устройство для определения параметров пульсирующего потока

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров пульсирующего потока, содержащее насадок, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, соединенный с блоком определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки, причем в насадке расположены датчик пульсаций статического давления и датчик пульсаций полного давления, установленные соответственно параллельно и перпендикулярно направлению потока и обеспечивающие измерение в одной заданной точке потока, отличающееся тем, что насадок оснащен определителем направления потока, а устройство дополнительно содержит блок коррекции положения насадка относительно направления потока, при этом определитель направления потока соединен с блоком коррекции положения насадка и имеет с ним обратную связь, а блок коррекции положения насадка соединен с блоком цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой динамике, а именно к устройствам для измерения параметров пульсирующего потока.

Необходимость измерения различных параметров пульсирующего потока с целью определения характеристик газодинамических трактов для дальнейшего их улучшения требует создания специальных измерительных средств, отвечающих условиям поставленной задачи. Например, для измерения нестационарных параметров пульсирующего потока необходимо иметь устройства, позволяющие измерять пульсации скорости потока, пульсации полного давления, пульсации статического давления. Задачу определения параметров пульсирующего потока приходится решать при проведении исследований в проточной части компрессоров, где поток имеет нестационарный характер. Измеряемые в этом случае параметры пульсирующего потока, такие как скорость, полное и статическое давление, имеют вид пульсаций с широкополосным полигармоническим спектром, в который основной вклад вносят пульсации на частоте следования лопаток и на кратных ей частотах. Например, на выходе из рабочего колеса лопаточной машины, вследствие формирования следов от лопаток, наблюдаются пульсации полного давления, связанные с частотой следования лопаток, а вследствие присутствия окружной неоднородности потока - пульсации полного давления на меньших частотах, проявляющиеся в спектре в виде роторных гармоник в полосе частот от 0 до f _рот×z_рк. Можно предположить, что пульсации скорости потока будут иметь сходный спектр. Однако одного знания спектрального состава пульсаций полного давления, предположим на среднем радиусе за РК, недостаточно. Для определения зон с повышенными потерями необходимо знать радиальное поле полного давления, поле статического давления, а также поля пульсаций этих параметров и поле углов потока. Для наиболее точного определения этих параметров нужно иметь устройства, позволяющие измерять их синхронно в каждой точке поля. На основании этих измерений можно восстановить структуру потока на выходе из каждого межлопаточного канала в виде изолиний потерь полного давления и скорости пульсирующего потока в абсолютном движении. В настоящее время отсутствуют устройства, позволяющие производить синхронные измерения постоянных и переменных составляющих пульсаций полного и статического давлений в одной точке потока.

Для проведения измерений нестационарных параметров потока в компрессоре необходима система измерений, позволяющая исследовать нестационарные процессы, имеющие различную природу и время существования. Так, данные, полученные с помощью датчиков пульсаций статического давления во входном канале компрессора, показывают, что могут возникать возмущения, распространяющиеся от колеса и имеющие различную структуру и интенсивность в зависимости от окружной скорости расхода воздуха и степени сжатия. Эти возмущения связанны с частотой следования лопаток и вызваны ударным обтеканием передних кромок и проявляются в спектре в виде гармоник частоты следования. Возмущения, являющиеся следствием окружной неоднородности, проявляются в виде гармоник в полосе частот 0...f_рот ×z_рк. Структура потока является следствием взаимодействия этих различных по природе возмущений. Таким образом, система измерений должна включать:

- измерительные устройства, позволяющие одновременно измерять осредненные параметры пульсирующего потока, такие как полное и статическое давления, и пульсации этих параметров, что необходимо для определения в результате вторичной обработки потерь полного давления или степени сжатия в каждой точке потока и скорости потока и их отклонения от средних значений при возникновении шаговых и окружных неоднородностей;

- регистрирующую аппаратуру, имеющую высокую разрешающую способность (для цифровой аппаратуры - значение частоты дискретизации не менее 500 кГц на один канал) и производящую запись измеренных мгновенных значений параметров потока синхронно;

- систему вторичной обработки, которая позволяет в каждый момент времени получать значения полного, статического давления, скорости потока и производные от этих значений величины потерь полного давления, степени сжатия.

