Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2253851:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)
Использование: изобретение относится к области определения гидравлического сопротивления трактов различных силовых, энергетических и технологических установок в авиации, космонавтике, в газовой, нефтехимической, и др. отраслях промышленности. Сущность: одновременно с исследуемым трактом на переходном режиме при одинаковых заданных начальных условиях пропускают рабочее тело через эталонный тракт с известным коэффициентом гидравлического сопротивления, измеряют давление рабочего тела, темп изменения давления и разность давлений на входе в исследуемый и эталонный тракты и вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта. Предлагаемые способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления обеспечивают возможность экспериментального определения с высокой точностью суммарных гидравлических потерь в трактах любой сложности в близких к натурным условиям как по типу используемого рабочего тела (жидкость, газ), так и по величине противодавления на выходе из тракта. Обладая большой наглядностью и простотой практического осуществления, предлагаемый способ позволяет за одно кратковременное испытание определить зависимость коэффициента гидравлического сопротивления тракта в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса (в случае проливки тракта жидкостью) или числа Маха (в случае продувки тракта газом), снизить стоимость и сократить время проведения экспериментальных исследований. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности экспериментального определения с повышенной точностью коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с использованием натурного рабочего тела как в газообразном, так и в жидком состоянии. 2 н. и 5 з.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, 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., состоящий в том, что при заданных начальных условиях пропускают рабочее тело через исследуемый тракт, измеряют давление рабочего тела перед трактом, давление в окружающей среде на выходе из тракта и вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта.
Основными недостатками данного технического решения являются
- невозможность определения гидравлического сопротивления тракта при использовании в качестве рабочего тела не газа, а жидкости;
- невозможность отследить малое изменение гидравлических характеристик за счет внесения незначительных конструктивных изменений в элементы проточной части тракта в процессе экспериментальной доводки и особенно в процессе форсирования силовых и энергетических установок различного назначения.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности экспериментального определения с повышенной точностью коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с использованием натурного рабочего тела как в газообразном, так и в жидком состоянии.
Технический результат достигается тем, что одновременно с исследуемым трактом на переходном режиме при одинаковых заданных начальных условиях пропускают рабочее тело через эталонный тракт с известным коэффициентом гидравлического сопротивления, измеряют давление рабочего тела, темп изменения давления и разность давлений на входе в исследуемый и эталонный тракты и по результатам измерений вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта.
Предлагаемый способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта заключается в том, что на переходном режиме при заданных начальных условиях пропускают рабочее тело через исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры, измеряют давление рабочего тела перед трактом, давление в окружающей среде на выходе из тракта и вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта. Одновременно на переходном режиме при заданных одинаковых начальных условиях пропускают рабочее тело через эталонный тракт, установленный на выходе дополнительной камеры, с его известным коэффициентом гидравлического сопротивления, измеряют давление рабочего тела, измеряют темп изменения давления, измеряют разность давлений на входе в исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры, и эталонный тракт, установленный на выходе дополнительной камеры. По результатам измерений вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта, установленного на выходе основной камеры.
На чертеже изображена схема устройства для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта предлагаемым способом.
