RU2559566C1 - Measurement of pulsating flow parameters - Google Patents
Measurement of pulsating flow parameters Download PDFInfo
- Publication number
- RU2559566C1 RU2559566C1 RU2014113360/28A RU2014113360A RU2559566C1 RU 2559566 C1 RU2559566 C1 RU 2559566C1 RU 2014113360/28 A RU2014113360/28 A RU 2014113360/28A RU 2014113360 A RU2014113360 A RU 2014113360A RU 2559566 C1 RU2559566 C1 RU 2559566C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- velocity
- pressure
- sensors
- nozzle
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационной технике, а именно к способам определения динамики изменения газодинамических параметров потока в лопаточных машинах и каналах, например в компрессорах, трубопроводах и диффузорах в заданных областях течения, как в пограничных зонах, так и в ядре газового потока, и может быть использовано для диагностирования технического состояния газотурбинных двигателей, исследования течения в трубопроводах и каналах с отрывом потока.The invention relates to aeronautical engineering, and in particular to methods for determining the dynamics of changes in the gas-dynamic parameters of a flow in blade machines and channels, for example, in compressors, pipelines and diffusers in predetermined flow areas, both in the boundary zones and in the core of the gas flow, and can be used for diagnosing the technical condition of gas turbine engines, studying the flow in pipelines and channels with flow separation.
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, полного и статического давления. Определение параметров пульсирующего потока производится 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 (РК) 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 fрот×zрк. Можно предположить, что пульсации скорости потока будут иметь сходный спектр. Вместе с тем 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 необходимо 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. Также можно определить структуру возмущений, распространяющихся против потока, например, от вращающихся колес лопаточной машины. Аналогичные проблемы возникают при исследовании структуры и параметров потока в каналах различных устройств, таких как переходные каналы двигателей, каналы трубопроводов. Особенно важно знание структуры потока в каналах содержащих устройства с положительным градиентом давления, в которых возможен отрыв потока. Как известно, отрыв потока может иметь различную структуру и представляет собой пространственное нестационарное течение. В этом случае для определения пространственной структуры необходимо знать не только осевую компоненту скорости, но и изменение скорости в других направлениях. Авторам известны методы определения трех компонент скорости с применением термометров сопротивления и лазерной анемометрии. Эти методы не всегда можно применить при проведении исследований в силу их громоздкости и недолговечности приемников. Кроме того, они недостаточно информативны и ограничены в частотном диапазоне.The need to measure various parameters of the pulsating flow in order to determine the characteristics of gas-dynamic paths for their further improvement requires the creation of special measuring tools that meet the conditions of the task. For example, to measure the non-stationary parameters of a pulsating flow, it is necessary to have devices that can measure the pulsations of the flow velocity, total and static pressure. The parameters of the pulsating flow are determined during research in the flow part of the compressors, where the flow is unsteady. The pulsating flow parameters measured in this case, such as velocity, total and static pressure, have the form of pulsations with a broadband polyharmonic spectrum, to which the main contribution is made by pulsations at the blade repetition rate and at multiple frequencies. For example, at the exit from the impeller (RK) of a vane machine, due to the formation of traces of the blades, full pressure pulsations are observed associated with the repetition rate of the blades, and due to the presence of circumferential flow heterogeneity, full pressure pulsations at lower frequencies appear in the spectrum as rotary harmonics in the frequency band from 0 to f mouth × z pk . It can be assumed that the pulsations of the flow velocity will have a similar spectrum. At the same time, knowledge of the spectral composition of the pulsations of the total pressure, suppose on the average radius beyond the RC, is not enough. To determine areas with increased losses, it is necessary to know the radial field of the total pressure, the field of static pressure, as well as the pulsation field of these parameters and the field of flow angles. For the most accurate determination of these parameters, it is necessary to have devices that allow them to be measured synchronously at each point in the field. Based on these measurements, it is possible to reconstruct the flow structure at the exit of each interscapular channel in the form of isolines of the total pressure loss and the velocity of the pulsating flow in absolute motion. It is also possible to determine the structure of disturbances propagating against the flow, for example, from the rotating wheels of a scapular machine. Similar problems arise in the study of the structure and parameters of the flow in the channels of various devices, such as transitional channels of engines, channels of pipelines. It is especially important to know the flow structure in the channels containing devices with a positive pressure gradient in which flow separation is possible. As is known, flow separation can have a different structure and is a spatial unsteady flow. In this case, to determine the spatial structure, it is necessary to know not only the axial component of the velocity, but also the change in velocity in other directions. The authors are aware of methods for determining the three velocity components using resistance thermometers and laser anemometry. These methods can not always be used in research due to their bulkiness and fragility of the receivers. In addition, they are not informative enough and are limited in the frequency range.
Актуальной задачей является исследование изменения во времени картины распространения в газовом потоке возмущений, возникающих, например, при обтекании потоком неподвижных или движущихся конструктивных элементов компрессора.An urgent task is to study the temporal changes in the pattern of propagation of perturbations in a gas stream that arise, for example, when a stationary or moving compressor structural element flows around a stream.
