 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Г) Измерение направления потока 12
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГТД (4 часа)
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине «Рабочие процессы и конструкция ГТД»
Кумертау 2014 УДК ББК
Составитель: В.П. Славненко
Методические указания к выполнению лабораторной работы «Приборы для измерения основных параметров потока в проточной части ГТД» по дисциплине «Рабочие процессы и конструкция ГТД» для студентов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профилю подготовки 151900.62 «Технология машиностроения» / Уфимский государственный авиационный технический университет; Сост.: В.П. Славненко. – Кумертау, 2014. – 27 с.
Методические указания содержат требования к выполнению лабораторной работы и оформлению отчета. Предназначены для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
Рецензент:
© Уфимский государственный авиационный технический университет. Филиал в г. Кумертау, 2014 ЛР-1 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГТД (4 часа)
Цель работы:1. Практическое освоение уравнения сохранения потока газа (при измерении температуры). 2. Практическое освоение уравнения Бернулли для потока газа (при измерении давлений). 3. Освоение газодинамического способа определения скорости течения газа.
Задание на работу 1. Ознакомиться с принципом действия и схемой термометра сопротивления и термопары для измерения температуры заторможенного потока. 2. Ознакомиться с принципом действия и схемой приемников для измерения статического, динамического и полного давлений в потоке газа. 3. Из протокола испытаний авиационного ГТД (таблица 1.1) известны 4. По результатам измерения температур и давлений определить в - число М и приведенную скорость - скорость звука и критическую скорость - газодинамические функции - угол направления потока 5. Оформить отчет по лабораторной работе.
Основные сведения
А) Измерение температуры Измерение температуры газа основано на использовании уравнения сохранения энергии для сечения потока:
где Т* - температура заторможенного потока (или температура торможения или полная температура); Т – действительная (термодинамическая или статическая) температура в потоке газа;
Из формулы (1.1) следует, что измерительный прибор должен обладать следующими особенностями: 1) обеспечивать снижение скорости до нуля, оставаясь неподвижным, с возможно меньшими потерями; 2) двигаться в потоке с той же скоростью, что и поток, обеспечивая измерение действительной температуры с возможно меньшими потерями. При эксплуатации газотурбинных двигателей гражданской авиации используется только первый способ измерения температуры, так как создать прибор, движущийся со скоростью потока, практически невозможно. На рис.1.1 представлена конструктивная схема термометра сопротивления, широко используемого для измерения температуры заторможенного потока.
Рис.1.1. Схема термометра сопротивления П.Г.Стрелкова: 1 – каркас из плавленого кварца; 2 - бифилярная обмотка из платиновой проволоки диаметром 0.05...0.1 мм; 3 – выводы; 4 - защитный чехол (металл, стекло, плавленный кварц)
Принцип действия термометра сопротивления основан на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры среды. Термометр состоит из датчика, основу которого составляет тонкая проволока диаметром 0.05...0.2 мм, намотанная на каркас, например, из плавленного кварца и выполненная из меди для температур -50...+150°С, из никеля для температур -5О...+2ОО°С, из платины дли температур -100...+600°С, соединительных (компенсационных) проводов и
регистрирующего прибора. Термометр используется для измерения температуры воздуха на входе в двигатель, масла и топлива. Принцип действия термопары основан на явлении термоэлектричества, возникающего в цепи, состоящей из разнородных проводников (термоэлектродов). Величина термо-э.д.с. зависит от материала термоэлектродов, от температуры среды, в которую помещены горячий и холодный спаи (рабочие концы) термопары (рис.1.2).