Предлагаемое устройство, изображенное на чертеже, содержит основную камеру фиксированного объема 1 с крышкой 2 и днищем 3, источник 4 давления газа, магистраль подвода газа в основную камеру 5 с запорным краном 6, предохранительный клапан 7, измеритель давления газа в основной камере 8, держатель 9, исследуемый тракт 10 с запорным элементом исследуемого тракта 11 и измеритель давления в окружающей среде 12, дополнительную камеру 13 с измерителем давления газа 14. На выходе дополнительной камеры 13 установлен на держателе 15 эталонный тракт 16 с запорным элементом 17 эталонного тракта 16. Дополнительная камера 13 снабжена крышкой 18, днищем 19. На днищах основной 1 и дополнительной 13 камер имеются штуцеры 20, 21 с подсоединенным к ним измерителем 22 разности давлений на входе в исследуемый тракт 10 и эталонный тракт 16. На крышках основной камеры 1 и дополнительной камеры 13 установлены запорные краны 23 и 24, соединенные между собой газовой магистралью 25 и через тройник 26, магистраль 5 и запорный элемент 6 с источником 4 давления газа. На днищах основной 1 и дополнительной 13 камер также установлены соединенные между собой жидкостной магистралью 27 запорные краны 28 и 29, которые через тройник 30, магистраль 31 и кран 32 подсоединены к источнику жидкости 33. Кроме того, на днищах основной камеры 1 и дополнительной камеры 13 установлены измерители 34 и 35 уровня жидкости в них. На выходе из основного тракта 10 и эталонного тракта 16 трактов установлена сливная емкость 36 с системой перекачки жидкости, состоящей из всасывающей магистрали 37 с запорным краном 38, насоса 39, напорной магистрали 40 с запорным краном 41 и тройником 42, смонтированном на жидкостной магистрали 27, соединяющей краны 28 и 29, установленные на днищах основной камеры 1 и дополнительной камеры 13. В запорных элементах 11 и 17 исследуемого тракта 1 и эталонного тракта 16 установлены пробки 43 и 44 для удаления газовых включений при заполнении основной камеры 1 и дополнительной камеры 13 жидкостью.
Дополнительная камера 13 с крышкой 18, днищем 19, держателем 15 и запорным элементом 17 эталонного тракта 16 идентичны по объему и форме с основной камерой 1 с крышкой 2, днищем 3, держателем 9 и запорным элементом 11 исследуемого тракта 10, причем запорный элемент 17 эталонного тракта 16 связан с запорным элементом 11 исследуемого тракта 10.
Принцип действия измерителей 34 и 35 соответственно уровня жидкости в основной камере 1 и уровня жидкости в дополнительной камере 13 основан на измерении разности статических давлений в газовых подушках камер 1 и 13 и в сечениях соответственно на входе в держатель 9 и на входе в держатель 15.
Для упрощения конструкции предлагаемого устройства целесообразно основную камеру 1 и дополнительную камеру 13 объединить в одну с установкой по оси разделительной непроницаемой перегородки с образованием двух идентичных по объему и форме отсеков.
Работа устройства, реализующего способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, осуществляется следующим образом.
При закрытых кранах 23, 24, 6, 28, 29, 32, 38 и 41 к держателям 9 и 15 прикрепляют соответственно испытуемый тракт 10 с запорным элементом 11 и эталонный тракт 16 с запорным элементом 17. Выворачиваются пробка 43 в запорном элементе 11 и пробка 44 в запорном элементе 17. Открываются краны 32, 28, 29 и от источника жидкости 33 основная 1 и дополнительная 13 камеры вместе с внутренними полостями испытуемого 10 и эталонного 16 трактов заполняются жидким рабочим телом. С появлением сплошных струй жидкости, сливаемой в емкость 36 через отверстия пробок 43, 44 в запорных элементах 11, 17, пробки 43, 44 закрываются. После достижения одинаковой заданной высоты столбов жидкости в камерах 1 и 13 краны 32, 28 и 29 закрываются. Процесс заливки жидкости контролируется измерителями уровня жидкости 34 и 35, установленными соответственно на днищах 3 и 19 камер 1 и 13. После заполнения камер 1 и 13 жидкостью открываются краны 6, 23 и 24 и газ из источника газа 4 начинает поступать в основную камеру 1 и дополнительную камеру 13. При достижении заданного и контролируемого измерителями 8, 14 давления в камерах 1, 13 краны 6, 23, 24 закрываются. Устройство оказывается подготовленным к проведению испытания для определения коэффициента гидравлического сопротивления исследуемого тракта 10 при известном значении коэффициента гидравлического сопротивления эталонного тракта 16 и одинаковых начальных условиях по давлению газа и высоте столбов жидкости в основной 1 и дополнительной 13 камерах, т.