Для определения картины возмущений в газовом потоке определяют структуру потока в виде линий постоянства того или иного параметра потока - изолиний давления, скорости, приведенной скорости, степени сжатия, коэффициента потерь полного давления. Это позволяет выявить зоны течения, в которых возникают повышенные потери энергии, и установить причины, их вызывающие, к которым могут быть отнесены отрывы потока различного характера и возникновение скачков давления при сверхзвуковой скорости потока в относительном движении в компрессоре.To determine the pattern of disturbances in the gas stream, the structure of the stream is determined in the form of lines of constancy of one or another parameter of the flow — pressure isolines, velocity, reduced velocity, compression ratio, and total pressure loss coefficient. This makes it possible to identify the flow zones in which increased energy losses occur, and to establish the causes that cause them, which can include flow separations of a different nature and the occurrence of pressure surges at a supersonic flow velocity in relative motion in the compressor.
В лопаточных машинах, в условиях распространяющихся возмущений от вращающихся элементов конструкции, пульсация скорости потока имеет сложный полигармонический широкополосный спектр, частотный состав которого в условиях изменения режимов работы компрессора может находиться в полосе частот от 5 Гц до 10 кГц и более.In blade machines, under conditions of propagating perturbations from rotating structural elements, the flow velocity pulsation has a complex polyharmonic broadband spectrum, the frequency composition of which in the conditions of changing compressor operating modes can be in the frequency band from 5 Hz to 10 kHz or more.
Течение в компрессоре имеет пространственный, периодический характер. Периодичность течения проявляется в пульсациях давлений и абсолютной скорости (в том числе величин трех компонент вектора скорости и его направления) и в виде изменения спектрального состава пульсаций.The flow in the compressor has a spatial, periodic character. The periodicity of the flow is manifested in pulsations of pressure and absolute velocity (including the values of the three components of the velocity vector and its direction) and in the form of changes in the spectral composition of pulsations.
Особый интерес представляет изменение пульсаций скорости и ее структуры при изменении режима работы компрессора. В данном случае под изменением структуры подразумевается изменение величин осевой, окружной и радиальной компонент скорости и их направлений.Of particular interest is the change in the velocity pulsations and its structure when the compressor operating mode changes. In this case, a change in structure means a change in the axial, circumferential, and radial velocity components and their directions.
В условиях пространственности нестационарного потока необходимо знание переменных значений не только изменения стационарных соотношений векторов скорости потока, но также их пульсаций.Under the conditions of spatiality of an unsteady flow, it is necessary to know the variable values of not only the changes in the stationary relations of the flow velocity vectors, but also their pulsations.
Известен способ определения осредненной (стационарной) величины приведенной скорости потока в сечении, перпендикулярном направлению движения потока, с измерением в одном сечении полного и статического давления с помощью зондов или насадков, устанавливаемых в проходном сечении трубопровода, регистрации полученных измерений и обработки результатов измерений (С.М. Горлин. Экспериментальная аэромеханика. Москва: Высшая школа ,1970, с.173-178).There is a method of determining the averaged (stationary) value of the reduced flow velocity in a section perpendicular to the direction of flow, with the measurement in one section of the total and static pressure using probes or nozzles installed in the bore of the pipeline, recording the measurements and processing the measurement results (C. M. Gorlin, Experimental Aeromechanics, Moscow: Higher School, 1970, pp. 173-178).
Недостатком данного способа является низкая точность измерений и недостаточность полноты информации для определения структуры потока.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurements and the lack of completeness of information to determine the structure of the stream.
Для наблюдения за изменением во времени структуры потока и компонент вектора скорости этих измерений недостаточно, так как этот способ не предоставляет необходимой информации о мгновенных значениях абсолютной скорости потока и ее трех компонент: осевой скорости, радиальной скорости и окружной скорости и их направлениях.These measurements are not enough to observe the change in the flow structure and the velocity vector components over time, since this method does not provide the necessary information about the instantaneous values of the absolute flow velocity and its three components: axial velocity, radial velocity, and peripheral velocity and their directions.
Известен способ измерения скорости потока газа или жидкости (SU 1647408, G01P 5/12, 1989), при котором точность измерения скорости потока газа или жидкости зависит от термочувствительной поверхности измерительного устройства.A known method of measuring the flow rate of a gas or liquid (SU 1647408,
Основным недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает точность измерения полного и статического давлений и не обеспечивает получение структуры потока, изменяющейся во времени.The main disadvantage of this method is that it does not provide the accuracy of measuring the total and static pressures and does not provide a flow structure that varies over time.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения структуры газового потока в компрессоре (RU 2227919, G01P 5/14, 2004). Способ заключается в том, что производят непрерывные синхронные измерения статического и полного давлений в набегающем потоке, измерения пульсации статического и полного давлений в точке измерения за время прохождения в зонах измерения каждой лопатки и каждого межлопаточного канала ротора компрессора с последующей обработкой результатов измерения, позволяющей строить изолинии полного и статического давлений и приведенной скорости потока в абсолютном движении, строить изолинии повышения и/или потерь полного давления, определять осредненные значения указанных выше параметров за время многократного прохождения всех лопаток ротора компрессора. Техническим результатом является повышение точности измерений газодинамических параметров потока, достоверности и информативности методов исследования структуры потока в компрессоре.Closest to the claimed technical solution is a method for determining the structure of a gas stream in a compressor (RU 2227919,
Недостатком данного способа является невозможность одновременного определения всех трех компонент скорости (осевой скорости, радиальной скорости и окружной скорости), статического и полного давлений пульсирующего потока с достаточной точностью. Для этого необходимо ориентировать насадок по потоку, и, кроме того, необходимым условием является небольшой диапазон значений пульсаций компонент скорости (приблизительно не более 10-15% от среднего значения U-осевой скорости). Предлагаемый способ позволяет снять эти ограничения.The disadvantage of this method is the inability to simultaneously determine all three components of the velocity (axial velocity, radial velocity and peripheral velocity), static and total pressure of the pulsating flow with sufficient accuracy. To do this, it is necessary to orient the nozzles in the flow, and, in addition, a necessary condition is a small range of fluctuations in the velocity components (approximately no more than 10-15% of the average value of the U-axial velocity). The proposed method allows you to remove these restrictions.
