плотности воздуха. На практике диаметр соединительной трубки берут в пределах 1,25 1,5 от диаметра отверстия и делают ее как можно короче. При передаче электрического сигнала также возникают погрешности из-за потерь напряжения. Наименьшие погрешности имеют индивидуальные датчики, где измерительным параметром является частота, котороя при передачи по проводам не меняется.

Приборы (средства) для измерения давления.

В настоящее время при испытаниях ГТУ или их узлов наибольшее распространение получили электрические датчики стационарных и переменных давлений а также жидкостные и механические манометры. В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости, залитой в манометр, в механических – грузом или силой упругости деформируемого элемента. В электрических датчиках давлений деформация упругого элемента преобразуется в электрический сигнал, что уменьшает инерционность прибора и позволяет передать сигнал на необходимые расстояние. Все современные средства измерений давлений предусматривают регистрацию их и при необходимости возможность отображения в реальном масштабе времени на дисплее.

Жидкостные манометры.

Простейшим жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой U-образную трубку, в которой измеряемая разность давлений (P₂-P₁) уравновешивается давление столба жидкости, заполняющей трубку.

 - плотность жидкости, залитой в пьезометр,

(h₁+h₂) – высота столба жидкости.

Жидкостные манометры все еще находят применение для измерения давлений, незначительно отличающихся от атмосферного. Диапазон измерения давления (0,3 3,0)*10⁴ Н/м² и в каждом конкретном случае зависит от плотности используемой жидкости.(ртуть, вода, спирт метиловый…) Недостатки U- образных манометров является необходимость фиксации уровней жидкости в двух трубках. Одно трубчатый манометр лишен этого недостатка. Резервуар такого манометра по сравнению с трубкой должен иметь значительно больший диаметр, так как изменения уровня жидкости в нем должны быть малозаметными.

Разновидностью жидкостных манометров являются наклонные микроманометры, в которых благодаря наклону трубки с жидкостью удается производить измерения небольших (до 1-2 мм вод.ст.) давлений.

Механические манометры.

Для измерения давлений выше 3*10⁴ Н/м² могут быть использованы различного типа механические манометры.

Давление в механическом манометре через штуцер манометра подается в трубку , которая под действием этого давления распрямляется, чему противодействует ее упругость. Свободный конец трубки через зубчатый сектор передает перемещение на стрелку, отмечающую величину измеряемого давления по шкале. Часто применяют также мембранные и сильфонные манометры, чувствительным элементом которых являются металлическая гофрированная мембрана или сильфон. Измеряемое давление подается в герметичный объем, закрытый мембраной. Под давлением мембрана прогибается, сильфон растягивается и через передающее устройство поворачивает стрелку прибора.

Общим недостатком рассмотренных выше манометров является зависимость характеристик ударных элементов от температуры.

Достоинством – простота конструкции, малая чувствительность к вибрации. Рабочие манометры выпускаются пяти классов точности: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4;. Контрольные манометры служат для проверки рабочих манометров и имеют два класса точности: 0,5 и 1,0. Образцовые манометры также имеют два класса точности: 0,2 и 0,4, что означает максимальную погрешность измерения в 0,2 и 0,4% от верхнего предела измерений.

Электрические манометры.

Основным недостатком механических манометров являются невозможность использования их для регистрации быстротекущих процессов и в электрических измерительных системах с автоматической регистрацией результатов измерений. Поэтому взамен их широко используют электрические датчики давления: индуктивные, тензометрические, пьезометрические, емкостные.

У тензометрического датчика давления тензометры наклеены на упругий элемент, деформация которому передается от мембраны, воспринимающей измеряемое давление.

В результате деформации упругого элемента возникает деформация наклеенных на него тензометров, соответственно изменяется их сопротивления, что регистрируется с помощью соединения тензометров в мостовую схему. Подобные датчики имеют предел измерения до 160*10⁵ Па, частичный диапазон 0-6000 1/с, диапазон рабочих температур до 100 ⁰С при погрешности  3%.

Индуктивные датчики давления имеют две рабочие катушки, включенные в цепь переменного тока, индуктивности которых меняются при изменении положения мембраны. Первичный индуктивный преобразователь обеспечивает измерение давления до 300*10⁵ Па, максимальная рабочая частота составляет величину порядка 1000 1/с.

Емкостной датчик давления имеет в качестве одного из электродов мембрану, выточенную заодно с корпусом. Второй электрод расположен в самом приборе, внутренний объем которого вакуумирован. Под действием измеряемого давления меняется расстояние между электродами, соответственно меняются емкость конденсатора. Такой прибор обеспечивает измерение переменных давлений достигающих величин 160*10⁵ Па. Частотный диапазон 0-10000 1/с. допустимые температуры – 150 ⁰С.