е. при одинаковых начальных давлениях в сечениях на входе в исследуемый 10 и эталонный тракты. После достижения одинаковых начальных условий синхронно открывают соединенные между собой запорный элемент 11 и запорный элемент 17 и одновременно под действием избыточных давлений газа в камерах 1 и 13 начинается истечение (проливка) через исследуемый тракт 10 и эталонный тракт 16 рабочего тела - жидкости в сливную емкость 36 при постоянном давлении в окружающей среде, регистрируемом измерителем 12. Изменение давлений газа по времени (темп изменения давлений) в основной 1 и дополнительной 13 камерах в процессе проливки трактов 10 и 16 непрерывно регистрируется измерителями давления газа в камерах 8 и 14, а разность полных давлений в сечениях на входе в исследуемый тракт 10 и на входе в эталонный тракт 16 регистрируется измерителем перепада давления 22. Одновременно и непрерывно в процессе проливки трактов регистрируются уменьшаемые по времени уровни столбов жидкости в основной 1 и дополнительной 13 камерах соответственно измерителями уровней жидкости 34 и 35. Выходные электрические сигналы измерителей давления газа 8, 14 в камерах 1, 13, измерителя давления газа в окружающей среде 12, измерителя 22 перепада полного давления в сечениях на входе в исследуемый тракт 10 и на входе в эталонный тракт 16, а также измерителей 34 и 35 уровней жидкости в камерах 1,13 поступают на вход вычислительного устройства (на схеме не показано) для обработки результатов измерения и вычисления в темпе проведения испытаний (или после его окончания) коэффициента гидравлического сопротивления исследуемого тракта по формуле:
где ζ 1 - коэффициент гидравлического сопротивления эталонного тракта;
ζ 2 - коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта;
s=2(n+1)/n - показатель степени;
n - показатель политропы расширения газа в камерах;
Δ p1-2=p1-p2 - разность давлений в сечениях на входе в эталонный тракт и на входе в исследуемый тракт, Па,
Δ p1=p1-рн - перепад давления на эталонном тракте, Па,
pг1 - давление газа в дополнительной камере, Па;
рг2 - давления газа в основной камере, Па,
p1 - давление в сечении на входе в эталонный тракт, Па,
р2 - давление в сечении на входе в исследуемый тракт, Па,
рн - давление в окружающей среде на выходе из трактов, Па,
t - текущее время, с, отсчитываемое с момента открытия запорных элементов 11 и 17 на выходе исследуемого 10 и эталонного 16 трактов.
Определяемая соотношением (1) искомая величина коэффициента ζ 2 не зависит от изменяемых по времени t текущих значений уровней жидкости в основной 1 и дополнительной 13 камерах. При желании для построения зависимостей значений коэффициентов гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса текущие значения чисел Рейнольдса на входе в исследуемый 10 и эталонный 16 тракты можно определить по формулам:
где V2(t)=(dH2(t)/dt)/е2 - текущее значение скорости жидкости в сечении на входе в исследуемый тракт, м/с,
V1(t)=(dH1(t)/dt)/e1 - текущее значение скорости жидкости в сечении на входе в эталонный тракт, м/с,
H2(t) - текущие значения уровня жидкости в основной камере 1, м;
H1(t) - текущие значения уровня жидкости дополнительной камере 13, м;
e2=(d2/D2)2 - степень сужения на входе в исследуемый тракт 10;
e1=(d1/D1)2 - степень сужения на входе в эталонный тракт 16;
d2 - диаметр входного сечения на входе в исследуемый тракт 10,м;
d1 - диаметр входного сечения на входе в эталонный тракт 16,м;
D2 - диаметр основной камеры 1, м;
D1 - диаметр дополнительной камеры 13, м;
ν - вязкость жидкости, м2/с.