В основу изобретения положено решение следующих задач:The invention is based on the following tasks:
- определение трех компонент скорости пульсирующего потока: U - осевая скорость, V - радиальная скорость, W - окружная скорость;- determination of the three components of the velocity of the pulsating flow: U - axial speed, V - radial speed, W - peripheral speed;
- одновременное определение трех компонент скорости, статического и полного давлений пульсирующего потока;- simultaneous determination of three velocity components, static and total pulsating flow pressures;
- определение статического и полного давлений пульсирующего потока в широком диапазоне значений углов потока (до ±85°).- determination of the static and total pulsating flow pressures in a wide range of flow angles (up to ± 85 °).
Способ измерения параметров пульсирующего потока, заключающийся в том, что измеряют и регистрируют мгновенные значения трех компонент скорости потока, пульсаций полного и статического давлений в любой плоскости относительно насадка. При этом используют приемное устройство насадка с не менее четырьмя датчиками пульсаций давления. Осуществляют сбор, цифровое преобразование и регистрацию аналоговых данных, поступающих с датчиков, производят обработку показаний датчиков с использованием тарировочных кривых. Производят визуальное наблюдение за работой каждого из датчиков, проводят спектральный анализ измеренных данных, определяют мгновенные направления потока, значения числа Маха (М), значения угла атаки (α) и угла скольжения (φ) в потоке и коэффициента давления (πλ) с помощью аппроксимирующих коэффициентов aijk, bijk и коэффициентов Сα, Сφ, CM, определенных по измеренным давлениям.A method of measuring the parameters of a pulsating flow, which consists in measuring and recording the instantaneous values of the three components of the flow velocity, the pulsations of the total and static pressures in any plane relative to the nozzle. In this case, a nozzle receiving device with at least four pressure pulsation sensors is used. They collect, digitally convert and register analog data from sensors, process sensor readings using calibration curves. Produce visual observation of the operation of each of the sensors is carried out spectral analysis of the measured data, determines the instantaneous direction of flow, Mach number (M), values of angle of attack (α) and slip angle (φ) in the flow and pressure ratio (π λ) using approximating coefficients a ijk , b ijk and coefficients C α , C φ , C M determined from the measured pressures.
Для получения значений трех компонент скорости (U, V, W), статического (Р) и полного давления (Р*) минимальное количество датчиков составляет три, однако для повышения точности необходимо использовать большее количество датчиков - четыре и больше.To obtain the values of the three components of speed (U, V, W), static (P) and total pressure (P * ), the minimum number of sensors is three, however, to increase accuracy, it is necessary to use a larger number of sensors - four or more.
Для достижения поставленной задачи в качестве чувствительных элементов использованы малоинерционные датчики пульсаций давления. Продувка имеющегося насадка для измерения пульсаций осевой скорости потока в аэродинамической трубе показала, что при использовании в качестве чувствительных элементов малоинерционных датчиков пульсаций давления можно получить измеритель скорости пульсирующего потока с точностью 0.7-3% по постоянной составляющей в диапазоне скоса потока от 0 до 15-20°. Отличие скорости, определенной по постоянной составляющей пульсаций полного и статического давлений и скорости потока, полученной осреднением всех данных за длительный промежуток времени от значений скорости, полученной с помощью инерционного эталонного насадка, составляет не более 2%. Точность определения пульсаций скорости - 1.1% при нулевом скосе потока и 1.6-1.2% при скосе потока в диапазоне ±20°. Использование высокочастотных датчиков и небольшой габарит приемного устройства в виде полусферы за счет синхронного измерения и регистрации позволяют получить мгновенные значения давлений. Уменьшение размеров датчиков позволяет уменьшить расстояния между приемными отверстиями на полусфере, что позволяет расширить частотный диапазон. Кроме этого увеличение количества датчиков позволяет расширить диапазон определения скоростей набегающего потока и диапазон углов атаки (α) и скольжения (φ) за счет размещения большего количества отверстий на поверхности полусферы. В данном случае размер поверхности полусферы ⌀8 мм обусловлен расположением в ней четырех малогабаритных датчиков, имеющих форму цилиндров с ⌀1.6 мм. В качестве регистратора в данном случае может быть использован регистратор, имеющий при синхронной регистрации частоту дискретизации 200 кГц.In order to achieve the task, low-inertia pressure pulsation sensors were used as sensitive elements. Purging an existing nozzle for measuring the pulsations of the axial flow velocity in the wind tunnel showed that when using inertial pressure pulsation sensors as sensitive elements, it is possible to obtain a pulsating flow velocity meter with an accuracy of 0.7-3% in the constant component in the range of the bevel from 0 to 15-20 °. The difference between the speed determined by the constant component of the pulsations of the total and static pressures and the flow rate obtained by averaging all the data over a long period of time from the speed values obtained using the inertial reference nozzle is not more than 2%. The accuracy of determining the velocity pulsations is 1.1% at a zero bevel and 1.6-1.2% at a bevel in the range of ± 20 °. The use of high-frequency sensors and the small size of the receiving device in the form of a hemisphere due to synchronous measurement and registration allow you to get instantaneous pressure values. Reducing the size of the sensors reduces the distance between the receiving holes in the hemisphere, which allows you to expand the frequency range. In addition, an increase in the number of sensors makes it possible to expand the range of determining the flow velocity and the range of angles of attack (α) and slip (φ) due to the placement of a larger number of holes on the surface of the hemisphere. In this case, the hemisphere surface size of ⌀8 mm is due to the arrangement of four small-sized sensors in it, having the shape of cylinders with ⌀1.6 mm. In this case, a registrar having a sampling frequency of 200 kHz during synchronous registration can be used as a registrar.