Рис.1.2. Характеристики хромель-алюмелевых термопар с торможением потока в цилиндрической камере
При измерении горячий спай помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а холодный - в термостат с постоянной, заведомо известной температурой, например, в сосуд с тающим льдом. Он необходим для тарирования регистрирующего прибора или, что то же самое, для более точного учета влияния холодного спая. Наибольшее распространение получили следующие термопары: медь-копелевая (сплав 56 % Как было сказано выше , термопара используется для измерения температуры заторможенного потока Т*. Это следует из того, что при обтекании потоком неподвижного горячего спая существует, по крайней мере, одна точка, в которой скорость равна нулю. Процесс торможения в этой точке, а также в ряде других, как правило, совершается с потерями, которые оцениваются коэффициентом восстановления температуры r:
Величина r зависит от критериев
Б) Измерение давления
Измерение давления в потоке движущегося газа основано на использовании обобщенного уравнения Даниила Бернулли (1700 – 1782), швейцарского физика, разработавшего это уравнение в 1738 году:
которое показывает, что подведенная извне работа Для приемника давления, находящегося в потоке несжимаемой жидкости (
где При малых скоростях движения газа (
Уравнение (1.5) характеризует движение струйки, тормозящейся в критической точке тела, в которой скорость равна нулю. Выражение Таким образом, для измерения полного давления приемник следует располагать в критической точке, соединяя его с регистрирующим прибором (манометром). Простейшим приемником полного давления может быть цилиндрическая трубка, изогнутая под углом и введенная в поток так, чтобы ее короткое колено было параллельно направлению потока, а приемное отверстие обращено навстречу потоку (рис.1.3). Введенная в поток трубка тормозит струйки газа, расположенные вблизи трубки. Но всегда имеется несколько или, в крайнем случае, одна струйка, совпадающая по направлению потока с осью трубки, которая тормозится до нулевой скорости (трубка Пито – Прандтля изобретена в 1732 году) и ее скоростной напор превращается в давление. С целью уменьшения загромождения сечения потока часто используют комбинированные приемники давления, позволяющие измерять одновременно статическое и полное давления в потоке. Для измерения давления по сечению потока применяют "гребенки" приемников, представляющие собой несколько одинаковых приемников давления. Установка их на неподвижных элементах, например, на лопатках, направляющих и сопловых аппаратов, на форсунках камер сгорания и т.д., значительно уменьшает искажение потока. Вместе с тем для авиационного ГТД характерно неравномерное поле температур и давлений по всему тракту. Неравномерность температурного поля в турбине в некоторых случаях достигает 300° и более. Измерение в данном случае производится либо установкой большого количества термопар, либо путем использования поворотного диска, на котором крепится гребенка термопар.
Рис.1.3. Схема приемника для измерения статического (а) и полного давлений и характеристики (б)
В) Определение скорости Непосредственное измерение скорости потока представляет собой сложную задачу и в авиационных ГТД не используется. Определение скорости в данном случае осуществляется косвенным (газодинамическим) способом. При небольших скоростях потока, когда изменением плотности можно пренебречь, используется уравнение (1.5). С переходом к большим скоростям изменение плотности (сжимаемость) газа становится существенным. Принимая процесс торможения потока в приемнике давления адиабатическим, что близко к действительности, уравнение (1.1) записывают в виде:
или
где отношение температур заменяется отношением давлений в адиабатическом процессе. Поскольку kRT=a2 , где а - скорость звука, уравнение (1.6) можно написать так
Из формул (1.6) и (1.8) видно, что скорость сжимаемой жидкости зависит не от разности полного и статического давления (как следует из уравнения (1.5)), а от их отношения. Для определения скорости важно также знать скорость звука в данной точке (или сечении) потока. В газовой динамике движение характеризуется не абсолютным значением скорости, а безразмерными комплексами (критериями): приведенной скоростью
Критической скоростью звука называют скорость потока в критическом сечении, где она равна местной скорости звука (М=1). Значения температуры и давления в потоке при М=1 определяются из уравнений (1.7) и (1.8):
Таким образом, критическая скорость равна
Из формул (1.7) и (1.8) составляются соотношения для определения критериев:
Как следует из соотношения для скорости звука, число М зависит от действительной температуры потока и рода газа. Поэтому для сравнения потоков с известными статическими параметрами используется число М. Например, при сравнении режимов полетов самолетов на различных высотах при известном распределении температуры окружающего воздуха в атмосфере. В каналах проточной части авиационного ГТД действительная температура меняется в широком диапазоне, поэтому использование параметра М не всегда целесообразно. В этих случаях для оценки движения применяют критерий
В приложении П.1 приводятся формулы для расчета различных газодинамических функций и их значения в зависимости от приведенной скорости
г) Измерение направления потока
Для измерения направления потока в разное время применялись различные механические и пневматические приемники. Принцип действия
последних основан на использовании зависимости давления в некоторых характерных точках приемника от направления набегающего потока. Рассмотрим обтекание цилиндра потоком газа (рис.1.4). В цилиндре имеются два приемных отверстия (расположенных к оси цилиндра под углами Составим уравнение Бернулли для несжимаемого потока газа в направлениях углов
Здесь р - статическое давление в потоке газа; c1 - скорость в потоке газа на входе в правое отверстие цилиндра ( рис.1.4); с2 -то же на входе в левое отверстие цилиндра;
Рис.1.4. К выводу уравнения для определения угла направления потока газа с - действительная скорость потока газа.