В данном случае рассмотрена работа устройства для случая определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, использующего в качестве рабочего тела жидкость. В случае, если требуется определить коэффициент гидравлического сопротивления тракта, работающего на газообразном рабочем теле, операция заливки основной 1 и дополнительной 13 камер жидкостью до их заполнением газом перед проведением испытания исключается. Остальные из указанных выше операций выполняются в той же последовательности. Соотношение (1) для вычисления искомого значения коэффициента гидравлического сопротивления исследуемого тракта по результатам испытания (в данном случае - продувки) также сохраняется, но показатель степени s в этом случае определяется по формуле
Текущие значения чисел Маха на входе в исследуемый 10 и эталонный 16 тракты можно определить по формулам
M2(t)=V2(t)/a, M1(t)=V1(t)/а,
где 
соответственно скорость газа в сечении на входе в исследуемый 10 и эталонный 16 тракты, м/с.,
Ω 2 - объем основной камеры 1, м3,
Ω 1 - объем дополнительной камеры 13, м3,
а - скорость звука газа в камерах, м/с.
Если давление газа в основной 1 и дополнительной 13 камерах и разность давлений в сечениях на входе в эталонный тракт 16 и на входе в исследуемый тракт 10 изменяются одинаково по времени, т.е. если отношение давлений pг2(t)/pг1(t)=1,0, отношение их дифференциалов (темпов изменения давлений) (dpг1(t)/dt)/(dpг2(t)/dt)=1,0 и разность давлений Δ p1-2(t)=p1(t)-p2(t)=0, то, как следует из соотношения (1), коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта 10 равен коэффициенту гидравлического сопротивления эталонного тракта 16: ζ 2=ζ 1. Если Δ p1-2(t)<0, то отношения рг2(t)/pг1(t)>1,0, (dpг1(t)/dt)/(dpг2(t)/dt)>1,0 и ζ 2>ζ 1 - гидравлическое сопротивление исследуемого тракта больше гидравлического сопротивления эталонного тракта. И, наоборот, при Δ p1-2(t)>0, ζ 2<ζ 1 - гидравлическое сопротивление исследуемого тракта меньше гидравлического сопротивления эталонного тракта. Таким образом, уже только по знаку перепада давления ζ р1-2 можно сразу определить направление внесения изменений в конструкцию исследуемого тракта для достижения желаемого результата, что особенно важно при ограничении времени в процессе доводки или форсирования силовых и энергетических установок различного назначения.
Расчет по дифференциальным соотношениям (1... 3) проводят с использованием хорошо разработанных в настоящее время методов, основанных на замене дифференциальных уравнений уравнениями в конечно-разностной форме.
Значение основных конструктивных (величина объема, форма камер) и режимных (начальный уровень жидкости, величина начального давления газа) должны назначаться с учетом статических и динамических характеристик применяемых измерительных комплексов и исключения колебаний давления в системе после синхронного открытия запорных элементов 11, 17, установленных на выходе исследуемого 10 и эталонного 16 трактов.
Для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду в случае необходимости проливки исследуемого тракта натурным рабочим телом, например какой-либо кислотой, жидким азотом или иной криогенной жидкостью, основную 1 и дополнительную 13 камеры вместе с установленными через держатели 9, 15 исследуемым 10 и эталонным 16 трактами и сливной емкостью 36 следует заключить в герметичную барокамеру (на схеме не показана). В этом случае дополнительно оказывается возможно осуществлять проливку (или продувку) исследуемого тракта не только натурными рабочими телами, но и при натурном значении противодавления на выходе из тракта, что позволит существенно увеличить точность и достоверность результатов экспериментального исследования, особенно в случае использования в качестве рабочего тела какой-либо криогенной жидкости (например, жидкого водорода) с низкими антикавитационными свойствами.
Предлагаемые способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления обеспечивают возможность экспериментального определения с высокой точностью суммарных гидравлических потерь в трактах любой сложности в близких к натурным условиям как по типу используемого рабочего тела (жидкость, газ), так и по величине противодавления на выходе из тракта. Обладая большой наглядностью и простотой практического осуществления, предлагаемый способ позволяет за одно кратковременное испытание на переходном режиме определить зависимость значения коэффициента гидравлического сопротивления тракта в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса (в случае проливка тракта жидкостью) или числа Маха (в случае продувки тракта газом), снижает стоимость и сокращает время проведения экспериментальных исследований. Использование дифференциального подхода позволяет существенно повысить чувствительность и точность определения гидравлических потерь исследуемого тракта по сравнению со способом, принятым за прототип.
1. Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, заключающийся в том, что на переходном режиме при заданных начальных условиях пропускают рабочее тело через исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры, измеряют давление рабочего тела перед трактом, давление в окружающей среде на выходе из тракта и вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта, отличающийся тем, что одновременно на переходном режиме при заданных одинаковых начальных условиях пропускают рабочее тело через эталонный тракт, установленный на выходе дополнительной камеры, с его известным коэффициентом гидравлического сопротивления, измеряют давление рабочего тела, измеряют темп изменения давления, измеряют разность давлений на входе в исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры и в эталонный тракт, установленный на выходе дополнительной камеры, а коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта, установленного на выходе основной камеры, вычисляют по формуле:
ξ2=ξ1[1-Δp1-2(t)/Δp1(t)][dpг1(t)/dt)/(dpг2(t)/dt)]2[pг2(t)/рг1(t)]S,
где ξ1 - коэффициент гидравлического сопротивления эталонного тракта;
ξ2 - коэффициент гидравлического сопротивления исследуемого тракта;
s=(2n-1)/n - показатель степени при продувке трактов газообразным рабочим телом;
s=2(n+1)/n - показатель степени при проливке трактов жидкостью;
n - показатель политропы расширения газа в камерах;
Δр1-2=p1-р2 - разность давлений на входе в эталонный и на входе в исследуемый тракты, Па;
рн - давление окружающей среды на выходе из трактов;
Δp1=p1-рн - перепад давления на эталонном тракте, Па;
pг1 - давление газа в дополнительной камере;
рг2 - давление газа в основной камере;
p1 - давление в сечении на входе в эталонный тракт, Па;
р2 - давление в сечении на входе в исследуемый тракт, Па;
t - текущее время, отсчитываемое с момента синхронного открытия запорных элементов, установленных на выходах эталонного и исследуемого трактов, с.
2. Устройство для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, содержащее основную камеру фиксированного объема с крышкой и днищем, источник давления газа, магистраль подвода газа в основную камеру с запорным краном, предохранительный клапан, измеритель давления газа в основной камере, держатель исследуемого тракта, исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры, с запорным элементом исследуемого тракта и измеритель давления в окружающей среде, отличающееся тем, что оно содержит дополнительную камеру с измерителем давления газа, на выходе дополнительной камеры установлен на держателе эталонный тракт с запорным элементом эталонного тракта, при этом дополнительная камера с крышкой, днищем, держателем эталонного тракта и запорным элементом эталонного тракта идентичны по объему и форме с основной камерой и установленными на ней крышкой, днищем, держателем исследуемого тракта и запорным элементом исследуемого тракта, причем запорный элемент эталонного тракта связан с запорным элементом исследуемого тракта, а на днище основной камеры и на днище дополнительной камеры имеются штуцера с подсоединенным к ним измерителем разности давления на входе в исследуемый тракт, установленный на выходе основной камеры, и на входе в эталонный тракт, установленный на выходе дополнительной камеры.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на крышках основной камеры и дополнительной камеры установлены запорные краны, соединенные между собой газовой магистралью и через тройник с источником давления газа.
4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что на днищах основной и дополнительной камер установлены соединенные между собой жидкостной магистралью запорные краны, которые через тройник, магистраль и кран подсоединены к источнику жидкости.
5. Устройство по пп.2-4, отличающееся тем, что на днищах основной и дополнительной камер установлены измерители уровня жидкости в них.
6. Устройство по пп.2-5, отличающееся тем, что на выходе из основного тракта и на выходе эталонного тракта установлена сливная емкость с системой перекачки жидкости, состоящей из всасывающей магистрали с запорным краном, насоса, напорной магистрали с запорным краном и тройником, смонтированном на жидкостной магистрали, соединяющей краны, установленные на днище основной камеры и на днище дополнительной камеры.
7. Устройство по пп.2-6, отличающееся тем, что в запорном элементе исследуемого тракта и в запорном элементе эталонного тракта установлены пробки для удаления газовых включений при заполнении основной и дополнительной камер жидкостью.
