Стенд для испытаний камер пульсиртующего горения

 

Использование: при испытании камер пульсирующего горения в энергетике, химической и строительной отраслях промышленности . Сущность изобретения: стенд содержит дополнительную платформу 1, размещенную над подвижной платформой 3, установленную с возможностью поперечного перемещения и имеющую дополнительный датчик 6 измерения реактивной силы, при этом датчики 4 и 6 выполнены пьезоэлектрическими. 5 ил.

COIO3 COB F TCKI4X

СОЦИДЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5м G01 M 15/00

ГО СУДА Р СТ В Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1г I;

-- E ) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4786865/06 (22) 27,11.89 (46) 07,11.92. Бюл. ¹ 41 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) В.И.Быченок, Н.П.Жуков, С, Н. Кузьмин, И.А.Черепенников, К.В.Лысенко и В.А.Русин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 666459, кл. G 01 М 15/00, 1976., (54) СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КАМЕР

ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ Ж 1774210 А1 (57) Использование: при испытании камер пульсирующего горения в энергетике, химической и строительной отраслях промышленности. Сущность изобретения; стенд содержит дополнительную платформу 1, размещенную над подвижной платформой

3, установленную с воэможностью поперечного перемещения и имеющую дополнительный датчик 6 измерения реактивной силы, при этом датчики 4 и 6 выполнены пьезоэлектрическими, 5 ил.

1774210

30 тивного двигателя (авт,св. Rb 666459,,40 кл. 6 01 M 15/00, 1976)

Это устройство позволяет измерять реактивную силу с помощь1о динамометрической подвижной платформы, соединенной силопередающими тягами с неподвижной платформой.

К особенностям работы КПГ относится:

1. Импульсы реактивных сил переменны во времени.

2. Наличие двух импульсов: из аэродинамического клапана и резонансной трубы, которые в наиболее распространенных конструкциях направлены перпендикулярно друг другу, Зти особенности определяют следующие.недостатки прототипа; невозможность измерения реактивных сил, действующих на аэродинамический клапан; невозможность измерения частотно-импульсных характеристик; невозможность разделения

Изобретение относится к устройствам измерений частотно-импульсных характеристик и выхлопа газового потока и может найти широкое применение при испытаниях камер пульсирующего горения (КПГ), используемых в химической промышленности, и в других промышленных теплоиспользующих установках с пульсирующим горением, например в теплоэнергетике, строительной промышленности,. коммунальном хозяйстве, в сельскохозяйственном производстве, Известно устройство для измерения частоты и амплитуды давления газового потока (Накоряков В,Е„Бурдуков А.П., Болдырев А.M„Черняев П.Н. Тепло- и массообмен в звуковом поле. Новосибирск, 1970, с.239), в котором корпус из нержавеющей стали изготавливается разъемным с целью размещения на его внутренней поверхности датчиков давления, Недостатком устройства является измерение частотноимпульсных характеристик с помощью датчиков, расположенных только на внутренней поверхности корпуса КПГ, невозможность измерения реактивных сил, действующих на резонансную трубу и аэродинамический клапан, невозможность разделения колебательных импульсов из аэродинамического клапана и резонансной трубы и определения сдвига фаз в резонансной трубе и аэродинамическом клапане. К недостаткам этого устройства относится необходимость изготовления специального разъемного корпуса, а также невозможность измерения параметров, перечисленных выше.

За прототип принято устройство для измерения реактивной сйлы тяги реак5

25 колебательных импульсов из аэродинамического клапана. и резонансной трубы и сдвига фаз в резонансной трубе и аэродинамическом клапане, вследствие отсутствия платформы, имеющей степень подвижности поперек продольной оси установки, отсутствие датчиков для измерения частоты и амплитуды колебаний давления газа.

Целью изобретения является такая конструкция стенда (устройства), которая расширяет функциональные возможности испытания КПГ и повышает информативность измерительных приборов.

Поставленная цель достигается тем, что в стенде для определения частотно-импульсных характеристик и реактивных сил камер пульсирующего горения, включающем определение реактивной силы Fp> в резонансной трубе с помощью неподвижной и подвижной платформы, согласно изобретению, используют дополнительную подвижную опору, обеспечивающую перемещение в направлении, перпендикулярном резонансной трубе, с помощью пьезометрических датчиков снимают осциллограммы и по ним определяют реактивную силу FK в аэродинамическом клапане, частоты колебаний в резонансной трубе v pт и аэродинамическом клапане Р< и амплитуды колебаний импульсов в трубе Арт и клапане Ак, сдвиг фаз между колебаниями импульсов в резонансной трубе и аэродинамическом клапане, измеряют частоту пульсации давления газа в камере сгорания путем измерения колебаний импульса газа из резонансной трубы и аэродинамического клапана, отношение Fòð! Fê = c, характеризующее качество работы КПГ.