Электрический датчик давления может измерять меняющееся давление величиной от 0,5*10⁵ до 50*10⁵ Па, допускаемая погрешность 7-10%. Частотный диапазон таких датчиков 3-10000 1/с.

11

Методы и средства измерения расходов.

При испытаниях газотурбинных и паротурбинных установок возникает необходимость измерения расхода воздуха (газа), топлива, масла, охлаждающей жидкости.

Большое разнообразие ГТУ и ПТУ, их агрегатов и узлов, различие физико-химических свойств рабочих тел (воздух, вода, керосин,…), параметров рабочих тел (давление может меняться сотни раз, а температура принимать значения от 70 до 2000 ⁰К), условий измерения (стационарное или нестационарные течения) объясняет наличие разных типов расходомеров и разнообразие методов измерения.

Выбор метода измерения определяется свойствами рабочего тела и требуемой точностью определения расхода.

Расход воздуха (газа) можно определить непосредственным измерением его объема, протекающего через мерное устройство (счетчики газа) и косвенным путем – измерением определенных параметров потока, характеризующих среднюю или мгновенную скорость движения. При косвенных измерениях расхода применяют более разнообразные средства, в частности:

• дросселирование потока с целью получения перепада давления

• измерение скоростного напора потока

• фиксирование изменения теплового состояния газа при движении его между двумя последовательно расположенными сечениями и теплообмена между чувствительным элементом прибора и потоком

• фиксирование скорости изменения ультразвуковых колебаний по движению или против движения потока.

• Измерение оптических характеристик потока.

Дроссельные расходомеры.

В основе дроссельного расходомера находится сужающее поток устройство из многообразия которых стандартизировано три: диафрагм, сопла и сопла Вентури. Изготовление и применение этих дроссельных расходомеров с определенными правилами позволяет отказаться от индивидуальных градуировок.

Дроссельное устройство создает в потоке перепад давлений, величина которого однозначно связана с расходом рабочего тела (жидкость, газа). Этот перепад обусловлен увеличением скорости потока в дроссельном приборе и его гидравлическим сопротивлением. Связь между перепадом давлений на дроссельном приборе и величиной расхода определяется из уравнения неразрывности и уравнения Бернулли в формуле:

где:

•  - коэффициент расхода, величина которого определяется конструкцией дроссельного прибора

• F₀ – площадь минимального сечения дроссельного прибора

•  - плотность

• р – перепад давления на дроссельном приборе.

Это соотношение одинаково верно для всех типов дроссельных приборов; изменяется только величина коэффициента расхода. Наибольшие гидравлические потери возникают при обтекании диафрагмы. Несколько меньшие – при использовании мерного сопла. Наиболее оптимален в этом смысле сопло Вентури, плавные контуры которого исключают при протекании потока появление застойных зон в той или иной степени. Стандартные диафрагмы могут быть использованы в трубопроводах диаметром D 50 мм. Модуль диафрагмы (отношение диаметра отверстия к диаметру трубопровода) может иметь значения от 0,05 до 0,7. Проходное отверстие имеет цилиндрическую форму с острой входной кромкой. Измерение перепада давления осуществляется непосредственно у стенок диафрагмы с помощью отверстий равномерно расположенных по окружности или сплошных кольцевых щелей.

Стандартные сопла применяют в трубопроводах диаметром менее 50 мм при 0,05 m 0,65. Стандартные сопла Вентури в дополнение к входной сопловой части имеют выходные конусные участки с углом  = 5  30⁰.

Главным недостатком расходомеров с сужающими устройствами является узкий рабочий диапазон каждого конкретного (m = const) расходомера. Отношения G_max/G_min не должно превышать 3-4 потому, что с его увеличением резко возрастает погрешность вблизи G_min из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давления. Расходомеры с сужающими устройствами, как правило, непригодны для измерения быстропеременных расходов, что связано прежде всего с инерционностью процессов в манометрах и соединительных линиях. При применении электрических преобразователей перепада давления также возникают динамические погрешности, вызванные инерционностью процессов преобразования непосредственно на сужающем устройстве.

Дроссельные расходомеры при правильной установке и эксплуатации в условиях установившихся потоков имеют погрешность не более 1,5%.

Пневмометрические трубки.

Измерения расхода газа по скоростному напору осуществляются с помощью комбинированной пневмометрической трубки, позволяющей определить полное и статические давления в потоках. ₀ разности этих давлений Р = Р₀ – Р то есть по динамическому давлению потока, в выбранных точках находят скорость потока:

Где -  плотность газа.