В связи с вышеизложенным предполагается возможным,для достижения поставленных задач использование малоинерционных датчиков пульсаций давления в качестве чувствительных элементов в насадке для определения трех компонент скорости пульсирующего потока, статического и полного давлений пульсирующего потока в широком диапазоне значений углов потока.In connection with the foregoing, it is assumed possible, to achieve the objectives, the use of low-inertia pressure pulsation sensors as sensitive elements in the nozzle to determine the three components of the velocity of the pulsating flow, static and total pressure of the pulsating flow in a wide range of flow angles.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа измерения параметров пульсирующего потока со ссылкой на фиг. 1-9, где:The present invention is illustrated by the following detailed description of a method for measuring pulsating flow parameters with reference to FIG. 1-9, where:
на фиг. 1 изображена схема насадка с размещением четырех датчиков пульсаций давления;in FIG. 1 shows a nozzle layout with the placement of four pressure pulsation sensors;
на фиг. 2 изображена схема насадка, где показаны набегающий поток с числом Маха (М), угол атаки (α) и скольжения (φ), определенные значения давлений P1, Р2, Р3, P4 в приемных отверстиях насадка;in FIG. 2 is a nozzle diagram showing an incident flow with Mach number (M), angle of attack (α) and slip (φ), certain pressure values P 1 , P 2 , P 3 , P 4 in the nozzle receiving holes;
на фиг. 3 изображена блок-схема работы аппаратного блока для преобразования сигналов с датчиков пульсаций давления в значения трех компонент скорости (U, V, W) пульсирующего потока, статического давления (Р) и полного давления (Р*) потока в широком частотном диапазоне;in FIG. 3 shows a block diagram of the operation of a hardware unit for converting signals from pressure pulsation sensors to the values of the three components of the velocity (U, V, W) of the pulsating flow, static pressure (P) and total pressure (P *) of the flow in a wide frequency range;
на фиг. 4 изображен примерный вид структуры потока (в виде изолиний осевой приведенной скорости λU) в пристеночной области перед компрессором;in FIG. 4 shows an exemplary view of the flow structure (in the form of isolines of the axial reduced velocity λ U ) in the wall region in front of the compressor;
на фиг. 5 изображены примеры осциллограмм давления, полученных с помощью насадка для измерения пульсаций скорости: а) вихревое течение, б) течение квази-потенциальное;in FIG. Figure 5 shows examples of pressure oscillograms obtained using a nozzle for measuring velocity pulsations: a) vortex flow, b) quasi-potential flow;
на фиг. 6 изображены примеры изменения во времени осевой приведенной скорости потока (λU), полученные с помощью насадка: а) вихревое течение, б) течение квази-потенциальное;in FIG. 6 shows the time variation of the above examples an axial flow velocity (λ U), obtained by the nozzle: a) a vortex flow, b) during the quasi-potential;
на фиг. 7 в виде графика изображен вид тарировочных зависимостей;in FIG. 7 in the form of a graph shows the type of calibration dependencies;
на фиг. 8 в виде графика изображен вид осциллограмм пульсаций давления, измеренных каждым из четырех датчиков при частоте вращения
на фиг. 9 в виде графика изображен вид спектрограмм пульсаций давления, измеренных каждым из четырех датчиков при частоте вращения
При реализации способа определяются следующие параметры пульсирующего потока:When implementing the method, the following parameters of the pulsating flow are determined:
- три компоненты скорости пульсирующего потока (U - осевая скорость, V - радиальная скорость, W - окружная скорость), статическое (Р) и полное давления (Р*) пульсирующего потока;- three components of the velocity of the pulsating flow (U is the axial velocity, V is the radial velocity, W is the peripheral speed), static (P) and the total pressure (P * ) of the pulsating flow;
- пульсации трех компонент скорости, статического и полного давлений;- pulsations of the three components of speed, static and total pressure;
- мгновенные направления потока;- instantaneous flow directions;
- значения числа Маха (М);- values of the Mach number (M);
- значения угла атаки (α) и угла скольжения (φ) в потоке;- values of the angle of attack (α) and the slip angle (φ) in the flow;
- коэффициент давления (πλ) с помощью аппроксимирующих коэффициентов aijk, bijk и коэффициентов Сα, Сφ, CM, определенных по измеренным давлениям.- pressure coefficient (π λ ) using approximating coefficients a ijk , b ijk and coefficients C α , C φ , C M determined from the measured pressures.
