книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

Существует большое многообразие зондов, служащих для одно­ временного определения статического, полного и динамического давлений и направления скорости.

Для исследования двухмерного потока могут быть применены конструктивные решения, представленные на рис. 52. Наиболь­ шее распространение среди других типов приборов этого класса при исследовании ц. к. получил цилиндрический зонд (рис. 52, а). Для этого прибора существуют рекомендации по оптимальным геометрическим соотношениям. Его простота, малые размеры и удобство ввода в исследуемую точку потока не вызывают сомнений.

Для повышения точности измерения величины вектора скоро­ сти, т. е. разности давлений между центральным и боковым прием­

ными отверстиями, следует стремиться к росту угла . Однако

увеличение этого угла более 40—50°, несмотря на повышение при этом точности определения рд, нежелательно из-за значительного влияния числа Re на показания зонда и уменьшения точности измерения направления газового потока [69].

Нечувствительность цилиндрического зонда к углу скоса по­ тока р при измерении полных давлений в значительной степени зависит от диаметра центрального приемного отверстия. Для зон­ дов с соотношениями, указанными на рис. 52, она составляет при­ мерно 5°. Нечувствительность показаний зонда к углу скоса потока Ô зависит от диаметра приемных отверстий и расстояния от торца зонда до плоскости их осей и составляет ±1-^-3°.

Снятие полей полных давлений по ширине безлопаточного диф­ фузора показало целесообразность применения цилиндрического зонда (см. рис. 40) при исследовании ц. к. При этом значительно сокращается время проведения эксперимента и повышается его точность за счет одновременного измерения полей углов и полных давлений.

При определении вектора скорости цилиндрическим зондом вблизи стенки, параллельной оси державки, могут быть внесены существенные погрешности. В ц. к. такой случай может наблю­ даться, например, при исследовании лопаточных диффузоров, обратных направляющих аппаратов, входных аппаратов и неко­ торых других элементов проточной части. Из работы [59] можно сделать вывод о незначительности систематической ошибки при расстоянии от оси зонда до стенки, ограничивающей поток, бо­ лее 2D.

По остальным типам зондов существуют лишь отрывочные сведения об их основных геометрических соотношениях и газоди­ намических характеристиках.

Применение чечевицеобразного четырехканального 'зонда с от­ верстием для измерения статических давлений, расположенным с торца чечевицы (рис. 52, б), может быть рекомендовано вплоть до М < 0,9-7-0,95 [56].

Рис. 52. Зонды для определения вектора скорости в практически плоском потоке:

а — цилиндрический; б — чечевицеобразный; в — хоботковый; г — Г-образный; д — рожковый; е — шайба Рекнагеля—Крелля

Хоботковый (рис. 52, в) и рожковый (рис. 52, д) зонды имеют тарировочные характеристики значительно менее стабильные, чем чечевицеобразный или, тем более, цилиндрический зонды. Верхний предел их применения ограничивается величиной М = - 0,8+0,85.

Шайба Рекнагеля—Крелля (рис. 52, е) служит для измерения как величины, так и направления скорости газового потока. Направление скорости измеряется при установке плоскости шайбы параллельно вектору скорости, а ее величина определяется после поворота шайбы на 90°. Разность между давлениями в приемных отверстиях и будет характеризовать величину динамического давления, т. е. скорость потока.

Рис. 53. Схема шарового зонда с прямой, Г-образ- ной и U-образной державками

Для исследования пространственного потока используются зонды, имеющие не менее пяти приемных отверстий, расположен­ ных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Наибольшее распространение при исследовании трехмерного потока получили зонды со сферической головкой — шаровые зонды (рис. 53). Остальные типы пятиканальных зондов практически не изучены.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических иссле­

-4-60°. В применяемых в исследовательской практике зондах этот угол составляет 40—50°.

Несмотря на хорошее совпадение опытного и теоретического распределения давлений на поверхности сферы при малых числах М, в действительности невозможно обойтись без индиви­ дуальной тарировки каждого шарового зонда. Это объясняется возможными неточностями в изготовлении зондов (диаметр и поло­ жение отверстий, а также форма и диаметр шарика), влиянием державки и различной чистотой обработки поверхностей приемной части.

Несмотря на широкое распространение шаровых зондов в ис­ следовательской практике, требования, предъявляемые к этому

типу зондов, формулируются в самой общей форме и не являются исчерпывающими рекомендациями для их изготовления.