В стенде для испытания КПГ, содержащем неподвижную и подвижную в продольном направлении платформы с датчиками реактивной силы F» из резонансной трубы на устройстве, согласно изобретению, дополнительно размещены подвижная платформа, обеспечивающая возможность поперечного перемещения и дополнительный датчик, закрепленный на этой платформе для измерения реактивной силы FK из аэродинамического клапана, причем датчики выполнены пьезометрическими и подключены для регистрации сигнала к осциллографу.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с совокупностью отличительных признаков заявляемого, На фиг. 1 изобра>кен стенд для испытания камер пульсирующего горения; на фиг.

2 — вид Б на фиг, 1 (схема присоединения

1774210

10

Арт = Срт Орт, 15

A»= С» Q», 25

40 рт = Gnc ттрт, 45 пьезометрических датчиков 4 и 6 к осциллографу 14 марки С1-64А); на фиг. 3 — вид А на фиг. 1; на фиг. 4 — схема камеры пульсирующего горения и основных действующих сил.

Предлагаемый стенд включает дополнительную подвижную платформу 1 (по оси аэродинамического клапана), вертикальную ось 2 вращения дополнительной подвижной платформы, среднюю подвижную платформу 3 (по оси резонансной трубы), датчик 4, воспринимающий усилия вдоль оси х(место установки), нижн 0ю неподвижную платформу 5, датчик 6,воспринимающий усилия вдоль оси у (место установки), упругую пластину 7, неподвижную опору 8 для восприятия усилий по оси х (соединена с нижней пЛатформой), опору 9, соединенную с дополнительной подвижной платформой для передачи усилий вдоль оси у (т,е. реактивной силы газового потока иэ клапана); собственно камеру 10 пульсирующего сгорания (топку), которая содержит аэродинамический клапан 11, камеру 12 пульсирующего сгорания (топку) и резонансную трубу 13.

Стенд работает следующим образом.

При определении частотно-импульсных характеристик и реактивных сил камеры 10 пульсирующего горения, включающей собственно камеру 12 пульсирующего сгорания (топку), измеряют реактивную силу Ерт в резонансной трубе 13 с. помощью неподвижной 5 и подвижной 3 платформ. Используют дополнительную подвижную платформу 1, которая перемещается по оси аэродинамического клапана 11 (имеющую вертикальную подвижную ось 2 вращения).

Дополнительная подвижная платформа 1 обеспечивает перемещение в направлении, перпендикулярном резонансной трубе (вдоль оси у на фиг. 4), Для передачи усилия вдоль оси у, т,е. реактивной силы газового потока из аэродинамического клапана f1 смонтирована опора 9, соединенная с дополнительной подвижной платформой

Усилия вдоль оси у воспринимаются пьезометрическим датчиком 6. Усилия от реактивной силы, возникающие вдоль резонансной трубы 13 (вдоль оси х на фиг. 4),воспринимаются с помощью пьезометрического датчика 4, закрепленного на платформе 3. Для 50 фиксации усилий вдоль оси х смонтирована неподвижная опора 8, соединенная с нижней неподвижной платформой 5. Подвижность дополните, ьной платформы 1 и платформы 3 обеспечивается за счет упру- 55 гих пластин 7, Электрические импульсы от пьезометрических датчиков регистрируются двухлучевым осциллографом 14.

Амплитуда колебаний давления газов в резонансной трубе Арт определяется зкспериментально по осциллограммам записи разности потенциалов на гранях пьезокристалла. воспринимающего усилия вдоль оси х: где Арт — амплитуда колебаний давления газов в резонансной трубе, Н/м;

Орт — осрпдненное значение из и опытов максимальной разности потенциалов на гранях пьезокристалла, установленного для измерения амплитуды колебаний в резонансной трубе (вдоль оси х), В;

Срт — коэффициент пропорциональности, Н/м В.

Амплитуда колебаний давления газов в аэродинамическом клапане А» определяется экспериментально по осциллограммам записи разности потенциала на гранях пьезокристалла, воспринимающего усилие вдоль оси у: где А» — амплитуда колебания давления газов в аэродинамическом клапане, Н/м;

О» — осредненное значение из п опытов максимальной разности потенциалов на гранях пьезокристалла, установленного для измерения амплитуды колебаний в аэродинамическом клапане (вдоль оси у), В;

С» — коэффициент пропорциональности, Н/м В.