Способ измерения параметров пульсирующего потока, заключающийся в том, что измеряют и регистрируют мгновенные значения трех компонент скорости потока, пульсаций полного и статического давлений в любой плоскости относительно насадка 1 (см. фиг. 1). При этом используют приемное устройство 2 насадка 1, выполненное в виде полусферы с заданным радиусом (⌀8 мм). На поверхности полусферы расположены приемные отверстия 3, соединенные с четырьмя датчиками 4, 5, 6, 7 пульсаций давления, причем расстояние между приемными отверстиями 3 менее одной трети радиуса полусферы.A method of measuring the parameters of a pulsating flow, which consists in measuring and recording the instantaneous values of the three components of the flow velocity, pulsations of the total and static pressures in any plane relative to the nozzle 1 (see Fig. 1). In this case, a receiving device 2
Набегающий поток с числом Маха (М) (см. фиг. 2), углом атаки (α) и скольжения (φ) создает определенные значения давлений Р1, Р2, Р3, P4 в приемных отверстиях 3 насадка 1.The incident flow with the Mach number (M) (see Fig. 2), the angle of attack (α) and slip (φ) creates certain pressure values P 1 , P 2 , P 3 , P 4 in the receiving holes 3 of the
Согласно блок-схеме, изображенной на фиг. 3, аналоговые сигналы с датчиков 4, 5, 6, 7 пульсаций давлений поступают в блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов. Блок 8 содержит:According to the block diagram shown in FIG. 3, the analog signals from
- блок 9 задания частоты дискретизации преобразования поступающих аналоговых сигналов;-
- блок 10 синхронизации показаний датчиков 4, 5, 6, 7;-
- блок 11 учета тарировочных кривых;- block 11 accounting calibration curves;
- блок 12 алгоритма математической модели определения газодинамических функций и аппроксимирующих коэффициентов;- block 12 of the mathematical model algorithm for determining gas-dynamic functions and approximating coefficients;
- блок 13 определения угла атаки (α), угла скольжения (φ);-
- блок 14 определения коэффициента давления πλ;-
- блок 15 определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки;-
- блок 16 индикации трех компонент скорости потока, углов атаки и скольжения, степени сжатия и потерь полного давления.- a
Все блоки связаны между собой обратными связями для повышения точности определения компонент скорости и значений давлений.All blocks are interconnected by feedbacks to improve the accuracy of determining the velocity components and pressure values.
Блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов содержит блок 11 учета индивидуальных тарировок датчиков 4, 5, 6, 7 пульсаций давления, а также блок определения числа Маха набегающего потока (не показан), блок 13 определения угла атаки (α), угла скольжения (φ) и блок 14 определения коэффициента давления (πλ) с помощью аппроксимирующих коэффициентов aijk, bijk и коэффициентов Сα, Сφ, CM, определенных по измеренным давлениям Р1, Р2, Р3, P4.
Пример математической модели на основе аппроксимации трехмерным полиномом второго порядка основных параметров потока представлен ниже:An example of a mathematical model based on approximation by a three-dimensional second-order polynomial of the main flow parameters is presented below:
Блок 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов содержит блок визуализации преобразованных аналоговых сигналов, регистрации преобразованных аналоговых сигналов и блок синхронизации аналоговых сигналов (не показаны).
Блоки представляют собой набор программ, с помощью которых осуществляется сбор, цифровое преобразование и регистрация аналоговых данных, поступающих с датчиков 4, 5, 6, 7 в компьютер для их последующей обработки.Blocks are a set of programs with which the collection, digital conversion and registration of analog data coming from
Ниже представлен примерный вид формул для определения коэффициентов Сα, Сφ, CM и газодинамической функции πλ:Below is an example form of formulas for determining the coefficients C α , C φ , C M and the gas-dynamic function π λ :
Сα=(Р2-P1)/(P2-(P1+P3+Р4)/3);With α = (P 2 -P 1 ) / (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3);
Сφ=(Р3-Р4)/(Р2-(P1+P3+Р4)/3);With φ = (P 3 -P 4 ) / (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3);
CM=(Р2-(Р1+Р3+Р4)/3)/Р2;C M = (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3) / P 2 ;
πλ=(P1+P3+Р4)/3/P*=(Р1+P3+P4)/3/P·(1-(k+1)/(k-1)·λ2)k/(k-1).π λ = (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3 / P * = (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3 / P · (1- (k + 1) / (k-1) · λ 2 ) k / (k-1) .
На фиг. 4-6 показаны результаты измерения пульсаций параметров потока на входе в компрессор в периферийной области при разных режимах работы по частоте вращения и расходу воздуха, а также положению премного устройства 2 насадка 1 относительно периферийной стенки. В каждом конкретном компрессоре мгновенные значения скорости будут иметь соответствующие ему значения.In FIG. 4-6 show the results of measuring the pulsations of the flow parameters at the compressor inlet in the peripheral region under different operating conditions in terms of speed and air flow, as well as the position of the premium device 2
Способ определения структуры газового потока в компрессоре осуществляется следующим образом.The method of determining the structure of the gas stream in the compressor is as follows.
