Способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины

 

Способ относится к определению параметров высокооборотных газовых потоков и может быть использован для измерения полного давления рабочего газа в относительном движении за рабочим колесом турбомашины. Способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины заключается в том, что, учитывая влияние центробежной силы, возникающей при большой частоте вращения колеса турбомашины, на работу зонда, вращающегося вместе с рабочим колесом и соединенного через передатчик давления с манометром, производят дублирование измерений давлений двух газов - рабочего газа и внешнего газа, которым заменяют рабочий газ в трубке зонда после измерения давления в рабочем газе, причем внешний газ имеет газовую постоянную, отличную от газовой постоянной рабочего газа, и вычисляют полное давление рабочего газа в относительном движении за лопаточным венцом рабочего колеса турбомашины. Применение предлагаемого способа определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины повышает точность измерения давления, и он может быть использован для определения давлений на поверхности лопаток любой турбомашины. 1 ил.

Изобретение относится к определению параметров высокоскоростных газовых потоков, а именно к способам измерения полного давления в относительном движении за рабочим колесом турбомашины.

При экспериментальном исследовании лопаточных машин обычно используются неподвижные зонды, устанавливаемые в межвенцовых зазорах проточной части турбомашины. Однако в ряде случаев вследствие влияния нестационарности обтекания зонда рабочим потоком газа в абсолютном движении и аэродинамического взаимодействия зонда с рабочим колесом турбомашины неподвижный зонд дает недостоверные показания при измерении полного давления рабочего газа из-за особенностей взаимодействия зонда с газовым потоком, и чтобы получить точные и достоверные показания, необходимо проводить измерения в относительном движении. Для этого необходимо воспользоваться зондом, вращающимся вместе с рабочим колесом турбомашины.

Известен способ измерения полного давления с помощью "Насадка для измерения полного давления", авторское свидетельство № 519634 от 22.11.74, заключающийся в измерении полного давления сверхзвуковых потоков газа.

Недостатком данного способа является недостаточно точное измерение значений полного давления потоков газа, так как при измерении не учитывается влияние нестационарности потока газа на насадок.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения полного давления в относительном движении за рабочим колесом вентилятора посредством вращающегося зонда, Ушаков К.А., Бусиловский И.В. Исследование кольцевых решеток вращающегося колеса осевого вентилятора. - Промышленная аэродинамика, сборник статей № 10, Оборонгиз, 1958, стр. 48-49.

Недостатком данного способа является то, что на достоверность измерений существенное влияние оказывает возникающая при высокоскоростных газовых потоках центробежная сила газового (воздушного) столба в трубке вращающегося зонда, влияние которой пропорционально квадрату частоты вращения колеса осевого вентилятора. Определить расчетным путем величину центробежной силы практически не представляется возможным. Поэтому указанный способ допустимо использовать лишь на весьма малых скоростях вращения, когда влиянием центробежной силы можно пренебречь. Кроме того, этот способ не дает возможности получить распределение полного давления по шагу лопаточного венца рабочего колеса при выходе из него, а именно это и необходимо для получения достоверных измерений.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины путем получения распределения полного давления по шагу рабочего колеса при выходе из него. Для этого вращающийся зонд перемещается посредством шестеренчатого механизма вдоль шага лопаточного венца во время вращения на рабочем режиме, чем обеспечивается возможность измерения полного давления в относительном потоке в любой точке шага на расстоянии одного или нескольких шагов (для повторяемости) лопаточного венца.

Как указывалось, при вращении зонда в высокоскоростном газовом потоке развивается центробежная сила, действующая на воздушный столб, находящийся внутри трубки зонда в направлении, противоположном тому, в котором действует сила давления, воспринимаемого приемным элементом зонда. Эта сила приводит к возникновению вдоль трубки зонда градиента давлений, вследствие которого на манометре создается перепад давлений, соответствующий давлению на оси вращения вала рабочего колеса турбомашины.

Поэтому, чтобы определить величину полного давления рабочего газа в относительном движении за рабочим колесом лопатки турбомашины, необходимо знать соотношение между измеряемой величиной давления и давлением на оси вращения рабочего колеса турбомашины.