Учитывая, что
разность давлений:
и отношение
Если углы
Формула (1.16) позволяет определить необходимый угол между двумя приемными отверстиями и средним, которое используется для измерения полного давления (рис.1.4). Из условия экстремума функции при Следует отметить, что все приборы для измерения температуры, давления и направления потока проходят тарировку на специальных стендах, без которой невозможно оценить погрешность измерений.
Рис.1.5. Комбинированный насадок для измерения полного давления и угла направления потока (В - В)
12 |
;
;
;
.
, (1.1)
- средняя теплоемкость в процессе торможения потока (теплоемкость при некотором постоянном давлении, обычно средняя массовая теплоемкость); с - скорость течения газа.
и 44 % 
), хромель (сплав 89 % Ni+9.8 % Сr+1 % Fe+0.2 % Мп)- копелевая для средних температур (до 6ОО°С), хромель- алюмелевая (сплав 94 % Ni+ 2 % Al+2.5 % Mn+1%, Si+0.5 %+ 1% примеси) для высоких температур (выше 900°С), платино-платиноиридиевая для сверхвысоких температур (выше 1700°С), вольфрам-графитовая.
(1.2)
(режима течения газа), 
(характера течения – ламинарного, переходного, турбулентного), 
(теплофизических свойств газа), 
(учитывающего процесс теплоотдачи от газа к твердому телу и теплопроводность в пограничном слое), названных в честь Эрнста Маха (1838 – 1916), австрийского физика и философа, Осборна Рейнольдса (1842 – 1912), английского физика и инженера, Людвига Прандтля (1875 – 1953), немецкого аэродинамика и Вильгельма Нуссельта(1882 – 1957), немецкого физика, от показателя адиабаты (процесс торможения - 
) и от конструкции термоприемника (рис.1.2).
, (1.3)
идет на совершение политропной работы ( 
интеграл Бернулли), изменение кинетической энергии и на преодоление трения.
=const) при отсутствии притока извне механической энергии ( 
=0) и трения ( 
), уравнение (1.3) приобретает вид:
(1.4)
- давление заторможенного потока или полное давление, или давление, которое испытывает плоское твердое тело, поставленное перпендикулярно вектору скорости (на поверхности которого с=0); 
- статическое давление или давление среды, действующее на стенку тела, движущегося вместе с потоком, или давление на неподвижную стенку, расположенную параллельно вектору скорости; 
- плотность жидкости.
) сжимаемость его можно не учитывать и рассматривать плотность, как величину постоянную ( 
или как функцию одной температуры. Тогда уравнение (1.4) можно записать в виде:
(1.5)
называется динамическим давлением или скоростным напором. Оно характеризует давление, которое способен создать поток газа благодаря энергии своего движения.
(1.6)
, (1.7)
(1.8)
и числом Маха М. Первый критерий определяется отношением скорости потока к критической скорости звука 
. Второй параметр представляет собой отношение скорости потока к скорости звука М=с/а.
(1.9)
(1.10)
; 
(1.11)
(1.12)
(сухой воздух) и 
(продукты сгорания авиационного топлива – керосина).
и 
), которые используются для измерения полных давлений 
и 
. Действительный поток набегает на цилиндр под углом 
к оси цилиндра (рис.1.4).
и 
:
(1.13)
найдем
(1.14)
(1.15)
, то зависимость, описывающая распределение давления на поверхности цилиндра в определенной координатной плоскости, представляется так:
(1.16)
=const находим 
. Когда среднее отверстие установлено строго по потоку ( 