Давление с помощью датчиков 4, 5, 6, 7 преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются с помощью цифрового регистратора и переводятся в давление, после чего сравниваются с тарировками насадка 1, по которым определяется отклонение угла расположения приемного устройства 2 насадка 1 от угла направления потока. Цифровой регистратор одновременно преобразует показания датчиков 4, 5, 6, 7 в аналоговые данные со всех датчиков 4, 5, 6, 7 и производит регистрацию преобразованных аналоговых сигналов. Блок визуализации преобразованных аналоговых сигналов (не показан) производит визуализацию регистрируемых величин. Полученные в блоке 8 цифрового преобразования и регистрации аналоговых сигналов цифровые файлы поступают в блок 15 определения трех компонент скорости потока и визуализации результатов обработки. Блок 15 представляет собой комплекс программ, включающий программу определения приведенной скорости потока λ=f(t), программу графического изображения в виде осциллограмм и программу построения линий λ=Const приведенной скорости потока, визуализирующих структуру потока.The pressure with the help of
В качестве базового насадка для измерений нестационарных параметров
Осциллограммы, изображенные на фиг. 4 и 5, а также на фигуре 8, представляют вид аналоговых сигналов, поступающих с каждого датчика 4, 5, 6, 7 пульсаций давления, расположенных в приемном устройстве 2 при синхронном непрерывном измерении пульсаций давлений в точке измерения в течение времени t, позволяют определять величину статического давления (Р) на основании тарировочных кривых в виде соотношения P=f(t) и величину полного давления (Р*) на основании соотношения P*=f(t), где Р и Р* являются функциями времени.The waveforms shown in FIG. 4 and 5, as well as in FIG. 8, represent a view of the analog signals coming from each
Способ измерения параметров пульсирующего потока позволяет определять структуру потока (при использовании предварительных тарировочных кривых) без коррекции положения приемного устройства 2 и измерительных элементов (датчиков).The method of measuring the parameters of the pulsating flow allows you to determine the flow structure (using preliminary calibration curves) without correcting the position of the receiving device 2 and the measuring elements (sensors).
Способ позволяет наблюдать изменение структуры течения в условиях значительных продольных градиентов давления и исследовать свойства возникающих в этих условиях отрывов потока.The method makes it possible to observe a change in the flow structure under conditions of significant longitudinal pressure gradients and to study the properties of flow breaks arising under these conditions.
Каждый из трех датчиков 5, 6, 7 (см. фиг. 1), расположенных вокруг датчика 4, фиксирующего пульсации полного давления, измеряют пульсации промежуточного давления между полным и статическим давлением. Аналогичные данные поступают с каждой из четырех точек измерения, примерный вид изменения во времени их значений приведен на фиг. 8.Each of the three
Производится визуальное наблюдение за работой каждого из датчиков 4, 5, 6, 7. Проводится спектральный анализ измеренных данных. Вид спектров данных, полученных каждым из датчиков 4, 5, 6, 7, показан на фиг. 9.A visual observation is made of the operation of each of the
Для получения точных значений статического и полного давлений производится обработка показаний датчиков 4, 5, 6, 7 с использованием тарировочных кривых, полученных при продувках насадка 1 в специальной аэродинамической трубе при измерении скорости набегающего потока от λнаб=0.3-0.8 при изменении угла потока в меридиональном α и окружном φ направлениях. Тарировочные кривые позволяют определять мгновенные направления потока, значения числа Маха (М) и значения углов (α) и (φ) в потоке, набегающем на приемное устройство 2, которое остается неподвижным.To obtain accurate values of static and total pressures performs machining of the
Вид изменения поля приведенной U-осевой скорости потока (λU) изображен на фиг. 4, в точке измерения.A view of the change in the field of the reduced U-axial flow velocity (λ U ) is shown in FIG. 4, at the measurement point.
При одновременном измерении пульсаций давления в нескольких точках течения могут быть построены изолинии постоянства газодинамических параметров в течении. При этом приведенную осевую скорость потока (λU) определяют по формулеWith the simultaneous measurement of pressure pulsations at several points of the flow, contours of the constancy of gas-dynamic parameters in the flow can be constructed. In this case, the reduced axial flow velocity (λ U ) is determined by the formula
где:Where:
λU - мгновенное значение приведенной осевой скорости потока;λ U is the instantaneous value of the reduced axial flow velocity;
k - показатель адиабаты;k is the adiabatic exponent;
Р - мгновенное значение величины статического давления потока;P is the instantaneous value of the static flow pressure;
Р* - мгновенное значение величины полного давления потока.P * is the instantaneous value of the total flow pressure.
Вид изолиний приведенной осевой скорости потока (λU) в абсолютном движении в пристеночной области, соизмеримой с толщиной пограничного слоя, формирующегося на стенке входного цилиндрического канала за временной интервал, соответствует времени прохождения одного межлопаточного канала и характеризует влияние конструктивных элементов - лопаток рабочего колеса на структуру течения потока на входе в рабочее колесо компрессора.The shape of the isolines of the reduced axial flow velocity (λ U ) in absolute motion in the wall region, commensurate with the thickness of the boundary layer formed on the wall of the inlet cylindrical channel over a time interval, corresponds to the transit time of one interscapular channel and characterizes the influence of structural elements - impeller vanes on the structure flow at the inlet to the compressor impeller.