1. При изготовлении шарового зонда, как и любого пневмометрического прибора, необходимо стремиться к максимальному уменьшению размеров приемной части. Известны зонды с диамет­ ром шарика 3 мм. Однако выполнение зондов с такими геомет­ рическими размерами исключительно сложно и вызывает значи­ тельное возрастание времени проведения эксперимента из-за уве­ личения инерционности прибора. При исследовании ц. к. наиболь­ шее распространение получили зонды с диаметром шарика б мм.

2.Шарик должен быть изготовлен геометрически правильной формы с одинаковой чистотой поверхности.

3.Боковые приемные отверстия должны быть выполнены под

4.Входные кромки приемных отверстий необходимо тщательно зачистить.

5.Оси приемных отверстий должны иметь строго радиальное направление, а ось центрального отверстия помимо этого должна быть перпендикулярна к оси вращения зонда.

6.Во всех случаях необходимо стремиться к уменьшению влияния державки зонда. С этой целью, если пренебречь компакт­ ностью и удобством ввода в исследуемый канал, предпочтительнее пользоваться шаровыми зондами с Г-образной или U-образной державками.

Несоблюдение перечисленных требований вызывает прёжде

Общим недостатком, присущим практически всем пятиканаль­ ным зондам, являются их большие габариты, что при исследова­ нии в каналах с малыми геометрическими размерами может внести значительные погрешности при определении параметров потока.

2 4 . Р е г и с т р и р у ю щ и е п р и б о р ы и п е р е к л ю ч а т е л и

Необходимо помнить, что погрешность измерения параметров потока во многом зависит от того прибора, который предназначен для регистрации подаваемых импульсов.

Здесь описываются только регистрирующие приборы, служа­ щие для измерения величины импульса т. п. д., т. с. д., а. у. и ком­ бинированных трубок. Регистрирующие приборы для определения

ляются приборы с классом точности не ~ниже 0,2. При этом отно­ сительная погрешность определения к. п. д. коэффициента напора и расхода и коэффициентов сопротивления не превышает допусти­ мых величин (см. п. 17). При определении распределения давлений при обтекании стенок и решеток требования к точности манометров могут быть снижены до 0,5% .

2.Удобство наблюдения и отсчета в минимальный промежу­ ток времени, что особенно важно для сокращения времени прове­ дения эксперимента и уменьшения числа наблюдателей при боль­ ших количествах точек измерения. Во всех случаях, когда это возможно без значительного усложнения аппаратуры и снижения

еенадежности, следует стремиться к обеспечению объективной фиксации измеряемых величин без участия наблюдателей, напри­ мер с применением фотографирования показаний или их записи на ленту.

3.Безопасность при эксплуатации. Это требование является определяющим при измерении высоких давлений в циркуляцион­ ных контурах.

4. Простота изготовления, ремонта и обслуживания.

5.Отсутствие «дрейфа нуля» от времени и изменения условий окружающей среды.

6.Возможность удобного учета изменения температуры и дав­ ления окружающей среды.

7.Малая инерционность, т. е. быстродействие.

Практически в большинстве случаев регистрирующие при­ боры — манометры измеряют перепад давлений. Абсолютное дав­ ление, т. е. давление, отнесенное к полному вакууму, определяется но показаниям манометра прибавлением к барометрическому дав­ лению, измеренному барометром. При исследовании ц. к. различ­ ных типов диапазон измеряемых давлений исключительно широк и колеблется от нескольких сотен атмосфер до глубокого вакуума. Измеряемые перепады давлений лежат в пределах от нескольких десятков кГ/см2 до нескольких кГ!м2. Такая широта диапазона не позволяет рекомендовать какой-либо один тип регистрирующего прибора в качестве универсального.

По принципу действия применяемые в настоящее время при­ боры для регистрации давлений условно можно подразделить на жидкостные, пружинные, поршневые, электрические и комбини­ рованные.

Существует большое многообразие конструктивных форм мано­ метров всех перечисленных типов. Однако при исследовании ц. к. нашли применение в основном жидкостные и в некоторых случаях пружинные манометры.

При исследовании ц. к. для определения перепада давлений от нескольких мм вод. cm. до нескольких кГ!см2 применяются жидкостные манометры. Принцип действия жидкостных маномет­ ров всех типов основан на гидростатическом эффекте. Их простота,

надежность и удобство эксплуатации, а также относительно высо­ кая точность измерения неоспоримы.

Внаиболее широко распространенных однотрубных (байковых)

идвухтрубных (U-образных) манометрах измеряется разность высот между двумя поверхностями жидкости в сообщающихся сосудах.