Расход газа (жидкости) в трубопроводе может быть определен, если известна средняя скорость для данного поперечного сечения. Среднюю скорость потока можно определить, измерив, профиль скорости в данном сечении при перемещении пневмометрической трубке.

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. 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.. 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. 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:

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.

12

Методы и средства измерения 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.

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).

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.

13

Методы и средства измерения 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

Электронные тахометры основаны на безынерционном действии электронных измерительных устройств, работающих с индукционными или фото электрическим входными преобразователями. Эти преобразователи являются бесконтактными импульсными датчиками, посылающими в измерительное устройство кратковременные электрические импульсы через каждый оборот или долю оборота вала испытываемой ГТУ (ПТУ). Регистрирующим устройством электронных тахометров могут служить магнитофоны с цифровой индикацией результатов, основанной на автоматическом повторении счета через определенные промежутки времени.

14

Методы и средства измерения деформации и напряжений

Датчик деформации и напряжения.

К метрологическим характеристикам датчиков для измерения деформаций ГТУ предъявляются следующие требования.

• диапазон относительных деформаций до 10^-2; разрешающая способность 10^-6

• пренебрежимо малая поперечная чувствительность

• точность по отношению к полному диапазону измерений не ниже 5%

• независимость показаний от давления

• отсутствие инерционности.

Кроме того, датчики деформации должны функционировать в реальных условиях эксплуатации и допускать возможность их установок без влияния на работоспособность ГТУ и его элементов и на целость конструкции. Среди известных для измерения деформаций преобразователей указанным требованиям в большей степени, чем другие, отвечает тензодатчик.

Тензодатчики (тензорезисторы) являются первичными преобразователями электротензометрического метода измерения деформаций конструкции ГТУ и элементов внешних силовых факторов (сгибающих и крутящих моментов, растягивающих и сжимающих сил, перерезывающих сил…). В основе работы тензодатчика лежит факт изменения его электрического сопротивления при воздействии механической деформации, которое обычно выражается следующей линейной зависимостью:

R – измерении сопротивления R тензодатчика

Е - относительная деформация;

S - коэффициент чувствительности датчика

В настоящее время выпускается много типов металлических тензодатчиков, однако наибольшее распространение в практике испытаний ГТУ получили проволочные тензодатчики с базой l = 5-10 мм и сопротивлением R = 200 Ом. Полупроводниковые тензодатчики редко применяются в испытаниях ГТУ вследствие их хрупкости, сложности монтажа и существенной зависимости чувствительности от температуры и деформации. При локальной однородности поля деформации, обусловленной структурными особенностями металла, могут применяться датчики любого размера, если позволяют размеры конструкции.

При этом считается, что достаточно оптимальными техническими характеристиками обладают датчики с базой фольговой решетки 6 мм, а для датчика с проволочной решеткой с базой 10 мм. В случае неоднородного поля деформаций конструкции длина решетки датчика должна быть не менее чем в пять раз больше размера неоднородностей (зерен) металла. При резких пространственных изменениях напряжений, в зонах их концентрации или значительных перепадах толщин поперечных сечений для однородного металла применяются датчики с базой до 1 мм, в частности выполненные в виде последовательности (цепочки) решеток стоящих в одном ряду.

Технология препарировки тензодатчиками композиционных материалов сходна с технологией для металла. Если возможна градуировка препарированного элемента ГТУ, определение компонентов нагрузки не вызывает трудностей. Однако необходимо иметь ввиду более слабую теплоотдачу по сравнению с металлическими конструкциями, поэтому должны применятся либо датчики с большей базой, либо уменьшенные токи питания.

Измерение деформаций с помощью наклеиваемых тензодатчиков может быть достоверно только при выдерживании требований технологии, таких как качественная подготовка поверхности для наклейки, правильный выбор клея, качественная наклейка и сушка. При применении датчиков на конструкции из алюминиевых сплавов температура не должна превышать 70-80⁰С, в противном случае может произойти местный нагрев металла. При температурах от 300 до 800⁰С используются датчики с решеткой из специальных сплавов, обрамленные окантовкой или выполненные в металлическом корпусе. Находит применение способ крепления решетки путем напыления окисла алюминия с помощью ацетиленовой горелки, которой обеспечивает измерение деформаций при температурах до 1000⁰С.

В практике измерения деформаций используют аппаратуру, реализующую следующие основные схемы: потенциометрическую (делитель напряжения), мостовую и прямую.

При потенциометрическом подключении тензодатчика используется дополнительное сопротивление.

Мостовая схема представляет собой комбинацию двух делителей напряжения, соединенных таким образом что сигнал на выходе зависит только от приращения сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄.

