CC BY
33
УДК 532 С. В. Юшко
ГАЗОДИНАМИЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ НА ПРИМЕРЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
Ключевые слова: газодинамический стенд, диафрагма, нестационарное течение, расходомер, труба Вентури.
Представлен газодинамический стенд для измерения расхода нестационарного потока газа.
Keywords: gas-dynamic tube, washer, flowmeter, unsteady gas flow, flowrate, Venturis tube.
The gas-dynamic tube with washer flowmeter and Venturis tube has been constructed for research of unsteady gas flow influence on results of measuring offlowrate.
Для изучения влияния периодических наложенных пульсаций потока на результат измерения расхода на базе ФГУП ВНИИР был создан автоматизированный газодинамический стенд, схема и внешний вид отдельных участков которого представлена на рис.1. Рабочее тело -атмосферный воздух.
Рис. 1 - Газодинамический стенд: 1 - воздушный компрессор, 2, 4, 12 - стрелочные манометры, 3, 14 - ресиверы, 5 - форкамера с соплом Витошинского, 6, 11, 24 - цифровые контроллеры температуры иМ-350, иТ-550 и иР-750 соответственно, 7 - лабораторный термометр, 8 - труба Вентури, 9 - датчик абсолютного давления типа «Сапфир», 10, 25 -хромель-капелевые термопары, 13 -компенсационный фланец, 15 - регулирующий вентиль, 16 - силовой щит, 17 - печь, 18 -пульсатор, 19 - персональный компьютер, 20 -байпас, 21 - форкамера с хонейкобом, 22 -нормирующие усилители, 23 - УСО, 26 - датчик дифференциального давления ДМИ, 27 - датчик дифференциального давления тапа «Сапфир», 28 - узел диафрагмирования
Представленная установка состояла из двух линий: образцовой и поверяемой. Образцовая линия была оснащена критическим расходомером, основу которого составляла труба Вентури, работавшая на закритическом перепаде давления [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Критический расходомер был выполнен и использовался в соответствии с требованиями МИ 1538-86 (ВНИИФТРИ) [8]. Внутренний диаметр горла сопла составлял 17,1 мм. на длине 18 мм. Длина конического участка составляла 102 мм. Угол
раскрытия - 7 град. Чистота обработки внутренней поверхности составляла 1,25. Перед применением труба Вентури прошла метрологическую проверку линейно-угловых размеров в региональном метрологическом центре.
В схеме установки критического расходомера рис.1, трубе Вентури 3 предшествовала форкамера 6. При использовании расходомера измерялись абсолютное давление потока до и после трубы Вентури (поз. 4 и 1), температура торможения потока перед трубой Вентури (поз.5), а также температура материала трубы Вентури (поз.2).
Поверяемая линия экспериментальной установки была оснащена стандартным расходомером, в котором в качестве сужающего устройства была использована нормальная диафрагма (поз.28 рис.1).
Диафрагма и сам узел были выполнены в соответствии с требованиями проекта ГОСТ 8.563.13. Перед применением стандартная диафрагма прошла метрологическую проверку линейно-угловых размеров в региональном метрологическом центре.
При измерении расхода с помощью стандартного расходомера использовался алгоритм расчета, изложенный в ГОСТ 8.563.1-3.
Основная идея установки заключалась в следующем. Атмосферный воздух, нагнетаемый винтовым компрессором 1 (рис.1.) подавался под давлением 5 кгс/см2 (избыточное) в батарею ресиверов 3. Максимальный расход воздуха составлял 450 г/с. Из ресиверов воздух через форкамеру с соплом Витошинского 5 [9,10] поступал на вход трубы Вентури 8.
