§ 45. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Измерение расхода дроссельными приборами
Осредненные расходы рабочего тела стационарных потоков измеряют дроссельными приборами (диафрагмами, соплами, соп лами Вентури). Все эти устройства создают местное сужение по тока в месте замера (рис. 205). В результате в месте сужения потока увеличивается скорость, а статическое давление понижается. По перепаду давлений в месте сужения и перед дросселем можно су-
Рис. 205. Приборы для изме рения расхода в трубах:
а — д и а |
ф р а г м о й ; б — |
мерным |
соплом; |
в — с о п л о м |
В е н т у р и |
5)
дить о среднем расходе рабочего тела в трубопроводе. Эта разность будет тем больше, чем больше расход протекающего рабочего тела. Пользуясь уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости и уравнением расхода, можно установить связь между расходом жидкости и перепадом статических давлений в дроссельном уст ройстве. В самом деле в сечениях / и / / статическое давление по стоянно, т. е.
|
|
_ |
Рг |
I |
Рі |
г |
2 - - |
р |
'Г 2 |
|
|
Р2 |
|
(индексы 1 и 2 соответственно относятся к сечениям / и / / ) .
Так как плотность жидкости практически можно считать неиз
менной, |
т. е. Рх = р 2 = р,.то |
получим I |
|
|
Pi—Pt |
= |
— |
|
|
V\F X = ѵ.гР* = F ц[іѵг, |
где p |
= |
FJFо — коэффициент сужения струи. Обозначив FJFx = |
= m, |
получим |
|
|
|
|
|
|
(344) |
О |
0,2 |
Ofi |
0,6 m |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
m |
Рис. 206. Длины прямых участков трубы до и после мер ного сечения
Для учета потерь, возникающих в результате дросселирования, введем коэффициент потерь £. Тогда, используя уравнение рас хода и уравнение (344), получим
G — Fü .fД-^= V2р(Рх-ра) |
= |
aF0у 2 р ( р х - p t ) , |
(345) |
где а = pÇ/]/l — u.2 m2 — коэффициент |
расхода, зависящий |
главным образом от типа суживающего устройства и числа Рейнольдса, ио не зависящий от рода протекающей жидкости.
Для учета сжимаемости рабочего тела в формулу (345) вводят поправку на сжимаемость е, тогда
G = asF0 ]/2р (рх — Рг).
Диафрагмы, сопла и сопла Вентури в настоящее время норма лизованы. Если они выполнены в соответствии с нормалями, то их можно применять без предварительной тарировки для измерений расходов в трубопроводах диаметром не менее 50 мм при одновре менном соблюдении условий для диафрагм 0,05 ^ m ^ 0,7, для сопел 0,05 m ^ 0,65 и для сопел Вентури 0,05 «S m ^ 0,6. Коэффициенты расхода а и поправки на сжимаемость е определяют по графикам, приведенным в нормалях.
Необходимая наименьшая длина прямых участков перед дрос сельными приборами зависит от типа местных сопротивлений перед и за ними (колен, угольников, задвижек вентилей, конических вставок и т. д.) и величин т. Результаты измерений в сечении на
расстоянии 2D от дроссельного прибора не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,3%. На рис. 206 приведены графики наименьшей длины прямого участка до и после дроссель ных приборов.