Прямая схема подключения тензодатчика подобна делителю с раздельным положительным и отрицательным питанием, что достигается применением двух источников тока. Такая цепь может быть выполнена полностью симметричной, линейной и обладает высокой помехозапрещенностью.

Погрешности при тензоизмерениях связаны с большим числом факторов, среди которых для случая динамических нагрузок наибольшую роль играют следующие:

• изменение чувствительности тензодатчика из-за влияния температуры и влажности, а также разброса характеристик в партии;

• снижение чувствительности вследствии падения напряжения на питающих проводах или снижение сопротивления изоляции;

• изменение напряжения питания;

• погрешности измерительной аппаратуры;

нелинейность тензомоста.

Вибродатчики.

Измеряемым параметрам при испытании ГТУ обычно являются виброускорение. В отечественной практике используются датчики пьезоэлектрического, индуктивного и тензометрического типов. В пьезоэлектрическом датчике сигнал пропорционален прикладываемому усилию со стороны приклеенной к нему массы. Суммарная погрешность акселерометра обычно лежит в пределах 5%. Температурные характеристики пьезоакселерометров зависит от типа согласующих устройств и для хороших моделей чувствительность изменяется на 1…2% при изменении температуры на 100⁰С в обычных условиях (от –70 до + 260⁰С). Специальные конструкции датчиков виброускорений могут работать до температуры 700⁰С и выше.

Датчики пульсаций давления.

В качестве датчиков пульсаций давления используются датчики пьезорезисторного, индуктивного и пьезо электрического типов.

Верхний диапазон частот пьезо резисторных и индуктивных датчиков определяется в первую очередь резонансом мембран. Уменьшение размеров мембраны улучшает все направленность датчика. При испытаниях ГТУ применяются датчики, которые дают равномерную частотную характеристику при случайном падении звуковых волн. Они обычно устанавливаются заподлицо с поверхностью обтекания.

Нижний предел частот определяется согласующей аппаратурой и необходимостью уравниванием давления (статического) над и под мембраной.

В зависимости от размеров датчика влияние уравнивания может сказаться на частотах 2…20 или 20…5000 Гц.

• В последнее время для измерения пульсации давления в диапазоне температур -20100⁰С наибольшее применение нашли пьезорезестивные датчики. Для них используется кремниевая мембрана, на которую диффузионным способом напыляются полупроводниковые (пьезорезистивные) датчики, включенные в мостовую схему. Эти датчики имеют высокую точность, малые размеры, весьма низкую чувствительность к вибрациям и большую резонансную частоту (до 45000 Гц).

15

Методы и средства измерения тепловых потоков.

Метод измерения плотности теплового потока с помощью «вспомогательной» стенки.

Сущность этого метода поясняется схемой представленной на рис. 15

На обтекаемую газом поверхность (элемент ГТУ) 1, устанавливают преобразователь теплового потока – пластину 2 («вспомогательная» стенка) снаружи (а) или изнутри (б). Измеряется перепад температур на пластине – между точками 3 и 4, пропорциональный плотности теплового потока. Для повышения точности применяют батарею термопар, расположенных во вспомогательной стенке, параллельно направлению теплового потока и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. В результате градуировки определяется тарировочный коэффициент С. Величина теплового потока, проходящего через вспомогательную стенку, подсчитывается по формуле:

q=EC

где Е – показания батареи термопар, , С – тарировочный коэффициент.

В работе 5 дано описание и характеристики аналогичного устройства измерителя коэффициента теплоотдачи (ИКТ), выполненного в виде теплометрического блока, смонтированного на температуровыравнивающей пластине и содержащего три первичных преобразователя теплового потока и преобразователь температуры. Данный ИКТ обеспечивает измерения α в диапазоне 20-100 Вт/м^2ОК, теплового потока в диапазоне 1.5 10³ Вт/м² при уровне рабочих температур -50 ÷ 130^О С.

Источниками погрешностей измерения теплового потока вышеописанным методом являются:

- изменение термического сопротивления элемента ГТУ при установке на него вспомогательной стенки

- изменение температурного поля элемента ГТУ из-за установки вспомогательной стенки

- отличие условий применения датчика от условий при градуировке

- утечки или притоки тепла

- изменение характера течения газа

Метод измерения плотности теплового потока «встроенными» датчиками

Сущность метода поясняется схемой, представленной на рис. 16.