Сдвиг фаз колебательных импульсов между резонансной трубой и клапаном определяется путем сравнения осциллограмм. характери ующих их работу.

Импульс реактивной силы истечения Ерт продуктов сгорания из резонансной трубы определяется экспериментально на основе формулы где Fpò — импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания иэ резонансной трубы, Н;

G>c — расход продуктов сгорания через резонансную трубу в выходном сечении, кг/с;

Чрт — средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы в выходном сечении, м/с.

Средняя скорость Чрт продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы определяется экспериментально с помощью трубки Пито-Прандтля по формуле

1774210

Чр, = rp (2 Л Р )/р с, 5

15 р пс = Р/(В Тпс), Грт = Орт К

Опс = VpT P рс fpT, Е = FpT/FK, (4) 50 тем меньше энергии уходит бесполезно в аэродинамический клапан. В предельном случае, при использовании механического клапана, когда Чк = О, а значит и Рх = О, величина E -+ oo, Fx=Q ° К, где Чрт — средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, м/с; р — тарировочный коэффициент трубки

Пито. p = ОЯ5, Л Р вЂ” средний из и измерений перепад давлений на микроманометр,.Па; р и: — плотность продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, кг/м . з

Величина плотности газов р пс вычисляется по уравнению состояния идеального газа где Р— среднее давление в резонансной трубе, Па, принято приближенно P = 1,013

10 Па;

R — удельная газовая постоянная, принято приближенно R = 287 Д>к/(кгК);

Тпс — температура продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, К (величина Тпс определяется экспериментально с помощью термопары).

Расход продуктов сгорания 6«на выходе из резонансной трубы определяется по формуле где f т — площадь поперечного сечения ре2 зонансной трубы, м (fpT вычисляется после измерения внутреннего диаметра резонансной трубы).

После экспериментального определения и вычисления исходных данных отыскиваем импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания FpT из резонансной трубы по формуле (1).

Импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания из аэродинамического клапана вычисляется следующим образом.

Поскольку через аэродинамический клапан чередуется проход воздуха из атмосферы и выброс продуктов сгорания из камеры в противоположном направлении за счет колебательных движений в камере сгорания с частотой примерно 50 Герц, то прямое определение скорости потока газов в клапане затруднено. Поэтому импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания из клапана определяется по формуле

40 где Рк — среднее значение реактивной силы, действующей на аэродинамический клапан (вдоль оси у), Н, Ок — среднее значение из и опытов разности потенциалов на гранях пьезокристалла, воспринимающего усилие вдоль оси у, В;

Ок — определяется по осциллограмме;

К вЂ” пьезометрический модуль, Н/В;, Пьезометрический модуль К находим на основе адекватности пьезоэлектрических датчиков в резонансной трубе и аэродинамическом клапане и на экспериментально установленной ранее величине реактивной силы, действующей на резонансную трубу, т.е. исходя из формулы откуда

К = Ррт/Орт, (3) где FpT — среднее значение реактивной силы, действующей на резонансную трубу (вдоль оси х), Н;

QpT осредненное значение из и опытов разности потенциалов на гранях пьезокристалла, вос ринимающего усилия вдоль оси х,В, После экспериментального определения Q и вычисления К по (3) вычисляем FK по формуле (2).

Определение коэффициента а, характеризующего качество работы конструкции аэродинамического клапана, выполняется на основе следующих предпосылок, Эффективность работы аэродинамического клапана (так называемый "вентильный эффект") зависит от отношения энергии потока и газов, проходящих через резонансную трубу к энергии потока газов, проходящих через клапан, т,е.:

ГДЕ FpT, Рк — ИМПУЛЬСЫ РЕаКтИВНОй СИЛЫ ИСтечения газов из резонансной трубы и клапана, Н,соответственно.

Величины FpT и Рх опРеДелЯютсЯ по фоРмулам (1) и (2). Из отношения (4) следует, что чем больше с, тем большая часть энергии газов проходит через резонансную трубу и

1774210

Для проверки работоспособности предлагаемого стенда приведем следующие примеры;

Выполнена серия экспериментов с камерой пульсирующего горения, оснащен- 5 ную резонансной трубой диаметром брт =

0,125 м и длиной i = 2,5 м, аэродинамическим клапаном с диаметром бк = 0,062 м и длиной !к = 0,4 м.

Пример 1. Эксперименты выполня- 10 лись при давлении дизельного топлива перед форсункой Рф = 0,2 МПа.

