Измерение малой воздушной скорости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 531.787

В. Н. ШИВРИНСКИЙ

ИЗМЕРЕНИЕ МАЛОЙ ВОЗДУШНОЙ СКОРОСТИ

Рассматривается комбинированный проточный приёмник давлений, обладающий высокой чувствительностью при измерении малых воздушных скоростей.

Ключевые слова: воздушный поток, малая скорость проточный приёмник.

На современных летательных аппаратах устанавливаются приёмники давлений для измерения воздушной скорости, содержащие две концентрические трубки. Внутренняя трубка открыта с торца навстречу потоку и служит для восприятия давления Рп воздуха при полном аэродинамическом торможении. Внешняя трубка с торца закрыта, но имеет ряд отверстий на боковой поверхности для восприятия статического давления Рст.

Такие приёмники имеют низкую чувствительность при измерении малых скоростей и большую погрешность от углов скоса потока. В то же время известны проточные приёмники воздушного давления, которые могут работать в условиях турбулентной атмосферы при больших углах скоса потока и выдавать значительно большие динамические давления при той же скорости полёта [1].

При помещении проточного приёмника [2] в воздушный поток в зоне щели для отбора давления скорость потока увеличивается, а его давление уменьшается, в результате увеличивается разность АР между полным давлением Рп встречного потока воздуха и давлением Р1 в зоне щели для отбора давления

АР = Рп - Р1 = рУ2/(2ш2), (1)

где р - плотность воздуха; V - скорость встречного потока воздуха; ш2 - коэффициент проточного приёмника (ш2 < 1).

Благодаря наличию проточного канала увеличивается чувствительность при измерении воздушной скорости и уменьшается погрешность от углов скоса потока. Но при измерении воздушной скорости такими приёмниками наблюдается уменьшение чувствительности из-за роста гидравлических потерь в проточном канале при уменьшении числа Рейнольдса, к тому же

© Шивринский В. Н., 2014

необходим дополнительный приёмник давления полного аэродинамического торможения.

Схема комбинированного проточного приёмника давлений, обладающего высокой чувствительностью при измерении малых скоростей и не требующего приёмника полного аэродинамического торможения, приведена на рис. 1 [3].

Корпус 1 содержит первый проточный канал 2, образованный конфузором 3 и выходным диффузором 4. Узкие части конфузора 3 и диффузора 4 расположены с зазором, образующим щель 5 для отбора давления Рь соединённую пневмотрассой 6 с регистрирующим прибором.

Второй проточный канал 7 образован конфу-зором 8 и выходным диффузором 9. Узкие части конфузора 8 и диффузора 9 расположены с зазором, образующим щель 10 для отбора давления Р2, соединённую пневмотрассой 11 с регистрирующим прибором.

Характеристики таких приёмников воздушных давлений во многом определяются гидравлическими потерями в проточном канале. Наименьшие гидравлические потери обеспечивают наибольшую чувствительность к скорости, наименьшую чувствительность к скосу потока и приемлемую повторяемость характеристик приёмника. Минимальные гидравлические потери в проточном канале обеспечиваются, если канал содержит следующие элементы: входной коллектор с радиусом Я = 0,2Б [4, 93, 103, диаграмма 3-4], переходящий в конический конфу-зор с углом сужения 45^50°, с диаметром узкой части Б и длиной сужающего участка I = Б [4, 94, 105, диаграмма 3-7]; диффузор с углом расширения 8^10°, начинающийся от щели отбора давления [4, 154, 174^177, диаграмма 5-2].

В предлагаемом приёмнике воздушных давлений кромки широких частей конфузоров 3, 8 выполнены с радиусом затупления Я = 0,2Б, где Б - диаметр узкой части конфузора 3. Длина I конфузоров 3, 8 равна диаметру Б узкой части

конфузора 3. Углы а! раствора конфузоров 3, 8 составляют 45^50°. Углы а2 раствора диффузоров 4, 9 составляют 8^10°. Диаметры Б1 узких частей диффузоров 4, 9 одинаковые и равны диаметру Б узкой части конфузора 3, диаметр Б2 узкой части конфузора 8 меньше диаметра Б узкой части конфузора 3.

Измеряемый поток воздуха ускоряется в кон-фузоре 3 проточного канала 2, при этом давление потока уменьшается. Так как параметры проточного канала 2 имеют минимальные гидравлические потери, то давление Р1 в зоне щели 5 отбора давления будет минимальным.