Аналогично могут быть построены изолинии других газодинамических параметров течения. При этом при определении структуры потока в компрессоре вычисляют степень повышения (π*) и коэффициент потерь полного давления (σ*) за время прохождения каждого межлопаточного канала по формуламSimilarly, contours of other gas-dynamic flow parameters can be constructed. In this case, when determining the flow structure in the compressor, the degree of increase ( π *) and the total pressure loss coefficient ( σ *) during the passage of each interscapular channel are calculated using the formulas
; ;
, ,
где:Where:
π* - степень повышения полного давления; π * is the degree of increase in total pressure;
σ* - коэффициент потерь полного давления; σ * is the total pressure loss coefficient;
В0 - барометрическое давление.At 0 - barometric pressure.
На основе вычисления газодинамических функций определяют пульсации газодинамических параметров во времени.Based on the calculation of gas-dynamic functions, the pulsations of gas-dynamic parameters in time are determined.
Вид пульсаций полного и статического давлений в точке измерения в пристеночном слое входного канала показывает возможность получения неискаженной структуры потока в пристеночном слое (см. фиг. 5).The type of pulsations of the total and static pressures at the measurement point in the parietal layer of the inlet channel shows the possibility of obtaining an undistorted flow structure in the parietal layer (see Fig. 5).
При одновременном измерении пульсаций давлений каждым из датчиков 4, 5, 6, 7 в приемных отверстиях на поверхности полусферы, располагающихся в нескольких точках, расположенных радиально, например, в пристеночном слое входного канала, получают картину распределения параметров потока, как внутри пристеночного слоя, так и в ядре потока. Аналогично могут быть получены поля течения и изменения в нем указанных выше параметров в любой заданной части течения, как на входе, так и на выходе канала компрессора.While measuring pressure pulsations by each of the
Предлагаемый способ реализуется на испытательных стендах, имеющих набор оборудования, с применением известных персональных компьютеров, с применением как известных, так и специальных устройств, созданных для наилучшей реализации способа.The proposed method is implemented on test benches having a set of equipment, using well-known personal computers, using both known and special devices created for the best implementation of the method.
Применение данного способа позволяет определить структуру газового потока в лопаточных машинах, например в компрессоре, позволяет повысить точность измерений газодинамических параметров потока, достоверность и информативность методов исследования структуры потока в компрессоре в целях совершенствования методик расчета при проектировании и поиске резервов повышения эффективности компрессоров.The application of this method allows to determine the structure of the gas flow in blade machines, for example, in a compressor, and makes it possible to increase the accuracy of measurements of the gas-dynamic parameters of the flow, the reliability and informativeness of the methods for studying the flow structure in the compressor in order to improve calculation methods in the design and search of reserves for increasing the efficiency of compressors.
Для выбора наиболее благоприятных мест для расположения приемных отверстий 3 на полусфере было проведено расчетное исследование обтекания приемного устройства 2 насадка 1 турбулентным потоком.To select the most favorable places for the location of the receiving holes 3 in the hemisphere, a computational study was conducted of the turbulent flow around the receiving device 2
Изготовлен макетный образец, и проведены испытания по измерению поля скоростей в компрессоре. С помощью макетного образца были получены тарировочные зависимости показаний четырех датчиков 4, 5, 6, 7 от направления потока в перпендикулярной оси насадка в аэродинамической трубе и на входе в ступень компрессора, перпендикулярной оси насадка в аэродинамической трубе и в потоке на входе в ступень. Определение направления потока по показаниям приемного устройства показало, что в ступени при малой частоте вращения и приведенной осевой скорости потока λU=0.6, соответствующей оборотам компрессора
Предлагаемый способ измерения параметров пульсирующего потока позволяет измерять и регистрировать мгновенные значения осевой, радиальной и окружной скорости, статического и полного давления пульсирующего потока и может быть использован при определении структуры и параметров течения в лопаточных машинах, для диагностики технического состояния ГТД.The proposed method for measuring the parameters of the pulsating flow allows you to measure and record the instantaneous values of the axial, radial and peripheral speeds, static and total pressure of the pulsating flow and can be used to determine the structure and flow parameters in the blade machines, to diagnose the technical condition of the gas turbine engine.
