Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к средствам определения гидравлического сопротивления трактов установок в различных областях промышленности. Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта включает в себя испытание тракта на переходном режиме, измерение давления на выходе тракта и измерение давления газа в замкнутой камере с фиксированным объемом, и определение площади поперечного сечения перед входом в тракт. При этом перед началом испытания тракта, до заполнения камеры газом, в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ-жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт и определяют коэффициент гидравлического сопротивления расчетным путем. Устройство для реализации данного способа содержит замкнутую камеру фиксированного объема с источником давления газа, держатель тракта, измеритель давления газа в камере и установленный на выходе испытуемого тракта запорный элемент, соединенный гибкой связью с держателем тракта, а также источник жидкости, измеритель уровня жидкости в камере, предохранительный клапан, сливную емкость, систему перекачки жидкости из сливной емкости в камеру при повторном использовании жидкости, при этом запорный элемент снабжен пробкой для удаления газовых включений из внутренних полостей тракта при заполнении камеры жидкостью перед проливкой тракта. Данное изобретение позволяет обеспечить в процессе испытаний сохраняемость используемых натурных жидкостей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области определения гидравлического сопротивления трактов различных силовых, энергетических и технологических установок в авиации, космонавтике, в газовой, нефтехимической и др. отраслях промышленности.

Известен "Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления", авторское свидетельство № 1439421 от 06.04.87 г., в котором при испытании на выходе камеры включают вентилятор и на стационарном режиме засасывают воздух из атмосферы через вход испытуемого тракта, при этом с помощью датчика измеряют силу аэродинамического сопротивления и по формуле определяют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

Недостатками данного технического решения являются сложность устройства при больших материальных затратах, высокий расход продуваемого воздуха и невозможность определять коэффициент гидравлического сопротивления тракта при использовании в качестве рабочего тела жидкости.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является "Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления", авторское свидетельство № 1830474 от 04.03.91 г., при котором исследуемый тракт продувают газом на переходном режиме из замкнутой камеры с заданным объемом, измеряют давление газа в этой камере и время истечения газа из нее и по формуле вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

Основным недостатком принятого за прототип технического решения является невозможность определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта при использовании в качестве рабочего тела не газа, а жидкости.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности определения коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с сохранением при проливках натурных жидкостей.

Технический результат достигается тем, что перед началом испытания тракта, до заполнения камеры газом, в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ-жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт и по формуле определяют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

На чертеже приведена схема устройства для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта.

Предлагаемое устройство содержит замкнутую камеру 1, источник 2 давления газа, держатель 3 тракта 4, установленный неподвижно на выходе камеры 1, измеритель 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1 и запорный элемент 7 с пробкой 8, установленный на выходе тракта 4. Запорный элемент 7 прикреплен к держателю 3 тракта 4 гибкой связью 9. Камера 1 соединена с источником 2 давления газа магистралью 10 с краном 11. Устройство также содержит источник 12 жидкости, измеритель 13 высоты 14 столба жидкости в камере 1, измеритель 15 перепада полного давления на тракте 4, сливную емкость 16 и систему перекачки в камеру 1 жидкости из сливной емкости 16, состоящую из всасывающей магистрали 17 с краном 18, насоса 19 и напорной магистрали 20 с краном 21. На камере 1 установлен предохранительный клапан 22. Источник жидкости 12 соединен с камерой 1 магистралью 23 с краном 24.

Пробка 8 в запорном элементе 7 предназначена для удаления газовых включений в каналах тракта 4 при заливке в камеру 1 жидкости.