Аналогично, в проточном канале 7 поток также ускоряется, но так как в этом канале Б2 < Б1, то гидравлические потери больше и давление Р2 в зоне щели 10 отбора давления будет больше, чем давление Р1. В результате разность АР давлений (Р2 - Р1), отбираемых из щелей 10, 5, больше нуля и зависит от скорости воздушного потока.

I

Результаты экспериментального исследования приёмника [2] приведены на рис. 2 и рис. 3, где 12 - зависимость изменения Ат2 коэффициента проточного приёмника давления от отношения диаметров Б/01 узких частей конфузор-ного и диффузорного участков; 13 - зависимость коэффициента т2 от скорости воздушного потока при Б = Б1.

При уменьшении отношения Б/01 коэффициент т2 увеличивается, что приводит к уменьшению чувствительности по скорости. Наибольшую чувствительность имеет приёмник, у которого Б = Б1.

При скорости менее 40 км/ч (рис. 3, зависимость 13) наблюдается увеличение коэффициента т2, что приводит к уменьшению чувствительности приёмников [2] при измерении малой воздушной скорости.

Рис. 1. Комбинированный проточный приёмник воздушных давлений

Рис. 2. Зависимость изменения коэффициента проточного приёмника давления от отношения диаметров узких частей конфузорного и диффузорного участков

Результаты экспериментального исследования приёмника [3] приведены на рис. 3, 4, где 13 -зависимость коэффициента т12 канала 2 от скорости воздушного потока при Б = Б1; 14 - зависимость коэффициента т22 канала 7 от скорости воздушного потока при Б2 < Б; 15 - зависимость чувствительности комбинированного приёмника воздушных давлений от скорости потока.

0,5

0,4

0,3

0,2

0 20 40 60 V, км/ч

Рис. 3. Зависимости коэффициентов проточных приёмников от скорости воздушного потока

Зависимости разности полного давления Рп и давлений Р1, Р2 в узких сечениях 5, 10 проточных каналов 2, 7 от скорости потока и коэффи-

22

циентов т1 , т2 можно записать в виде

Рп - Р1 = рУ2/(2т12);

Рп - Р2 = рУ2/(2т22), (2)

где р - плотность воздуха;У - скорость воздушного потока; т12, т22 - коэффициенты проточных каналов 2, 7.

Тогда разность АР давлений (Р2 - Р1), отбираемых из щелей 10, 5, может быть представлена в виде

АР = Р2 - Р1 = КрУ2/2, (3)

где К = (т22 - т12)/(т22 х т12) - чувствительность комбинированного проточного приёмника воздушных давлений.

2 2 т2 ~ т1

\

\

V15

0 20 40 60 V, км/ч

Рис. 4. Зависимость чувствительности комбинированного проточного приёмника от скорости воздушного потока

Так как Б2 < Б, то конфузор 8 при одной и той же скорости воздушного потока работает при меньшем числе Рейнольдса, нежели конфу-зор 3. В результате в проточном канале 7 гидравлические потери при уменьшении скорости потока растут быстрее, чем в проточном канале 2, последнее приводит к более интенсивному возрастанию коэффициента т22 по отношению к коэффициенту т12.

Таким образом, чувствительность комбинированного приёмника воздушных давлений при уменьшении скорости потока возрастает (рис. 4, зависимость 15).

Исследования показали, что предлагаемый комбинированный проточный приёмник воздушных давлений не требует наличия приёмника полного давления, имеет более высокую чувствительность при измерении малых скоростей по сравнению с существующими приёмниками воздушных давлений и может найти применение на транспорте для измерения скорости летательного аппарата, например, вертолёта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шивринский, В. Н. Исследование проточных приёмников воздушных давлений / В. Н. Шивринский. - Ульяновск : УлГТУ, 2013. -132 с.

2. А. с. 672526 СССР, МКИ в 01 Ь 19/00. Приёмник статического давления / В. Н. Шив-ринский, Е. М. Нашатыркин (СССР). -№2363955/18-10 ; заявл. 24.05.1976 ; опубл. 05.07.1979, Бюл. №25. - 2 с.

3. Пат. 137375 Российской Федерации на полезную модель, МПК в01Ь 19/00 (2006.01). Комбинированный приёмник воздушных давлений / В. Н. Шивринский ; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет - №2013132605/28 ; заявл. 12.07.2013 ; опубл. 10.02.2014, Бюл. №4. - 2 с.

4. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. - М. : Машиностроение, 1975. - 559 с.

Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.