Частотный диапазон системы измерений должен соответствовать частотному составу пульсаций потока и, при наличии в спектре гармонических колебаний на определенной частоте, должен превосходить ее в 5-10 раз.

До настоящего времени для измерения пульсаций скорости потока использовался термоанемометр, имеющий приемники из тонкой металлической нити. К основному недостатку термоанемометра относится кратковременность срока эксплуатации его приемника, в пределах 40-50 мин. При этом термоанемометр может предоставить достоверную информацию в диапазоне приведенных скоростей потока =0.1-0.3.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Способ определения параметров течения в компрессоре и устройство для его осуществления», патент РФ 2246711 от 23.05.2003 г., позволяющее измерять пульсации статического и полного давления на входе и выходе компрессора и на этой основе определять пульсации скорости потока.

Недостатком данного решения является отсутствие корректирующего устройства насадка, что не позволяет измерять угол направления потока, и тем самым определение пульсаций скорости потока ограничивается пульсациями осевой скорости и понижается точность и информативность определения параметров потока, например потерь полного давления.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности и информативности определения параметров пульсирующего потока одновременно и синхронно в одной заданной его точке в широком частотном диапазоне, например 100 кГц в диапазоне средних значений скорости потока =0.01-0.8.

Технический результат достигается в заявляемом устройстве для измерения параметров пульсирующего потока, содержащем насадок, блок цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, соединенный с блоком определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки, при этом в насадке расположены датчик пульсаций статического давления и датчик пульсаций полного давления, установленные соответственно параллельно и перпендикулярно направлению потока и обеспечивающие измерение в одной заданной точке (потока), причем насадок оснащен определителем направления потока, а устройство дополнительно содержит блок коррекции положения насадка относительно направления потока, при этом определитель направления потока соединен с блоком коррекции положения насадка и имеет с ним обратную связь, а блок коррекции положения насадка соединен с блоком цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов.

Отмечено, что стандартные регистраторы аналоговых сигналов имеют частоту дискретизации не более 30 кГц на канал и не могут производить синхронную регистрацию показаний нескольких датчиков. В связи с этим для решения поставленной задачи понадобилось создание устройства, позволяющего производить цифровую регистрацию аналоговых сигналов, синхронно и одновременно поступающих с датчиков через многоканальный вход в персональный компьютер.

Также технический результат достигается за счет синхронного и одновременного измерения пульсаций полного и статического давлений в одной и той же заданной точке пульсирующего потока при одновременной цифровой регистрации аналоговых сигналов с высокой частотой регистрации (1 мГц) и с последующей вторичной обработкой аналоговых сигналов для определения пульсаций приведенной скорости потока.

Кроме того, согласно изобретению, дополнительно определяется направление потока и производится коррекция положения плоскости измерения полного давления относительно направления потока в точке измерения, для чего определитель направления потока имеет обратную связь с блоком коррекции положения насадка.

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства для определения параметров пульсирующего потока.

На фиг.2 изображены осциллограммы статического и полного давления в трех точках - «а», «б», «в» - потока,

где точка «а» показывает результаты измерения пульсаций полного и статического давлений на расстоянии, например, 3 мм от стенки канала на входе в рабочее колесо ступени лопаточной машины;

точка «б» показывает результат измерения пульсаций полного и статического давлений на расстоянии, например, 5 мм от наружной стенки канала на входе в рабочее колесо ступени лопаточной машины;

точка «в» показывает результат измерения пульсаций полного и статического давлений на расстоянии, например, 10 мм от наружной стенки канала на входе в рабочее колесо ступени лопаточной машины.

На фиг.3 изображен вид спектров пульсаций полного и статического давлений в точке измерения.

На фиг.4 изображен вид временной реализации приведенной скорости потока в абсолютном движении в трех точках («а», «б», «в») измерений.

Вид временной реализации приведенной скорости потока в абсолютном движении ( ), изображенный на фиг.4, показан в трех точках измерений. При этом приведенную скорость потока ( ) определяют по формуле

где - мгновенное значение приведенной скорости потока;

k - показатель адиабаты;

Р - мгновенное значение величины статического давления потока;

Р* - мгновенное значение величины полного давления.

На фиг.5 изображена структурная схема алгоритма работы устройства для определения пульсаций скорости потока.

Схема устройства для определения параметров пульсирующего потока, изображенного на фиг.1, и представленная на фиг.5 структурная схема алгоритма его работы содержат насадок 1, блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, который включает в себя блок 9 задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов и соединен с блоком 15 определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки, при этом в насадке 1 расположены датчик 3 пульсаций статического давления и датчик 2 пульсаций полного давления, установленные соответственно параллельно и перпендикулярно направлению потока и обеспечивающие измерение в одной заданной точке потока, причем насадок 1 соединен с блоком 5 коррекции положения насадка 1 относительно направления потока, содержащим, например, корректирующее устройство 7, определитель 6 угла потока, оснащен определителем 4 направления потока и имеет обратную связь с блоком 5 коррекции положения насадка 1, при этом блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов содержит, например, блок 10 учета индивидуальной тарировки датчиков пульсаций статического и полного давления, блок 11 визуализации преобразованных аналоговых сигналов, блок 12 продолжительности преобразования аналоговых сигналов, блок 14 регистрации преобразованных аналоговых сигналов и блок 13 синхронизации аналоговых сигналов и соединен с блоком 5 коррекции положения насадка.

Блок 5 коррекции положения насадка 1 в случае не перпендикулярности плоскости измерения пульсаций полного давления направлению потока производит поворот приемника насадка 1. Блок 5 коррекции положения насадка для автоматизации процесса управления насадком 1 оснащен определителем 6 угла потока. Определитель 6 угла потока содержит датчики, например, пьезоэлектрические, на которые подается давление из пневматических трубок, которые содержит определитель 4 направления потока. Приемные отверстия пневматических трубок (на фиг. не показаны) расположены в потоке в одной заданной точке измерения. Давление с помощью датчиков преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются с помощью блока 8 цифрового преобразования регистрации аналоговых сигналов и переводятся в давление, после чего сравниваются с тарировками насадка 1, по которым определяется отклонение расположения приемника насадка 1 от угла направления потока. Полученная информация передается на корректирующее устройство 7, которое содержит электромеханические приводы для перемещения насадка 1 вдоль и вокруг оси.

Аналоговые сигналы с датчиков 2 и 3 пульсаций давления, расположенных в насадке 1, поступают в блок 8, представляющий собой персональный компьютер, имеющий многоканальный цифровой преобразователь и оснащенный блоком 9 задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов, блоком 10 учета индивидуальной тарировки датчиков пульсаций статического и полного давления, блоком 11 визуализации преобразованных аналоговых сигналов, блоком 12 продолжительности преобразования аналоговых сигналов, блоком 14 регистрации преобразованных аналоговых сигналов и блоком 13 синхронизации аналоговых сигналов. Каждый указанный блок является программой, позволяющей реализовать действия по преобразованию и регистрации аналоговых сигналов в цифровом виде и образующий комплекс программ. Например, блок 9 задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов представляет собой программу, в которой задается с экрана компьютера частота дискретизации ввода аналоговых данных, а блок 10 учета индивидуальной тарировки датчиков пульсаций статического и полного давления представляет собой программу, с помощью которой производится учет тарировок каждого из датчиков 2 и 3, соответственно пульсаций полного и статического давления. Блок 11 визуализации преобразованных аналоговых сигналов является программой, которая производит построение осциллограмм преобразованных сигналов и воспроизводит их на экране дисплея. Блок 12 продолжительности преобразования аналоговых сигналов является программой, которая определяет объем формируемого файла.

Устройство для определения параметров пульсирующего потока работает следующим образом.

Насадок 1 размещают в заданной точке измерения, расположенной, например, в периферийной пристеночной области во входном (или в выходном) канале компрессора. Набегающий поток поступает в насадок 1 к датчикам 2 и 3, оказывая на них непрерывное силовое воздействие, где происходит одновременное и синхронное измерение пульсаций полного и статического давления в одной заданной точке потока. Датчик 2 непрерывно фиксирует мгновенное значение пульсаций полного давления в точке измерения относительно окружающей среды, датчик 3 непрерывно фиксирует мгновенное значение пульсации статического давления в точке измерения относительно давления окружающей среды. Блок 5 коррекции положения насадка 1, состоящий из определителя 6 угла потока и корректирующего устройства 7, по измерениям давления в определителе 4 направления потока с помощью блока 6 определяет угол направления потока и через блок 7 корректирует его. Аналоговые сигналы с датчиков 2 и 3 соответственно полного и статического давления поступают в блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов, содержащий блок 9 задания частоты дискретизации преобразования аналоговых сигналов, блок 10 учета индивидуальной тарировки датчиков пульсаций статического и полного давления, блок 11 визуализации преобразованных аналоговых сигналов, блок 12 продолжительности преобразования аналоговых сигналов, блок 13 синхронизации аналоговых сигналов, блок 14 регистрации преобразованных аналоговых сигналов, где с помощью блока 9 задания частоты дискретизации преобразования аналоговых сигналов выбирают частоту дискретизации преобразования аналогового сигнала, с помощью блока 10 учитывают индивидуальные тарировки каждого из датчиков 2 и 3, где блок 12 продолжительности преобразования аналоговых сигналов определяет длины реализаций, а блок 13 синхронизации аналоговых сигналов одновременно преобразует аналоговые данные с обоих датчиков 2 и 3, блок 14 регистрации преобразованных аналоговых сигналов производит их запись, а блок 11 визуализации преобразованных аналоговых сигналов производит визуализацию регистрируемых величин. Полученные в блоке 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов цифровые файлы поступают в блок 15 определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки. Блок 15 определения приведенной скорости потока и визуализации результатов обработки представляет собой комплекс программ, включающий программу определения приведенной скорости потока =f(t), программу графического изображения в виде осциллограмм и программу построения линий =Const приведенной скорости потока, визуализирующих структуру потока.

Вид осциллограмм, изображенный на фиг.2 и содержащий записи аналоговых сигналов при синхронном непрерывном измерении пульсаций полного и статического давлений в заданной точке измерения в течение времени (t), позволяет определить величину статического давления (Р) на основании соотношения

P=f(t)

и величину полного давления (Р*) на основании соотношения

P*=f(t),

где Р и Р* являются функциями времени (t).

Вид осциллограмм на фиг.2 статического и полного давлений в трех точках («а», «б», «в») течения потока, радиально расположенных на входе в рабочую ступень лопаточной машины, показывает картину визуализации изменения во времени указанных давлений.

Вид спектров, изображенный на фиг.3, пульсаций полного и статического давлений в точке измерения входного канала показывает возможность получения неискаженной акустическими резонансами структуры потока.

Предлагаемое устройство для определения параметров пульсирующего потока превосходит известные устройства для измерения пульсаций скорости потока, такие как, например, термоанемометр, тем, что имеет более широкий рабочий диапазон значений приведенной скорости потока _изм=0.1-0.8, с его помощью достигается высокая точность получаемых значений. Кроме того, насадок заявляемого устройства, изготавливаемый с использованием датчиков и оснащенный определителем направления потока, позволяет после дополнительной обработки измеренных данных получать значения потерь полного давления (или степени повышения давления *=Р*_i/Р_вх), а также отклонения от среднего значения углов направления потока, обладает высокой продолжительностью времени его использования, в отличие от приемников термоанемометра, состоящих из тонкой проволоки, которая легко разрушается. Устройство также предоставляет дополнительную информацию по изменению во времени полного и статического давления. Обладает дешевизной изготовления и простотой использования.