Измерение расхода с помощью |
|
|
|
|
|
|
|
|
входного |
насадка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В некоторых случаях при испытании компрессоров, газотур |
бинных двигателей и т. п. удобно пользоваться для |
измерения |
расхода |
входным |
насадком (рис. |
207). Контуры |
насадка плавные |
и выполняются по лемнискате. Для определения расхода в сечении |
i j |
|
|
|
|
I |
— / |
измеряют статическое |
I |
|
|
ние. Полное давление р* и темпе |
|
|
|
|
ратуру торможения Т* принимают |
|
|
|
|
равными |
полному давлению и тем |
|
|
|
|
пературе торможения перед насад |
р |
|
|
|
ком (в случае всасывания из атмо- |
|
|
J |
сферы, атмосферному |
давлению |
и |
-\\ |
|
' |
температуре |
наружного |
воздуха). |
|
/ |
|
|
Тогда, зная |
площадь насадка |
F, |
Рис. 207. |
Входной |
насадок |
для |
? |
помощью |
газодинамических |
измерения расхода |
|
функции |
можно |
определить рас |
|
|
|
|
ход через |
насадок. |
|
|
|
Зная |
л (к, k) |
= pip*, |
по таблицам находят q (к, |
k), |
а затем |
|
|
о = Ѵттт Ы т ) ^ F |
T |
W |
*>• |
|
В реальном случае в насадке происходит некоторое падение полного давления, которое учитывают при его предварительной тарировке. Иногда такой насадок называют лемнискатным.
Измерение расхода в цилиндрической трубе по полному давлению на оси трубы и статическому давлению
Данный способ является почти единственным при измерении малых расходов (в зазорах, утечек через лабиринтные уплотнения турбомашин), а также при измерениях расходов в трубках малого сечения (диаметром менее 150 мм). Полное давление на оси трубы измеряют датчиком полного давления (трубкой Пито). Отверстия для измерения статического давления делают в стенке трубы на расстоянии, равном диаметру трубы перед трубкой Пито. Такое смещение необходимо для того, чтобы избежать влияния загро мождения сечения трубкой Пито. Особенно это важно в трубах малого диаметра. Измерив р и р* (рис. 208), находят скорость на оси трубы
2 ( р * - р )
Величину р определяют с помощью газодинамических функ ций, замерив р, р* и Т*.
При ламинарном течении среднее значение скорости в трубе
тогда |
расход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'-'лам — |
2 |
|
|
|
|
В |
случае |
турбулентного течения значение средней |
|
скорости |
.в трубе можно вычислить по формуле |
Никурадзе |
|
|
где т 0 |
касательное напря |
V |
|
|
|
|
|
|
жение |
на |
внутрен |
|
|
|
|
|
|
|
ней |
|
поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
трубы. |
|
|
|
|
|
|
|
Тогда |
расход |
через трубу |
|
|
р' |
|
|
|
Q |
_ |
ѵ |
0р |
Рис. |
208. |
Измерение |
расхода |
в трубках |
|
|
Т |
С |
Р ^ |
' |
|
малого |
диаметра |
|
Формула |
для |
вычисления |
ѵср |
получена |
Никурадзе |
с учетом действительного распределения скоростей в сечении трубы.
§ 46. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В МАГНИТНОЙ ГИДРОГАЗОДИНАМИКЕ
Так же, как в гидрогазодинамике, ограниченность теоретиче ских методов решения некоторых задач и необходимость экспери ментальной проверки теоретических результатов приводит к экспе риментальному исследованию магнитогидродинамических явлений как для газообразного, так и для жидкого рабочего тела. Особенно это важно при исследовании двумерных задач с учетом перемен ности многих параметров по длине и сечению устройства. Для получения более полной информации о характеристиках потока необходимо найти такие величины, как температуру заторможен ного потока, плотность, давление, скорость и химический состав движущегося рабочего тела, а также электронную температуру, электропроводность и концентрацию заряженных частиц.
Для экспериментального исследования магнитогидродинамиче ских процессов и измерения газодинамических и термодинамиче ских параметров используются модельные и экспериментальные каналы МГД-преобразователей с газообразным рабочим телом, а также стенды для жидкометаллических МГД-устройств неболь шой мощности.
В качестве экспериментальных установок для определения характеристик плазмы могут быть использованы также аэродина мические плазменные трубы.