Принцип действия измерителя 13 высоты столба 14 жидкости в камере 1 основан на измерении разности статических давлений в газовой полости 6 камеры 1 и в сечении на входе в тракт 4.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. При закрытых кранах 11, 18, 21, 24 к держателю 3 камеры 1 прикрепляется тракт 4 с заранее установленным на нем запорным элементом 7 и ввернутой в его корпус пробкой 8. Выворачивается пробка 8, открывается кран 24 и из источника жидкости 12 через магистраль 23 в камеру заливается жидкость. При этом часть жидкости через отверстие пробки 8 сливается в сливную емкость 16. С появлением сплошной струи жидкости без газовых включений пробку 8 закрывают. Заполнение камеры 1 жидкостью прекращается закрытием крана 24 в момент достижения заданной начальной высоты h_о столба жидкости 14 в камере 1, регистрируемой измерителем 13. Затем открывается кран 11 и из источника давления газа 2 по магистрали 10 камера 1 с залитой ранее жидкостью 14 заполняется газом. При достижении заданного начального значения давления p_го газа в газовой полости 6 камеры 1, регистрируемого измерителем 5, кран 11 закрывается. Далее открывается запорный элемент 7 и под действием изменяющегося по времени t перепада давления начинается проливка исследуемого тракта 4. Момент открытия запорного элемента 7 принимается за начальный момент времени t=0 изоэнтропического расширения газа в камере 1 с показателем политропы n. По мере вытеснения жидкости 14 из камеры 1 объем газовой полости 6 увеличивается, а давление газа р_г и высота столба h жидкости 14 в камере 1 уменьшаются. Следовательно, при неизменном давлении р_н на выходе из тракта 4 происходит уменьшение по времени t как перепада давления Δp ^*(t) на исследуемом тракте 4, так и определяемой им скорости жидкости V₁(t), а следовательно, и числа Рейнольдса Re₁(t), на входе в тракт 1. Причем изменение V₁(t) и Re₁(t) будет происходить в очень широких интервалах значений, что позволяет в процессе одиночной проливки тракта определить зависимость коэффициента ζ, гидравлического сопротивления тракта от числа Re в широком диапазоне его изменения. Изменения p_г(t) и h(t) в процессе проливки тракта непрерывно регистрируются соответственно измерителем 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1 и измерителем 13 высоты столба жидкости 14. Выходные сигналы измерителей 5 и 13 поступают на вход вычислительного устройства (на схеме не показано), которое позволяет в темпе проведения проливки тракта 4 определить зависимость ζ=ζ[Re(V ₁(t)], по формуле:

где ζ - коэффициент гидравлического сопротивления;

текущее значение перепада полного давления на тракте, Па,

текущее значение скорости жидкости на входе в тракт, м/с.;

Re₁(t)=(V₁d₁)/ν - текущее значение числа Рейнольдса на входе в тракт, d1 - гидравлический диаметр поперечного сечения на входе в тракт, м;

ν, ρ - динамическая вязкость, м²/с, и плотность, кг/м ³, жидкости;

е=F₁/F_б - степень сужения сечения на входе в тракт;

F_б, F ₁ - соответственно площади поперечного сечения бака и на входе в тракг, м²;

t - текущее время проливки тракта, с;

h(t) - текущее значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

g=9,81 м/с² - ускорение земного притяжения;

р_н - давление на выходе из тракта, Па.

Выражения (2), (3) записаны для случая одновременного использования выходных сигналов измерителя 5 давления газа в газовой полости 6 и измерителя 13 высоты столба жидкости 14 в камере 1.

В случае использования выходного сигнала только одного измерителя 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1, вычисление входящих в соотношение (1) значений Δp ^*(t) и V₁(t) следует проводить по формулам:

где - относительное давление газа в камере;

L_го , p_го - начальная высота (в момент времени t=0) газовой подушки в камере, м, и начальное давление газа в камере, Па;

h_о - начальное значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

n - показатель политропы процесса расширения газа в камере.

При одновременном использовании выходных сигналов измерителя 5 давления газа в камере 1 и измерителя 15 перепада полного давления на тракте 4, входящее в соотношение (1) значение Δр ^*(t), непосредственно определяется по выходному сигналу измерителя 15 перепада полного давления на тракте 4, а значение V₁(t) вычисляется, как и в предыдущем варианте, по соотношению (5).