1. С помощью трубки Пито-Прандтля определяем среднюю скорость продуктов сгорания из резонансной трубы 15.Г т

V„=py(2ЛP Ъпс

30 р пс = P/(R Tnc), где Р— среднее значение в резонансной трубе, Па; принято приближенно Р = 1,013х х10 Па; 35

R — удельная газовая постоянная; приближенно R = 287 Дж/кгК;

Ттс — температура продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, К.

Для условий данного эксперимента пол- 40 учено: p nc = 0,3457 кг/м; Ь P = 1064,8 Па; пс = 750 С. Отсюда

= 66,7142

Чрт = 0,85 м/с.

2. Определяем расход продуктов егорания через резонансную трубу;.

G = Чрт ° p nc трт, где Gnc — расход продуктов сгорания через 50 резонансную трубу, кг/с;

fpT — площадь поперечного сечения резонансной трубы м .

1рт = (X брт )/4 = (3, t416 0,125 )/4 =

=0,01227 м2; 55

Gnc = 66,7142 0,3457 0,01227 = 0,2530 кг/с. где Чрт — средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, м/с; 20

p — тарировочный коэффициент трубки

Пито, р = 0,85;

p nc — плотность продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, кг/м; . з.

Л Р вЂ” перепад давлений на микроманометре, Па.

Величина плотности газов p nc вычисляется по уравнению состояния идеального газа

3, Вычисляем импульс реактивной силы истечения поодуктов сгорания из резонансной трубы

Ррт = Опс Чрт = 0,283 66,7142 = 18,880

Н.

4, Определяем экспериментально амплитуду колебаний импульса реактивной силы из резонансной трубы по осциллограмме

Орт = g (Орт) /и, где QpT — осредненное значение из п опытов разности потенциалов на гранях пьезокристалла;установленного для измерения амплитуды колебаний импульсов сил резонансной трубы, В; (Орт) — текущее значение разности потенциалов на гранях пьезокристалла, пропорциональное мгновенной реактивной силе, В.

B опытах получено Орт = 22 В, 5. На основе формулы Ррт = Орт К, определяющей мгновенное значение реактивной силы, с помощью пьезоэлектрических датчиков получаем для пьезоэлектрического модуля

K = Fpr/Орт = 18,88/22 = 0,85818 Н/В.

6. Снимаем осциллограмму импульса силы из клапана, Для записи осциллограммы используется датчик. адекватный датчику импульса резонансной трубы. По осциллограмме определяем максимальную амплитуду импульса силы из клапана, выраженную через разность потенциалов

Q»=9 В

7. Исходя из адекватности пьезоэлектрических датчиков импульсов трубы и клапана, а также из вычисленного по данным резонансной трубы пьезометрического модуля К, находим импульс силы из клапана

Рк = К Ок = 0,85818 9 = 7,7236 Н

8, Вычисляем коэффициент эффективности работы конструкции аэродинамического клапана

Я =- Ррт/Рк = 18,88/7,7236 = 2.4444.

Пример ы 2, 3, 4. Результаты экспериментов для конструкции КПГ, указанной в примере 1, но при других исходных данных и результа ы их обработки, представлены в таблице, где приняты следующие дополнительные обозначения: брт — расход дизельного топлива, кг/с;

1774210

5

25

G " — действительный расход воздуха, кг/с; и pT — частота колебаний импульса резонансной трубы. 1/с.

Пример 5, В серии опытов с камерой пульсирующего горения, снабженной резонансной трубой брт = 0,106 м, длиной 1рт =

2,85 м с аэродинамическим клапаном диаметром d» = 0,096 м и длиной 1» = 0,4 м получено среднее соотношение Ерт/F» =

1,23.

Пример 6. В серии опытов с КПГ, имеющей те же исходные данные, что и в примере 5, но с удлиненной резонансной трубой (путем .присоединения насадки длиной 0,5 м и внутренним диаметром 0,098 м) получено среднее отношение Ррт/F» = 2,5.

Пример 7. В серии опытов с КПГ, оснащенной резонансной трубой брт = 0,125 м, 1рт = 2,5 м, с клапаном d» = 0,096 м и длиной l» = 0.4 м, получено среднее отношение Ррт/F» = 1,32.

Пример 8. В серии опытов с теми же исходными данными, что и в примере 7, но со ступенчатым клапаном d» = 0,096/0,08 м, получено среднее значение FpT/F» = 2,96, Пример 9. Была использована, кроме того, работа клапана особой конструкции, на котором получено соотношение грт/F» =

3,266.