В элемент ГТУ 1 устанавливается (заподлицо с обтекаемой газом поверхностью) датчик теплового потока 2 с термопарой (термометром сопротивления). Для упрощения технологии испытаний по определению тепловых потоков стремятся создать условия при которых в д.т.п. устанавливается температурное поле, близкое к одномерному. В этом случае тепловой поток определяется на основе теории регулярного режима из выражения:

(1)

где – плотность, теплоемкость и «высота» д.т.п. ( , V – объем, F – площадь поперечного сечения, д.т.п. чаще всего выполняют цилиндрической формы)

Выражение (1) справедливо для идеального датчика теплового потока: все тепло, подводимое (отводимое) от него идет на его нагрев. В действительности, идеально теплоизолировать д.т.п. не удается, на результат определения q существенное влияние могут оказать утечки (притоки) тепла от контактирующих с д.т.п. участков элементов ГТУ. Из-за утечек (притоков) тепла экспериментально найденное значение q будет ниже (выше) действительного. Разработаны и применяются разнообразные конструктивные способы уменьшения утечки (притоков) тепла. Некоторые из них представлены на рис. 17:

А Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, выполняют воздушные зазоры 3.

Б Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, выполняют воздушные зазоры 3, весь этот блок размещают в охранную оболочку 4.

С Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, устанавливают две охранные оболочки 3,4 между которыми имеются воздушные зазоры 5.

Охранные оболочки подбирают таким образом что бы их температура была близка к температуре мерного элемента, в этом случае минимизируется тепловой поток между мерным элементом и охранной оболочкой, т.к. температура между ними Δt→0

Влияние утечки (притоков) тепла можно оценить следующим образом. По известным условиям эксплуатации (коэффициент теплоотдачи α_д, температура газа Т_г) производится расчетное определение температурного поля элемента ГТУ и д.т.п. t_д.т.п.. По расчетному t_д.т.п. находится значение условного коэффициента теплоотдачи α_у, вызывающего данное изменение температуры д.т.п. Чем больше разница δ= α_д- α_у, тем сильнее влияние утечки (притока) тепла. На рис. 18 представлены результаты подобных расчетов для конструкции д.т.п. рис. 17. Видно, что наиболее близкое к α_д обеспечивает д.т.п., выполненный по схеме рис. 17 С.

Рис. 18. Изменение коэффициента теплоотдачи. А Б С – датчики теплового потока (обозначения рис. 17)

Для регистрации величины теплового потока в течении длительного времени применяют так называемые охлаждаемые датчики тепловых потоков – рис. 19.

Элемент д.т.п. 1, воспринимающий тепловую нагрузку, охлаждается водой (или другой жидкостью) благодаря чему образуется перепад температур Δt на элементе, который и характеризует величину теплового потока

Данный вид д.т.п. находит применение при испытаниях камер сгорания ГТУ и других энергонапряженных элементов ГТУ.

Метод определения плотности теплового потока решением обратной задачи теплопроводности.

Обратные задачи теплопроводности (обратные тепловые задачи) состоят в нахождении причины (тепловые потоки) по известному следствию – температуре (экспериментально измеренной в некоторой точке элемента ГТУ). Положительным обстоятельством применения этого метода является использование непосредственно самого элемента ГТУ без установки д.т.п. Но при этом существенно усложняется методология обработки, так как обратные задачи относятся к числу некорректно поставленных задач и точность решения их существенным образом зависит от алгоритма решения, алгоритма сглаживания при аппроксимации. В настоящее время достигнуты значительные успехи в решении обратных задач с обеспечением точности расчетного определения тепловых потоков до 3-6 % (при условии гарантированной точности задания геометрических размеров и теплофизических свойств элементов ГТУ). Этот метод определения тепловых потоков особенно эффективен при испытаниях натурных ГТУ.

16

В чем принципиальное отличие современных средств регистрации результатов измерений?

Можно выделить следующие этапы развитие регистраторов:

• светолучевые осциллографы

• аналоговые магнитные регистраторы

• цифровые магнитофоны

В настоящее время получают дальнейшее развитие микроэлектронные технологии, распространяются стандартизованные протоколы передачи и хранения цифровой информации, все более широко применяются методики цифровой обработки сигналов. На основе электронных программируемых аппаратных модулей, включающих аналого-цифровые преобразователи, фильтры, цифро-аналоговые преобразователи, создаются приборы, квалифицируемые как виртуальные: регистраторы, анализаторы сигналов, генераторы сигналов и т.п. Цифровое представление сигналов дает возможность расширения контроля качества обработки измеренных параметров ГТУ, повышает скорость передачи измерительной информации в центры обработки и анализа. В конечном итоге информация становится более достоверной, систематизированной, независимой (объективной).

В измерительно-информационной системе, используемой при испытаниях ГТУ осуществляется съем результатов измерений, регистрации их, обработка, анализ, представление, хранение, передача заказчику.

Рисунок 1.