Claims (1)
;
;
;
;
Сα=(Р2-P1)/(P2-(P1+P3+Р4)/3);
Сφ=(Р3-Р4)/(Р2-(P1+P3+Р4)/3);
CM=(Р2-(Р1+Р3+Р4)/3)/Р2 ;
πλ=(P1+P3+Р4)/3/P*=(Р1+P3+P4)/3/P·(1-(k+1)/(k-1)·λ2)k/(k-1). A method of measuring the parameters of a pulsating flow, which consists in measuring and recording the instantaneous values of the three components of the flow velocity, pulsations of the total and static pressures in any plane relative to the nozzle, using a nozzle receiving device with at least four pressure pulsation sensors, collecting, digital conversion and registration of analog data from sensors, process the sensor readings using calibration curves, produce a visual observation denie the performance of each of the sensors is carried out spectral analysis of the measured data, determines the instantaneous direction of flow, Mach number (M), the value of the angle of attack (α) and slip angle (φ) in the flow and pressure ratio (π λ) using the approximating coefficients a ijk , b ijk and coefficients C α , C φ , C M , determined by measured pressures
;
;
;
;
With α = (P 2 -P 1 ) / (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3);
With φ = (P 3 -P 4 ) / (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3);
C M = (P 2 - (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3) / P 2;
π λ = (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3 / P * = (P 1 + P 3 + P 4 ) / 3 / P · (1- (k + 1) / (k-1) · λ 2) k / (k-1).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113360/28A RU2559566C1 (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Measurement of pulsating flow parameters |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113360/28A RU2559566C1 (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Measurement of pulsating flow parameters |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2559566C1 true RU2559566C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53796433
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014113360/28A RU2559566C1 (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Measurement of pulsating flow parameters |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2559566C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2638086C1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Method of measurement of supersonic flow pulsations and device for its implementation (options) |
RU2641182C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-01-16 | Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" | Method of delivering measurement element to assigned position when measuring parameters of gas stream of gas turbine engine |
RU2697918C1 (en) * | 2018-12-30 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" | Method for measuring acoustic pulsations of a gas stream |
RU2738296C1 (en) * | 2020-06-16 | 2020-12-11 | Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" | Method of determining gas-dynamic parameters of engine flow |
RU2786749C1 (en) * | 2022-08-05 | 2022-12-26 | Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") | A method for determining the unsteady pressure of a gas flow and a device for its implementation |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2086590A (en) * | 1980-10-14 | 1982-05-12 | Brandt Ind | Measuring fluid flow |
SU1114956A1 (en) * | 1983-04-07 | 1984-09-23 | Предприятие П/Я А-1882 | Method and device for determination of mach number |
RU2227919C1 (en) * | 2002-09-18 | 2004-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Method of determining structure of gas flow in compressor |
RU2285244C1 (en) * | 2005-02-21 | 2006-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Device for measuring parameters of pulsing current |
-
2014
- 2014-04-07 RU RU2014113360/28A patent/RU2559566C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2086590A (en) * | 1980-10-14 | 1982-05-12 | Brandt Ind | Measuring fluid flow |
SU1114956A1 (en) * | 1983-04-07 | 1984-09-23 | Предприятие П/Я А-1882 | Method and device for determination of mach number |
RU2227919C1 (en) * | 2002-09-18 | 2004-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Method of determining structure of gas flow in compressor |
RU2285244C1 (en) * | 2005-02-21 | 2006-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Device for measuring parameters of pulsing current |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2638086C1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Method of measurement of supersonic flow pulsations and device for its implementation (options) |
RU2641182C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-01-16 | Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" | Method of delivering measurement element to assigned position when measuring parameters of gas stream of gas turbine engine |
RU2697918C1 (en) * | 2018-12-30 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" | Method for measuring acoustic pulsations of a gas stream |
RU2738296C1 (en) * | 2020-06-16 | 2020-12-11 | Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" | Method of determining gas-dynamic parameters of engine flow |
RU2786749C1 (en) * | 2022-08-05 | 2022-12-26 | Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") | A method for determining the unsteady pressure of a gas flow and a device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Eckardt | Instantaneous measurements in the jet-wake discharge flow of a centrifugal compressor impeller | |
Arts et al. | Aero-thermal performance of a two-dimensional highly loaded transonic turbine nozzle guide vane: A test case for inviscid and viscous flow computations | |
Lawson et al. | Tubomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes | |
Liu et al. | Methods of surge point judgment for compressor experiments | |
Meyer et al. | Instantaneous flow field measurements in the interstage section between a fan and the outlet guiding vanes at different axial positions | |
Weiss et al. | Unsteady behavior of a pressure-induced turbulent separation bubble | |
RU2559566C1 (en) | Measurement of pulsating flow parameters | |
JP2013530331A (en) | Determination of fan parameters by pressure monitoring | |
CN113494990A (en) | Method for analyzing influence of wind tunnel disturbance on boundary layer thickness of supersonic laminar flow | |
Abdelhamid et al. | Experimental investigation of unsteady phenomena in vaneless radial diffusers | |
Murray III et al. | Experimental investigation of a forced-response condition in a multistage compressor | |
Toni et al. | Unsteady flow field measurements in an industrial centrifugal compressor | |
RU143783U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PULSING FLOW PARAMETERS | |
RU2517264C2 (en) | Method to diagnose technical condition of aviation gas turbine engines | |
RU2227919C1 (en) | Method of determining structure of gas flow in compressor | |
Murray et al. | Detection of rotor forced response vibrations using stationary pressure transducers in a multistage axial compressor | |
Šekularac | Experimental determination of tunnel ventilation axial ducted fan performance | |
Vester et al. | Pulsatile turbulent flow in straight and curved pipes–interpretation and decomposition of hot-wire signals | |
Gizzi et al. | Time-resolved measurements with fast-response probes and laser Doppler velocimetry at the impeller exit of a centrifugal compressor: a comparison of two measurement techniques | |
RU2246711C1 (en) | Method and device for measuring parameters of flow in compressor | |
Larguier | Experimental analysis methods for unsteady flows in turbomachines | |
Lawson et al. | Compressor blade tip timing using capacitance tip clearance probes | |
Chima et al. | Comparison of two-and three-dimensional flow computations with laser anemometer measurements in a transonic compressor rotor | |
O¨ ztu¨ rk et al. | Intermittent behavior of the separated boundary layer along the suction surface of a low pressure turbine blade under periodic unsteady flow conditions | |
Lucius et al. | 3D time accurate CFD simulations of a centrifugal compressor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210804 |