Поставленная цель достигается тем, что, учитывая влияние центробежной силы, возникающей при большой частоте вращения колеса турбомашины, на работу зонда, вращающегося вместе с рабочим колесом турбомашины и соединенного через передатчик давления с манометром, определение полного давления в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины заключается в том, что измеряют давление рабочего газа за лопаточным венцом рабочего колеса турбомашины посредством вращающегося вместе с рабочим колесом зонда, соединенного через передатчик давления с манометром, причем перемещают вращающийся вместе с колесом зонд во время вращения по шагу лопаточного венца, при этом дополнительно производят измерение давления внешнего газа, которым заполняют вращающийся вместе с рабочим колесом зонд от внешнего источника, причем внешний газ имеет газовую постоянную, отличную от газовой постоянной рабочего газа, и полное давление рабочего газа определяют по формуле

где - полное давление рабочего газа;

P_OI - давление рабочего газа в зонде;

Р_ОII - давление внешнего газа в зонде;

R_I и R_II - газовые постоянные рабочего газа и внешнего газа.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины.

Устройство содержит рабочее колесо 1 турбомашины, вращающийся вместе с рабочим колесом 1 зонд 2, передатчик 3 давления, регистрирующий прибор - U-образный манометр 4, баллон 5 с внешним газом, газовая постоянная которого существенно отличается от газовой постоянной рабочего газа, находящегося в трубке зонда 2, и запорный кран 6 баллона 5. Баллон 5 с внешним газом установлен между передатчиком 3 давления и манометром 4.

Способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины осуществляется следующим образом.

Во время вращения рабочего колеса 1 на элемент газового столба dm в трубке зонда 2 действует сила давления Р со стороны оси вращения рабочего колеса 1, сила давления Р+dР со стороны периферии и центробежная сила (dP_ц=dm·rω²).

Составим баланс действующих сил:

P·f-(P+dP)·f+dmrω²=0

после упрощения получаем

dP=ρω²rdr

из уравнения состояния находим

и получаем

После интегрирования в пределах от r_o до r_з получаем

где - полное давление рабочего газа, воспринимаемое приемным элементом зонда 2;

Р_o - давление газа на оси вращения рабочего колеса I;

dP - элементарное приращение давления вдоль радиуса зонда 2;

dm - масса элемента газового столба в трубке зонда 2;

r - текущий радиус зонда 2;

dr - элементарное приращение радиуса зонда 2;

f - площадь сечения трубки зонда 2;

r_з - радиус приемного элемента зонда 2;

ρ - плотность газа в трубке зонда 2;

R - газовая постоянная;

ω - угловая скорость вращения рабочего колеса 1 и зонда 2;

Т - температура рабочего газа.

Поскольку температура (Т) может быть какой угодно, ибо ее величина зависит от окружающей среды и распределение этой температуры вдоль трубки зонда неизвестно, то интеграл в правой части уравнения (I) не может быть вычислен и, следовательно, не может быть определено искомое полное давление рабочего газа .

Для этого производят дублирование измерений двух газов - рабочего газа и внешнего газа следующим образом.

После измерения давления рабочего газа манометром 4 в трубку зонда 2 закачивается из баллона 5 внешний газ до полного вытеснения из нее ранее находившегося там рабочего газа.

Написав уравнение (I) для рабочего газа и для внешнего газа, получим систему уравнений

или

и

где индексами I и II обозначены рабочий газ и внешний газ соответственно.

Так как при установившемся режиме величина и распределение температуры (Т) одинаковы для обоих случаев, то, поделив второе уравнение на первое, получим

откуда

Подставив этот результат в уравнение (I), найдем

отсюда находим искомое полное давление рабочего газа

Если в качестве рабочего газа и внешнего газа используется соответственно воздух и углекислый газ, то полное давление рабочего газа будет равно

где R_возд - газовая постоянная воздуха - равна 29, 27;

- газовая постоянная CO₂ - равна 19, 25;

отсюда

Предложенный способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса может быть использован для определения давлений на поверхности лопаток любой турбомашины.

Формула изобретения

Способ определения полного давления рабочего газа в относительном движении при выходе из рабочего колеса турбомашины, заключающийся в том, что измеряют давление рабочего газа за лопаточным венцом рабочего колеса турбомашины посредством вращающегося вместе с рабочим колесом зонда, соединенного через передатчик давления с манометром, отличающийся тем, что перемещают вращающийся вместе с колесом зонд во время вращения по шагу лопаточного венца, при этом дополнительно производят измерение давления внешнего газа, которым заполняют вращающийся вместе с рабочим колесом зонд от внешнего источника, причем внешний газ имеет газовую постоянную, отличную от газовой постоянной рабочего газа, и полное давление рабочего газа определяют по формуле:

где - полное давление рабочего газа;

PΟ_I - давление рабочего газа в зонде;

PΟ_II - давление внешнего газа в зонде;

R_I и R_II - газовые постоянные рабочего газа и внешнего газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1