Регистратор MIC-300M (рис. 2) выпускается в РФ серийно с 2002 г.; этот прибор предназначен для измерения и анализа вибраций, акустики, пульсаций, давлений и т.п. параметров. В число функций отображения и экспресс анализа этого прибора в частности входит:

• отображение одновременно до 24 осциллограмм на встроенных 10,4 ЖК дисплей;

• вычисление и отображение одновременно до 24 спектрограмм;

• вычисление математического ожидания, среднего значения сигнала на всех 24 - каналах с отображением в табличном виде и в виде графиков зависимости от времени

• интегрирование сигналов;

• оформление протоколов результатов измерений на бумажном или магнитном носителе;

• взаимодействие с другими приборами для синхронной работы;

• расширенный набор алгоритмов цифровой обработки.

Рисунок 2.

Перезапись данных с MIC-300M возможна:

• с аналоговых выходов;

• на МО – диск, используя встроенный дисковод;

• на лазерный диск, используя привод CD-RW;

• по локальной сети Ethernet в PC.

Данный регистратор может использоваться как самостоятельно, в простых системах типа «регистратор-объект», так и в сложных многоуровневых системах на первом уровне измерений. При необходимости, использую интерфейс (стандарт) RS-232 а также входные и выходные цифровые линии, можно объединить несколько приборов в единый комплекс, в том числе и с функциями управления, контроля и регулирования.

17

Структурные схемы и состав установки для испытаний компрессоров.

Компрессор является выжнейшим элементом ГТУ (ПТУ), от работы которого завит эффективность установки. Основными задачами испытания компрессора являются:

• определение обобщенной характеристики компрессора – зависимости: коэффициента полезного действия , степени повышения давления , приведенного расхода воздуха G_{в пр} при различных частотах вращения (оборотов) n_пр – рис. 22.

• определение границ устойчивых режимов, т.е. изменение в зависимости от приведенного расхода воздуха G_{в пр} .

• определение потерь давления в элементах компрессора

• исследование надежности компрессора, вибрационных и акустических характеристик.

Определение обобщенных характеристик компрессора.

Основные показатели работы компрессора ГТУ - и при заданной геометрии зависят от трех обобщенных параметров:

• приведенной частоты вращения

• приведенного расхода воздуха

• числа Рейнольдса

где:

n – действительная частота вращения ротора компрессора;

G – расход воздуха через компрессор;

Р_а и Т_а – давление и термодинамическая температура атмосферного воздуха в момент проведения испытаний;

С_к – окружная скорость рабочего колеса компрессора в выходном сечении;

D_к – диаметр рабочего колеса компрессора на выходе;

_к и _к – плотность и динамическая вязкость воздуха в сечении на выходе из рабочего колеса.

На практике используются величины, приведенные к стандартным атмосферным условиям (Т₀ – 298 ⁰К, Р₀ – 1,01325*10⁵ Па)

В этом случае формулы n_пр и G_{в пр} записывают в виде:

Влияние числа Рейнольдса на характеристики компрессоров определяются только при специальных испытаниях, так как при значениях Re  3*10⁶ влияние особенностей гидродинамического режима течения воздуха в компрессоре проявляется слабо. Таким образом, в нашем случае основные показатели компрессора являются функциями только двух параметров:

степень повышения полного давления в компрессоре определяется как отношение осредненных по расходу полных давлений потока на входе и выходе из компрессора

Кпд компрессора по параметрам заторможенного потока определяются удельной изоэнтропной работой сжатия воздуха от давления до к удельной работе подводимой к компрессору через его привод:

Величины удельных работ, входящих в выражение для подсчета рассчитываются по формулам теории лопаточных машин:

где:

С_р – изобарная теплоемкость воздуха при температуре Т_а;

к – показатель адиабаты;

, - осредненные по расходу температуры заторможенного потока на выходе из компрессора;

М_кр – крутящий момент (Нм) на валу привода компрессора;

_кр – частота вращения колеса компрессора.

Для построения обобщенной характеристики компрессора необходимо экспериментально измерить расход воздуха, давление воздуха на входе и выходе, частоту вращения ротора, температуру воздуха на входе и выходе.

Испытываемый компрессор помещают в испытательную камеру (рабочий участок), где обеспечивается давление, равное давление воздуха на входе. На входном устройстве компрессора установлен насадок, профиль которого выполнен по лемнискате для создания равномерного профиля скорости. В рабочей камере устанавливается решетка, обеспечивающая уменьшение пульсации до заданного уровня.

Для регулирования параметров компрессора установлены заслонки на выходе – для повышения давления и на входе для уменьшения давления. Привод испытываемого компрессора осуществляется электро двигателем (или турбиной) через муфту и редуктор.