Главная цель экспериментов, как указано выше, состоит в точ
ном измерении параметров рабочего тела на исследуемом |
участке |
и параметров, возникающих в результате взаимодействия |
движу- |
Клин и конус при М>1
ФПампы
Вращающаяся Спектроскоп капера
Рис. 209. Схема измерений в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью
щегося проводящего рабочего тела с магнитным полем. Одна из типичных экспериментальных установок представлена на рис. 209, где показана схема измерений в трубе с открытой рабочей частью. В экспериментальных установках для исследований ионизирован ного потока применяют плазмотроны, высокотемпературные ка меры сгорания и другие нагревательные устройства.
Наиболее важными параметрами рабочего тела в магнитной гидрогазодинамике является его давление, температура и прово димость.
Измерение давления
Способы измерения давления по существу не отличаются от способов, изложенных в предыдущем разделе. Однако следует отметить, что особенности исследуемой среды требуют некоторых конструктивных изменений приемников, а именно, охлаждения приемников полного давления и сдува частиц легкоионизируемой присадки, конденсирующейся на корпусе приемника, и загромож дающих приемное отверстие. Приемник для измерения полного давления в таких средах требует специальной тарировки с учетом магнитного поля.
Необходимость тарировки трубки Пито для измерения скоро стей потока в сильном магнитном поле обусловлена повышением давления в передней критической точке приемника при обтекании его электропроводящим потоком из-за влияния поперечного ма гнитного поля. Вследствие этого необходимо вводить поправку,.
которая зависит от величины магнитного поля и электропровод ности потока, а точнее от параметра магнитного взаимодействия N или числа Стюарта, определенного по диаметру насадка.
Параметр магнитного взаимодействия, как было показано выше, прямо пропорционален диаметру d выбранного насадка, поэтому при постоянных значениях напряженности магнитного поля В п.скорости V потока можно получать различные значения чисел Стюарта, изменяя лишь диаметр насадка. Таким образом, можно экспериментально построить тарировочиую кривую зависимости
поправочного коэффициента |
к от числа Стюарта N. |
Поправочный |
коэффициент насадка при малых скоростях потока |
определяется |
по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
к = |
2 (р* - |
р)Ірѵ\ |
|
|
где р* — полное давление, |
замеряемое насадком, а р |
— статиче |
ское |
давление. |
|
|
|
|
|
|
При тарировке насадка расход рабочего тела, т. е. его плот |
ность и скорость, поддерживают постоянным (насадок |
расположен |
в цилиндрическом |
канале), |
а оси насадка и канала |
совмещаются. |
Зависимость Ар = |
р* — р |
— / (В) |
устанавливается при изменении |
только одного параметра |
В, |
т. е. величины .индукции |
приложен |
ного |
магнитного поля. Если сопоставить показания |
|
Ар насадков |
с разными диаметрами, то можно установить, что до некоторого значения индукции магнитного поля значения Ар этих насадков совпадают. Установлено, что число Стюарта, до которого насадки
не требуют тарировки, составляет Nx |
0,1. |
N. |
Рассмотрим течение при больших числах |
При течении проводящей жидкости в круглой трубке с непро |
водящими стенками, при сильном |
магнитном |
поле (На ^> 1) и |
последующем увеличении числа На профиль скорости практически не изменяется. При этом средняя скорость ѵср = 0,847um a x . Для ламинарного течения при нескольких значениях ѵ на профиле скоростей между осью трубы и стенкой по перепадам (р* — р) для разных значений В можно построить семейство кривых к — f (N). Причем одна из кривых соответствует началу заметной зависимо сти к = f (N). При последующем увеличении В скорость, соответ ствующую полученной зависимости, можно считать постоянной. В результате проведенной тарировки устанавливается зависи мость к = f (N), которая используется при корректировке резуль татов измерений скорости."
Измерение температуры
К методам измерений, пригодным для экспериментальных исследований в магнитной газодинамике, относятся: спектральный и другие методы измерения температуры, зондирование электро статическими зондами, использование электромагнитных волн и др. Развитие исследований по МГД-преобразованию, которое сопровождается увеличением тепловой мощности установок, тре-