Для увеличения достоверности результатов определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта предлагаемым способом целесообразно использовать все три рассмотренных варианта вычисления по соотношению (1) ζ[Re(V ₁(t)] одновременно.

Соотношение (1) для определенности записано применительно к случаю автомодельного течения жидкости через тракт, т.е. при числах Re>2000. Как правило, за редким исключением, тракты силовых и энергетических установок, а также всевозможных промышленных агрегатов работают именно в области автомодельных, развитых турбулентных течений. Предлагаемый же способ и соотношения (2)...(5) позволяют экспериментально определять зависимость коэффициента ζ трактов не только в области автомодельности течения с квадратичной зависимостью от скорости V₁ потока жидкости, но и в области ламинарных течений, а также в переходной области, т.е. и при числе Re<2000.

В случае необходимости проливки тракта 4 натурной жидкостью, например какой-либо кислотой, жидким азотом или какой-либо другой криогенной жидкостью, для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду камеру 1 вместе с исследуемым трактом 4 и сливной емкостью 16 следует заключить в герметичную барокамеру (на схеме не показана). В этом случае представляется возможным осуществлять проливку исследуемого тракта не только натурной жидкостью, но и при натурном значении противодавления р_н на выходе из тракта, что может оказать существенное влияние на точность определения величины гидравлического сопротивления тракта, через который в составе натурного объекта прогоняется, например, криогенная жидкость с низкими антикавитационными свойствами.

При вычислении по соотношениям (2)...(5) в темпе проведения испытаний должны использоваться хорошо разработанные в настоящее время методы, основанные на замене дифференциальных уравнений уравнениями в конечно-разностной форме.

Предлагаемый способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления обеспечивает возможность экспериментального определения коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с сохранением при проливках натурных жидкостей и натурных режимных параметров. Достоинством данного способа является возможность определения в процессе одной проливки тракта на переходном режиме зависимости коэффициента гидравлического сопротивления тракта в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re), что существенно снижает стоимость и сокращает время проведения экспериментальных исследований. При этом затраты на создание установки для реализации предлагаемого способа оказываются минимальными.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, включающий испытание тракта на переходном режиме, измерение давления на выходе тракта и измерение давления газа в замкнутой камере с фиксированным объемом, определение площади поперечного сечения перед входом в тракт, вычисление значения коэффициента гидравлического сопротивления, отличающийся тем, что перед началом испытания тракта, до заполнения камеры газом, в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ - жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт, а коэффициент гидравлического сопротивления определяют по формуле

где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления;

Δp·(t)=p _r(t)+ρgh(t)-p _H - текущее значение перепада полного давления на тракте, Па;

V₁(t)=(dh(t)/dt)/e - текущее значение скорости жидкости на входе в тракт, м/с;

Re₁ (t)=(V₁d₁)/ν - текущее значение числа Рейнольдса на входе в тракт;

d ₁ - гидравлический диаметр поперечного сечения на входе в тракт, м;

ν, ρ - динамическая вязкость, м²/с, и плотность, кг/м ³, жидкости;

е=F₁/F_б - степень сужения сечения на входе в тракт,

F_б, F ₁ - соответственно площади поперечного сечения бака и на входе в тракт, м²;

t - текущее время проливки тракта, с;

h(t) - текущее значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

g=9,81 м/с² - ускорение земного притяжения;

р_н - давление на выходе из тракта, Па.

2. Устройство для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта содержит замкнутую камеру фиксированного объема с источником давления газа, держатель тракта, измеритель давления газа в камере и установленный на выходе испытуемого тракта запорный элемент, соединенный гибкой связью с держателем тракта, отличающееся тем, что устройство содержит источник жидкости, измеритель уровня жидкости в камере, предохранительный клапан, сливную емкость, систему перекачки жидкости из сливной емкости в камеру при повторном использовании жидкости, при этом запорный элемент снабжен пробкой для удаления газовых включений из внутренних полостей тракта при заполнении камеры жидкостью перед проливкой тракта.

РИСУНКИ