Обобщенную характеристику компрессора снимают в следующей последовательности: устанавливают минимальную для данной характеристики частоту вращения ротора и поддерживают ее постоянной. Далее заслонкой на выходе последовательно устанавливают ряд режимов, начиная с наименьшего значения степени повышения давления повышают до достижения границ устойчивой работы. Обычно экспериментально определяют 6-7 точек на каждый ветви характеристик при n = const.

Далее аналогично определяют характеристики компрессора на других приведенных частотах вращения. На каждом режиме измеряют следующие параметры: расход воздуха, температуры и давления на входе и выходе из компрессора, крутящий момент М_кр, число оборотов n.

Определение границ устойчивой работы компрессора.

Эта характеристика необходима для определения рабочей области в зоне характеристики компрессора. Неустойчивая работа компрессора характеризуется падением к.п.д., усилением вибраций и усталостными разрушениями. Основной формой неустойчивой работы компрессора является помпаж – колебания всей массы воздуха в компрессоре и присоединенном трубопроводе (диффузоре). Кроме помпажа может возникнуть вращающийся срыв: образуются области с малой скоростью течениия, которые захватывают несколько лопаток компрессора. Появление вращающегося срыва сопровождается увеличением динамических напряжений и сильными вибрациями лопаток, что может привести к их разрушению.

Для экспериментального исследования явлений неустойчивой работы применяют малоинерционные датчики давления, лазерные системы визуализации, разные виды скоростных кино-фото съемок и т.п.

Аппаратура должна быть малоинерционной и иметь собственную частоту выше (в 10-20 раз) чем основная частота пульсаций основного потока.

Порядок проведения эксперимента по определению границ устойчивой работы компрессора требует постепенного дросселирования компрессора. Появление шума и колебаний давления указывает на начало неустановившегося режима. Измерения обычно начинают до начала наступления режима с неустойчивостью. Появление помпажа во многом определяется всей конструкцией ПТУ (ГТУ) (включая вход компрессора и подсоединенные трубопроводы) поэтому эксперименты по определению неустойчивости работы компрессора желательно выполнять при работе компрессора в составе ГТУ в целом. Во время этих испытаний соответствующим образом подготавливают датчики в характерных сечениях тракта. Эксперименты проводят на всех режимах работы ГТУ (ПТУ).

Существует несколько методов снятия характеристик компрессора в составе ПТУ (ГТУ):

• дросселирование потока на выходе из компрессора

• изменение площади проходных сечений соплового аппарата турбины

• впрыск воды.

18

Структурная схема и состав установки для испытания камер сгорания.

Камера сгорания являются ответственным элементом ГТУ; к ней предъявляются очень жесткие требования: высокая полнота сгорания, прочность и надежность, низкие гидравлические потери, заданный уровень шума (спектр). Эти требования во многом противоречивы, поэтому испытанию камер сгорания уделяется большое внимание.

При испытаниях камер сгорания определяют: гидравлические потери, полноту сгорания, акустические характеристики, срывную характеристику, поле температур и скоростей. При исследовательских испытаниях всестороннее обследуются зоны обратных токов, распределение концентрации топлива, расположение фронта пламени, уровень тепловых потоков и т.п.

Испытания проводят на специальных стендах и в составе ГТУ (ПТУ) в целом. Схема стенда и его конструктивные особенности зависят от задачи испытаний и при нятого метода измерения параметров.

Определение характеристик по полноте сгорания.

Коэффициент полноты сгорания представляет собой отношение количества тепла, выделившегося в камере сгорания по всему подведенному теплу:

где Q_под = G_T * Н_u

G_T – расход топлива кг/с

Н_u – теплотворная способность топлива дж/кг.

Q_выд = J₂^* - J₁^*

J₂^* - энтальпия газов на выходе из камеры сгорания дж/с

J₁^* - энтальпия воздуха и топлива на входе в камеру сгорания дж/с.

С учетом, что J = GC_pt , выражение для  принимает вид:

(1)

Из этого выражения видно, какие параметры необходимо измерить, чтобы определить _z.

При определении характеристик камеры сгорания по полноте сгорания воздух с необходимыми параметрами (Р^* Т^*) поступает из компрессорной станции в ресивер через леминискатный вход. Далее поступает в канал жаровой трубы где измеряется Р₁, Р₁^*, Т₁^*. К корпусу канала крепится камера сгорания.

На выходе из камеры сгорания установлен измерительный участок где производятся измерения Р₂ Р₂^* Т₂^*. За измерительным участком расположена заслонка для установления необходимого давления в камере сгорания. На выходе из камеры сгорания существует значительная неравномерность поля температур, поэтому для определения средней температуры необходимо выполнить значительное количество измерений температуры по сечению или обеспечить перемешивание газового потока.

По результатам измерений и обработки определяется коэффициент полноты сгорания _z.