Анализ проведенных примеров показывает, что с помощью предлагаемого стенда можно получить информацию о совершенстве конструкции исследуемых КПГ. Существующие устройства определения параметров работы КПГ не позволяют получить подобную информацию, Исследования с помощью заявляемого устройства позволили выявить неизвестные ранее факторы в работе КПГ. Частоты импульса газа из резонансной трубы и клапана могут не совпадать. Так, например, в опытах к экспериментальной КПГ, имеющей резонансную трубу дрт = 0,106 м и Ipz = 2,85 м и при клапане d» = 0,096 м, I» = 0,4 м при давлении перед топливной форсункой Рф =

0,5 УПа, частота пульсации импульса газа из резонансной трубы v»= 50 Гц, а из клапана — и „= 110 Гц. При увеличении расхода топлива, т.е. при Рф = 0,6 МПа, получено р рт = 200 Гц и р» = 66,6 Гц.

С помощью предлагаемого стенда был подтвержден теоретически известный факт, показывающий, что наиболее устойчивая работа КПГ в резонансном режиме будет наблюдаться в том случае, если пульсации подвода топлива и воздуха находятся в противофазе с колебаниями давления в камере сгорания.

Выполненные авторами эксперименты показали, что при брт = 0,125 м, 1рт = 2,5 м, б»

= 0,096 м и 4 = 0,4 м наблюдается устойчивая работа КПГ в широком. диапазоне изменения расхода топлива (Рф = 0,2 ... 0.6 МПа и выше), При этих условиях частота колебаний импульса газа из трубы и клапана во всех случаях одинакова (v= 66,6 ... 62,5 Гц), а колебания реактивного импульса из камеры и трубы находятся в противофазе с небольшим сдвигом, Для примера в таблице приводятся более подробные данные по исследованию работы КПГ на заявляемом устройстве с резонансной трубой брт = 0,125 M lðó = 2,5 м и аэродинамическим клапаном б» = 0,062 м.

Предлагаемый стенд по сравнению с прототипом (базовым стендом) имеет следующие преимущества: значительное расширение функциональных возможностей и информативности имеющихся приборов, выражающихся в определении коэффициента F., характеризующего эффективность работы КПГ без использования специального прибора, определении реактивной силы в аэродинамическом клапане, частоты колебаний и амплитуды колебаний в резонансной трубе и аэродинамическом клапане без нарушения целостности последних, сдвига фаэ между колебаниями импульса из резонансной трубы и аэродинамического клапана.

Кроме того, обработка результатов эксперимента на заявленном устройстве позволила также обнаружить явления в работе

КПГ, которые не отмечались ранее в опубликованной литературе. В частности, было установлено, что при работе КПГ можно отметить следующие режимы: а) частота импульсов из клапана и резонансной трубы одинакова и колебания происходят в противофазе: б) частота импульсов из клапана может быть в два и более раз больше, чем из резонансной трубы; в) частота импульсов газа из резонансной трубы может быть в два и более раз выше, чем из клапана;

r) частота импульсов из резонансной трубы и клапана одинакова и колебания совпадают по фазе.

Анализ различных условий работы КПГ на основе предлагаемого устройства позволяет сделать следующий важный для зксплуатации установки вывод: из всех указанных режимов наиболее неблагоприятным является режим "г", так как при нем наблюдается внезапное прекращение горения; к наиболее

1774210

Результаты исследования КПГ с помощью предлагаемого стенда (резонансная труба брт = 0,125 м, Ip> = 2,5 м) Продолжение т а б л и ц ы. эффективным относится режим "а", ибо при

его достижении наблюдается устойчивое горение в большом диапазоне изменения расхода топлива, Таким образом, предлагаемый стенд для 5 испытания камер пульсирующего горения значительно информативнее известных и позволяет с помощью наибольшего числа измерительных приборов определить большое число параметров, характеризующих работу 10 камеры пульсирующего горения, что свидетельствует о достижении поставленной цели.

Формула изобретения

Стенд дчя испытаний камер пульсирующего горения, содержащий неподвижную платформу и установленную над ней подвижную 8 продольном направлении платформу с датчиком измерения реактивной силы, отличающийся тем, что. с целью расширения функциональных возможностей, стенд содержит дополнительную платформу, размещенную над подвижной платформой, установленную с возможностью поперечного перемещения и имеющую дополнительный датчик измерения реактивной силы, при этом датчики выполнены пьезоэлектрическими.

1774210

Вид А

Фиг. 3

Фиг. 4

Составитель В.Быченок

Техред ММоргентал Корректор Н.Тупица

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3921 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5