Схема U-образного манометра показана на рис. 54. Разность

Обычно при исследовании ц. к. для определения давлений, измеряемых жидкостными манометрами, используется последнее уравнение. Однако в некоторых случаях, например при исследо­ ваниях, выполняемых на тяжелых газах или на воздухе, но при относительно высоком давлении, введение поправки на высоту столба газа целесообразно.

К достоинствам U-образных манометров следует отнести прежде всего простоту изготовления, надежность и удобство в работе, а также в большинстве случаев ненужность их тарировки.

Диапазон измеряемых U-образными манометрами перепадов давлений довольно широк. Верхний предел в зависимости от удель­ ного веса рабочей жидкости при длине ветви трубки около 5 м может колебаться от 6 кГ1см2 для ртути до 0,4 кП см2 для спирта. Нижний предел определяется необходимой точностью измерений и практически не должен быть меньше 200—300 кГ/м2.

Для изготовления U-образных манометров обычно применяются стеклянные трубки. В последнее время широкое распространение получили полихлорвиниловые или полиэтиленовые трубки. Несмотря на их меньшую прозрачность, применение пластмассо­ вых трубок позволяет избежать дополнительных стыковых сое­ динений, снижающих надежность работы прибора. Это особенно важно при измерении больших перепадов, т. е. при значительной длине трубок. В качестве материалов для соединительных шлангов

«приемник давления — манометр» обычно используются резино­ вые или полиэтиленовые трубки, обеспечивающие хорошую гер­ метичность в местах стыковки.

Шкалы U-образных манометров в зависимости от требуемой точности могут изготовляться из обычной миллиметровки, а также гравироваться на металле и пластмассах.

Для уменьшения погрешности измерения вследствие влияния капиллярных сил внутренний диаметр трубки должен быть не ме­ нее определенной величины. Для спирта эта величина составляет 3 мм, а для жидкостей с большим поверхностным натяжением (вода, масло, ртуть и др.) внутренний диаметр трубок не должен быть меньше 8— 12 мм.

Если пренебречь точностью изготовления шкалы, а также по­ правками на тепловое расширение шкалы и рабочей жидкости, которые нетрудно подсчитать, то в основном погрешность при измерении перепада давлений U-образными манометрами зависит от точности отсчета положения мениска жидкости, определяемого ее физическими свойствами, а также величиной внутреннего диа­ метра трубки и ее материалом. Как это следует из уравнения (148), для уменьшения относительной погрешности измерения следует стремиться к повышению чувствительности манометра, т. е. к увеличению отношения приращения разности уровней рабочей жидкости к приращению давления. С уменьшением плотности жидкости чувствительность повышается.

При определении высоты столба жидкости в U-образном мано­ метре невооруженным глазом минимальная абсолютная погреш­ ность составит 0,5— 1 мм, или суммарная минимальная погреш­ ность при определении перепада давлений будет не менее 1—2 мм. Принимая допустимую величину относительной погрешности не более 0,002—0,003, можно считать, что нижний предел перепадов давления, измеряемых U-образными манометрами, залитыми спир­ том, т. е. наиболее легкой жидкостью, составит 250—800 кГ!м2. Для водяных U-образных манометров эта величина будет равна 350— 1000 кГ/м2. Измерение меньших перепадов давлений приве­ дет к возрастанию относительной погрешности.

Таким образом, правильный выбор оптимальной рабочей жидко­ сти имеет существенное значение. Основые требования к маноме­ трическим жидкостям можно сформулировать следующим образом.

1.Высокая химическая стойкость и малая степень испаряе­ мости, позволяющие жидкости сохранять удельный вес и, следо­ вательно, постоянную манометра в течение длительного проме­ жутка времени.

2.Малый коэффициент вязкости. С ростом коэффициента вяз­ кости повышается инерционность манометра и, следовательно, увеличивается продолжительность эксперимента.

3.Малый коэффициент объемного расширения, позволяющий пренебрегать поправкой из-за изменения удельного веса рабочей

жидкости при значительных колебаниях температуры окружаю­ щей среды. При больших коэффициентах объемного расширения приходится вводить поправку к нулевому отсчету прибора и кор­ ректировать его постоянную. Последнее замечание особенно важно учитывать при работе на спирте.

Действительная разность уровней жидкости в U-образном мано­

где h, и yt — соответственно разность уровней и удельный вес ра­ бочей жидкости при температуре проведения экспе­ римента t.

*

1 7 и..