Количественную оценку потерь чаще всего выполняют с помощью коэффициента потерь полного давления , где и соответственно полные давления воздуха и газов на входе в камеру и на выходе из нее. Точность определения _к.с. полностью определяется точностью определения .

19

Структурная схема и состав установки для испытания камер турбин.

Турбины ГТУ (ПТУ) работают в напряженных условиях (Высокие температура, скорость, пульсации, вибрации…) поэтому испытаниям турбин при доводке ГТУ (ПТУ) уделяют большое внимание. Основными задачами испытаний являются: получение характеристики турбины и определение ее надежности (ресурса). Кроме того, при испытаниях турбин необходимы измерения по определению неравномерности поля температур потока, распределению температур лопаток и дисков, вибраций, структуры потока и т.п.

Характеристики газовых турбин могут быть получены при их испытаниях на специальных стендах, при испытаниях в системе ГТУ (ПТУ) в целом, на модельных установках.

При испытаниях турбин в системе ГТУ (ПТУ) соблюдаются полностью условия в которых она работает. Этого полностью не достичь при испытаниях турбины на стенде. Однако при испытаниях в системе ГТУ (ПТУ) характеристику можно получить только лишь в узкой области вдоль линии совместной работы турбины и компрессора.

В процессе испытаний турбин с целью определения характеристик измеряют следующие параметры:

n – частота вращения турбины об/мин

P_Т1^* - давление торможения газов перед турбиной

P_Т2^* - давление торможения газов за турбиной

G – расход газа через турбину кг/с

Р₁ Р₂ – статическое давление газа

М_кр – крутящий момент на валу турбины

Т_г1^*, Т_г2^* - температура газа до и после турбины.

Данные величины позволяют определить все характерные параметры работы турбины и построить требуемые характеристики.

При создании стенда для натурных испытаний турбин предпринимаются все усилия к приближению условий эксперимента к эксплутационным условиям.

Поэтому для испытаний целесообразно использовать целиком узел турбины и камер сгорания с газосборником. На входе в камеру сгорания характеристики потока воздуха должны соответствовать действительным особенно по части пульсаций температуры, скорости, давления и степени равномерности, углу натекания.

В состав стенда входит также тормозное устройство, источник сжатого воздуха, шумоглушитель, холодильная установка (теплообменник)

Основными элементами стенда являются: камера сгорания, шумоглушитель, гидротормоз, компрессор, устройство подвода воздуха, испытываемая турбина.

20

Структурная схема и состав установки для испытания теплообменников.

Надежность и экономичность работы ГТУ во многом определяется эффективностью теплообменника (как стационарного, так и вращающегося)

Задачами испытаний теплообменника являются: определение степени регенерации, гидравлических потерь, ресурса. На испытаниях теплообменников воздух с параметрами G_в, Р1^* и Т₁^*, соответствующими действительным поступает по трубопроводу в теплообменник а затем по трубопроводу подается в камеру сгорания. Газ, выйдя из камеры сгорания по трубопроводу поступает в газовый тракт теплообменника. Пройдя теплообменник газ по трубопроводу и заслонку , выходит в атмосферу.

Для снятия характеристик теплообменника производят измерения.

• расхода воздуха G_в

• расхода топлива G_т

• расхода газа G_г

• температуры и давления газа на входе и выходе из теплообменника.

Степень регенерации подсчитывается по формуле:

Наибольшие трудности связаны с определением t_В2 и t_Г2 в виду большой неравномерности полей температур.

Специфическим видом испытаний теплообменника являются испытания по определению стабильности характеристик его в течении заданного ресурса. На стабильность характеристик теплообменника ГТУ влияет прежде всего загрязнение каналов продуктами сгорания. (в частности сажа оседает на стенках каналов). При этом увеличиваются гидравлические потери и в ряде случаев уменьшается степень регенерации. В результате эффективность применения теплообменников в составе ГТУ может снизиться.

21

Структурная схема и состав автоматизированной системы контроля испытаний ГТУ.

Завершающим и одним из важнейших звеньев создания ГТУ являются испытания готовой установки в целом. На этом этапе проверяется соответствие показателей работы ГТУ требованиям технического задания, рассчитываются характеристики, производится оценка надежности и т.д.

Работоспособность ГТУ при этих испытаниях оценивается значительным количеством параметров:

Результаты работы с ГТУ фиксируются в протоколе испытаний, имеющем юридическую силу, как выходной документ автоматизированной (с участием человека оператора) системы контроля. Все результаты, характеризующие работу ГТУ, должны быть представлены в удобном для восприятия виде, и в удобном для представления в протоколе испытаний.

Характеристики

Список файлов лекций