После критического расходомера воздух через ресивер 14 подавался в поверяемую линию. В связи с тем, что воздушный поток на данном участке имел дозвуковые скорости, колебания расхода, создаваемые пульсатором 18, возмущали его. При этом возмущения распространялись как вниз, так и вверх по течению. Поскольку на критическом расходомере реализовывался закритический перепад давления, в горле трубы Вентури устанавливался скачок уплотнения. Колебания расхода не передавались через него вверх по потоку. В этой связи критический расходомер работал в условиях стационарного потока, то есть в тех, на которые был рассчитан (МИ 1538-86). Расходомер же,
9
установленный на поверяемой линии, воспринимал наложенные колебания расхода. Сравнивая показания образцового (критического) и поверяемого расходомера в условиях наложенных периодических колебаний расхода, можно было установить их влияние на коэффициент расхода поверяемого расходомера. Здесь следует заметить, что представленная идея требовала дополнительной проверки. Это связано с тем, что скорости потока, которые устанавливались в пограничном слое, в горле трубы Вентури имели дозвуковые значения. Следовательно, возмущения, создаваемые пульсатором, могли передаваться через пограничный слой вверх по потоку. Насколько велики были бы возмущения, передаваемые через пограничный слой, и как сильно они повлияли бы на работу критического расходомера, предстояло установить экспериментально.
Для изменения температуры воздушного потока в состав установки на поверяемой линии была включена электрическая печь 17. Температура потока изменялась за счет изменения напряжения на тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) печи. В связи с тем, что ток, через ТВЭЛы характеризовался большими значениями, регулирование
производилось через силовую электроустановку 16. Для создания периодических колебаний расхода в состав системы был включен пульсатор. Пульсатор - профилированная заслонка, вращавшаяся в потоке вокруг своей оси. Изменение частоты колебаний расхода осуществлялось изменением передаточного числа фрикционного редуктора привода пульсатора 18. Амплитуда колебаний менялась за счет перераспределения расхода через байпас 20. В целях повышения достоверности экспериментальной информации созданная экспериментальная установка была оснащена автоматизированной системой сбора и переработки информации.
Литература
1. Арнберг, «Обзор критических расходомеров для измерения газовых потоков», Теоретические основы инженерных расчетов, 1962, т. 84, № 4, с. 39-56.
2. Арнберг, Бриттон, Сейдл, «Корреляции коэффициентов расхода для расходомеров Вентури с выполненным по дуге окружности входом при критическом (звуковом) режиме течения», Теоретические основы инженерных расчетов, 1974, т. 96, № 2, с. 89-103.
3. Кэйити Н., Киюки В., «Сверхзвуковые сопла в качестве эталона», J. Instram. Contr. Assoc. Jap., 1974, v. 23, № 7, pp. 23-29.
4. Смит мл., Матс, «Теоретический метод определения коэффициента расхода для трубки Вентури, работающей в критическом режиме», Теоретические основы инж. расчетов, 1962, т. 84, № 4, с. 23-38.
5. Шанизло, «Экспериментальное и аналитическое определения коэффициента расхода звукового сопла при числах Рейнольдса до 8 -106», Энергетические машины и установки, 1975, т. 97, № 4, с. 61-67
6. Draft proposal for measurement of fluid flow by means of critical flow nozzles Venturis inserted in circular cross section closed conduits. ISO/TS 30/SC 2/WG 5 (Secr.-5) 12, 1975, p. 32.
7. Rivas M.A., Shapiro A.N., «On the theory of discharge coefficients for round-entrance flowmeters and Venturis», Trans ASME, 1956, v. 78, pp. 489-495.
8. «Критические расходомеры. Методика выполнения измерений массового расхода газа», Государственная система обеспечения единства измерений, ВНИИФТРИ, Казань: МИ 1538-86, 1986 г.
9. Юшко С.В. «Турбулентное нестационарное течение газа в сопле Витошинского», Вестник технологического университета, 2015, т.18, №19. С.115.
10. Юшко С.В. «Турбулентное стационарное течение газа в сопле Витошинского, результаты исследований интегральных характеристик течения», Вестник технологического университета, 2015, т.18, №19. С.125.
© С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, [email protected].
© S. V. Jushko - Dr. Sci. (Tech.), Head of the Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, [email protected].