Рис 55. Изменение уровня жидкости под дей­ ствием капиллярных сил:

а — смачивающая жидкость; б—несмачивающая жидкость

4. Незначительная величина поверхностного натяжения. Изме­ нение уровня жидкости под действием капиллярных сил показано на рис. 55. Как известно, величина капиллярной депрессии — поднятия и опускания жидкости под действием капиллярных сил — определяется формулой

Для тщательно калиброванных трубок величину капиллярной депрессии можно не учитывать. Однако для некалиброванных

трубок эта величина может оказать существенное влияние на по­ грешность измерения. Для сокращения Ah следует стремиться

кувеличению внутреннего диаметра трубки и применять жидкости

смалыми коэффициентами поверхностного натяжения.

5.Малая загрязняемость и отсутствие склонности к поглоще­ нию влаги из воздуха. Несоблюдение этого требования может при­ вести к изменению удельного веса жидкости и величины капилляр­

ной депрессии.

На величину капиллярной депрессии влияет загрязнение ра­ бочей жидкости и внутренней поверхности трубки. Поэтому до заполнения жидкостью трубки манометра должны быть тщательно очищены. Рабочая жидкость должна быть чистой и не загрязняться

впроцессе испытаний.

6.Возможность подкрашивания бесцветных рабочих жидко­ стей для наглядности и облегчения подсчета. Краска не должна осаждаться на стенках трубок. Обычно для этой цели применяется фуксин различной расцветки.

При установке U-образных манометров на экспериментальных стендах и их эксплуатации следует придерживаться определенных правил.

Для уменьшения погрешности измерений манометры должны быть установлены по отвесу строго вертикально. Для устранения возможных ошибок при измерении давлений наблюдатели должны находиться примерно на уровне мениска рабочей жидкости. Поэтому при применении манометров высотой более 1,5—2 м требуется предусмотреть специальные лестницы или мостки.

Во избежание выброса рабочей жидкости в процессе проведения эксперимента необходимо устанавливать специальные ловушки

ввиде резервуаров или расширений на верхних концах трубок. Несоблюдение этого правила может привести к созданию пробок

всоединительных (приемник давления — манометр) шлангах, выбросу жидкости в помещение или в проточную часть машины. Такое положение особенно недопустимо при работе с токсичными и агрессивными рабочими жидкостями. В последнее время для предотвращения выброса стали применять шариковые обратные клапаны. Эти клапаны имеют малые габариты и не увеличивают времени срабатывания системы.

Для предотвращения скапливания рабочей жидкости или влаги благодаря выбросу или конденсации соединительные шланги между точкой измерения и манометром следует прокладывать так, как это изображено сплошными линиями на рис. 54.

Как указывалось выше, основным недостатком U-образных манометров является необходимость делать два отсчета при про­ ведении измерений, что в два раза увеличивает погрешность и удлиняет время проведения эксперимента.

Применение однотрубного, или байкового, жидкостного мано­ метра, изображенного на рис. 56, позволяет устранить этот недо­ статок. Принцип действия байкового манометра аналогичен U-образному. В этом случае одна из трубок (бачок) берется зна­ чительно большего диаметра, чем вторая; отсчет уровня жидкости производится по трубке меньшего диаметра. При отношении пло­ щадей поперечного сечения бачка и трубки более 500/1 изменением уровня жидкости в бачке Л2 можно пренебречь. В некоторых

ностью, называются микроманометрами. Абсолютная погрешность этих приборов может составлять всего несколько десятых или тысячных долей мм вод. cm. Так, например, величина динами­ ческого давления при скорости потока 5 и 10 м/сек, составляет соответственно при нормальных условиях около 1,6 и 6,5 кГ/м2. Измерение таких малых перепадов давления U-образными или обычными бачковыми манометрами не дает хороших результатов.

Существует большое количество различных жидкостных микро­ манометров. Их описание дается в специальной литературе [21, 60]. Наибольшее распространение при аэродинамических исследованиях и, в частности, при исследованиях ц. к. получили микроманометры с наклонной шкалой. Принципиальная схема этого прибора показана на рис. 57. Она ничем, за исключением положения трубки, не отличается от схемы обычного бачкового манометра.

В качестве рабочей жидкости в наклонных микроманометрах обычно употребляется спирт. Из приведенной ниже формулы легко заметить, что при р х — р 2 = const чувствительность мано­

метра, т. е. длина столба жидкости / = q- , увеличится с умень­

шением удельного веса рабочей жидкости или угла а: