Автор: Горбунов Г.М. Солохин Э.Л.
Теги: техника средств транспорта авиация двигатели авиационное оборудование
Год: 1967
Текст
ИСПЫТАНИЯ АВИАЦИОННЫХ
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ
I
ДВИГАТЕЛЕЙ
ч
I
Д on ущ ено
Министерством высшего и среднего
специального образования РСФСР
е качестве учебного пособия
для высших технических учебных заведений
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«МА Ш И И О С Т Р О Е Н И Е»
Москва 1967
УДК 629.13.03 : 621.454.001.4
В кдиге приводятся классификация испытаний ВРД по
назначению и последовательности проведения, а также техно-
логия и особенности испытаний. Даются схемы н описание
работы современных испытательных стендов, их узлов и аг-
регатов, типовые методики определения основных параметров
и характеристик ВРД, основные сведения об измерениях и
измерительных приборах.
Рассматриваются схемы и устройство приборов, применяе-
мых при испытаниях, а также специальные методы испытаний,
включая методы раннего обнаружения дефектов ВРД. Уделено
внимание испытаниям по отработке высокой надежности
и большого ресурса ВРД, а также методам физического моде-
лирования испытаний отдельных узлов ВРД. Приводятся спо-
собы обработки опытных данных, осреднения потоков, основ-
ные положения теории ошибок. Излагаются вопросы техники
безопасности при проведении испытаний.
Учебное пособие предназначено для студентов авиационных
вузов. Табл. 13, иллюстр. 153, библ, 28 наэв.
Рецензенты: кафедра авиадвигателей КАИ и канд. техи. наук В. М. Акимов
3-18-6
5-67
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных
двигателей идет по пути увеличения скоростей газа в различных эле-
ментах тракта двигателя, снижения его удельного веса, применения
новых материалов, выдерживающих большие нагрузки и высокие
температуры. Непрерывно совершенствуются конструкции различ-
ных узлов и технология их изготовления.
Изучение сложных физических явлений, происходящих на раз-
личных участках тракта двигателя, и их взаимозависимости в ряде
случаев требует длительного времени. Поэтому наряду с предвари-
тельными инженерными расчетами приходится экспериментально
проверять работу отдельных элементов, узлов, агрегатов и двигате-
лей в целом.
Назначение испытаний, проводимых в процессе создания и отра-
ботки конструкции новых двигателей, состоит в выяснении особен-
ностей работы элементов двигателя, в различных условиях, полу-
чении характеристик различных систем, агрегатов и двигателя в це-
лом, выяснении надежности работы деталей при длительной
эксплуатации.
В процессе производства серийных двигателей испытаниям под-
вергается большинство агрегатов двигателя (топливные Насосы,
регуляторы, пусковые агрегаты и т. д.) и двигатель в целом. Назна-
чение испытаний в этом случае состоит в проверке соответствия ха-
рактеристик двигателя и его агрегатов техническим условиям, а
также в выяснении надежности его работы. Эти испытания являют-
ся последним этаном в технологическом процессе производства
авиационного двигателя.
Принципиальное различие рабочих процессов в воздушно-реак-
тивных и в поршневых двигателях потребовало разработки нового
оборудования, приборов и новых методов исследования для испыта-
ний ВРД. Этим в основном занимались те организации, в которых
создавались и исследовались воздушно-реактивные двигатели, т. е.
опытные конструкторские бюро и научно-исследовательские инсти-
туты. Особую роль в разработке .методов испытаний воздушно-реак-
тивных двигателей сыграли коллективы опытных конструкторских
бюро, руководимые главными конструкторами А. М. Люлька,
217 з
С. К. Туманским, В. Я. Климовым, Н. Н, Кузнецовым, М. М. Бонда-
рюком — пионерами в области развития этих двигателей.
Следует отметить, что общие принципы организации заводских
испытаний, выработанные и проверенные в многолетней практике
производства поршневых авиационных двигателей, были в основном
использованы при разработке методов заводских испытаний воз-
душно-реактивных двигателей, хотя техника испытаний, оборудо-
вание, приборы и измерительная аппаратура коренным образом из-
менились.
Основу учебного пособия составил материал лекций, читавшихся
в МАИ Л. Б. Евангуловым, В. М. Акимовым, Л. С. Скубачевским и
авторами книги по одноименному курсу.
Авторы стремились обобщить опыт, накопленный отечествен-
ными и зарубежными научно-исследовательскими институтами и
конструкторскими бюро по методике испытаний авиационных воз-
душно-реактивных двигателей и их агрегатов.
Авторы выражают признательность рецензентам книги канд.
техн, наук В. М. Акимову и коллективу кафедры, руководимой
Ю. К. Застела, а также заведующему кафедрой «Охрана труда»
МАИ канд. техн, наук, доц. Н. И. Колотилову за ценные замечания
по содержанию книги.
Авторы благодарят В. И. Битирякову и Е. Я. Родионовскую за
большую помощь в оформлении рукописи.
Глава I
ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ВОЗДУШНО-
РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
§ 1. РЕЖИМЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ ВРД И КЛАССИФИКАЦИЯ
ИСПЫТАНИЙ
Для единообразной оценки напряженности работы двигателя
и влияния различных условий на изменение основных параметрон
рабочего процесса при испытаниях и в эксплуатации пользуются
следующей номенклатурой режимов работы двигателя и его харак-
теристик.
Режимы
Номинальный — расчетный режим.
Взлетный — режим максимальной -тяги с ограниченным време-
нем работы (5—10 мин) в наземных условиях.
Крейсерский--режим пониженной (по сравнению с номиналь-
ным) тяги. Крейсерские режимы задаются в % от номинального, их
продолжительность не ограничивается (в пределах ресурса),
Форсированный—режим повышенной тяги, получаемой за счет
работы форсажной камеры, впрыска воды и т, д. Эти режимы раз-
личают по степени форсажа в % от бесфорсажной максимальной
тяги.
Основные характеристики
К основным характеристикам ВРД относятся дроссельная и
высотно-скоростная.
Дроссельной характеристикой ТРД называют зависимости тя-
ги R, удельного расхода топлива суд и температуры газов за тур-
биной Т* от числа оборотов п при постоянных высоте Н и скорости
полета и. Эту характеристику для каждого двигателя снимают при
стендовых испытаниях, поэтому ее часто называют стендовой или
тяговой характеристикой.
Дроссельная характеристика ПВРД — это зависимость суя от R
при Н -const и a = const.
5
Под дроссельной характеристикой ТВД понимают зависимость
эквивалентной мощности Л'вкв, температуры газов за турбиной Т\
и удельного расхода топлива от числа оборотов, расхода топлива
или утла поворота дросселя указателя расхода топлива (УПРТ).
Высотно-скоростной характеристикой всех ВРД, включая л
ПВРД, называют семейство зависимостей тяги и удельного расхо-
да от скорости полета для различных высот полета (при постоянном
положении рычага управления двигателем — РУД). Эту характе-
ристику снимают, как правило, при испытании па специальном «вы-
сотном» стенде.
При одном и том же числе оборотов параметры рабочего про-
цесса двигателя в значительной степени зависят от температуры и
давления воздуха на входе в двигатель. Так, например, если взять
возможные для широты Москвы отклонения давления и температу-
ры атмосферного воздуха на уровне земли, то при температу-
ре —ЗСЙ С удельный расход топлива при постоянных физических
оборотах двигателя будет на 10% меньше, чем при 4-30° С, а тяга
при давлении 770 ж.и рт. ст. на 7% больше, чем при 720 мм рт. ст.
Следовательно, сравнивать качество рабочих процессов различных
экземпляров двигателей можно только при одинаковых атмосфер-
ных условиях. Для сравнительной оценки двигателей строят их ха-
рактеристики при так называемых нормальных атмосферных усло-
виях: температуре -f-15°С, давление 760 мм рт. ст. и абсолютной
влажности d—6.
Однако, поскольку создавать нормальные атмосферные условия
на входе в двигатель в различное время года и суток затруднитель-
но, пользуются методом построения характеристик по приведенным
параметрам. Используя формулы, полученные на основе теории
подобия, н результаты измерений во время эксперимента, подсчи-
тывают параметры рабочего процесса двигателя, которые он разви-
вал бы в нормальных атмосферных условиях. Эти формулы назы-
ваются формулами приведения, а полученные по ним параметры —
приведенными параметрами.
Формулы приведения:
лГ = л* 76».
Лд-чр Ar’i'JM ------,
Во
- т* 28й
1 г.up — г г.чзи ;
‘ о
(1- 1>
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
6
Л> _____ ZJ ,
rrn c >
&0
(1.6)
(1.7)
Здесь индексом «пр» отмечены приведенные параметры, индексом
«О»__параметры воздуха на входе, индексом «изм»—параметры,
измеренные при испытании.
Формулы приведения получены в предположении наличия гео-
метрического и кинематического подобия и равенства чисел М в
диффузоре, сопле и турбокомпрессорной группе двигателя в усло-
виях испытания и при нормальных атмосферных условиях, а также
при неизменности показателей рабочего процесса основных и фор-
сажных камер сгорания (коэффициентов потерь, коэффициентов вы-
деления тепла и др.)- Эти формулы приближенные, так как не учи-
тывают изменение теплоемкости воздуха и геометрических размеров
двигателя (в первую очередь зазоров) в зависимости от температу-
ры, а также влажности воздуха.
Приведенные параметры используют и при построении высотно-
скоростных характеристик, так как давление и температура воздуха
на одной и той же высоте меняются по широтам, а на одной широ-
те— по временам года и суток. За нормальные атмосферные усло-
вия принимаются давление и температура для данной высоты, соот-
ветствующие Международной стандартной атмосфере (MCA).
Классификация испытаний
Все виды испытаний ВРД по их назначению и <в последователь-
ности создания ВРД можно классифицировать следующим обра-
зом:
1. Исследовательские испытания агрегатов, узлов и двигателей
в целом.
2. Доводочные стендовые и лстные испытания опытных образцов
ВРД, их узлов и агрегатов.
3. Государственные испытания ВРД.
4. Заводские испытания серийных ВРД.
Подобная классификация испытаний ВРД до некоторой степени
условна, так как на практике встречаются случаи тесного перепле-
тения различных задач, решаемых при испытаниях. Так, например,
длительные стендовые испытания на серийном заводе для проверки
надежности лопаток турбины, изготовленных по различной техноло-
гии, являются заводскими технологическими испытаниями. В то же
время это—составная часть исследовательской работы по выявле-
нию оптимальной технологии изготовления лопаток турбины.
§ 2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Создание нового двигателя, отличающегося от предыдущих схе-
мой и принципом действия, применением новых конструкционных
7
материалов, более высокими механическими и тепловыми нагрузка-
ми, лучшими удельными и абсолютными показателями работы
и т. д„ основывается на различных исследовательских испытаниях.
Программы и задачи подобных испытаний весьма разнообразны.
Здесь могут решаться общетеоретические и чисто прикладные
задачи.
Объектами исследовательских испытаний обычно являются от-
дельные узлы ВРД: входное устройство, компрессор, основная и
форсажная камеры сгорания, турбина, сопло, агрегаты питания и
регулирования двигателя. При исследовании узлов ставятся задачи
изучения газодинамических, физических и химических процессов, из
которых складывается рабочий процесс двигателя, изучаются его
основные характеристики, влияние на них внешних условий и т. д.
Часто конечной целью исследовательских испытаний является
разработка методов расчета и рационального конструирования
узлов двигателя, а также накопление необходимого для этих целей
справочного материала. Исследования полноразмерных основных
узлов двигателя требуют стендового оборудования со значительны-
ми мощностями. Например, для испытания полноразмерных ком-
прессоров современных ГТД в наземных условиях потребовался бы
привод, позволяющий изменять число оборотов в пределах от 3000
до 15 000 об!мин и мощностью 20 000—40 000 л. с. и более. Поэтому
для снижения стоимости испытаний, когда это возможно, прибегают
к моделированию и испытаниям уменьшенных моделей узлов.
Моделирование, кроме того, позволяет проводить эксперимент в
более удобных условиях (при пониженных температурах, при при-
емлемом давлении и т. д.). Наилучшие, результаты достигаются
при моделировании узлов, рабочие процессы которых относительно
просты и ограничиваются одними газодинамическими явлениями
(например, входные устройства). Удовлетворительные результаты
получаются при исследовании ряда процессов на модельных ком-
прессорах и турбинах. .Моделирование камер сгорания разработано
еще недостаточно. Трудность заключается в совместном моделиро-
вании процессов распиливания, испарения топлива и сгорания сме-
си, а также моделировании акустических явлений.
Программы исследований полноразмерных двигателей могут
включать вопросы шумоглушения, реверса тяги, влияния темна на-
растания нагрузки и ее цикличности на ресурс и др.
Значительное место в исследовательских работах уделяется про-
блемам распиливания, испарения и сгорания топлив в скоростном
воздушном потоке, процессам вибрационного сгорания, весьма опас-
ным для двигателя. Особую актуальность имеют исследования рабо-
ты камер сгорания в высотных условиях, где все основные парамет-
ры, характеризующие процессы горения, ухудшаются.
Исследовательские работы проводятся по заранее разработан-
ной методике. Методика является важнейшим первоначальным на-
учным документом, определяющим цели, средства и способы полу-
чения необходимых данных. Составление ноной оригинальной мето-
8
дики занимает обычно длительное время, требует больших усилий
и высокой квалификации ее создателей. Методика до ее утвержде-
ния подробно обсуждается в научном коллективе, а после утвер-
ждения является основным документом для проведения исследо-
вания.
Методика проведения исследовательских работ содержит:
1. Четкую постановку целей исследования.
2. Описание объекта исследования с .характеристикой его раз-
меров, известных свойств и т. д.
3. Описание принципиальной схемы имеющегося или разрабо-
танного для испытания объекта экспериментального стенда, позво-
ляющего производить все необходимые измерения и наблюдения.
4. Описание предполагаемой к использованию стандартной и
специальной измерительной аппаратуры с указанием требуемой
точности определения измеряемых величин.
Если поставленная задача исследования не может быть решена
с помощью обычно применяемых стандартных приборов, то дается
описание специально разработанной аппаратуры, ее характеристик,
способов тарировки, использования и обработки полученных дан-
ных.
5. Разработку программы исследования: рабочие параметры, ко-
торые должны быть заданы при испытании объекта, последователь-
ность установления режимов работы, способы перехода с одного
режима на другой, длительность работы и количество замероп на
каждом режиме и т. д. Программа может быть детализирована до
разработки форм протоколов испытаний и условного обозначения
предполагаемых опытов.
6. Описание способа обработки первоначальных данных. При-
водятся используемые при этом тарировочные и иные вспомога-
тельные графики и таблицы, расчетные формулы и указывается, в
каком виде должны быть представлены полученные опытные дан-
ные.
В ряде случаев в методике дается теоретическая разработка во-
проса, подлежащего изучению. Это позволяет заранее предсказать
изменение определяемых параметров по независимым переменным
и более четко выявить величины и зависимости, которые следует
получить или уточнить при проведении опыта.
Исследовательские испытания ведутся лабораториями ОКБ,
НИИ и вузов по заданию планирующих организаций или по дого-
ворам с заинтересованными предприятиями.
§ 3. ДОВОДОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ВРД
В расчетах, на основании которых выбираются основные пара-
метры и геометрические размеры узлов вновь создаваемого дви-
гателя, невозможно учесть все особенности его рабочего процесса;
еще более трудно учесть расчетным путем влияние работы одного
узла на другой. Поэтому каждый вновь создаваемый двигатель
9
проходит серию доводочных испытаний, в ходе которых решаются
следующие задачи:
1. Совершенствование рабочего процесса двигателя и системы
регулирования в наземных условиях до тех пор, пока не будут по-
лучены параметры, требуемые техническим заданием,
2. Отработка конструкции элементов двигателя и проверка
правильности выбора материалов и технологии изготовления де-
талей для обеспечения прочности и надежности изделия.
3. Выявление влияния высоты, скорости полета, различных
атмосферных условий на работу двигателя.
4. Определение ресурса работы двигателя и проверка меро-
приятий, направленных на его увеличение.
5. Выяснение влияния условий летной эксплуатации (програм-
мы полетов, типа самолета, на котором установлен двигатель) на
работу двигателя.
Во время доводочных испытаний большое внимание уделяется
отработке эксплуатационных свойств двигателя (запуск, прие-
мистость. устойчивость работы компрессора, высотный запуск фор-
сажной камеры, надежность противообледенительных устройств
и др.).
Эти задачи решаются при испытаниях полноразмерных двига-
телей: на стенде в наземных условиях, на стендах, имитирующих
высотные, скоростные и климатические условия, на летающей
лаборатории и на самолете, для которого двигатель предназначен
(см. гл. II, § 2—5). Доводочным испытаниям подвергаются также
отдельные узлы двигателя на стендах, аналогичных стендам для
проведения исследовательских работ (см. гл. 111).
Доводочные испытания полноразмерного двигателя имеют
свои преимущества: каждый из узлов работает в тех же условиях,
что и при эксплуатации на двигателе; результаты испытания позво-
ляют учесть взаимное влияние узлов друг на друга; не требуется
дополнительных источников сжатого воздуха и мощности.
Однако доводка полноразмерного двигателя в целом имеет
также и свои недостатки: при одновременном появлении несколь-
ких дефектов значительно усложняется выяснение причин их воз-
никновения; для выяснения характеристики отдельного узла, при
условии его работы в системе двигателя, возможности изменения
той или иной переменной весьма ограничены; несовершенство рабо-
чего процесса одного из узлов двигателя может отразиться и па ра-
боте смежных узлов, Так, например, возникновение вибрационного,
сгорания в камере может вызвать неустойчивость работы компрес-
сора и вибрации корпуса двигателя. Недопустимая неравномер-
ность температурного поля на выходе из камеры сгорания может
привести к разрушению лопаток турбины.
Поэтому, как правило, если позволяют возможности оборудова-
ния, проводятся отдельные доводочные испытания большинства
основных узлов двигателя. Такие испытания позволяют получить
10
более полные снедения о работе каждого узла в широком диапазоне
изменения режимов, снять характеристики и определить оптималь-
ные условия его работы.
В ряде случаев доводочные испытания отдельных узлов двига-
теля могут носить характер исследовательских испытаний. Как бы
ни были отработаны узлы двигателя, окончательное суждение об их
работе может быть получено только при их испытаниях з системе
двигателя. Поэтому заключительным этапом стендовых доводочных
испытаний всегда будет испытание полноразмерного двигателя.
Доводочные испытания имеют ряд особенностей, отличающих
их от других видов испытаний,
1. Приходится иметь дело с реальной конструкцией двигателя,
которая нс всегда удобна для получения интересующих конструк-
тора сведений (например, КПД компрессора и турбины), что тре-
бует большой изобретательности при проведении испытаний.
2. Расчетного ресурса, как правило, оказывается недостаточно
для проведения всего комплекса доводочных работ, требующих
работы двигателя в течение нескольких тысяч часов. Поэтому до-
водка осуществляется на нескольких двигателях (иногда на не-
скольких десятках двигателей).
3. Для выяснения причин дефектов приходится увеличивать
количество измерений, что может уменьшить надежность узлов
двигателя, повлиять на рабочий процесс и величины измеряемых
параметров. Поэтому п ходе испытаний количество измерений по-
степенно уменьшают; к концу испытаний оно должно соответство-
вать штатной схеме.
4. Для проверки качества выполнения отдельных условий тех-
нического задания на проектирование нового двигателя приходится
создавать новые, подчас уникальные экспериментальные стенды.
Для ускорения доводочных работ целесообразно проектировать
и изготовлять эти стенды одновременно с проектированием и из-
готовлением двигателя.
5. Во время испытаний необходимо особенно тщательно изучать
влияние конструкции стенда на условия работы двигателя. Стенд
не должен создавать дополнительных (не возникающих во время
эксплуатации) нагрузок на узлы и корпус двигателя.
На стендовых испытаниях устраняют основные недостатки кон-
струкции, влияющие на прочность, надежность и показатели работы
двигателя. В настоящее время определились виды испытаний, обя-
зательные при доводке каждого двигателя, помимо дополнитель-
ных испытаний, вызванных особенностями его конструкции. К обя-
зательным испытаниям в первую очередь относятся: тензометрнро-
вание лопаток компрессора и основных силовых деталей, термо-
метрирование основных горячих узлов, определение границ устой-
чивой работы двигателя, вибрографирование двигателя, испытания
с самолетным воздухозаборником или соответствующим имитато-
ром на входе, определение непробиваемости корпусов при обрыве
лопаток, определение надежности работы устройств, обеспечиваю-
11
|цих флюгирование винтов (для ТВД), проверка пусковой аппа-
ратуры.
Однако обычные стендовые испытания не позволяют проверить
качество работы двигателя при различных значениях давления
и температуры воздуха, соответствующих различным высотам и ско-
ростям полета, а также в различных климатических условиях.
Чтобы имитировать высотные и скоростные условия, строят стенды
с наддувом и подогревом воздуха на входе в двигатель, с разреже-
нием на срезе сопла. Но самое широкое и многообразное изменение
внешних условий достигается в термобарокамерах (ТБК) — слож-
ных и энергоемких установках.
Несмотря на большую стоимость каждого часа испытаний
в ТБК, продолжительность работы двигателей в процессе доводки
достигает нескольких сот часов. В ТБК снимают высотные и ско-
ростные характеристики двигателя, проверяют работу форсажных
камер при давлениях ниже атмосферного, прочность двигателя
и отсутствие вибраций лопаток компрессора при повышенном дав-
лении на входе, работу масляной и пусковой систем при различных
температуре и давлении воздуха.
Но и в ТБК невозможно создать всех летных условий эксплуа-
тации. В них, например, трудно воспроизвести условия работы
двигателя при переходных режимах на различных высотах и скоро-
стях полета, определить влияние эволюций самолета на работу
двигателя. Поэтому на последних этапах стендовых испытаний или
по их окончании двигатель проходит летные доводочные испытания.
Поскольку еще не может быть гарантии в безопасности работы
с данным двигателем в условиях полета, первый этап лстных испы-
таний проводится на самолете — летающей лаборатории. Основную
тягу здесь создают другие (серийные) двигатели. Испытуемый же
двигатель устанавливают в фюзеляже или на пилоне. На входе
в двигатель п на выходе из него создают по возможности такие
условия, какие должны быть на самолете, для которого предназ-
начается двигатель. На этом этапе летных испытаний устраняются
дефекты в работе двигателя, обнаруженные при его испытаниях
в диапазоне скоростей и высот, обеспечиваемых летающей лабора-
торией. Однако для скоростных самолетов этот диапазон оказы-
вается значительно суженным. Поэтому второй этап летных дово-
дочных испытаний проводится непосредственно на самолете (или
самолетах), для которого предназначается испытуемый двигатель.
Здесь вся силовая установка проходит проверку во всем рабочем
диапазоне высот и скоростей и выясняется окончательно ее соответ-
ствие техническим условиям.
§ 4. государственные испытания
После доводочных работ двигатель предъявляется на государ*
ственные испытания. В задачу государственных испытаний входит:
12
1. Установление соответствия параметров испытуемого двига-
теля параметрам, заданным техническими условиями.
2. Проверка первоначального ресурса и эксплуатационной на-
дежности двигателя.
3. Определение стабильности основных параметров двигателя
в течение заявленного ресурса.
4. Установление эталона двигателя для серийного производства.
Государственные испытания проводятся государственной ко-
миссией на тех же стендах и самолетах, на которых проводились
доводочные испытания. Программа испытаний заранее разраба-
тывается на основании технического задания на проектирование
и анализа истории создания и доводки двигателя (проектной доку-
ментации, технических отчетов, выпускаемых ОКБ при проведении
каждого вида доводочных испытаний). На государственных испы-
таниях снимаются характеристики двигателя, проводится тензомет-
рирование лопаток, порежимное вибрографированне двигателя,
длительные испытания на первоначальный ресурс, испытания на
высотных и климатических стендах, летные испытания. Успешное
завершение государственных испытаний служит основанием для
рекомендации нового двигателя в серийное производство.
§ 5 ЗАВОДСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СЕРИЙНЫХ ВРД
Заводские испытания серийных двигателей проводятся с целью
проверки качества изготовления и сборки деталей, соответствия
основных показателей работы двигателей заявленным параметрам,
а также проверки надежности. На проведение таких испытаний
затрачивается часть ресурса, а испытание надежности требует
полного расхода ресурса. Поэтому в авиации принята такая си-
стема заводских испытаний, при котрой все выпускаемые двигатели
подвергаются кратковременным сдаточным и контрольным испы-
таниям для проверки качества сборки и основных параметров ра-
бочего процесса, и лишь некоторые двигатели выборочно, например,
один двигатель из месячного или квартального выпуска после сда-
точных и контрольных испытаний подвергается длительному испы-
танию для проверки ресурса двигателя и стабильности основных
параметров рабочего процесса. Исли двигатель не выдерживает
длительных испытаний, то вся партия двигателей Данной серии,
изготовленных после предыдущих длительных испытаний, может
быть не принята заказчиком. В этом случае завод-изготовитель
выясняет- причины обнаруженных Дефектов, устраняет их за свой
счет на всех двигателях и принимает меры к тому, чтобы они не
появились в дальнейшем. Затем проводятся повторные испытания
нс менее двух двигателей из партии. Появление дефектов при по-
вторных испытаниях приводит к выбраковке всей партии дви-
гателей.
13
Кратковременные испытания
Кратковременным (сдаточным и контрольным) испытаниям
подвергаются все двиг,чтелн, собранные заводом из новых деталей
н агрегатов, а также двигатели, отремонтированные после отра-
ботки установленного ресурса.
Сдаточные испытания. На сдаточные испытания поступают все
двигатели, выпускаемые заводом после их первой сборки. Сдаточ-
ные испытания проводятся с целью проверки качества сборки дви-
гателя, приработки деталей и узлов двигателя, отладки агрегатов
п проверки соответствия параметров двигателя заявленным.
В документации по проведению сдаточных испытаний указы-
ваются параметры двигателя и агрегатов с допустимыми отклоне-
ниями, сорта топлива, смазки и методы их контроля, устанавли-
вается предел допустимых виброперегрузок, указываются вели-
чины, подлежащие измерениям. К ним относятся: обороты двига-
теля, часовой расход топлива, давления топлива, масла в различ-
ных пунктах, температура масла, газов и окружающего воздуха,
а также время и моменты срабатывания органов регулирования
(автомата регулирования угла установки лопастей винта, клапа-
нов перепуска воздуха и т. д.). Указываются марки применяемых
приборов и их краткие характеристики. Далее приводится про-
грамма подготовки и проведения испытаний *.
Двигатель с обменного пункта транспортируется на испыта-
тельную станцию зачехленным. Перед креплением на станок тща-
тельно осматривается его корпус, агрегаты, все трубопроводы и
электропровода. Устраняются обнаруженные дефекты.
В соответствии с требованиями инструкции двигатель устанав-
ливается на станок, крепится, подсоединяются все его коммуника-
ции, устанавливается воздухозаборник, подключаются приборы
измерения температур и давлений масла, топлива и воздуха. На
двигатель устанавливается и центрируется воздушный винт. На
специальных кронштейнах крепятся вертикальные и горизонталь-
ные внбродатчики. Монтируются системы обдува агрегатов двига-
теля и отбора воздуха, производится наружная промывка бензином
и обдувка сжатым воздухом. Проверяется крепление двигателя,
надежность присоединения коммуникаций и приборов, чистота дви-
гателя и испытательного бокса.
Разрешение на запуск, оформляемое протоколом, дают старший
бигадир и мастер ОТК после проверки готовности двигателя
ц бокса.
При подготовке к запуску в двигатель нагнетается масло. Для
этого проворачивают винт от руки до появления масла из сливных
кранов. Проверяется положение крапов, затем открываются
ворота на всасывании и выхлопе. Некоторые испытательные стенды
* Ниже в качестве примера в сокращенном виде приводятся программы
заводских испытаний турбовинтового двигателя АИ-20.
14
оборудуются световыми схемами, указывающими положения
органов регулирования двигателя и установки, и блокирующими
устройствами, не позволяющими запустить двигатель, если какой-
либо из важных органов регулирования и управления не приведен
а рабочее положение.
Затем выполняется регламент собственно сдаточных испытаний.
Проверяется легкость вращения ротора двигателя. Производится
ложный запуск с выключенным зажиганием, при котором в тече-
ние 30 сек двигатель прокручивается стартер-генератором; прове-
ряется работа дренажа топлива из камер сгорания. Выполняется
холодная прокрутка при выключенном зажигании и измеряется
давление масла и топлива. Записываются показания вибродатчи-
ков. Производится запуск. На режиме малого газа проверяется
правильность работы двигателя, агрегатов и показаний приборов.
При обнаружении каких-либо ненормальностей в работе двигателя
и систем запуск прекращается,
Если дефектов не обнаружено, испытания продолжаются в по-
следовательности, предусмотренной программой. Вначале произво-
дится несколько запусков, в процессе которых проверяется работа
двигателя па различных режимах, осуществляется регулировка,
отладка на заданные параметры, замеряются виброперегрузки.
После остановок двигатель осматривается. Затем следует режим-
ная работа — снятие дроссельной характеристики и проверка прие-
мистости.
Во время режимной работы проверяется работа агрегатов и
автоматики регулирования винта, производится регулирование
параметров двигателя. Для рассматриваемого в качестве примера
двигателя ЛИ-20 перед запуском лимб у-корректора устанавли-
вается на деление, соответствующее удельному весу топлива. После
запуска соответствующими регулировочными винтами на командно-
топливном агрегате и масляном насосе устанавливается заданное
число оборотов малого газа, давление топлива и масла, расход топ-
лива на режиме надета, обеспечивающий заданную мощность дви-
гателя. Кроме этого, регулируются обороты отключения стартср-
генератора, закрывания клапанов перепуска воздуха. После окон-
чания сдаточных испытаний органы регулирования пломбируются,
производится осмотр двигателя, его агрегатов н фильтров.
Если испытания окончены, двигатель запускают и после про-
грева переводят на питание трансформаторным маслом до тех пор.
пока масло не заполнит топливную систему. После такой консер-
вации двигатель еще раз осматривают и приступают к окончатель-
ному оформлению протокола испытаний. В процессе испытаний
в протокол заносятся сведения о сортах топлива и масла, номера
агрегатов, смонтированных на двигателе, время начала и копна
переходов, время выхода на режим, срабатывания агрегатов авто-
матики и т. д. Расход топлива измеряется объемным расходомером.
Основные параметры работы двигателя (см. рис. 1. 1) изме-
ряют после трех минут работы двигателя на данном режиме.,
15
Расход масла определяется по убыли масла в бачке за время
режимной работы. По результатам измерений рассчитывают
основные параметры двигателя, результаты которых также зано-
сятся в протокол.
В протокол записывают все работы по устранению дефектов
и замене агрегатов. При непредвиденной остановке двигателя
подробно описывается ее причина и перечень последующих работ.
Длительность работы двигателя ЛИ-20 при проведении сдаточ-
ных испытаний составляет 1,5—2,0 часа. После осмотра двигателя
Рис. 1. 1. Места измерений на двигателе АИ-20:
/—измерение температуры газов за турбиной; 2 -измерение давления воздуха
за компрессором.
Измерение давления топлива; .'/—перед форсунками; 6—за насосом подкрчкн.
Измерение давления масла; 4 и 5-^в клапанах перепуска воздуха; 7—в .канале
малого шага; 8—в канале фиксатора шага; 9— в измерителе крутящего момента;
в моторной 5<?згнстралн; II—в канале большого шага; /2—в командном канале;
13—18—кнбродатчнки
в целом, а также его фильтрол и записи всех обнаруженных дефек-
тов двигатель снимают со станка и отправляют на переборку.
Двигатель подвергается частичной разборке в соответствии
с инструкцией для данного двигателя, промываются и тщательно
осматриваются все трущиеся и нагруженные летали (шестерни, ло-
патки компрессора и турбины, подшипники, рессоры, валы и т. д,).
Проверяется балансировка компрессора и турбины. При обнару-
жении недопустимого дисбаланса производится повторная балан-
сировка этих узлов, Осматривается камера сгорания, форсунки и
пусковые устройства, .соединительные маслопроводы и т. д. Обна-
руженные дефекты записывают в дефектные ведомости и устра-
няют.
Переборка двигателя после сдаточного испытания является
составной частью испытаний, так как позволяет выявить скрытые
дефекты, которые невозможно обнаружить в процессе кратковре-
менного испытания (трещины, недопустимый износ трущихся дета-
лей, поломки отдельных зубьев шестерен и др.).
16
Для каждого типа двигателя существует перечень деталей,
которые заменяются в процессе переборки (контровочные шайбы,
прокладки, шплинты). Если заменяются детали сверх установлен-
ного перечня и замена производится новыми деталями, то двигатель
назначается на повторные сдаточные испытания. Если же вновь
поставленные детали имеют наработку в системе такого же дви-
гателя не меньше времени сдаточных испытаний (но не более опре-
деленной нормы), то после замены бракованных деталей повтор-
ные сдаточные испытания могут не назначаться.
Затем двигатель собирается и предъявляется на контрольные
испытания.
Контрольные испытания. На контрольные испытания поступают
все двигатели, прошедшие сдаточные испытания и последующую
переборку.
При проведении контрольных испытаний производят отладку
двигателя, проверяют качество сборки и соответствие параметров
техническим условиям, а также проводят акт сдачи Двигателя за-
казчику. Сорта топлива и масла, приборы и измерения, технология
подготовки к запуску при контрольных испытаниях те же, что
и при сдаточных испытаниях.
В документации на проведение контрольных испытаний указы-
ваются все приборы, применяемые при испытании, их основные
характеристики и точность отсчета, приводятся параметры двига-
теля и их допустимые отклонения, время выхода на малый газ,
время приемистости, допустимые виброперегрузки* и т, Д. Вво-
дятся ограничения работы на малом газе (30 мин) и режиме взлета
(15 мин). По программе сдаточных испытаний осуществляются
ложный и холодный запуски Затем двигатель запускается, произ-
Тоблица /. 1
Режим работы ав по УИРТ Число оборотов % Приведенный часовой расход топлива кг)час
Малый газ 0 79—82
0,4 Лге 35 637
0,6 л; 50 95—96 742
0,7 Ne 62 790
0,8 Ne 72 867
84 952
Взлетный 98—104 1055
Для рассматриваемого двигателя АИ-20 допускаются перегрузки 3g.
17
водится его проверка и регулировка, после чего следует режимная
работа—снятие дроссельной характеристики (табл. 1.1).
После трехминутной выдержки двигателя на данном режиме
изменяются основные показатели работы двигателя. Данные обра-
батываются и заносятся в протокол.
На контрольных испытаниях двигатель предъявляется заказчику
и оформляется акт сдачи двигателя.
Общее время наработки при контрольных испытаниях зависит
от степени освоения двигателя в производстве. Для двигателя
АИ-20 оно составляет 3—4 часа. По окончании контрольных
испытаний проверяют масляные фильтры (в них не должно быть
металлической пыли), сливается масло и производится холодная
консервация двигателя. Двигатель отправляется в экспедицию
и далее — заказчику.
Длительные испытания
На длительные испытания ставятся двигатели, прошедшие сда-
точные и контрольные испытания и уже находящиеся в экспеди-
ции. Представитель заказчика определяет, какой именно двигатель
должен подвергнуться длительным испытаниям.
Длительность серийных испытаний может быть различной —
50, 100, 200 час и более; она определяется типом двигателя, сте-
пенью его освоения в производстве, а также принятой системой дли-
тельных испытаний. Так, для двигателя АИ-20 проводятся трехсот-
часовые испытания — для одного из партии или программы (квар-
тальной, годовой).
Цель длительных испытаний — подтверждение правильности
технологии изготовления нового или качества ремонта отработав-
шего ресурс двигателя, проверка надежности работы двигателя и
его агрегатов, а также проверка стабильности основных парамет-
ров, характеризующих его работу в течение длительной работы
на стенде.
Перед проведением длительных испытаний все контрольно-
измерительное оборудование тарируется, берется анализ масла
и топлива.
После расконсервации и осмотра двигатель устанавливается, на
стенд. Монтируется воздушный нинт. В соответствии с инструк-
цией двигатель запускается и прогревается, после чего проводятся
предварительные испытания, в ходе которых проверяется автома-
тика управления лопастями винта, снимается дроссельная харак-
теристика на режимах: малый газ, 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,85 номиналь-
ного, номинальном, взлетном и в обратном порядке. — на взлетном,
номинальном режиме и т. д. с одновременнььм вибрографирова-
нием двигателя. 11а каждо,м режиме двигатель работает не .менее
6 мин и после первых 2 мин регистрируются показания приборов.
В процессе работы производится подрегулировка расхода топлива.
18
Длительные испытания двигателя ЛИ-20 проводятся в 30 деся-
тичасовых этапов. Набор режимов и их продолжительность внутри
этапа может соответствовать средним условиям эксплуатации дви-
гателя на самолете по время полета.
Продолжительность этапа для различных двигателей раз-
лична— 10, 15 и даже 20 час. Более длительные этапы создают
более жесткие условия испытания, так как обслуживать двигатель
разрешается только в перерывах между этапами. Для рассматри-
ваемого двигателя набор режимов построен так, что за трехсот-
чэсовые испытания двигатель большую часть времени работает
на наиболее тяжелых режимах, что соответствует работе двига-
теля на самолете в течение 1000 час.
Продолжительность работы на различных режимах для двига-
теля ЛИ-20 дана в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Наименование режимов Наработка двигателя па режимах
за 300 час за один Sian
час мин. час мин
Взлетный 24 — — 48
Номинальный 192 — 6 24
0,85 номинального 29 — 58
0,1 номинального 5 . По 1 tac 40 мин
на 10, 20 и ЗО-ом
этапах
Переменные режимы 50 — 1 40
в-том числе:
а) от малого газа до взлетного 25 — 50
п обратно
б) от 0.7 номинального до взлет- 7 30 ,— 15
ного н обратно
в) от 0,6 номинального до взлет- 7 30 15
ноге и обратно
г) от 0,4 номинального до взлет- 10 20
иого и обратно
Итого 300 — 9 50
Чередование режимов на этапах и их продолжительность
следующие:
19
№ по пор. Режим Время работы
час мин
1 Балетный 15
2 Переменный с 0,7 номинального 05
3 Номинальный 1 12
4 Переменный с малого газа 05
5 Взлетный 08
С 0,85 номинального 58
7 Переменный с 0,7 номинального 05
05
8 Номинальный 1 00
9 Переменный с 0,6 номинального 05
05
05
10 Номинальный 1 00
И Переменный с малого газа 05 05
12 Взлетный 10
13 Переменный с 0,4 номинального 05
05
14 Номинальный 1 12
15 Переменный с малого газа 05 05
16 Номинальный 1 00
17 Переменный с 0,4 номинального 05
05
18 Взлетный 15
19 Номинальный 1 (К)
20 Переменный с малого газа | 5 раз по 05
Итого 9 50
На переменных режимах (малый газ; 0,4; 0,6; 0,7 номинального)
двигатель работает до получения устойчивых значений чисел обо-
ротов и температуры газов за турбиной. Каждый пятиминутный
период работы па переменных режимах выполняется в следующем
порядке: за 10—15 сек дроссельным рычагом переводят двигатель
с предыдущего режима на меныпий (малый газ; 0,4; 0,6 и г. д. от
номинального) и дают двухминутную выдержку ла указанном
режиме.
20
При пробе приемистости и сбросе газа (с малого газа до взлет-
ного режима п обратно) рычаг переводится за 1—2 сек. На взлет-
ном режиме выдержка 10 сек.
Время достижения равновесных оборотов и взлетной мощности,
а также оборотов малого газа фиксируется. Фиксируется также
заброс и провал оборотов и максимальная температура газов за
турбиной. В начале и конце каждого этапа проводится по 10 за-
пусков, а за все время испытаний — 600 запусков, Первый запуск
в каждом этапе производится не ранее, чем через Два часа после
остановки, т. е. на «холодном» двигателе. «Горячим» называют
запуск не позднее, чем через 15 мин после остановки двигателя.
После каждых 5 запусков делается перерыв не менее 15 мин для
охлаждения стартер-генератора.
После запуска двигатель останавливается, проработав на ре-
жиме малого газа 2 мин.
Имеющиеся на двигателе генераторы, помпы и агрегаты, обслу-
живающие самолетные системы, при проведении испытаний загру-
жаются в соответствии с инструкцией для данного двигателя, чтобы
создать близкие к эксплуатационным условия работы механических
передач двигателя и коробок отбора мощности.
В процессе длительных испытаний проводятся регламентные
работы. Через каждые 50 час работы берутся на анализ пробы
масла и топлива, измеряется виброперегрузка, осматриваются топ-
ливные и масляные фильтры. Кроме того, через 100 час произво-
дится осмотр и при необходимости замена щеток стартер-гене-
ратора.
После окончания длительных испытаний снова снимается дрос-
сельная характеристика, одновременно проводится вибрографиро-
вание двигателя. Затем двигатель консервируется, оформляется
документация длительных испытаний, подсчитываются параметры
на всех режимах, составляются таблицы суммарной наработки
на различных режимах и на переменных режимах, а также график
наработки за время длительных испытаний. Производится тари-
ровка измерителя крутящего момента и тахометра.
Двигатель разбирается, обмеряются основные силовые детали,
проводится дефектация узлов и деталей и осмотр агрегатов.
Осматриваются лопатки сопловых и рабочих колес турбины, опре-
деляется остаточный дисбаланс компрессора и турбины, произво-
дится проверка и снятие характеристик агрегатов и генераторов
двигателя. По результатам длительных испытаний составляется
технический отчет.
Длительные испытания считаются неудовлетворительными, если
в процессе испытания или при осмотре разобранного двигателя
обнаружены неисправности узлов и деталей, выход из строя кото-
рых мог повлечь за собой аварию двигателя. Выход из строя агре-
гатов, обслуживающих самолетные системы (гидропомпы, генера-
торы и т. д.), не является основанием для признания испытаний
неудовлетворительными.
21
Если длительные испытания двигателя прошли успешно, то
делается заключение о годности всей партии двигателей, прошед-
ших ранее сдаточные и контрольные испытания, и они допускаются
к эксплуатации на самолетах.
§ 6 МЕТОДЫ УСТАНОВЛЕНИЯ РЕСУРСА И КРИТЕРИИ
эксплуатационной надежности авиационных двигателей
В Советском Союзе для вновь создаваемых двигателей устанав-
ливается тот ресурс, который был определен первоначально при
государственных испытаниях. Конструкторское бюро завода, выпу-
скающего данный двигатель серийно, совместно с ОКБ непре-
рывно продолжает совершенствовать двигатель, чтобы увеличить
его ресурс, вводя конструктивные изменения, улучшая технологи-
ческий процесс и применяя более современные материалы.
Все новые предложения проверяются длительными стендовыми
испытаниями. После их успешного проведения 8—12 двигателей
проходят эксплуатационные испытания на самолетах-лидерах, спе-
циально предназначенных для этой цели. Результаты эксплуата-
ционных испытаний служат основанием для увеличения ресурса
двигателя.
Вначале новые двигатели устанавливаются на эксплуатируемые
самолеты и отрабатывают действующий (еще не увеличенный)
гарантийный ресурс. После этого все двигатели снимаются с само-
летов и 2—4 из них направляются на завод-изготовитель. Здесь
половина из них разбирается для дефектации, а остальные подвер-
гаются дополнительным длительным стендовым испытаниям, про-
должительность которых равна разнице между действующим и уве-
личенным ресурсом. После дополнительных испытаний эти двига-
тели также разбираются и проходят дефектацию деталей.
В случае положительной оценки результатов дефектации дается
разрешение на летную эксплуатацию на самолетах-лидерах осталь-
ных двигателей (8—12 шт.) из первоначальной партии до выра-
ботки предполагаемого (увеличенного) ресурса. Затем все двига-
тели разбираются, дефектируются, а один проходит без разборки
дополнительные стендовые испытания в течение 10—20% от вре-
мени увеличенного ресурса. Положительные результаты разборки
и испытаний дают возможность установить новый ресурс.
Действующая система введения нового ресурса обеспечивает
наибольшую безопасность полетов, однако имеет и ряд недо-
статков.
Во-первых, при больших ресурсах двигателя, достигающих
в настоящее время нескольких тысяч часов, проведение испытаний
на ресурс охватывает значительный календарный промежуток
времени. Так, например, для испытания двигателя с ресурсом
4000 час по 12 час в день потребуется почти год. Такие испытания
дороги и не позволяют быстро проверять и улучшать конструкцию
двигателя.
22
Во-вторых, выборочные испытания на ресурс не могут учиты-
вать все технологические отклонения, неизбежные в производстве
двигателей. Поэтому во время эксплуатации отдельные двигатели
из партии, которая признана годной, могут досрочно выйти из
строя (до выработки установленного заводом ресурса).
В-третьих, как бы ни приближали программу длительных стен-
довых испытаний к условиям работы двигателя в полете, всегда
имеются различия между условиями испытания и летной эсплуата-
цией двигателя, а следовательно, и различные причины для появле-
ния дефектов.
В настоящее время применяются и другие методы проверки на-
дежности двигателей и установления ресурса, которым не присуши
отмеченные недостатки. Эти методы используют статистические
данные об отказах и дефектах всего парка двигателей одного типа,
находящихся в летной эксплуатации. Статистический материал за
определенный промежуток времени обрабатывается таким обра-
зом, чтобы можно было определить частоту появления различных
неисправностей.
Критерием количественной оценки эксплуатационной
ности может служить коэффициент досрочного съема на
1000 час налета
д 1000
Й100и~" т »
* ,-ЬС.Д
где 7д..с.д — среднее время работы всех двигателей, приходящееся
на один досрочно снятый двигатель.
Величина Гд,с,д может быть определена по формуле
N
„1-1 ,1 Ш
надеж-
каждые
(1.8)
N
где V/,- —суммарная наработка в часах всех однотипных двига-
/Tt L гелей за рассматриваемый период
^=^д.с,-л;Р+^э, (мо)
где А^д.с.д количество досрочно снятых двигателей;
А —количество двигателей, выработавших ресурс;
— количество двигателей, остающихся в эксплуатации.
По мере улучшения качества двигателей статистические коэф-
фициенты, учитывающие отказы и неисправности, уменьшаются.
Когда коэффициенты достигают определенных величин, показываю-
щих хорошую надежность (например, — 0,14-0,2), ресурс всех
двигателей увеличивают на определенное количество часов и про-
должают наблюдения. Если не обнаруживается рост неисправно-
стей, ресурс может быть вновь увеличен.
23
Статистические методы нс требуют дополнительных эксперимен-
тов и с большей уверенностью, чем по результатам испытаний
отдельных экземпляров, позволяют судить о надежности двигателя.
Развитие статистических методов проверки качества выпускаемых
двигателей не исключает, естественно, индивидуальную проверку
каждого выпускаемого заводом двигателя посредством кратковре-
менных испытаний.
Понятие ресурса за рубежом отлично от принятого у пас. Оно
относится к конкретной авиалинии, причем у одного и того же дви-
гателя может быть различный ресурс в зависимости от самолета,
на который он устанавливается. Имеются случаи установления
раздельного ресурса для узлов двигателя. В этом случае двигатель
представляет собой несколько совместно работающих узлов,
В военной авиации США ресурс двигателя определяется на
основе статистической обработки данных летной эксплуатации.
Для этого партия двигателей, прошедших доводочные стендовые
и летные испытания, направляется па летную эксплуатацию. Дан-
ные по отказам обрабатываются через каждые 10 час наработки.
Время наработки, в течение которого 50% двигателей из исследуе-
мой партии будет снято с эксплуатации, принимается за средне-
медианный ресурс. При установлении ресурса может быть принят
и другой коэффициент досрочного снятия с эксплуатации. Но
всегда ресурс определяется в конкретных условиях эксплуатации,
а нс устанавливается заранее,
В Англии основой для установления ресурса является стендовая
проверка узлов пои длительных испытаниях. После успешной стен-
довой проверки от 2 до 6 так называемых контрольных двигателей
устанавливают по одному двигателю на находящиеся в эксплуа-
тации 4-моторные самолеты. Контрольные двигатели всегда имеют
наработку на 100—300 час больше, чем остальные двигатели, нахо-
дящиеся в эксплуатации. Через каждые 100—300 час работы конт-
рольные двигатели снимают, разбирают и дефектируют.
Если состояние деталей удовлетворительное, то для всех одно-
типных двигателей увеличивают ресурс на 100—300 час. Одновре-
менно учитывается изменение коэффициентов надежности всего
парка двигателей, находящихся в эксплуатации.
Глава II
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ И УСТАНОВКИ ДЛЯ
ИСПЫТАНИЯ ПОЛНОРАЗМЕРНЫХ ВРД
§ 1 ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ для ЗАВОДСКИХ ИСПЫТАНИЙ гтд
Испытательные станции серийных и ремонтных заводов распо-
лагаются вблизи цеха сборки и экспедиции, с которыми они техно-
логически тесно связаны. В состав испытательной станции входят:
боксы, в которых устанавливается и работает двигатель в процессе
испытания; примыкающие к боксам вспомогательные технологи-
ческие помещения, где размещены часть измерительного оборудо-
вания и системы питания двигателя, кабины управления, обменный
пункт, мастерские механика и электрика, отделение контрольно-
измерительных приборов, центральное топливохранилище и техни-
ческие и административно-хозяйственные службы.
Боксы
К помещениям бокса продъявляются следующие требования;
1, Размеры бокса должны быть достаточны для размещения
двигателя, испытательного оборудования и обеспечения удобного
подхода к ним.1
2. Должно быть предусмотрено шумоглушение на всасывании
и выхлопе.
3. Необходимый расход воздуха должен пропускаться через
бокс с наименьшими гидравлическими потерями.
4. Прочность стен должна быть достаточна, чтобы препятство-
вать распространению осколков в случае разрыва вращающихся
частей и выдерживать статические нагрузки от разности давле-
ния воздуха внутри и снаружи помещения.
5. Бокс должен' иметь подъемный механизм для подъема и
транспортировки двигателя.
6. Должны иметься устройства, обеспечивающие противопожар-
ные нормы и требования иромсанитарии и техники безопасности.
Помещение испытательного бокса состоит из трех частей: вса-
сывающей шахты, центральной части, где устанавливается двига-
тель, и выхлопной шахты. В практике авиационных заводов нахо-
25
дят применение четыре вида взаимного расположения этих частей:
горизонтальное (рис. 2.1,а), в виде перевернутой буквы П
(рис. 2.1,6) и Г-образное (рис. 2. 1,в и 2. 1,г).
Для выхлопной шахты следует считать лучшим горизонтальное
расположение, так как оно позволяет осуществить шумоглушение
с меньшими строительными затратами, а отсутствие поворотов на
пути воздуха снижает гидравлические потери давления в воздуш-
Рис. 2. 1. Типы испытательных боксов:
«—прямоточный; б—П-обрЛ’Эпый; д и с— Г-образные;
7—входная шахта с шумоглушением; 2—испытуемый двигатель; 3—эжекторная труба;
4— ’выхлопная шахта с шумоглушскисм
нои тракте бокса. Для всасывающей тахты лучше вертикальное
расположение, обеспечивающее подачу более чистого воздуха
к двигателю. Шумоглушение достигается применением пористых
материалов, заключенных в металлическую сетку. Во всасывающей
шахте применяются мягкие материалы, частицы которых в случае
выкрашивания и попадания в двигатель не могут повредить его
проточную часть. Для шумоглушения на выхлопе, где газы имеют
высокую температуру, используют керамическую пористую крошку.
Впрыск волы в реактивную струю двигателя также позволяет сни-
зить уровень шума И, кроме того, снижает температуру выхлопных
газов.
2&
Размеры помещения определяют исходя из общего расхода
воздуха через бокс и допустимых скоростей движения воздуха
и газа. На входе в бокс и в его центральной части допускается
скорость воздуха 5—8 м{сек, на выходе — до 25 jh/cck. Большие
скорости воздуха в центральной части бокса могут вызвать ощути-
мую неравномерность распределения статических давлений по
внешнему контуру двигателя, что приведет к появлению дополни-
тельных аэродинамических сил и, как следствие, к ошибкам в из-
мерении тяги.
Если размеры бокса малы и не позволяют создать малые ско-
рости обдува двигателя, то производится тарировка бокса. Один
и тот же экземпляр двигателя в одинаковых компоновках испыты-
вают в тарируемом боксе и п боксе больших размеров, где заве-
домо можно пренебречь влиянием обдува на тягу двигателя.
По результатам этих испытаний определяют поправки к вели-
чине тяги для каждого из режимов работы двигателя в боксе
с заниженным проходным сечением.
Потери давления в щумоглушащнх устройствах и в воздушном
тракте всегда приводят к понижению давления на входе в бокс
и в его рабочей части (до 100—150 мм вод. ст.) и требуют повы-
шения давления на выходе (до 200—300 л[,и вод ст.). Изменение
давления нужно учитывать при проектировании стен и приведении
параметров рабочего процесса двигателя к нормальным атмосфер-
ным условиям. За фактическое давление принимают давление
в боксе, а не атмосферное.
Расход воздуха через помещение складывается из расхода че-
рез двигатель и расхода, эжектируемого реактивной струей. Для
обеспечения оптимального расхода эжектируемого воздуха, сни-
жающего температуру и скорость выхлопных газов, реактивную
струю заключают в эжекторную трубу, размеры которой можно
определить из теории затопленных турбулентных струй. Стены
бокса изготовляют из железобетона. Их внутренняя поверхность
пропитывается бакелитом и обклеивается тканью, что препятствует
выветриванию материала стен и, следовательно, попаданию вывет-
ренных частиц в газо-воздушный тракт двигателя.
Испытуемый двигатель монтируется на станке, установленном
на железобетонном фундаменте. Колебания, создаваемые двига-
телем, поглощаются специальной подушкой, расположенной под
фундаментом и выполненной из дерева, войлока или пробковых
плит (рис, 2. 2).
Во время испытания двигателя температура в помещении бокса
быстро уравнивается с температурой наружного воздуха. Для
быстрого обогрева бокса в зимнее время перед монтажом и снятием
двигателя со станка включаются мощные калориферы, а всасываю-
щая и выхлопная шахты закрываются створками.
На рис. 2.2 показана схема размещения оборудования в боксе
испытательной станции серийного завода.
Z7
TO
OS
IB
rm
19
Рис. 2. 2. Схема размещения оборудования в боксе испытательной станции
серийного завода:
1—жалюзная решетка: 2—система шумоглушения на входе; 3—направляющие: 4—ре-
шетка; 5—шахтная заглушка; б—ворота; *—лемнискатный насадок; 8—бронещнт:
9—окно; М—дверь из кабины управления,- И—ляпг—сль: /2—эжекторная труба;
13—электроподъемник; N—впрыск воды; 13—система шумотлушения на выхлопе;
16—отбойная решетка; 17—станок; М—фундамент станка; 19- изоляционная подушка
Испытательные станки
Испытательные станки служат для крепления двигателя при
испытании. Конструкция станка должна:
1. Обеспечивать вместе с измерительным устройством точность
определения тяги не ниже 0,5% от максимальной величины.
2. Обладать высокой чувствительностью к изменению тяги,
3. Быть достаточно прочной, жесткой, долговечной и иметь ма-
лые перемещения во всем диапазоне измеряемых тяг.
Рис. 2. 3. Конструкция станка с подвеской платформы на шатунах:
7—опорные стойки; 2-^илка; 3 и 4—тяги; 5—Г-образный рычаг; б— Шатуны; 7— нижние
пальцы; Л—винт упора; 9—пяльцы; /0—стойка подвижной платформы; Л—шарнирная
©гора; 12—узел третьей опоры; 13—тяга нижней опоры; Н--подвижная платформа
4. Не создавать затенения на входе в испытуемый двигатель.
5. Обеспечивать свободный доступ обслуживающему персо-
налу к элементам двигателя и станка.
6. Допускать возможность испытания различных модификаций
двигателя одного и того же типа.
Станки бывают жесткой и нежесткой конструкции. На жестких
станках тяга двигателя воспринимается фундаментом и измеряется
газодинамическим способом.
На нежестких станках двигатель вместе с платформой может
перемещаться в осевом направлении под действием силы тяги, кото-
рая благодаря этому передается на измерительное устройство. Точ-
ность определения тяги на нежестких станках значительно выше,
чем на жестких. Распространены два вида нежестких станков:
с подвеской платформы на шатунах или на упругих лентах.
Станки с подвеской платформы на шатунах состоят из четырех
опорных стоек 1 (рис. 2. 3), жестко закрепленных на фундаментной
плите. К стойкам на шатунах,^ подвешена подвижная платформа
14, на которой в трех точках крепится двигатель. Крепление не дол-
29
жно ограничивать свободу перемещений корпуса двигателя при
его нагреве в процессе работы и охлаждении после запуска. Сила
тяги может передаваться от платформы к измерительному устрой-
ству (рис. 2. 4) н уравновешиваться усилием, возникающим в изме-
рительном устройстве.
В случае аварии измерительного устройства осевые перемеще-
ния ограничиваются винтом упора (см. рис. 2. 3). Возможные попе-
речные перемещения ограничиваются специальным устройством.
Станки с подвеской подвижной платформы па шатунах допу-
скают значительные осевые перемещения платформы под воздей-
Рис. 2.4. Схема передачи тяги двигателя на измерительнсе
устройство:
1— подвижная платформа; 2— Г-обряжыЙ рычаг; 3—серьга; 4— 2-образ-
иый рычаг; рычажный редуктор; б -измеритель усилии
ствием силы тяги двигателя. В результате таких перемещений мо-
гут возникнуть ошибки измерения тяги двигателя.
Во-первых, при отклонении платформы, подвешенной па шату-
нах, появляется осепая составляющая от суммарного веса плат-
формы и двигателя, направленная против силы тяги (рис, 2.5):
AG = G tg G.
Во-вторых, при перемещении станка возникают силы, вызывае-
мые жесткостью топливных шлангов, электрических проводов, гид-
равлических коммуникаций, соединяющих испытуемый двигатель
с пультом управления и стендовым оборудованием.
30
Рис. 2. 5. Определение ошиб-
ки и измерении силы тяги
при перемещении подвиж-
ной платф°рмы
В-третьих, величину силы тяги искажают силы трения, возни-
кающие в подшипниках шатунов и устройствах, ограничивающих
поперечные перемещения платформы.
Несмотря на отмеченные недостатки, станки с подвеской плат-
формы на шатунах обеспечивают тре-
буемую точность измерения тяги и нахо-
дят применение на испытательных стан-
пиях серийных заводов.
Схема станка с подвеской подвижной
платформы на упругих лентах показана
на рис. 2,6. Подвижная платформа 5 со-
единена со станиной станка четырьмя
упругими лентами 3, имеющими утолще-
ние в месте крепления. Станки с подве-
ской платформы на упругих лентах не
могут перемещаться в поперечном направ-
лении, вследствие чего дают меньшие
ошибки при измерении тяги. Эти станки
проще в изготовлении, так как не тре-
буют высококачественных подшипников
и тщательной обработки посадочных мест
под них, а также надежнее в эксплуа-
тации.
Точное измерение тяги с помощью подвижных платформ воз-
можно только в том случае, когда все элементы, передающие уси-
Рис. 2.6. Схема станка с подвеской подвижной плат-
формы на упругих лентах:
f—ыьсдтоа; 2—станины; 5—’упругая лента; 4— приспособление
для тарировки; 5— платформа
лия, изготовлены абсолютно точно, а в системах подвески двигателя
и передачи усилий не возникают силы трения и упругие деформа-
31
ции. На практике такое требование осуществить не удается. Влия-
ние связей и неточностей изготовления передающей системы могут
быть учтены тарировкой станка, которая заключается в сопостав-
лении усилия по показаниям измерителя с величиной известного
усилия, прикладываемого к подвижной платформе станка. С этой
целью станок снабжается постоянным или переносным тарировоч-
ным устройством.
Одна из возможных схем постоянного тарировочного устройства
показала на рис. 2.7. На подставке 5
укреплены Г-образный рычаг 2 с соот-
ношением плеч п\ = 1 /5 и связанны;'!
с ним нагрузочный рычаг 3 с соотно-
шением плеч гг2=1/6. Г-образный ры-
чаг связан с подвижной платформой
станка. На конце нагрузочного рычага
подвешена нагрузочная тарелка 4.
Общее передаточное отношение си-
стемы рычагов:
Рис. 2.7. Схема тарировочного
устройства:
1—подвижная платформа; 2— Т-об-
разны;! рычаг; 3—нагрузочный ры-
Wiir; 4—нагрузочная тарелка; 5—
подставка: е~противовес
Система рычагов в тарировочном
устройстве уменьшает необходимый
для тарировки вес грузов, благодаря
чему облегчается труд обслуживаю-
щего персонала. Размеры плеч рычагов
должны быть выдержаны очень точно,
чтобы не было существенных ошибок
при определении прикладываемого к
платформе усилия. Усилие, создавае-
мое весом рычагов и нагрузочной та-
релки, уравновешивается противове-
сом б. Противовеса на рычагах тариро-
вочного устройства может и не быть.
Тогда вес рычагов с нагрузочной та-
релкой создает предварительный натяг в системе передачи усилия
от станка к измерителю, который повышает точность измсрени-я
тяги, так как устраняет люфты и зазоры в соединениях. В измери-
теле усилий обычно предусматривается устройство, позволяющее
компенсировать предварительный натяг и выводить указатель
регистрирующего устройства в нулевое положение.
Тарировку станка проводят, когда двигатель на нем полностью
смонтирован; к нему присоединены системы питания, управления
и измерения. Кроме того, на платформе устанавливается вибратор
(электродвигатель с укрепленным на его валу неуравновешенным
грузом). Вибрации в плоскости, перпендикулярной направлению
действия силы тяги, уменьшают трение покоя в опорах и шарнирах
32
и приближают условия тарировки к реальным условиям работы
двигателя.
Тарировку проводят как в процессе нагрузки, так и в процессе
разгрузки тарировочного устройства.
При построении графика зависимости показаний измерителя
от приложенных усилим в расчет принимаются средние из показа-
ний при нагрузке и разгрузке. Разница в показаниях измерителя
на одноименных точках при нагрузке и разгрузке не должна быть
больше 0,5% максимальной нагрузки; в противном случае станок
признается негодным для проведения испытаний. Максимальное
усилие тарировки должно превышать максимальную тягу испыты-
ваемых двигателей на 10—15%. На максимальной нагрузке прове-
ряют чувствительность станка. Для этого добавляют груз, соответ-
ствующий 0,5% максимального усилия. Чувствительность счи-
тается достаточной, если при этом наблюдается перемещение ука-
зателя измерителя.
После снятия грузов с тарировочного устройства проверяют
нулевое показание измерителя усилий, для чего толкают рукой
подвижную платформу станка и дают ей успокоиться. При отсут-
ствии заеданий в системе передачи усилия указатель покажет нуль,
В противном случае необходимо найти и устранить неисправности.
Тарировка станка обычно проводится в присутствии предста-
вителя ОТК завода, не реже одного раза в месяц и, кроме того,
обязательно до и после каждого длительного испытания, а также
после каждой переборки или ремонта станка.
Кабина управления
В кабине управления находится обслуживающий персонал
во время испытания двигателя и размещаются органы управления
и основные приборы: рычаг управления двигателем, стоп-кран,
тумблеры запуска, указатели тяги, тахометр, термометр выходя-
щих газов, термометр масла, манометры топлива и масла, расходо-
мер топлива, приборы контроля загрузки самолетных агрегатов,
сигнальные лампочки, указывающие положение органов регулиро-
вания сопла, компрессора и пусковой аппаратуры и некоторых
других.
Чтобы иметь хороший обзор двигателя в процессе эксперимента,
кабину располагают или спереди (рис. 2. 8, б и в), или сбоку станка
(рис. 2.8, а), но не в плоскости вращения основных узлов двига-
теля. При боковом расположении обзор лучше, но увеличивается
опасность для обслуживающего персонала в случае поломки вра-
щающихся частей. В кабинах, расположенных сбоку Станка,
во время эксперимента окно закрывают подвижным бронещитом
с узкими прорезями. Противоположную сторону двигателя наблю-
дают с помощью большого наклонного зеркала.
Достоинство кабин, располагаемых спереди двигателя, заклкь
2
217
33
чается в том, что они могут быть объединены на испытательной
станции в единый наблюдательный зал.
Рис. 2.8. Основные схемы компоноик1и наблюдательной кабины
и бокса (стрелками показано направление движения воздуха
в боксе):
1—бокс; 2—двигатель; <3—’кабян'з управления; 4—пульт управления
Системы испытательной станции
Помимо горячего и холодного водоснабжения, канализации is
электропроводки общего назначения, необходимых для создания
нормальных условий работы обслуживающего персонала, испыта-
тельная станция снабжается следующими дополнительными
системами.
Электропроводкой силового тока для питания подъемно-транс-
портных механизмов, вентиляционных устройств и другого силового
оборудования.
Электропроводкой тока напряжением 6 или 12 в для работы'
переносных источников освещения и электроинструментов.
Электропроводкой постоянного тока напряжением 27 в, обеспе-
чивающей работу измерительных приборам.в самолетных системах
и запуск двигателей или турбостартеров от электростартеров. Эта
система должна пропускать ток 500—900 а, необходимый для ра-
боты агрегатов запуска. Постоянный ток вырабатывается централь-
ным генератором, приводимым во вращение электродвигателем,
а пиковые нагрузки снимаются аккумуляторной подстанцией, вклю-
ченной параллельно с генератором.
Электросистемой, обеспечивающей загрузку электрогенерато-
ров, установленных на испытуемом двигателе. Обычно это автоном-
34
ная система, включающая б себя достаточно мощные секционные
аты (на 30—50 кет), обдуваемые атмосферным воздухом и
_аты их включения.
‘ Системой подачи сжатого воздуха (как правило от общей завод-
ской магистрали).
Масляной системой для консервации двигателей и проведения
специальных испытаний.
Гидравлической системой испытательная станнин снабжается
в тех случаях, когда на двигателе установлены гидравлические
самолетные агрегаты, которые необходимо загружать в процессе
испытания.
Системой подачи топлива, которая на современных испытатель-
ных станциях обычно централизована. Топливо подается к двига-
телям из топливохранилища, расположенного вне здания станции.
Такая система обеспечивает бесперебойную подачу топлива
во время испытаний любой продолжительности и менее опасна
в пожарном отношении, так как вблизи двигателя не нужны значи-
тельные емкости с горючим.
Топливохранилищс располагается под землей на значительном
расстоянии от испытательной станции и других цехов. Оно состоит
из нескольких больших расходных емкостей, соединенных друг
с другом, с испытательной станцией и слиеной станцией, перека-
чивающей топливо из железнодорожных цистерн в топливохрани-
лищс. Подземные емкости должны обеспечивать длительное испы-
тание топливом единой кондиции. К установкам топливо подастся
по нескольким магистралям: по двум-трем магистралях» — основное
топливо различных сортов и по одной — пусковое топливо. Топливо
подается к установкам либо насосами, либо под давлением, созда-
ваемым в емкостях воздухом или инертным газом. От установок
к топливохранилищу прокладывается сливная магистраль, по кото-
рой сливается избыток топлива при подаче насосом, некондицион-
ное топливо, а также рабочее топливо в случае пожара. Магистрали
прокладываются так, чтобы они не пересекали проходы, предназна-
ченные для эвакуации людей и оборудования во время пожара,
Во избежание накопления статического электричества вся топлив-
ная система должна быть надежно заземлена. Скорость движения
топлива в магистралях должна составлять 0,5—2 м[сек, что обес-
печивает малые гидравлические потери. Для очистки топлива си-
стема снабжена двумя видами фильтров: грубой очистки (сетча-
тых) и тонкой очистки (бумажных или матерчатых), задерживаю-
щих частицы размером до 5 мк.
§2. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ ДОВОДОЧНЫХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ
ИСПЫТАНИЙ ГТД*
В процессе доводки двигателя проверяется соответствие техниче-
ским условиям параметров рабочего процесса, прочности и надеж-
* Основные положения § 2 и 3 взяты из учебного пособия В. М. Акимова
Некоторые вопросы испытания ВРД» [2].
2* 35
ности отдельных узлов и агрегатов, систем регулирования, запуска
и т. д. при различных внешних условиях. Для достижения заявлен-
ных параметров вносят, а затем экспериментально проверяют
большое количество конструктивных изменений. Объем экспери-
ментальных работ при доводке двигателя очень велик, Чтобы со-
кратить затраты и ускорить доводку двигателя, нужно стремиться
не загружать сложные дорогостоящие стенды теми работами, кото-
рые молено выполнить на менее сложных установках.
Испытательные станции, предназначенные для доводочных и
специальных испытаний ГТД, отличаются от станций серийных
заводов тем, что онн включают разнообразные установки, каждая
из которых предназначена для нескольких видов доводочных испы-
таний. Некоторые из этих установок монтируют в помещениях, ана-
логичных боксам испытательной станции серийного завода, а для
измерения тяги используют применяемые на серийных заводах
станки.
Установка двигателя с лемнискатным насадком
Подобная компоновка используется и на серийных заводах
для проведения сдаточных, контрольных и длительных испытаний.
Схема стенда показана на рис. 2.2, Двигатель монтируется
на станке вместе с установленным ла входе лемиискатным насад-
ком, который позволяет измерять расход воздуха через двигатель
и обеспечивает равномерное поле скоростей перед компрессором,
что расширяет границы его устойчивой работы по оборотам.
На таком стенде после соответствующего препарирования дви-
гателя определяют параметры газа в различных сечениях, чтобы
затем сравнить их с расчетными, снимают дроссельную характери-
стику, отрабатывают ряд эксплуатационных свойств в наземных
условиях: отладку приемистости, запуск двигателя, проверку
ресурса, а также выясняют прочностные характеристики и характе-
ристики надежности узлов и агрегатов путем нибрографированин
двигателя, тензометрирования лопаток турбины, определения влия<
яия жесткости опор на сдвиг критических оборотов.
Установка для определения влияния самолетного воздухозаборника
на работу двигателя
В самолетном воздухозаборнике помимо потерь полного давле-
ния возникают неравномерность распределения скоростей по ра-
диусу и окружности и пульсации скорости по времени. Неравно-
мерность поля скоростей могут вызвать конструктивные элементы
воздухозаборника (стойки, повороты, несимметричность канала)
и изменение угла атаки (между осью диффузора и направлением
набегающего потока). Пульсации скорости па старте могут возни-
кать из-за срыва потока с острых входных кромок. Все перечислен-
ные факторы влияют на газодинамические и прочностные пара-
метры двигателя: запас по помпажу, вибронапряжения в лопатках
36
первых ступеней компрессора, пусковые свойства и должны оыть
детально изучены в процессе доводки.
Для этого двигатель испытывают либо с самолетным воздухо-
заборником, либо с его имитатором на входе (рис. 2.9, 2.10).
Имитатор представляет собой комплекс сопротивлений, распо-
лагаемых между лемнискатным
насадком и двигателем, и создает
такое же неравномерное поле
скоростей на входе в компрессор,
как и самолетный воздухозабор-
ник на исследуемом режиме.
Поля скоростей за самолетными
воздухозаборниками при различ-
ных скоростях потока и углах
Рис. 2.10. Схема испытания дви-
гателя с имитатором:
а—сеточный имитатор; б—имитатор со
стойками; J—лемнискатный насадок;
2—имитатор; 3—двигатель; 4—станок;
5—эжекторная труба
Рис. 2.9. Схема испытания двигателя
с самолетным воздухозаборником:
/—воздухозаборник; 2—подвеска воздухоза-
борника; двигатель; 4—станок; 5—эжектор-
ная труба
атаки определяются при продувке уменьшенных моделий воздухо-
заборников в аэродинамических трубах, а на стенде в процессе до-
водки двигатели воспроизводятся имитаторами. Имитаторы могут
быть изготовлены в виде стоек или сеток (см. рис. 2, 10). В послед-
нем случае на отдельные участки редкой несущей сетки, выполняю-
щей роль каркаса, накладываются более мелкие сетки.
Испытания с имитаторами без внешнего обдува значительно
дешевле и менее трудоемки, чем испытания полноразмерного дви-
гателя в аэродинамических трубах.
Установка для испытания двигателя в мотогондоле самолета
Наземные испытания двигателя в мотогондоле самолета прово-
дят для выяснения влияния конструкции мотогондолы на работу
отдельных узлов. Неудачная конструкция мотогондолы может за-
тРудиить или ухудшить работу ряда агрегатов: не обеспечивать
отвод воздуха при открытых клапанах или лентах перепуска ком-
прессора или вызывать при этом перегрев топливной или гидравли-
37
ческой регулирую и [ей ситем, ухудшать работу регулируемого сверх-
звукового сопла и т. д. По данным испытаний вносят соответствую-
щие изменения в конструкцию двигателя: устанавливают обтека-
тели, перекладывают внешнюю обводку систем. Испытания в мото-
гондоле особенно важны для двигателей вертикального взлета,
которые расположены близко друг к другу и оказывают существен-
ное взаимное газодинамическое влияние,
Установка с камерой разрежения на срезе реактивного сопла
стенде сверхкритическии или
Характеристика двигателя, полученная в стендовых условиях,
отличается от полетной на тех же приведенных оборотах д/ У
Это отличие связано с тем, что в реактивном сопле для большинства
режимов не достигаются критические и сверхкритические перепады
давлений, так как на одних и тех же приведенных оборотах в по-
лете общая степень повышения давления в двигателях, равная
произведению д’-л*, выше чем на стенде
критический перепад давления
в сужающемся реактивном
сопле может быть получен за
счет присоединения к нему рас-
ширяющегося насадка, кото-
рый будет работать на перепа-
дах В0/р'<Лкц как сверхзвуко-
вое сопло с перерасширенисм.
Режим работы такого устрой-
ства весьма неустойчивый и не
поддается регулированию,
вследствие чего оно применяет-
ся крайне редко, только для
испытания одноразовых одно-
режимных ТРД.
На рис, 2. 11 показана схема
испытания двигателя с камерой
разрежения, установленной за
соплом двигателя.
получить критический режим
течения в сопле уже при давлении за турбиной, не превышающем
1-15—1,2 барометрического, и обеспечивает параметры рабочего
процесса по тракту двигателя, соответствующие условиям полета
/ * ГТ** -'-Г* * * X
\ЛТ, I n'fff- Ла,1.1й ^ал.т И Т, Д,}.
По определенным во время эксперимента расходу воздуха
^л.изм» полному давлению в реактивном сопле р* „,ч и барометриче-
скому давлению Во можно рассчитать тягу двигателя для любой
высоты и скорости полета, когда давление в камере сгорания не
Рис. 2,11. Схема (испытания двига^
теля с камерой разрежения:
1—ыеьснискнтный игсадок; 2- -двигателе;
ч?—станок; 4—труба перекуска воздуха из
атмосферы; и—дроссель перепуска; 6—ка-
мера разрежения: 7-диффузор
Камера разрежения позволяет
38
оказывает существенного влияния на коэффициент выделения
тепла (Ръ >45 000^50 000 h/ai2) :
R = PiIf\ ДМ
(2Я)
где т1 — скорость полета;
Р с. по лет
Р с.иэм
А
Рн
GB = G
Д,И0М
Р'н / Ту .
В9 У^’
f (^с) — величина приведенной плотности потока импульса
(определяется по газодинамическим таблицам в зависи-
мости от отношения Ph/p*j10JI?t).
Камера разрежения применяется для испытания бесфорсажных
двигателей с нерегулируемым сужающимся соплом.
Установка с подогревом воздуха на входе в двигатель
В условиях полета температура торможения воздуха на входе
в двигатель, начиная с М=1,3, на всех высотах больше 288° К,
а с уменьшением высоты полета (//<11000 м) и ростом числа М
может достигать 400—600° К- Повышенные температуры ухудшают
прочностные характеристики материалов, условия работы масло-
системы и электрооборудования, изменяют зазоры в проточной
части компрессора. Уменьшение параметра п/У Т*{{ существенно
влияет на протекание характеристик двигателя.
Испытания двигателя в условиях повышенной начальной темпе-
ратуры воздуха осуществляется на установках с подогревом воз-
духа на входе (рис 2. 12). Прогрев осуществляется либо подмеши-
ванием струи выхлопных горячих газов от вспомогательного турбо-
реактивного двигателя (см. рис. 2, 12, о), либо в специальной ка-
мере сгорания (см. рис. 2, 12,6). Подмешиваемые продукты сгора-
ния несколько изменяют физические параметры рабочего тела,
Однако до температур 500—600 К эти изменения не существенны,
если подогревающие устройства обеспечивают достаточно полное
сгорание топлива, исключая догорание продуктов неполного сгора-
ния в камерах испытуемого двигателя.
Испытания с подогревом воздуха на входе могут осуществляться
11 с камерами разрежения на срезе реактивного сопла. В этом слу-
чае достигается более полное подобие режимов испытания на
стенде условиям полета.
39
Рис. 2. 12. Сделга установки для испытания двигателя с по-
догревом воздуха на входе:
a—под огрев воздуха за счет подмешивания выхлопных газов ГРД;
б—-подогрев воздуха в специальной камере сгорания;
У—двигатель, используемый для подогрева; 2—труба перепуска воз-
духа из атмосферы; 3—дроссель перепуска, 4—эжектор; 5—труба
перепуска воздуха в атмосферу; 5—дроссель перепуска; 7—сопло
Витошинского; 8—испытуемый двигатель; 9—труба перепуска воз-
духа из атмосферы; 10—дроссель перепуска; И—камера разрежения;
/2—диффузор; Л7—камера подогрева
Рис. 2. 13. Схема установки для испытания
двигателя с наддувам воздуха на входе;
Г—'Труба перепуска воздуха из атмосферы;
?—дроссе ль перепуска; ектор; Г—дроссель
регулирования перепада давления в теплообмен-
нике; 5—теплообменник; Ё—двигатель, и спорь-
зусмый для отбора воздуха и его подогрева;
7—испытуемый двигатель
40
Установка с наддувом воздуха на входе в двигатель
Давление воздуха на входе в двигатель при полете в ряде слу-
чаев выше атмосферного у земли за счет скоростного напора. Так,
на высоте 1 (5 000л; с учетом <тпх давление на входе выше 98 066,5 н/м'-
(1 ата), если скорость полета превышает 2.2Л1, а на высоте
20000 At — М^2,6. Пропорционально увеличению давления воз-
духа на входе возрастает массовый расход воздуха, а следова-
тельно, н механические нагрузки на детали турбокомпрессорной
части двигателя. Кроме того, корпусы испытывают повышенные
ла пряжения от сил давления. В наземных условиях испытания
с повышенным давлением на входе в двигатель можно осущест-
вить на установке с наддувом воздуха (рис. 2.13). Источниками
воздухоснабжения обычно служит один или несколько серийных
ТРД, ТВД или ДТРД. Для увеличения массы воздуха в систему
может быть включен эжектор, а для повышения температуры пода-
ваемого воздуха — теплообменник, использующий тепло выхлопных
газов вспомогательных БРД. Для измерения тяги между системой
наддува и двигателем помещают телескопическое соединение.
Установка хорошо имитирует условия полета, так как обеспечи-
вает подобные перепады давлений в газо-воздушном тракте двига-
теля и необходимый подогрев воздуха на входе и в отличие от
установки с камерой разрежения на срезе сопла позволяет прово-
дить испытания форсажных и прямоточных ВРД. Ее недостатком
является большая стоимость и значительная площадь для разме-
щения вспомогательных двигателей и агрегатов.
Измеренные в процессе испытания параметры рабочего тела
на входе и выходе и стендовая тяга двигателя дают возможность
определить полетную тягу на соответствующей высоте и скорости
полета. Чтобы получить расчетные формулы, проведем контроль-
ную поверхность вокруг двигателя (см. рис, 2,13) И спроектируем
действующие на нее усилия на направление силы тяги:
ЛРз - ^е^о-г - РмРк- /?изм = 0, (2.2)
откуда
ЯИЛМ = G гт5 Gacm 4- Г\ (р- - В„) - (рвх - Ва). (2.3)
В условиях полета величина тяги может быть определена
из соотношения
= 6гЛ - бв.пг'пЛ (/?Sn - р„). (2. 4)
Если во время эксперимента 7'вХ= Гн и рвХ—- р«, то GB='GB.n;
Gr=Gr.n; GrilvSo^Grvs.
Подставляя значение Gr.uQ5u из уравнения (2.4) в уравнение (2.3),
получаем
+ G„. п— Е'(. (р5п - рн) -
- (/>5 ~ 80) - (Рт ~ #о\
41
откуда
Для построения высотной характеристики необязательно сни-
мать все экспериментальные точки, соответствующие р'ак=Рн- Не-
соответствие давлений легко учесть расчетом. При наличии крити-
ческого перепада в сопле
* ф *
z- / . А/ Ат Рн
^г.Лп ^у|-г5 * ) ^в.п^п ’ Ain Pb *
Р вх Р ВХ р ВХ
и формула (2.5) примет вид
§ 3 НАЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ И СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВРД
В ВЫСОТНЫХ УСЛОВИЯХ И ОБОРУДОВАНИЕ для СОЗДАНИЯ
ВЫСОТНЫХ УСЛОВИЙ
Рассмотренные в § 2 схемы стендов не позволяют создать пони-
женные давления и температуры воздуха на входе в двигатель,
имеющие место на значительных высотах при полете с малыми
скоростями, и создать обдув двигателя высокоскоростным газовым
потоком.
Пониженное давление существенно влияет на рабочий процесс:
уменьшаются числа Рейнольдса и, как следствие, при выходе из
автомодельной области увеличиваются потери в газовоздушном
тракте двигателя. Ухудшается работа основных и особенно фор-
сажных камер: снижается коэффициент выделения тепла и су-
жаются границы устойчивого горения и запуска (но скорости па-
тока и коэффициенту избытка воздуха), может измениться темпе-
ратурное поле на вы.ходе из камер сгорания, что повлияет ня
прочность узлов, смежных с камерами сгорания (в особенности
турбины).. Уменьшение подачи топлива, связанное с уменьшением
расхода воздуха через двигатель, предъявляет более жесткие тре-
бования к работе топливодозирующей аппаратуры. Ухудшаются
условия работы системы смазки.
Низкие температуры воздуха увеличивают приведенные обороты
компрессора д/|/ Т* при постоянных физических оборотах, прибли-
жая условия его работы к помпажу, ухудшают запуск основных
и форсажных камер сгорания. При температуре, близкой к 0е С,
и высокой влажности возможно обледенение входного устройства.
Отсутствие обдува двигателя высокоскоростным потоком воз-
духа не позволяет провести исследование взаимного влияния режи-
мов работы воздухозаборника и двигателя.
42
Термобарокамера с перегородкой
На рис. 2.14 показана схема высотного стенда с перегородкой.
Двигатель с лемннскатным насадком устанавливается внутри гер-
метической камеры на нежестком станке, позволяющем измерять
тягу. Камера разделена перегородкой на две полости. В первой
поддерживается полное давление и температура, соответствующие
таковым за диффузором двигателя во время полета, во второй —
статическое давление, равное барометрическому на имитируемой
высоте. Между перегородкой и двигателем остается небольшой
радиальный зазор, обеспечивающий свободу перемещений двига-
теля на станке. На входе установки укреплен обтекатель, который
обеспечивает радиальное направление воздуха перед двигателем,
т. е. равенство нулю входного импульса. За двигателем устанавли-
вается охлаждаемый диффузор, преобразующий кинетическую
энергию реактивной струи в статическое давление и тем самым
облегчающий условия работы эксгаустеров.
При доводочных испытаниях в ТЕК для получения полного
представления о напряжениях в основных силовых деталях и о ра-
боте основных узлов на двигателе проводится большое количество
измерений. На лопатки компрессора и турбины, их замки и диски,
валы и шестерни наклеиваются тензометрические датчики, позво-
ляющие определить напряжение в этих деталях. Производится
термометрирование сопловых, рабочих лопаток и дисков турбины.
Измеряются температуры корпусных деталей «горячей» части дви-
гателя, жаровых труб и обечаек форсажной камеры. Измеряются
поля температур до и после турбины. Наконец в основных сечениях
двигателя измеряются статические и полные давления.
По измеренным в эксперименте тяге и параметрам рабочего
тела можно определить тягу двигателя на имитируемой высоте
при заданной скорости полета. Чтобы получить нужные соотноше-
ния, напишем уравнение Эйлера для контрольной поверхности,
обозначенной пунктиром на рис. 2. 14 (для случая, когда из высот-
ной камеры не .забирается воздух на обдув форсажной камеры)
#Нзм = Gr^3 + (Л) - Л)Рн + /"сРь +
-1(^0— ^..ер) Рн - FoPfl - (F0~ ^лер) Рн
или после приведения подобных членов
^изм -= Gr us -ф Лс (>s - рн) - (рн ~рн). (2. 7J
3 полете тяга
<А.Л“ Сл.п^п + Л(Ры - Рн) (2- 8)
Сравнивая между собой уравнения (2.8) и (2.7), можно
записать
Fmv(p*H- РН). (2.9)
43
Рис. 2. 14, ТБК с. перегородкой и принципиальная схема измерения в основных сечениях двигателя:
/—высотная камера; ?—сетка; 3-обтекатель; 4—лемниската; 5—испытуемый двигатель: <1—станок; 7—перегородка; 3—диффузор
9— впрыск охлаждающе;! воды
При вычислении полетной тяги значения /?)!ЗХ1 и (?вп берутся из
эксперимента, скорость полета уп определяется условиями имита-
ции (заданными р„, ри и Тн\ а величина /'Д.Д/’лг — р^) берется
по данным предварительной тарировки, которая проводится путем
создания различных перепадов давления (pfl— ри) между по-
лостями камеры при заглушенном входе двигателя.
Недостатками высотного стенда с перегородкой являются пере-
текание воздуха через радиальный зазор между двигателем и пере-
городкой, вследствие чего снижается предельно достижимая
имитируемая высота, а также воздействие входных температур
(переменных от опыта к опыту) на все оборудование и часть прибо-
ров, размещенную внутри камеры. Это приводит к большой тепло-
вой инерционности, из-за которой для выхода барокамеры на ста-
ционарный режим требуется длительное время и, кроме того,
к понижению точности измерения отдельных параметров в про-
цессе эксперимента (меняется тарировка станка, электросопротив-
ление соединительных и других проводов, измерительных приборов
и датчиков).
Термобарокамера с присоединенным трубопроводом
На рис, 2. 15 показана схема ТБК с присоединенным трубопро-
водом, в которой отсутствуют недостатки, присущие вышерассмот-
ренной схеме. Высотные условия по температуре поддерживаются
только на входе, а температура в самой камере остается постояи-
Рис. 2. 15. Схема высотного стенда с присоединенным
трубопроводом:
1—сеткп; 2—тс-тескотгичсское соединение; J—испытуемый двн*
гэтедь; 4--Станок; <5—диффузор; впрыск охлаждающей ВОДЫ
ной. Стенд с присоединенным трубопроводом находит широкое
применение для испытаний СПВРД.
При некоторых стендовых испытаниях требуется, чтобы темпе-
ратура воздуха, обдувающего двигатель, была равна температуре
на входе в него. Для проведения подобных испытаний ТБК с при-
соединенным трубопроводом снабжают кожухом,
Для определения тяги на данной установке можно использовать
формулу (2. 6), полученную для случая стенда с наддувом.
45
Однако при пользовании формулой (2.6) следует учесть, что
в данном случае = и, следовательно, произведение
FC(SO—рн)=0. Поэтому формула примет вид:
(2,10)
Барокамера с обдувом входа двигателя сверхзвуковым потоком
Наиболее полным в наземных условиях является испытание
двигателя с самолетным воздухозаборником в барокамере со сверх-
звуковым обдувом (рис. 2. 16).
Двигатель устанавливается на жестком станке, так как измере-
ние тяги с помощью нежесткого станка затруднено внешним аэро-
динамическим сопротивлением. Число М. изменяют с помощью
регулируемого сопла или сменных сопел {для каждого числа М
свое сопло).
Рис. 2. 16. Схема испытания дкягателя в большой аэродинами-
ческой трубе:
1—домкрат, изменяющий угод наклона сопла относительно димгателя;
2—органы регулирования критического сечения сопля; 5—сопло с пере-
менным критическим сечением; 4—у у ел поворота сопла; 5—испытуемый
двигатель; жесткий станок; 7—диффузор внутреннего потока, <?—диф-
фузор внешнего потока; 9—ппрыск охлаждающей коды
За двигателем устанавливают диффузор, преобразующий ско-
ростной напор реактивной струи в статическое давление. В случае,
когда полное давление на входе в сверхзвуковое сопло установки
меньше атмосферного, представляется целесообразным для сни-
жения мощности эксгаустеров удалять в атмосферу только ту часть
начального потока, который захватывается этим диффузором и со-
держит продукты сгорания топлива, а остальную часть потока
сжимать компрессорами до начального давления и возвращать
на вход в сверхзвуковое сопло.
На подобных стендах не удается в точности воспроизвести внеш-
нюю картину обтекания двигателя, так как расход воздуха через
двигатель меняется от режима к режиму, и общий расход через
установку остается постоянным (лимитируется критическим сече-
нием стендового сопла). Однако работа самолетного воздухозабор-
ника и влияние его на последующие агрегаты соответствует натур-
46
ным условиям в полете. Это позволяет отрабатывать влияние
воздухозаборника и схем его регулирования на характеристики
узлов и двигателя в целом при различных скоростях полета и углах
атаки.
Оборудование для создания высотных условий на
экспериментальных стендах
Воздух заданных (высотных) параметров подготавливается для
экспериментальных высотно-скоростных стендов специальным
оборудованием, схема соединения которого показана на рис. 2. 17.
При больших расходах воздуха через двигатель это оборудование
требует больших электрических мощностей и занимает значитель-
ные производственные площади.
Рис. 2. 17. Принципиальная схема соединения энергетического обо-
рудования с высотным стендом:
/—воздухозаборная шахта с шумоглушеямем; 2^-нкаконанорные компрессоры
большой поизводит ел ьности; Л—электродвигатель; 1 -»воздухоочиститсль; о—вла-
гопоглотитель; б—вмеоконапорные компрессоры; 7—водо-воздушный охлади-
тель между ступенями компрессора; tf—электродвигатель; 9—водо-воздушный
охладитель; /6?—подогреватель; Н—холодильная турбина; 12—гидротормоз;
13—смеситель; И—высотная камера или аэродинамическая труба; Уб—водо-
воздушным охладитель между ступенями компрессора; 76—вод о-воздушный
охладитель; 17—водо-ночлушный охладитель между ступенями компрессора;
18- компрессоры эксгаустера; /9—электродвигатель; 20— выхлопная шахта
с шумоглушеинсм; 2/—камера с i ирония подогреватели
Воздух забирается из атмосферы через воздухозаборную
шахту 1, оборудованную шумоглушашими устройствами, и направ-
ляется к низконапорны.м компрессорам большой производитель-
ности 2. Предварительное сжатие воздуха необходимо для компен-
сации потерь давления в воздухоочистителе 4 и влагопоглотителей,
а также для уменьшения их габаритов.
Очищенный и осушенный воздух сжимается высокопапорными
компрессорами 6, между ступенями которых имеются водо-воздуш-
47
йые радиаторы 7. Эти радиаторы уменьшают потребную работу
сжатия. После сжатия в компрессорах воздух нагревается или
охлаждается соответственно в подогревателе 10 или охладителях
О и И. Подогреватели могут быть электрическими или газо-воздуш-
ными. Для электрических подогревателей требуется большая элек-
трическая мощность и значительные площади* па которых разме-
щается электрическое оборудование и сам подогреватель. Из-за
отмеченных недостатков в мощных установках они применяются
редко. Удобнее трубчатые или пластинчатые теплообменники, в ко-
торых рабочий воздух подогревается высокотемпературными про-
дуктами сгорания жидкого топлива, поступающими из камеры
сгорания подогревателя 21. Воздух в камеру сгорания 21 подается
низконапорнымп компрессорами 2.
Воздух охлаждается в водо-воздушном радиаторе 9, а в случае
необходимости охлаждения ниже 0°С (до --70е' С) в холодильной
турбине 11. Развиваемая турбиной мощность поглощается гидро-
тормозом 12.
Подогретый или охлажденный воздух подается в смеситель 13
и далее на экспериментальный стенд 14 (высотную камеру или
аэродинамическую трубу). После стенда воздух, содержащий про-
дукты сгорания, охлаждается для облегчения работы эксгаустер-
ной части установки в водо-воздушном радиаторе или непосред*
ственно впрыском в ноток большого количества воды. Нагретая
вода затем откачивается водяным насосом, а воздух, содержащий
продукты сгорания, сжимается в компрессорах эксгаустерной части
установки 18 и выбрасывается в атмосферу через выхлопную
шахту 20, снабженную шумоглушащими устройствами.
Схема соединения энергетического оборудования с высотным
стендом (см. рис. 2.17) значительно упрощена. На ней не показаны
сложная система трубопроводов, позволяющая переключать нагне-
татели 6 и 18 на различные режимы наддува и вакуумирования,
замкнутая система охлаждающей воды с градирнями или брызга-
тельными бассейнами, электрические подстанции, переключатели
и пусковые устройства.
Общая электрическая мощность всех приводов подобных уста-
новок достигает 100 000 кат н более. Одна энергетическая установка,
как правило, попеременно обслуживает несколько стендов. Пока
на одном проводят эксперимент, на других осуществляют перемон-
таж и отладку оборудования.
§ 4 ЛЕТАЮЩИЕ ЛАБОРАТОРИИ
Летающая лаборатория создается на базе серийного, проверен-
ного в летной эксплуатации самолета, на котором основная тяга,
обеспечивающая полет и эволюции самолета, создается серийными
двигателями. Поэтому отказ в работе или авария с опытным дви-
гателем менее опасны.
48
Под летающие лаборатории оборудуются, как правило, тяжелые
самолеты, с которых снимают все оборудование, не нужное для
летных испытаний и размещают необходимые приборы.
Опытный двигатель укрепляют над фюзеляжем, под фюзеляжем,
в одной из мотогондол вместо серийного двигателя, под крылом
или в хвосте самолета. При размещении под фюзеляжем преду-
сматривается возможность полной или частичной уборки двигателя
во время взлета и посадки. Компоновка элементов силовой уста-
новки должна максимально соответствовать таковой на опытном
самолете, чтобы приблизить условия работы опытного двигателя
к реальным условиям эксплуатации.
На случай аварии узлы крепления и коммуникации, связываю-
щие двигатель с летающей лабораторией, оборудуются устройст-
вами, позволяющими отделить двигатель от самолета: узлы креп-
ления— взрывными болтами, а коммуникации — гильотинными,
дистанционно управляемыми ножницами.
Летные испытания весьма дорогостоящие, а испытуемые двига-
тели обычно еще не обладают достаточным ресурсом, поэтому при-
нимаются все меры для ускорения регистрации измеряемых вели-
чин, Результаты измерений фиксируются самописцами или, после
преобразования в электпическую величину, магнитно-электриче-
скими осциллографами.
Современная летающая лаборатория позволяет разместить
большое количество измерительных приборов, которые фиксируют
практически нее параметры, регистрируемые в стендовых условиях:
число оборотов, температуру и давление рабочего тола в различ-
ных сечениях двигателя, расход топлива, виброперегрузки и т, д.
В отличие от стендовых приборов для установки на летающей ла-
боратории отбирают такие, на работу которых не влияют пере-
грузки и ориентация их в пространстве.
Программа летных испытаний зависит от конкретной конструк-
ции двигателя и его назначения. Из основных вопросов, которые
подвергаются исследованию на летающей лаборатории, можно
выделить следующие:
1, Тензометрирование и термометрирование основных узлов
двигателя.
2. Проверку работы двигателя при эволюциях самолета.
3. Определение границ устойчивого запуска основной и форсаж-
ной камер сгорания.
4. Проверку полей температур в различных сечениях двигателя.
5. Определение границ устойчивой работы компрессора.
6. Определение минимального устойчивого режима на различ-
ных скоростях и высотах полета.
7. Определение приемистости двигателя.
8. Проверку работы топливодозирующей аппаратуры.
9. Определение вибропсрегрузки двигателя на различных режи-
мах работы.
10. Проверку работы системы смазки в высотных условиях.
49
После доводки на летающей лаборатории двигатель обязательно
испытывается в компоновке с планером, для которого он предназ-
начен. Если же двигатель предназначен для установки на различ-
ных самолетах, то он проходит испытания с самолетом каждого
вида в отдельности. Эти испытания являются дополнительными,
так как на летающей лаборатории испытания обычно бывают огра-
ничены по высоте, скорости полета и маневру. Кроме того, самолет
каждого вида всегда отличается от других по компоновке двига-
теля, устройству воздухозаборника и реактивного сопла, что суще-
ственно влияет на характеристики двигателя.
§ 5. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ ДОВОДОЧНЫХ И ЗАВОДСКИХ
ИСПЫТАНИЙ ТВД
Полезная отдача ТВД оценивается по эквивалентной мощности,
представляющей собой сумму винтовой приведенной мощности и
мощности, равноценной тяге сопла:
*,1<u=^Do + ^c, (2. 11)
где А%0— винтовая приведенная мощность в л. с.;
R,., — тяга сопла в кГ;
с — коэффициент перевода тяги в мощность (зависит от
КПД винтов).
Винтовая приведенная мощность А^о определяется по замерен-
ной винтовой мощности
лг __-^в.яам
j*b0 — ,
А
где А — коэффициент приведения мощности к стандартным атмо-
сферным условиям, определяемый по заранее рассчитан-
ным графикам в зависимости от режима работы двига-
теля, давления и температуры атмосферного воздуха
(Л = 1 при ТН = 288°К и рн = 760 мм рт. ст.);
М в.зам ~ А^в.в N (-„aj
Л^.в — мощность на валу винта;
Л'с.а — мощность самолетных агрегатов (зависит , от их за-
грузки).
Помимо общих требований, изложенных в § 1 настоящей главы,
боксы для испытания ТВД должны быть достаточно просторными
для размещения двигателя с винтами и обеспечения необходимого
расхода воздуха через двигатель и площадь, ©метаемую винтами,
а также иметь оборудование для измерения мощности и тяги.
Все методы определения мощности ТВД основаны на измере-
нии крутящего момента, допустимая погрешность определения ко-
торого по существующим техническим условиям не должна превы-
шать 0,5% от максимального значения.
Каждый метод измерения крутящего момента требует своей ком
помойки станка и стенда. Рассмотрим два из них.
50
Испытания ТВД с гидротормозом
Мощность, развиваемая ТВД, может быть поглощена и изме-
рена гидротормозом. На рис. 2. 18 приведена схема установки ТВД
с гидротормозом.
Двигатель укрепляется на жестком станке и с помощью про-
межуточного вала и муфты соединяется с гидротормозом. Обычно
редуктор на двигатель не ставят, а мощность ТВД снимается свала
компрессора. При отборе мощности с выходных валов редуктора
пришлось бы применять тихоходные тормоза больших размеров,
вследствие чего могли бы создаться дополнительные сопротивления
Рис. 2.18. Схема установки ТВД для испытания с гид-
ротормозом:
1 —гидротормоз; соединительная муфта; 5—фундаментная
плита; 4—испытуемый ТВД; 5—жесткий станок
на входе воздуха в двигатель. Мощные ТВД имеют два винта, сле-
довательно, отбирая мощность с валов редуктора, пришлось бы
пользоваться двумя тихоходными тормозами, вращающимися
в разные стороны. При этом промежуточный вал одного гидротор-
моза необходимо пропускать внутри другого, что создает допол-
нительные трудности в конструировании гидротормозов, соедине-
нии внутренних валов с двигателем, увеличивает длину валов.
Гидротормоз позволяет измерять крутящий момент с точностью
0,5% и выше. Однако его применение требует дополнительных
капитальных затрат на организацию водоснабжения. В среднем
необходимо подавать 13—15 л воды в час на каждую лошадиную
силу мощности испытываемого двигателя. На станциях, испыты-
вающих современные ТВД большой мощности, потребность в воде
Может превышать 500 .и3/час и ее трудно будет удовлетворить. Для
экономии поды строят замкнутые системы водоснабжения, в кото-
рых нагретая в гидротормозе вода охлаждается в градирнях пли
брызгательных бассейнах (рис. 2. 19). Замкнутая система водоснаб-
жения требует пополнения только испарившейся в процессе охлаж-
дения воды, т. е. в 15—20 раз меньше. Брызгательные бассейны
Дешевле, но требуют большой площади. Градирни могут быть раз-
мещены на меньшей площади, но строительство их связано со зна-
чительными капитальными затратами. Вопрос о строительстве того
51
или другого охладителя решается исходя из конкретных условий
каждого предприятия. Промышленное использование горячей воды
встречает трудности из-за периодичности ее поступления. Если
Рие, 2. 19. Схема замкнутого водоснабжения испы-
тательной станции:
J—гидротормоз; 2—фильтр; <3—бак постоянного уровня:
-J—'поплавок с запорным крапом; б—насос; 6‘—электродвига-
тель; 7—фильтр; £—брызгательный бассейн
гидротормоз с двигателем укрепить на подвижной платформе
(рис. 2.20), то можио определять эквивалентную мощность ТВД,
измеряя одновременно крутящий момент и тягу. Однако подобные
установки весьма громоздки и применяются редко.
Рис. 2.20, Схема станка для определения экви-
валентной мощности ТВД:
1—фундаментная плита; упругая лента; 3—станина;
4—поданжиая платформа; 5—измеритель усилия; $—гид-
ротормоз; 7—соединительная муфта; 8—испытуемый ТВД;
3—жесткий станок
52
Гидротормозным испытаниям ТВД присущи недостатки, из-за
которых требуются повторные испытания с винтами па заводах,
производящих двигатели. В гидротормозных испытаниях не прове-
ряется работа редуктора и элементов, воспринимающих тянущее
усилие винта. Повторные испытания удлиняют и удорожают про-
цесс испытания.
Испытания ТВД на жестких станках с воздушными тормозами
и измерителями крутящего момента (ИКМ) для определения
величины крутящего момента
Если известна зависимость потребляемой винтом мощности
от оборотов и различных углов установки лопасти, то это делает
принципиально возможным определение мощности ТВД. Однако
практически подобный метод применяется редко, так как характе-
ристики винтов не могут быть получены с требуемой степеныо-
точности.
Рис. 2.21. Схема гидравлического измерителя крутящего
момента (ИК.М):
Z-^нал двигателя; 2—неподвижная шестерня планетарного редуктора;
J—шарик; 4—поршень; 5—сливное отверстие: S—оал пиита; 7—манометр;
8—объемный насос
Определять величину крутящего момента на валу двигателя,
испытываемого с винтами в качестве поглотителей мощности,
позволяют специальные измерители крутящего момента, смонтиро-
ванные внутри двигателя и являющиеся штатными датчиками
Для контроля крутящего момента в полете. Наибольшее распро-
странение получили гидравлические И КМ (рис. 2.21).
Реактивный момент, возникающий на неподвижной шестерне 2
планетарного редуктора, передается на корпус двигателя через
шарики 3, расположенные на трапецеидальных выемках. При уве-
личении нагрузки шарики отжимают поршень 4. Перемещаясь, пор-
шень 4 частично перекрывает отверстие 5 для перепуска масла,
подаваемого под поршень объемным насосом 8, благодаря чему
53.
повышается давление масла под поршнем. Движение поршня пре-
кращается, когда сила, отжимающая поршень, уравновешивается
давлением масла. Величина давления масла после соответствующей
тарировки служит мерой крутящего момента.
Применение ИКМ существенно упрощает и удешевляет испыта-
ния ТВД. Отпадает необходимость применения гидротормоза, а
следовательно, постройки и обслуживания сложного и энергоемкого
оборудования водоснабжения. Двигатель испытывает те же на-
грузки, что и при эксплуатации: от винтов и сопла, а также от
крутящего момента. Возрастает пропускная способность искыта-
тельных станций. Недостаток метода заключается в том, что дли
обеспечения необходимой точности измерения крутящего момента
требуется существенное повышение точности изготовления деталей,
узлов и систем И КМ, т. е. удорожается производство каждого дви-
гателя.
§ 6. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПВРД
В ПВРД сжатие достигается за счет торможения набегающего
на двигатель воздуха в относительном движении. Благодаря этому
конструкция ПВРД более проста, чем конструкция газотурбинного
двигателя, но испытания и доводка ПВРД значительно сложнее,
так как для этого обязательно требуется мощное компрессорно-
эксгаустерное оборудование, создающее поток воздуха, набегаю-
щего на двигатель.
ПВРД является двигателем больших сверхзвуковых скоростей,
поэтому силовое оборудование должно создавать перепады давле-
ний, позволяющие получить потоки с большими сверхзвуковыми
скоростями, а оборудование испытательного стенда должно обеспе-
чивать течение потока с возможно меньшими потерями полного
давления.
Цель испытаний полноразмерного ПВРД состоит в получении
характеристик двигателя и систем его регулирования как при уста-
новившемся потоке на входе, так и при имитации изменения усло-
вий иолета, включая изменение высоты, скорости полета и угла
атаки. Одновременно с этим выясняются вопросы надежности
охлаждения различных элементов двигателя, прочностные характе-
ристики конструкции и некоторые другие.
На рис. 2.22 показаны наиболее типичные схемы эксперимен-
тальных стендов для испытания ПВРД. Выбор схемы стенда опре-
деляется размерами и назначением двигателя, конкретными зада-
чами испытаний, а также возможностями силового оборудования.
Закрытая сверхзвуковая труба
Для создания сверхзвуковой струи используются специальные
сверхзвуковые трубы, представляющие собой сложные устройства.
Для имитации условий полета при разных числах М нужно иметь
либо набор сопел Лаваля с различными сечениями горла, либо
54
регулируемое сопло. Последнее сложнее, но более удобно при про-
ведении исследований, так как позволяет плавно .менять скорость
обдува испытуемого объекта без перемонтажа сопла. Регулируемое
сопло имеет прямоугольное сечение (рис. 2.23): две стенки (проти-
воположные) — неподвижные, а две другие — гибкие и образуют
Рис. 2.22. Схемы экспериментальных стендов для (испыта-
ния ПВРД:
а—в закрытой свррхзнукОБОй трубе: /—испытуемый двигатель;
/—сопло сверхзвуковой трубы: 3—рабочая часть трубы; 4—смотри-
ной люк; 5—«стойка, крепящая двигатель; 5'—ложная стойка;
6—диффузор; /“форсунки, впрыскивающие охлаждающую воду
в поток горючих газов;
б—в барокамере: /—ресивер; 2—поворотное сверхзвуковое сопло;
•/—'диффузор; 4— барокамера; 5—люк; 6—испытуемый двигатель:
7—диффузор;
а—-при имитации условий ла входе и выходе (при открытом до*
ступе к камере двигателя): /—ресивер; 2—поворотное сверхзвуко-
вое сопло; камера открытой рабочей частя сверхзауковой трубы;
4—диффузор; ,5—испытуемый двигатель; £—камера вокруг выхлопной
струи двигатели; 7—диффузор
требуемый профиль сопла Лаваля. При переходе, например, на
большое число М в рабочей части система рычагов изгибает гибкие
стенки так, что критическое сечение уменьшается при неизменном
выходном сечении. При соответствующем увеличении перепада
давлений между входом в сопло и выходом из него будет получена
требуемая скорость потока.
Если бы воздух поступал в сопло Л аваля из ресивера, и сверх-
звуковая струя выходила в окружающую среду с давлением
кГ’см2, то для расчетных случаев течения (рр = рн) (поте-
55.
рями на трение можно пренебречь), для получения на выходе из
сопла числа М, равного 1,5; 2,5; 3,5 соответственно, понадобились
бы давления ряа в ресивере: 3,66; 17,1; 77 ата.
Давление в рабочей части трубы можно снизить, поставив за
ней диффузор (рис. 2.24), в котором статическое давление будет
возрастать от давления в рабочей части рр до рн. В этом случае
полное давление в ресивере p*Q потребуется значительно меньшее,
чем при открытой струе для получения в рабочей части того же
числа Мр.
Рис. 2. 23. Схема сверхзвуковой трубы с гибкими стенками
На рис. 2. 24 схематично показаны два случая течения воздуха
в сверхзвуковой трубе с диффузором. Для упрощения считается,
что в сопле и рабочей части полное давление остается постоянным.
Это близко к действительности, В диффузоре при плавном или
скачкообразном торможении потока полное давление падает.
В первом случае (сплошные линии), соответствующем течению
с наименьшими потерями полного давления в диффузоре (.Мгл=1),
в ресивере установлено некоторое минимальное, но достаточное
давление р*0', позволяющее при данной неизменной геометрии сопла
получить в рабочей части трубы расчетное число A1 = MW.
Во втором случае (пунктирные линии), соответствующем тече-
нию с большими потерями давления (Мг.д>1 и сверхзвуковой поток
в расширяющейся части диффузора переходит в дозвуковой через
прямой скачок), в ресивере требуется большее давление р*0° , т. е.
чем больше потери в диффузоре, тем большее давление должно
быть в ресивере для получения в рабочей части трубы того Же
числа Мр.
56
Потери могут быть меньше, если торможение сверхзвукового
потока через прямой скачок будет происходить при меньшей на-
чальной скорости. Для получения при различных Мр в горле диф-
фузора звуковой или небольшой сверхзвуковой скорости и регу-
лирования положения прямого скачка диффузор должен иметь
регулируемые сечения.
Однако свести потери в диффузоре к минимуму7 сложно по двум
причинам:
1. Из-за того, что в рабочей части трубы помещен исследуемый
объект, поля скоростей на входе в диффузор получаются веравно-
Рис. 2. 24. Схема сверхзвуковой трубы с регулируемым диффу-
зором на выходе из рабочей части
мерными, что приводит к появлению сложной системы скачков,
приводящей к большим потерям, чем при прямом скачке.
2. Во многих случаях объект исследования представляет собой
осесимметричное тело, а диффузор может иметь прямоугольное
сечение. Сложная форма капала диффузора вызывает отрывы
потока, что также вызывает дополнительные потери давления.
Сверхзвуковые трубы часто выполняют с замкнутым контуром
(рис. 2.25). Весь рабочий контур делают герметичным. Если в кон-
туре понизить давление воздуха, откачав часть воздуха вакуум-
насосом, то для получения того же числа .МР потребуется меньшая
мощность компрессора (эксгаустера).
Двигатель / (см. рис, 2. 22, а) размещается в рабочей части
сверхзвуковой трубы. Здесь могут полностью имитироваться дей-
ствительные условия по температуре, давлению и числу М для тече-
ния газа внутри двигателя и обдува его наружных поверхностей.
Для облегчения работы эжектора или эксгаустера, отсасывающих
газ из сверхзвуковой трубы, и предохранения стенок диффузора
57
oi действия горячих газов стенки оборудуются коллекторами и фор-
сунками 7, распиливающими охлаждающую воду в канал диффу-
зора. Испытуемый двигатель устанавливается на полой стойке 5,
через которую выводятся топливопровод, трубки отборников стати-
ческого и полного давления, провода термопар, тензодатчиков и
других приборов.
Стойка воспринимает также усилие RiaM, фиксируемое тем или
иным измерителем,
(2,12)
где R — внутренняя или реактивная тяга двигателя;
Rx — внешнее сопротивление двигателя;
R,. — сила сопротивления части стойки, обдуваемой сверхзву-
ковым потоком.
Чтобы исключить сопротивление Rt;, в ряде случаев пользуются
следующей методикой. В поток устанавливают такую же по разме-
рам ложную стойку 5' (показана на схеме пунктиром), не соединен-
ную с двигателем. Во время опыта, помимо /?пам, измеряют также
сопротивление Rf:, действующее со стороны потока на ложную
стойку.
По результатам измерений может быть определена эффективная
тяга двигателя:
= = (2-13)
Наряду с несомненными достоинствами рассмотренная схема
имеет существенные недостатки. Главный из них заключается в не-
обходимости прогонять через сверхзвуковую трубу количество воз-
духа, в несколько раз превышающее расход воздуха через сам
двигатель. Поэтому подобная схема находит применение для испы-
тания относительно небольших ПВРД. При этой схеме трудно
имитировать работу двигателя с углом атаки к набегающему
58
потоку. При повороте самого двигатели возрастает загромождение
сечения трубы, что может вызвать нежелательную перестройку
потока и «запирание» трубы.
Высотная барокамера со сверхзвуковым поворотным соплом
и кольцевым диффузором
Испытуемый ПВРД (см. рис. 2.22,6) размещен в барокамере 4.
Поворотное сопло 2 может быть выполнено регулируемым или
с неизменной геометрией. В последнем случае необходимо не-
сколько сопел, рассчитанных на различные числа М. За соплом
устанавливается диффузор 3 для уменьшения потерь при тормо-
жении потока (подробнее см. гл. III, § 2). Газы из барокамеры
отсасываются эксгаустером или эжектором через диффузор 7, бла-
годаря чему создается необходимое давление па срезе сопла двига-
теля. В поток горячих газов также впрыскивается вода для сниже-
ния их температуры.
К достоинствам подобной схемы нужно отнести возможность
имитации потока, набегающего на двигатель, по числу М, давле-
нию, температуре и углу атаки. При этом полностью моделируются
условия течения газа впереди двигателя. Загрузка сопла может
достигать 40—50%, поэтому требуемый расход воздуха будет лишь
в 2—2,5 раза превышать расход воздуха через сам двигатель.
Условия обтекания воздухом внешних поверхностей двигателя
в этой схеме не соответствуют действительным, поэтому и внешнее
сопротивление двигателя R'x не равно силе которая была бы
в полете при том же числе М,
Величины внутренней тяги /? или эффективной тяги в рас-
сматриваемой схеме не могут быть непосредственно измерены.
Внутренняя, или реактивная, тяга R может быть рассчитана из
уравнения тяги, если измерены расход воздуха и параметры газов
на входе и выходе из двигателя. Реактивная тяга может быть вы-
числена по если по предварительным продувкам определено
для данных условий R’ Однако и первый и второй методы сложны
н не отличаются высокой точностью
Барокамера с присоединенным трубопроводом
Питание двигателя 3 (см. рис. 2. 15) воздухом производится
через присоединенный трубопровод. Как и в предыдущих схемах,
из барокамеры газы отсасываются эжектором или эксгаустером,
создавая необходимое разрежение на выходе из двигателя.
Эта схема позволяет имитировать необходимые условия по дав-
лению и температуре на входе в камеру ПВРД и на выходе.
Если поля скоростей на входе в камеру' будут соответствовать
полям за диффузором, то дальнейшее течение газа по тракту ка-
меры и сопла будет соответствовать течению в реальных условиях,
Здесь требуется наименьший расход воздуха, равный расходу че-
59
рез двигатель. На установке может быть получена такая же тяга,
как создаваемая двигателем в полете.
Недостатком схемы является отсутствие сверхзвукового диффу-
зора, вследствие чего не могут быть смоделированы режимы при
различных углах атаки.
Стенд с имитацией высотных условий на входе и выходе в ПВРД
Бэтой схеме (см. рис. 2.22, е) входное устройство двигателя
обдувается сверхзвуковым потоком, параметры которого зависят
от полных температуры и давления воздуха в ресивере 1 и геомет-
рических размеров сопла 2. Сопло также может быть регулируе-
мым или с неизменной геометрией. За соплом размещается ка-
мера и диффузор 4. Подобное устройство позволяет получить
в камере давления воздуха рк1 меньше наружного рн, т. е. создать
«высотные» условия на входе в двигатель. Поворот сопла вместе
с камерой и диффузором позволяет менять угол атаки набегаю-
щего потока.
Выхлопное сечение двигателя соединяется с выхлопной каме-
рой 6 лабиринтным уплотнением, за камерой следует диффузор 7.
Такая система позволяет и на выходе из двигателя получить дав-
ление pIi2<Pii-
Таким образом, в некотором диапазоне чисел М и давлений
может быть полностью смоделировано течение газа по внутреннему
тракту двигателя. Доступ к двигателю открыт со всех сторон, что
более удобно при проведении исследований, чем в рассмотренных
ранее схемах.
Условия внешнего обтекания двигателя, как и в предыдущей
схеме (см. рис. 2.22,6), не моделируются. Отсутствие отсасываю-
щего оборудования значительно упрощает устройство и управление
установкой, но, разумеется, снижает ее высотность.
Планировка помещений для испытаний ПВРД, силовое и изме-
рительное оборудование не имеют принципиальных отличий от
применяемых при испытаниях газотурбинных двигателей.
Глава IИ
УСТАНОВКИ И СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ УЗЛОВ
И АГРЕГАТОВ ВРД
§ I. СТЕНДЫ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН ТРД
Лопаточные машины турбореактивного двигателя — агрегаты
большой мощности, работающие в широком диапазоне изменения
параметров рабочего тела. Задачи, которые ставятся при испытании
лопаточных машин, весьма обширны: снятие характеристик, опре-
деление границы устойчивой работы, детальное изучение элементов
потерь в проточной части, проверка эффективности систем регули-
рования и ряд других.
Одной из важнейших задач испытаний является определение
характеристик лопаточных машин и проверка эффективности кон-
структивных мероприятий, направленных на улучшение характе-
ристик. Характеристиками лопаточных машин называются графи-
ческие или аналитические зависимости, связывающие расход газа,
число оборотов, перепад давлений и КПД для различных режимов
работы (рис. 3. 1 и рис. 3.2). Экспериментально характеристики
лопаточных машин могут быть получены тремя способами:
1. Исследованием модельных лопаточных машин.
2. Испытанием натурных турбин и компрессоров на специаль-
ных стендах,
3. Испытанием лопаточных машин непосредственно на дви-
гателе.
Испытания модельных компрессоров и турбин
Испытания модельных лопаточных машин получили большое
распространение, так как они дают возможность получать необхо-
димые характеристики при меньших капитальных затратах на со-
оружение стендов и требуют меньших мощностей для проведения
опытов.
Рассмотрим условия подобия модельных и натурных лопаточ-
ных машин в установившемся режиме для одного и того же рабо-
чего тела. Подобие режимов имеет место, если выполняются:
61
Рис. 3. 1. Характеристика компрессора.
Рис. 3.2, Характеристика 4-ступенчатой реактив-
ной турбины
1. Геометрическое подобие
А, ._____l / ff
//« Л<
2. Кинематическое подобие
(3.1)
3. Равенство критериев подобия Мн = Мм и ReH = RcM (индекс«н»
относится к натуре, индекс «м» — к модели, m — масштаб модели-
рования) .
Из условия следует
^’м С м Ли
— - ИЛИ — = —- —
Лм £я £ХГ(
_ /^м.\й'5/в^\0‘7—f’5 (3 2)
/авндн uJ Uh/ vJ k '
Из условия кинематического подобия следует
или ^ = £д.==/'*« (з.з)
См wh / \ Тц I
г. е. скорости газа в модельной лопаточной машине не могут быть
произвольными, а должны подчиняться уравнениям (3.2) и (3.3).
Используя связь окружной скорости с диаметром и числом
оборотов ротора, можно получить зависимость между оборотами
модели и натуры:
«ч_ _ 60 __ 1 нм
«и m «„ ’
60
или, подставляя из равенства (3.3) отношение окружных скоро-
стей, окончательно имеем
= m I -k±У'’" (Y’S ИУ’5, (3. 4)
«„ \kj \й«) \rj
т. е, с уменьшением размеров модели при сохранении равенства
Мн = Мм обороты модельной машины должны возрастать пропорцио-
нально масштабу моделирования. При этом необходимо также учи-
тывать изменение физических свойств газа (&, В) от температуры.
Из условия ReH=ReM следует, что
__ cmOmQm
Ни !хм
ИЛИ
0м __ Сц Dg Дм __ft'7/Дм \~3J.s рм (2 5>}
Рн |ХН \ Йн / / \ Гн / рв
63
Воспользуемся уравнением состояния и определим отношение
давлений газа на подобных режимах модели и натуры:
Р*
Рн
(3. 6)
Из формулы (3.6) следует, что с уменьшением размеров модели
при сохранении равенства ReIt = ReM давление газа в модельной
машине должно возрастать пропорционально масштабу моделиро-
вания. На величину давления оказывает влияние также отношение
температур газа и изменение физических свойств рабочего тела
(k, В, ц), вызванное изменением температуры.
Определим отношение мощностей, потребных для испытания
модели и натуры. Мощность лопаточной машины пропорциональна
произведению секундного расхода газа через нее и теоретического
напора:
N — GrH. (3.7)
Так как в подобных режимах все КПД сохраняют свои числен-
ные значения, то
Найдем отношение секундных расходов газа через модель и на-
туру, воспользовавшись уравнением неразрывности:
б’г.м Qm^м^м 1 Им ^д
бр.Н QkBП^к т Нм
По уравнению Эйлера для осевых лопаточных машин теорети-
ческий напор
Н—иАси,
где и — окружная скорость;
Дси — разность окружных составляющих скоростей на входе
и выходе.
Найдем отношение теоретических напоров:
Им kK Зм Рм ^д 1у}
Нн Зц Рц
Здесь помимо равенств (3. 2) и (3.3) использовано свойство по-
добных систем, заключающееся в том, что константа подобия для
разности однородных величин и для са-мих величин одна и та же.
Подставляя выражения (3.9) и (3.10) в (3.8), получаем
Ь м _ 1 ^.ч Зм 7М <ХМ (2 | j у
Я1 Вн Т п рн
Таким образом, мощность модели лопаточной машины при со-
хранении критериев подобия Re и М обратно пропорциональна
64
масштабу моделирования, прямо пропорциональна отношению
температур и зависит от изменения физических свойств газа, вы-
званных изменением температуры. Если лопаточная машина рабо-
тает в области автомодельности, то число Re* при выборе режи-
мов испытания модельной лопаточной машины можно не учиты-
вать, так как в этой области изменение числа Re в широких преде-
лах приводит к одним и тем же результатам эксперимента. Моде-
лирование без сохранения постоянства числа Re называется
условна неполным.
Соотношение мощностей для случая неполного моделирования
можно получить, используя соотношения (3.8), (3.7), (3.10) и (3.2):
Ми.иеп ____GTMffu __
откуда
N м.иеп 1
.VH m2
(3. 12)
Уменьшать затрату мощности на испытание при неполном моде-
лировании путем уменьшения размеров модели, давления и тем-
пературы рабочего тела можно до тех пор, пока число Рейнольдса
находится в автомодельной области. При этом уменьшение разме-
ров модели дает большее снижение мощности, чем уменьшение
давления рабочего тела. Чтобы убедиться в этом, сравним формулу
'3. 12) с развернутым выражением для числа Re= Число
цВТ
Рейнольдса уменьшается пропорционально изменению давления
и линейных размеров, в то время как потребная для испытания
мощность уменьшается пропорционально давлению и квадрату
линейных размеров.
Однако уменьшение размеров модели не может быть беспредель-
ным. так как при больших масштабах моделирования возникает
ряд технологических трудностей (например, в изготовлении подоб-
ных профилей, моделировании зазоров). Обычно гд<2,5-нЗ,0.
Стенды для испытания модельных лопаточных машин строят с уче-
том выводов разобранной выше теории подобия режимов.
* Число Рейнольдса в лопаточных машинах определяют либо но хорде про-
филя па среднем диаметре рабочего колеса: Re=Cj&P.K q/ц, либо по гидравличе-
скому радиусу межлопаточного канала
о
йеП1дР = р ,
гле F—площадь узкого сечения межлонаточного канала,
Р — периметр канала,
3 217 65
Применяются замкнутые и разомкнутые схемы стендов. Наибо-
лее широкий диапазон изменения характеристик получают при
за икну той схеме
На рис. 3.3 показана замкнутая схема стенда для
модельных испытаний компрессора. Замкнутый газодинамический
тракт установки позволяет производить испытания на отличных от
воздуха рабочих телах, при глубоком вакуумировании (на малых
числах Re), а также при наддуве.
Рис. 3. 3. Схема замкнутого стенда для модельных испытаний ком-
прессора:
/—пьтомат, поддсржиланяциЛ давление на «ходе в компрессор; 2—дроссель;
^—выравнивающая решетка; 4—иакуумный насос; 5—вакуумная камера; лем-
иисхатиый насадок; 7—^испытуемый компрессор; 8—водяной радиатор; 9—дрос-
сель; 10—электродвигатель; II—гидравлическая муфта; /2—мультипликатор
Модельный компрессор 7 с ле.мнискатным насадком 6 поме-
щают в вакуумную камеру 5, чтобы уменьшить утечки или приток
воздуха через неплотности фланцевых соединений корпуса и места
присоединения приборов. Компрессор приводится во вращение
электродвигателем 10 через гидравлическую муфту И, уменьшаю-
щую перегрузки валов при изменении числа оборотов, и мульти-
пликатор 12, повышающий обороты приводного вала. Дроссель S
создает требуемый перепад давлений на компрессоре при снятии
его характеристики. С помощью газо-водяного радиатора 8 отво-
дят от рабочего тела тепло, эквивалентное подведенной к компрес-
сору работе, поддерживая постоянную температуру газа внутри
контура, если она выше нуля. Если температура газа ниже нуля
или велика мощность, применяют холодильные турбины. Требуемое
давление на входе создается дросселем 2 и поддерживается автома-
том 1, Вакуумный насос 4 создает, а в процессе эксперимента под-
держивает, заданный вакуум в контуре.
66
Для определения характеристики компрессора необходимо из-
мерять полные давления и температуры на входе и выходе, расход
рабочего тела, обороты и крутящий момент на валу. Крутящий
момент определяется по опрокидывающему моменту мультиплика-
тора или электродвигателя.
Параметры характеристики могут быть рассчитаны по следую-
щим формулам:
где
( 1 \
Н*л,, = --ВТ\ lrtK — 1 I — адиабатическая работа сжатия 1 кг
k ~ 1 газа;
Нк = —-------внутренняя работа на 1 кг газа,
30(7г
Внутренняя работа на 1 кг газа может быть определена также
по уравнению теплосодержания Н— с. Однако точность
вычисления КПД в этом случае намного ниже в связи со значи-
тельной относительной ошибкой измерения разности температуры
(см. гл. V).
Приведенный расход воздуха и приведенные обороты подсчи-
тываются по формулам:
г _Г 10-300 1 / г*. “ _ « 28»
t7B.np — * I/ 288 ’ /гцр— „п I/ т»‘
/'1 ' ЯрУСЧ r J 1
На рис. 3.4 показана разомкнутая схема стенда для испытания
модельной турбины. Воздух через лемнискатами насадок 4 засасы-
вается из атмосферы и подогревается в камере сгорания 3. Подо-
грев на 80—120° необходим для того, чтобы температура за турби-
ной была выше 0°С. В противном случае влага, всегда содержа-
щаяся в воздухе, будет вымерзать и снег забьет отверстия приемни-
ков газодинамических приборов. Подогретый воздух направляется
к турбине 2 и далее отсасывается компрессором б, приводимым
во вращение двигателем 5,
Мощность, развиваемая турбиной, поглощается гидротормозом,
который одновременно служит измерителем крутящего момента.
Между турбиной и компрессором предусмотрен дроссель 7 пере-
пуска воздуха из атмосферы. Он служит для точной регулировки
перепада давлений на турбине я* и создания условий устойчивой
работы стендового компрессора 6. Когда перепад давлений на соп-
ловом или рабочем венце турбины достигает критического, го рас-
ход.; воздуха при последующем росте я* остается постоянным,
а приведенной расход изменяется незначительно, л* можно уве-
личить, повышая степень сжатия в компрессоре. По характеристике
3*
67
компрессора (см. рис. 3.1) видно, что при постоянном приведенном
расходе увеличение л* возможно путем увеличения оборотов йпр.
При этом режим работы компрессора приближается к помпажу.
Чтобы компрессор работал устойчиво, подается дополнительный
воздух через дроссель 7.
На рассматриваемой установке уменьшение мощности, потреб-
ной для испытания, достигается изменением масштаба моделирова-
ния, уменьшением давления и температуры воздуха на входе.
Рис. 3.4. Схема стенда дли модельных испытаний
турбины:
/—гидротормоз; 2—модельная турбина; г?—камера сгорания;
4—лемпискатный насадок; б-электродвигатель; б—компрессор;
7—дроссель перепуска воздух а из атмосферы
Если принять т = 3,0; /?а/рм = 8; Т* = 1223° К; 7* =373° К и в пер-
вом приближении не учитывать изменения физических констант от
температуры, то отношение мощностей, потребных для испытания
натурной и модельной турбин, согласно формуле (3.12), составит:
1 / 373 11
<v„ 3,02 у 1225 8 130 ‘
Рассмотренный пример наглядно показывает целесообразность
модельных испытаний с точки зрения уменьшения энергетических
затрат.
Параметры характеристик турбины рассчитываются по фор-
мулам, аналогичным используемым при расчете параметров харак-
теристики компрессора. Определение внутренней работы турбины
по перепаду температур дает еще большую ошибку (из-за неравно-
мерности поля температур), чем при испытании компрессора. Этим
68
способом не пользуются ®. Внутреннюю работу турбины вычисляют
по измеренным с помощью гидротормоза крутящему моменту и обо-
ротам. Если в процессе испытаний необходимо иметь повышенные
числа Re, применяют стенды с наддувом воздуха от компрессора
на входе в турбину.
Натурные испытания лопаточных машин
Модельные испытания не воспроизводят всех условий работы
лопаточной машины, особенно влияющих на напряжения в мате-
риале лопатки, вызываемые аэродинамическими силами и вибра-
ционными нагрузками. Кроме того, встречаются трудности при пере-
счете характеристик, полученных на моделях, испытанных не в об-
К эксгаустерам
треКдемыл.
параметров
Рис. 3. 5. Схема универсального стенда для натурных
испытаний компрессора:
7—шахта забора воздуха из атмосферы; 2—выхлопная шах-
га (мииуя эксгаустеры); <5—гермобарокамера; -/“Холодиль-
ник; 5--воздухозаборник; 6—испытуемый компрессор; 7—муль-
типликатор; i—гидромуфта; Р—электродвигатель
ласти автомодельности по числу Re, что также требует проверки
на натурных объектах характеристик, определенных на этих
режимах.
Для натурных испытаний компрессора и турбины требуются
двигатели и гидротормоза огромных мощностей. Поэтому стен-
дами для натурных испытаний лопаточных машин располагают
только крупные организации, систематически занимающиеся до-
водкой новых конструкций. Применяются стенды с открытыми и
закрытыми схемами.
На рис. 3.5 показана схема универсального стенда для натур-
ных испытаний компрессора. На вход испытуемого компрессора мо-
жет подаваться воздух, имеющий давление больше или меньше
атмосферного и температуру ниже или выше 0°С. Воздух нужных
параметров подготавливается так же, как в высотно-скоростных
* Исключение составляют модельные испытания турбин без подогрева воз-
духа на входе, когда неравномерностей температур практически нет и точность
определении мощности турбины и компрессора одинакова.
б&
стендах (см. рис. 2. 17). В случае проведения испытаний при атмо-
сферном давлении воздух подается через шахту /. Если давление
воздуха на выходе и.з компрессора выше атмосферного, воздух вы-
брасывается через выхлопную шахту 2, минуя энсгаустерные уста-
новки. Шахты 1 и 2 снабжены шумоглушителями.
Рис. 3. S. Схема сгенда для испытания полноразмерного ком-
прессора в наземных условиях:
/—входной дроссель; 2—выравнивающая решетка; 3— успокой гельиаи
камера; 4—лемиискатный насадок; 3—испытуемый компрессор; 6 -вы-
ходной дроссель; 7—муфта; 8—«электродвигатель с бесступенчатым
регулированием оборотов в широких пределах
Рис. 3. /. Схема стендн для (испытания
натурной турбины:
1--электродвигатель; 2—компрессоры наддх-
ва; 5—шихта яабора воздуха^ 4 —йенытуемля
турбина с камерами сгорания и газосбории-
ком; 5— холодильник; (^вых/опнмя шахтн;
7—эксгаустеры; Л—гидротормоз; З—злектро-
двнписль
элементов, соединяющих компрессор
Для испытания компрессоров в наземных условиях применяются
более простые, но также мощные стенды (рис. 3. 6).
Если ставится задача снятия характеристики натурного компрес-
сора, то уменьшение мощности при испытании может быть достиг-
нуто дросселированием давления на входе. В этом случае компрес-
сор испытывается в режиме, подобном наземному. Дросселирова-
ние возможно до тех пор,
пока число Re будет оста-
ваться в автомодельной об-
ласти, а давление за ком-
прессором будет выше баро-
метрического.
Испытания натурных тур-
бин проводятся значительно
реже, чем испытания ком-
прессоров. Это объясняется
тем, что на прочность лопа-
ток турбины и условия их
охлаждения в сильной сте-
пени влияет температурное
поле, создаваемое камерами
сгорания. В свою очередь,
температурное поле камеры
сгорания может зависеть от
конструкции компрессора и
с камерами сгорания (диф-
фузора). Поэтому сведения о прочности и охлаждении турбины
предпочитают получить или при испытаниях всего двигателя, или
па стендах, позволяющих испытывать весь горячий тракт двига-
70
теля, состоящий из камер сгорания, газосборника и турбины. На
рис. 3.7 показана схема такого стенда.
Испытания лопаточных машин в системе двигателя
Характеристики компрессора и турбины, работающих в системе
двигателя, могут существенно отличаться от полученных в стендо-
вых условиях из-за специфического распределения давления и тем-
ператур по тракту двигателя. Так, например, неравномерность
полей скоростей на входе в двигатель, создаваемая воздухозаборни-
ком, приводит к уменьшению приведенного расхода воздуха, умень-
шению КПД компрессора и повышению температуры газов перед
турбиной, В результате этого запас устойчивости работы компрес-
сора уменьшается на несколько десятков процентов. У ТВД сниже-
ние запаса устойчивости работы компрессора связано с неравно-
мерностью набегающего потока, вызванной обтеканием комлевых
сечений винтов при разных скоростях полета и углах атаки.
Однако получение полных характеристик лопаточных машин
в системе двигателя затруднено из-за ограниченных возможностей
отклонения рабочего режима от линии совместной работы турбины
и компрессора и из-за значительных погрешностей в получаемых
КПД (в лучшем случае 2—3%), вызванных тем, что внутреннюю
работу приходится определять по разности температур рабочего
тела до и после лопаточной машины. Поэтому КПД в этом случае
не определяют.
Испытание компрессора в системе двигателя проводят в первую
очередь для того, чтобы определить запасы устойчивости. Перед
проведением эксперимента двигатель препарируют: на входе
в компрессор и на выходе из него устанавливают несколько мало-
инерционных датчиков температуры и давления. Неравномерность
поля скоростей на входе в компрессор имитируют с помощью сеток,
диафрагм или интерцепторов.
Во время эксперимента показания приборов регистрируют на
пленке осциллографа и наблюдают визуально. В момент неустой-
чивой работы компрессора определить параметры газа не представ-
ляется возможным из-за их существенных колебаний, поэтому гра-
ницей устойчивой работы считают параметры газа, записанные на
близком к предсрывному режиме.
Характеристики компрессора в системе двигателя можно спи
мать несколькими способами:
1. Изменением площади проходных сечений соплового аппарата
турбины и реактивного сопла. В турбине это достигается или с по-
мощью регулируемого соплового аппарата, или с помощью смен-
ных сопловых аппаратов с различным загромождением, создавае-
мым соответствующими вставками.
2. Впрыском воды в концевые сечения камер сгорания. Однако
при этом способе возможны перегрев головок камеры сгорания,
71
коробление узлов двигателя и появление трещин и накипи на ло-
патках соплового аппарата.
3. Дросселированием воздуха на входе или выходе из компрес-
сора и изменением проходного сечения реактивного сопла.
4. Забросом топлива, если позволяет допуск по температуре 7* „
Снятие характеристик турбины в системе двигателя произво-
дится значительно реже.
Исследование решеток профилей лопаточных машин
Основным элементом компрессора и турбины является решетка
профилей. Правильный выбор элементов решетки обеспечивает
высокие КПД, хорошие характеристики, прочностные и технологи-
ческие свойства лопаточных машин. Поэтому большое внимание
уделяется исследованию отдельных профилей и составленных из
них решеток.
Сравнивать качество различных лопаток между собой затруд-
нительно, так как для этого приходится исследовать пространствен-
ный поток. Чтобы упростить исследование, производят продувку
плоских решеток. Плоская решетка состоит из нескольких лопаток
с профилем постоянной высоты. Профиль плоской решетки соот-
ветствует профилю исследуемой лопатки ротора или статора на
определенном радиусе (профилю в элементарной ступени). Изме-
рения производят в среднем канале пакета на средней высоте.
Чтобы стенки не влияли на результаты измерения, высоту лопаток
постоянного профиля выбирают достаточно большой, а число лопа-
ток в пакете — не менее пяти.
Продувка плоских решеток позволяет определить величину
профильных потерь в зависимости от скорости набегающего по-
тока и угла атаки, а также максимальные углы поворота потока
для каждой густоты решетки. Обработка результатов продувки
большого количества плоских решеток дала возможность получить
обобщенные графики для расчета ступеней лопаточных машин,
позволяющих по газодинамическим параметрам ступени опреде-
лять ее геометрические параметры.
На рис. 3.8 приведена схема установки для продувки плоских
решеток. Воздух, сжатый в компрессоре (на схеме не показан), по
трубопроводу поступает в ресивер /. Внутри ресивера расположены
спрямляющая решетка 2 и профильные вставки 3, образующие ка-
нал прямоугольного сечения на выходе из ресивера, переходящий
в сопло 4 такого же прямоугольного сечения. На'торцовой части
сопла укреплена рабочая головка 5, состоящая из двух дисков,
в пазы которых вставлен пакет лопаток 6. Рабочая головка поме-
щена в кожух, ограничивающий подсос воздуха струей, отбрасы-
ваемой исследуемыми лопатками. Рабочая головка 5 может пово-
рачиваться вокруг своей оси вместе с пакетом лопаток 6, изменяя
угол атаки профилей. Чтобы при повороте пакета не было больших
зазоров между стенками сопла и крайними лопатками верхняя
72
и нижняя стенки сопла могут перемещаться в горизонтальном и
вертикальной плоскостях. Различные скорости потока, обдуваю-
Рис. 3. 8. Схема установки для подувки плоских решеток:
j—ресивер; 2—спрямляющая решетка; 3—‘профильные вставки; 4—сопло;
S—рабочая головка; 6- -пакет лопаток; 7—кожух
щего пакет лопаток, устанавливаются изменением давления в реси-
вере /, что достигается регулированием режимов работы ком-
прессора.
§ 2. СТЕНДЫ ДЛЯ ПРОДУВКИ ДОЗВУКОВЫХ И СВЕРХЗВУКОВЫХ
ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ ДВИГАТЕЛЕЙ
Определить основные характеристики воздухозаборника, оказы-
вающего большое влияние на работу двигателя, расчетным путем
затруднительно. Поэтому перед установкой на двигатель воздухо-
заборник проходит ряд испытаний, в которых определяются в пер-
вую очередь его основные характеристики, т. е. зависимости без-
размерных величин, оценивающих его работу, от внешних усло-
вий — числа М набегающего потока, угла атаки двигателя, а также
формы воздухозаборника.
К числу основных характеристик относятся:
I. Коэффициент восстановления полного давления
= (3-13)
Ро
где /?* —средняя величина" полного давления за воздухозабор-
ником;
—полное давление набегающего потока.
* Об осреднении параметров потоков см. § 12, гл. IV,
73
2, Коэффициент расхода воздуха
9 = 7^, (3.14)
('так
представляющий собой отношение действительного расхода воз-
духа к максимально возможному. Коэффициент расхода можно
выразить через отношение площади Fo струи воздуха в невсзму-
щенном потоке, втекающей в воздухозаборник, к площади Fi вход-
ного сечения воздухозаборника ty = FolFi.
3. Коэффициент дополнительного сопротивления входного уст-
ройства
2
где хД()П — дополнительное усилие, создаваемое воздухозаборником
на режимах работы при М0<Морасч (при <р<1).
Помимо определения указанных безразмерных величин, выяс-
няются следующие важные характеристики:
а) устойчивость течения воздуха в заборном устройстве во всем
диапазоне скоростей и возможных при эксплуатации углов атаки;
б) распределение скоростей и давлений в сечении за воздухо-
заборником при различных условиях работы.
Наряду с испытанием натурных объектов широко практикуются
исследования моделей воздухозаборников и диффузоров, представ-
ляющих собой геометрически подобную копию реального объекта,
уменьшенного в несколько раз.
При испытании воздухозаборного устройства в условиях стар-
та (рис. 3.9) выходное сечение воздухозаборника соединяется
с эжектором или эксгаустером, с помощью которых и осущест-
вляется просос воздуха с расходом, предусмотренным программой
эксперимента.
Сам воздухозаборник должен быть окружен заградительной
сеткой во избежание засасывания в него посторонних предметов.
Наружные и внутренние поверхности воздухозаборника, а также
внутреннее тело дренируются по нескольким образующим. На вы-
ходе из воздухозаборника предусматривается мерное сечение, в ко-
тором по нескольким радиусам расположены гребенки отборников
полного давления, количеств^ и расположение которых зависит от
геометрических форм воздухозаборника.
Измерение полного давления в 50- 60 точках исследуемого се-
чения и статического давления на внутренней и внешней стенках
канала возле мерного сечения позволяют определить местные ско-
рости и выявить распределение скоростей по окружности и радиу-
сам, а также вычислить Овх по осредненному значению р* .
74
Имитация условий работы воздухозаборника, соответствующих
полетным, достигается его обдувом (рис. 3. 10). Патрубок, подаю-
щий воздух, может отклоняться на угол <р, позволяя исследовать
Рис. 3. 9. Схем.э установки для испытания дозвукового воздухозабор-
ника в условиях старта
работу воздухозаборника при различных углах атаки. Скорость
обдува о0 может быть как дозвуковой, так и небольшой сверхзву-
ковой. В последнем случае вместо патрубка ставится сопло Ла-
валя, рассчитанное на необходимую скорость потока на выходе.
)Ч;с. 3. 10. Схема установки для испытания дозвукового возду-
хозаборника при имитации условий полета
Дроссельное устройство служит для изменения расхода воздуха че-
рез воздухозаборник.
75
Сверхзвуковые воздухозаборники, предназначенные для ТРД,
работают на двигателе и в стартовых условиях, и в полете, т. е.
в широком диапазоне скоростей.
Необходимость согласования расходных характеристик двига-
телей и диффузора приводит к необходимости регулирования пос-
леднего, что достигается в общем случае передвижением иглы ил в
клина диффузора, изменением проходного сечения его горла и пе-
репуском воздуха за сечением горла.
На рис. 3.11 в качестве примера показана схема препарирова-
ния осесимметричного сверхзвукового диффузора. Подобное обо-
Рис. 3. И. Схема установки для испытания Сверхзвукового диффузора в условиях
старта:
/—заградительная сетка; 2~отборники статического давления; J—выводы дренажных от-
верстий; 4—м^.хунпзм передвижения иглы; 5—гребенки отборников полного дандення
рудование объекта исследования позволяет снимать основные ха-
рактеристики диффузора, в частности, его расходные характе-
ристики.
При определении характеристик диффузора в стартовых усло-
виях воздух, забираемый из окружающей атмосферы, просасы-
вается через него с помощью эксгаустера или эжектора. Для испы-
тания в условиях полета диффузор должен обдуваться сверхзвуко-
вым потоком воздуха.
Для исследования входных сверхзвуковых диффузоров приме-
няют сверхзвуковые трубы с различными устройствами рабочей
части.
Трубы с закрытой рабочей частью (рис. 3. 12, а) обычно обору-
дуются в начале рабочей части люками, через которые с помощью
теплеровского прибора фотографируются скачки уплотнения. По-
76
добные фотографии позволяют судить о характере течения. Вся
модель обдувается сверхзвуковым потоком с равномерным распре-
делением скоростей, что приближает условия опыта к реальным.
При исследовании диффузора в сверхзвуковой аэродинамиче-
ской трубе наряду с другими характеристиками может быть опре-
делено его внешнее сопротивление, чего нельзя сделать в установ-
ках других типов.
Рис. 3. 12. Схемы сверхзвуковых труб с различными устройствами рабочей части:
а—с закрытой рлбочей частью; б—t открытой рабочей частью; в—« обдувом свободной
струей в барокамере под различными углами л гаки; а—с диффузором вокруг обечайки дин-
гагеля; б—с вторичной горловиной
Однако допустимая загрузка трубы F, под которой понимается
отношение площади поперечного сечения модели к поперечному
сечению рабочей части трубы здесь невелика и зависит от числа
Мр в рабочей части трубы.
График, приведенный на рис. 3.13, дает представление об изме-
нении допустимой загрузки рабочей части трубы в зависимости
от Мр.
В трубе с открытой рабочей частью (см. рис. 3.12,6) модель
располагается в открытой сверхзвуковой струе. В открытой части
струя постепенно тормозится и. затем попадает в диффузор, где ее
торможение завершается. Подобная схема рабочей части трубы
позволяет довести загрузку до 40—50%. Свободная струя эжек-
тирует воздух из камеры, соединяющей сопло и диффузор, поэтому
на выходе из сопла понижается давление и требуется меньшее
давление в ресивере для получения заданного числа Мр. Камера
77
Рис. 3. 13. Предельно допустимая
относительная загрузка сечения ра-
бочей части трубы F от числа Мр
также может быть оборудована люками для получения теплеров-
ских фотографий.
При обдуве модели открытой струей, вытекающей в барокамеру
(см. рис. 3. 12, в), могут быть воспроизведены действительные усло-
вия работы диффузора как по числу М и углу атаки, так и по дав-
лению и температуре. Система скачков уплотнения при изменении
угла атаки может фотографироваться.
К недостаткам такой схемы нужно отнести потребность в боль-
шом перепаде давлений воздуха для получения заданного числа
Мг, так как торможение сверх-
звуковой струи в потоке, обтекаю-
щем модель, сопровождается
большими потерями полного на-
пора.
Эта схема может быть улуч-
шена, если непосредственно за
соплом поставить кольцевой диф-
фузор для торможения струи,
обтекающей модель (см. рис.
3.12,а). В кольцевом диффузоре
поток тормозится в системе скач-
ков уплотнения с большим
коэффициентом восстановления
давления, чем при торможении
струи вокруг обечайки диффузора
в барокамере.
Еще лучшие результаты в отношении восстановления давления
могут быть получены, если на обечайку диффузора смонтировать
обтекатель, образующий с подвижным наружным контуром (см.
рис. 3. 12, д) кольцевой канал с вторичным горлом, сечение которого
FT может изменяться перемещением входного контура.
В сужающейся части капала сверхзвуковая кольцевая струя
замедляется, а в расширяющейся части за горловиной возникает
прямой скачок при малом числе М с высоким значением стЛИф.
На рис. 3. 14 приведены графики, показывающие отношения
давлений, необходимых для работы различных типов установок со
свободными струями. Кривая 1 показывает необходимое отношение
давлений на сопле при различных числах М. Кривая 2 показывает
погребные перепады давлений установки, т. с. отношения давления
в ресивере к давлению в барокамере, если свободная струя из сопла
вытекает прямо в барокамеру (см. рис. 3. 12,а). Кривая 3 показы-
вает потребные перепады, если сразу за соплом установлен диффу-
зор (см. рис. 3.12,г), Наименьшие перепады давлений (кривая 4)
требуются при торможении струи с наибольшим коэффициентом
восстановления давления в диффузоре со вторичной горловиной
(см. рис. 3. 12, д').
Входная часть диффузора должна устанавливаться по отноше-
нию к соплу таким образом, чтобы она размещалась в ромбе, обра-
78
зованном крайними характеристиками сспла и характеристиками
или косыми скачками уплотнения на выходе. При таком взаимном,
расположении сопла и диффузора во входное сечение последнего
будет втекать стоуя с равномерной скоростью по всему сечению.
С увеличением расстояния L (рис.
3.15) большая часть диффузора на-
блюдается через люк, но при этом
требуется уменьшение размеров
модели диффузора. Как расстояние
Д, так и угол обечайки диффузора а
влияют на перепад давлений, необ-
Рис. 3. 14. Необходимые отноше-
ния давлений установки в зави-
симости от числа М в рабочей
части трубы для труб с различ-
ным устройством
холимый для запуска установки, т. е.
выхода на расчетное число Мр.
При расширении в сопле воз-
духа, имеющего слишком большую
влажность, наблюдаются скачки
Рис. 3. 15. Взаиморасположение сопла
сверхзвуковой трубы и входной части
испытуемого сверхзвукового диффузора
конденсации, нарушающие расчетные условия течения на выходе
из сопла, поэтому воздух, поступающий в установку, должен быть
предварительно осушен.
Для этого воздух пропускается через кассеты, заполненные
активно адсорбирующим влагу веществом (силикагель-—двуокись
кремния, алюмогель — окись алюминия, активированный бакелит
и другие гидрофильные вещества).
§ 3. СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ
ИССЛЕДОВАНИЯ КАМЕР СГОРАНИЯ
В практике испытания ВРД в подавляющем большинстве слу-
чаев исследуются натурные камеры сгорания ВРД или их отсеки.
Испытания уменьшенных моделей камер, как это делается для дру-
гих основных узлов ВРД, почти не практикуется.
79
Главная причина этого состоит в том, что рабочие процессы ка-
мер сгорания ВРД чрезвычайно сложны и в ряде моментов пока
не могут быть смоделированы.
По организации рабочего процесса камеры сгорания можно по-
делить на два типа., К первому типу относятся все основные камеры
сгорания газотурбинных двигателей, работающие в довольно ши-
роком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха
(от а ==3,5-4,0 до а= 10-ь-12). К второму типу относятся камеры
прямоточной схемы: камеры сгорания ПВРД. форсажные камеры
ТРД и камеры второго контура ДТРД. Для них характерны боль-
шие подогревы газа (2000е К и более) и работа в относительно
узком диапазоне по составу смеси (Да порядка единицы).
Основными характеристиками камер сгорания того и другого
типа считают:
1. Зависимость коэффициента выделения тепла от коэффициента
избытка воздуха gK.c~f(a).
2. Срывную характеристику агр = (р(щ2).
Помимо указанных характеристик, важными являются: зависи-
мость коэффициента выделения тепла от скорости на входе в ка-
меру надежность воспламенения камеры при различ-
ных параметрах на входе, устойчивость работы (без пульсаций и
вибраций) на основных режимах, температурное состояние стенок,
нага [^образование. Для камеры ГТД чрезвычайно важен характер
температурного поля на выходе.
Камеры сгорания проходят довольно длительные и сложные
доводочные испытания, в результате которых стремятся получить
надежно работающую камеру с удовлетворительными характери-
стиками и отвечающую всем другим требованиям, предъявляемым
в камере данного типа.
Стенды для испытания основных камер ГТД
Для основной камеры сгорания наиболее достоверные резуль-
таты могут быть получены при испытании на двигателе. Однако
даже на двигателе, если он испытывается не на высотном стенде,
невозможно получить характеристики камер во всем диапазоне
изменения параметров, встречающемся при эксплуатации.
Проведение на двигателе первоначальных доводочных работ по
камере связано с риском вывода из строя турбины. По этим причи-
нам доводочные и исследовательские испытания камер сгорания
проводятся на специальных стендах.
Для испытания натурной кольцевой камеры сгорания требуется
мощное компрессорное оборудование, обеспечивающее большой
секундный расход воздуха при соответствующем давлении и тем-
пературе. Многие характеристики и сведения о кольцевой камере
получают на отсеке. Для испытаний обычно изготовляется трех-
горелочный отсек. С некоторым приближением можно считать, что
80
течение газа и процесс сгорания за средней горелкой будут такими
же, как на полноразмерной камере.
Большинство ГТД имеют трубчато-кольцевые камеры.. Процесс
сгорания в каждой из жаровых труб здесь обособлен и мало зави-
сит от работы соседних, поэтому обычно испытывается отсек, вклю-
чающий одну жаровую трубу.
Типовая принципиальная схема установки для испытания от-
сека камеры сгорания приведена на рис. 3.16. Регулирование рас-
хода воздуха в камере и давления производится с помощью вход-
Рис. 3. 16. Принципиальная схема установки для испытания отсека камеры сгора-
ния ГТД при давлений на входе больше атмосферного:
I—вводной зептиль; 2—кран перепуска козлу ха; -мерный блок; 4—подогреватель; 5—реси-
вер; fi и 7—пьезометры; fl— испытуемая камера; 9—мерный блок; /(^дроссельная заслонка;
//—глазок; /2—АОспламенителъ; 13 - -термопара; 14—манометры давления топлива; /5, /6—
краны грубой и юнкой регулировки давления топлива в главном канале; 17—крэк регу-
лировки давления топлива во вспомо га зельцам канале; /Й—демпфер колебаний давления;
/9—кран перепуска топлива; М—перепускной предохранительный клана»: 21—основная пом-
па; 22—помпа подкачки; 23—фильтр; 21—ротаметр; 23 топливный крзн; 26—штихпробср
кого крана 1, крана перепуска 2 и охлаждаемой дроссельной за-
слонки 10. Иногда на выходе из камеры устанавливается решетка
соплового аппарата турбины. Расход топлива, поступающего в ка-
меру, измеряется объемным (штрихпробер 26) или весовым спосо-
бами. Для быстрого вывода камеры на необходимый режим
в топливной магистрали устанавливают ротаметр 24 или тахомет-
рический датчик. Для визуального наблюдения за возникновением
или угасанием пламени в жаровой трубе кожух оборудуют смотро-
вым глазком 11 с зеркалом.
Помимо основных измерений параметров газов на входе и вы-
ходе из камеры и параметров топлива на установке может прово-
диться большое количество других измерений, определяемых це-
лями и задачами исследования
Подогреватель воздуха 4 может быть выполнен как электроподо-
греватель, в виде теплообменного аппарата или камеры подогрева.
81
Электрические и теплообменные подогреватели не загрязняют по-
догреваемый воздух, в чем их неоспоримое достоинство, но они
сложны, требуют дополнительного оборудования и поэтому приме-
няются редко. Наиболее просто воздух подогревается в камере
подогрева.
Если требуемый подогрев воздуха не превышает 200—300° С
(«кам.ш>,тогр~1 3-4-9) и камера сгорания работает с полнотой сгора-
ния близкой к единице, то, как показывают опыты, загрязнение
воздуха продуктами сгорания практически не сказывается на ра-
боте исследуемой камеры.
Хорошие результаты даст камера подогрева, построенная по
схеме, изображенной на рис. 3. 17. В собственно камере подогрева
Рис. 3. 17. Принципиальная схема камеры подогрева:
/—топливная форсунка; 2—воспламенитель; г?—жлрпвая труба камеры подо-
грева: 4—лово-ротная заслонка; 5—термопара; tf—’смеситель; 7—кожух подогре-
вателя
поддерживается состав смеси, при котором достигается высокая
полнота сгорания. Избыточный воздух пропускается по внешнему
каналу и затем перемешивается с газами из камеры подогрева.
Режим камеры подогрева удобно контролировать по температуре
в ее выходном сечении.
Установка, схема которой приведена на рис. 3. 16, позволяет
испытывать камеры сгорания при давлениях воздуха на входе,
превышающих атмосферное. На такой установке могут проводиться
как «наземные», так и «высотные» испытания. Если в ресивере
создать меньшие давления, чем за компрессором на земле при
соответствующих температурах, то будут имитированы некоторые
«высотные» условия работы камеры.
Схема установки для испытаний камеры при давлении меньше
атмосферного приведена на рис. 3. 18. Воздух в эжектор поступает
от компрессорной станции. В камере подогрева 3 температура его
повышается. Часть тепла отдается в теплообменнике 5 рабочем^
воздуху, после чего газ поступает в эжектор 6, отсасывающий газы
из исследуемой камеры сгорания 9.
В исследуемую камеру воздух поступает через кран /2 или заса-
сывается непосредственно из атмосферы через кран 13. Краны 19 и
13 позволяют устанавливать необходимое давление на входе
82
в исследуемую камеру (в пределах характеристики эжектора)
я необходимую температуру.
Рис. 3. 18. Принципиальная схема установки для испытания
отсека камеры старания ГТД при давлении воздуха иа входе
меньше атмосферного:
/—входной вентиль; 2—мерный блок; 3—подогреватель; 4 -термопара.
5—теплообменник; б'—эжектор; 7~>подиижной газопровод, регулирующий
работу эжектора; S и //—мерные блоки; 5—испытуемая камера; /(7—реси-
вер; 12 и 13—рептильные краны для регулирования давления и темпера-
туры воздуха На входе в камеру
Исследуемая камера и камера подогрева имеют типовые си-
стемы, подобные показанным на рис. 3. 16, и необходимые приборы
для измерения температур и давлений.
Стенды для испытания прямоточных камер
Испытания форсажной камеры, включая и доводочные, прово-
дятся непосредственно на двигателе, так как работа форсажной
камеры (исключая случай вибрационного горения) не сказывается
на работе предыдущей части двигателя. Подобные испытания тре-
буют меньших затрат на оборудование, проще и, самое главное,
форсажная камера как по параметрам газа, так и по уровню виб-
раций работает в естественных условиях. Это не исключает воз-
можности предварительных испытаний отдельных узлов форсажной
камеры (воспламенителя, форкамеры, стабилизаторов, диффузора)
на специальных стендах.
Камеры дожигания второго контура ДТРД так же, как и фор-
сажные ка.мсры сгорания, можно доводить и испытывать непосред-
ственно на двигателе в стартовых условиях. Для получения более
полных сведений о работе этих камер в условиях полета на большой
высоте проводятся их испытания на двигателе, помещенном в баро-
камеру, где имитируются высотные и скоростные условия работы
88
двигателя. Окончательные снедения о работе камер получают при
проведении летных испытаний двигателя.
Для доводки, отработки и испытания камеры сгорания ПВРД
обязательно требуется силовое оборудование, создающее поток
воздуха необходимых параметров.
На работу камеры оказывает большое влияние характер поля
скоростей на входе. Полная имитация действительных условий
достигается при испытании камеры сгорания па двигателе, уста-
новленном в сверхзвуковой трубе и обдуваемом потоком с необхо-
димыми параметрами. Но такие испытания сложны, дороги и по-
этому их нецелесообразно проводить в качестве первоначальных
доводочных испытаний камеры.
Предварительные испытания камер сгорания ПВРД проводятся,
как правило, на установке с присоединенным трубопроводом. Наи-
менее благоприятные условия для процесса сгорания создаются
при малых давлениях воздуха на входе в камеру, поэтому силовое
оборудование установки должно обеспечивать проведение испыта-
ний в высотных условиях, позволяя в то же время работать и при
избыточных давлениях на входе в камеру.
Для приближения поля скоростей к действительному перед вхо-
дом в камеру устанавливают центральное тело (рис. 3. 19,а), спро-
филированное так, чтобы при расчетной скорости на входе в ка-
меру 4 в горле кольцевого канала Л- была звуковая скорость.
Ряс. 3. 19. Схемы установок, для испытания камер сгорания прямоточ-
ных двигателей с присоединенным трубопроводом:
a—«открытая» камера сгорания:
/“воздухопровод; 2—центральное тело; <?—диффузорный участок; 4—испытуемая
камера; 5—отборники давления; 6—мерный выходной блок; 7—гребенки полного
давления; #—топливопроводы; 9—смотровые отверстия;
б—каилерэ с сOnдом помещены в ТБК с перегородкой?
1—корпус бочкн; 2—перегородка, отделяющей ресивер от барокамеры; 3—патру-
бок; 4—испытуемая камора сгорания; 5—мерный блок; б—перегородка, препят-
ствующая голоданию горячих *гла»в. н отсек "Тчамери; яюк: • Я—недвижная рама;
4—измеритель тяги
84
При достаточном перепаде давлений за горлом поток будет раз-
гоняться, а затем через прямой скачок переходить в дозвуковой. Это
имеет место и на двигателе, однако полного подобия условий на
входе в исследуемую камеру все же не будет, так как перед горлом
не будут смоделированы пограничный слой и структура потока,,
подобным имеющимся за скачками уплотнения г. натурном диф-
фузоре.
Установка камеры с присоединенным трубопроводом может
быть построена и по схеме ТБК с перегородкой (см. рис. 3. 19,6).
В подводящих трубопроводах производится измерение всех
параметров и расхода воздуха, поступающего в камеру. На входе
в камеру (см. рис. 3.19, а) устанавливаются гребенки приемников
полного давления 7, а по длине камера в нескольких сечениях обо-
рудуется отборниками статического давления 5. В топливопрово-
дах 8, питающих коллекторы и форкамеру, измеряются давления
и расходы топлива. В камере могут быть сделаны смотровые отвер-
стия 9 для наблюдения за факелом пламени. При доводочных ра-
ботах детали камеры, подверженные нагреванию, термометри-
руются.
В мерном блоке 6 устанавливаются либо охлаждаемые гре-
бенки полного давления, либо отборники газа для газового анализа,
либо другие приборы в зависимости от задач и принятой методики
исследования.
Принципиальная схема установки, позволяющей испытывать
камеры ПВРД с присоединенным трубопроводом, как при понижен-
ных давлениях в камере, так и при избыточном давлении, приве-
дена на рис. 3.20.
Рис. 3.20. Принципиальная схема установки для испытания камер сгорания
ПВРД при давлениях на входе больше и меньше атмосферного:
1—входная заслонка: 2—мерный блок; J—подогреватель; 4—мерный участок; 5-теплообмен-
ник; 6—мерный блок; 7—трубопровод рабочего воздуха; 5—мерный блок: 9—камера подо-
грева; 10—мерный Клок; И—испытуемая камера; /2—мерный блок; 13—эжектор 1-й ступени;
/4 и 16—заслонки; 15—мерный насадок; 17— эжектор 2-й ступени; 18— мерный блок
85
При имитации условий полета на больших высотах с высокими
скоростями воздух на входе должен иметь малые давления при .зна-
чительных температурах (1000—1300° К). В этом случае основная
масса воздуха от компрессора поступает в камеру подогрева 3 и че-
рез теплообменник 5 — в эжектор 2-й ступени 17. Этот эжектор
создает на выходе из эжектора 1-й ступени 13 пониженное давле-
ние, поэтому рабочим газом эжектора 1-й ступени может быть либо
атмосферный воздух, забираемый через насадок 15, либо воздух
от компрессора, поступающий через заслонку 16. Рабочий воздух
испытуемой камеры 11 поступает из трубопровода 7 в теплообмен-
ник, где происходит его первоначальный подогрев, далее темпера-
тура воздуха увеличивается в камере подогрева 9. Камера подо-
грева работает на бедной смеси (а~10-н14), тем не менее в ней
выжигается часть кислорода воздуха. Эта потеря кислорода ком-
пенсируется добавкой соответствующего количества кислорода
из баллонов. Необходимое давление перед исследуемой камерой 11
устанавливается дросселированием воздуха. Для регулирования
и контроля .за работой установки параметры воздуха и газа изме-
ряются в нескольких мерных блоках.
Все агрегаты топливоподачи, заслонки и дроссели имеют ди-
станционное управление, системы автоматической сигнализации
и различные блокировки.
Методы определения коэффициента выделения тепла камер
сгорания ВРД
Под коэффициентом выделения тепла обычно понимают отно-
шение Действительного приращения теплосодержания (энтальпии)
газа в камере сгорания к теплу, введенному с топливом,
Ч-.с=~р—' , (3.16)
где QT — G.fHu~-количество тепла, вносимого топливом;
/2 — /1 — приращение теплосодержания;
GT-секундный расход топлива;
Ни — теплотворная способность топлива.
Встречаются и другие варианты этого определения. Под коэф-
фициентом выделения тепла понимают также:
— отношение теоретического расхода топлива, необходимого
для полученного прироста температуры, к действительному рас-
ходу топлива;
— отношение действительного приращения температуры к тео-
ретическому при данном расходе топлива;
— отношение действительного приращения теплосодержания
к теоретическому црИ соответствующих приращениях температуры.
При проведении исследований камер сгорания с температурами
на выходе менее 18DD—2000ЭС значения коэффициентов выделения
тепла, вычисленных на основании приведенных выше определений,
86
практически совпадают. При работе камеры с п<1 теоретически
возможно использовать тепло ОТС()р~ (7т//„а, в то время как при
<i$sl QTfiop = G-tHy.. Поэтому значение £к.с, соответствующее первому
варианту определения, будет меньше, чем s,;.c по третьему и четвер-
тому вариантам.
При а>1, но при температурах на выходе камеры ^>2000° С
(большие температуры воздуха на входе /j) будет происходить дис-
социация продуктов сгорания, на что затрачивается часть тепла,
выделившегося при сгорании топлива. При этом теоретически воз-
можная температура в конце сгорания будет ниже, чем определен-
ная по теплотворной способности топлива. В этом случае £к.с, вы-
численное по третьему и четвертому вариантам определения, будет
больше, чем по первому.
В исследовательской практике чаще всего пользуются первым
определением. Коэффициент выделения тепла в этом случае можно
вычислит!, по определенным из опыта теплотехническим величинам
(см. ниже) и по данным газового анализа.
Теплосодержание газов на выходе из камеры
11 = ЯтсрА, (3,17)
где GT — секундный расход газа;
Срг— теплоемкость газов;
/* — среднемассовая температура торможения в °C.
Теплосодержание исходных продуктов складывается из тепла,
вносимого воздухом и топливом:
/i = Gz,ZH-GTrpT£ (3.18)
где GB и GT— секундные расходы воздуха и топлива, поступа-
ющих в камеру сгорания (GB-f- GT = Gr);
срн и срг — теплоемкости воздуха и топлива при соответст-
вующих температурах;
6 и 4 —-начальные температуры воздуха и топлива.
Таким образом,
> <7тг р т-т _
ЪТН~ ' •
Если тепло, вносимое топливом, мало, то им пренебрегают, тогда
_ бгСр гб2— биСр в/|
-------------------
Gtfu
В уравнение (3.20) подставляется значение средней темпера-
туры 1*2, в то время как поле температур на выходе из камер сгора-
ния существенно неравномерно. Опыты и расчеты показывают, что
если выходное сечение камеры сгорания разбить на 25—35 равно-
великих площадок и измерить в середине каждой из них точечные
температуры с соблюдением соответствующих правил, то средне-
87
арифметическое значение этих температур практически совпадает
с ее среднемассовым значением.
На рис. 3.21 схематически показаны элементы мерного блока
на выходе из одногорелочного отсека камеры сгорания ГТД. После
определения по соответствующим тарировочным графикам изме-
ренных точечных температур вычисляют среднюю температуру
t =л
2 4
—
п
и значение коэффициента выделения
Рис. 3.21. Схемы элементов мерного блока
на выходе из отсека камеры сгорания ГТД:
а—с радиально перемещаемыми термопарами;
б—с качающейся гребенкой термопар;
1—равновеликие площади; 2- термопары; 3—гре-
бенка термопар
(3.21)
тепла по формулам (3. 19)
пли (3.20). В прямоточ-
ных камерах сгорания
температуры на выходе
так высоки, что использо-
вание обычных термопар
становится невозможным.
В этих случаях для опре-
деления коэффициента
выделения тепла и других
параметров рабочего про-
несся камеры может быть
использован газовый ана-
лиз (см. § 11, гл. IV).
Остановимся на вопро-
сах отбора проб, позво-
ляющих получить осред-
непное значение коэффи-
циента выделения тепла.
На рис. 3.22 показана
схема крестообразного
газоотборника для каме-
ры круглого сечения. Идея
метода осреднения заклю-
чается в следующем.
Входная щелк газоотборника представляет собой элемент сечения,
из которого отбирается газ; в данном случае это сектор. Во внут-
ренней полости газоотборника 11 при помощи крана 5 устанавли-
вается такое же давление, как в камере перед газоотборником. Это
достигается при нулевом перепаде на дифманометре 9. Соблюдение
этого условия гарантирует вход газа в прорезь газоотборника с той
же скоростью, с которой он двигался перед ним. Таким о.бразом
проба получается осредненной по площади и расходу. Увеличение
количества лучей газоотборника способствует лучшему осреднению.
Существуют и другие методы, когда осреднение температуры
газов определяют косвенным способом, используя либо уравнение
расхода, либо уравнение импульса.
«8
Запишем уравнение расхода для сечения среза сопла ПВРД
или сопла, установленного за камерой ГТД.
Ог=й,+О,=-^Д. (3.22)
Т вг*
Рис, 3,22 Схема крестообразного осредняющсго газоот-
борника:
/—входная щель; 2—отбор давления в ресивере гдзоотборника; 3—от-
бор давления па стенке камеры; 4 и 5—ниппеля подвода и отвода
охлаждающей воды; <5—крин регулировки давления в ресивере гаэо-
отборннка; 7—кран в атмосферу: #—край отбора газа в аспиратор
или газоанализатор; 9—дифманометр; /0- циркуляция охлаждаю-
щей воды; //- полость ресивера гэзоотборпика
откуда
~s___/ лгкр? (^с)/’(/"'с Y
с~\ gTFs )
(3.23)
Здесь mK(i
Если на сопле (рис. 3.23) перепад докритический, то р^ — Ра-
т. с. Дрс=о. В этом случае (дс/Х)-
Если на сопле заведомо сверхкритический перепад, то Лрс>0,
но q{'?<.(•) = 1.
В общем случае для определения газодинамическим способом
температуры за камерой сгорания (за соплом) необходимо изме-
89
рить расход гача Gr=Gb+Gj полное и статическое давление на
срезе сопла рс и р* (подробнее об измерении рк и р\ см, § 4, гл. IV),
знать площадь сопла Ft и состав газа (а) для определения показа-
теля адиабаты k.
Определив по формуле (3,23) Т‘, находят /* — 7"*—273 н по
формулам (3.19) или (3.20) вычисляют значение коэффициента
полноты сгорания. Точность определения температуры Т‘ будет
Рис. 3.23. Схема измерения
давлении на срезе сопла
меры или двигателя
{—мужающееся сопло; 2—гребенка
отборинкоя полного давлении
зависеть от характера и величины неравномерности полей темпе-
ратур и числа X в исследуемом се-
чении, неизвестных нам заранее.
При неравномерных и неблагоприят-
ных по форме эпюрах Т*е1 И i
ошибка в определении Г’ только за
счет ошибки в осреднении может
достигать недопустимо большой ве-
личины (см. подробнее § 12, гл. IV).
Температура за соплом (за каме-
рой) может быть определена по тяге
с использованием уравнения им-
пульса.
Этот метод наиболее прост и то-
чен, когда устройство установки
позволяет измерять только тягу
сопла. Принципиальная схема та-
кой установки приведена на рис.
3. 24.. Подвеска всей установки и испытуемой камеры 8 на лентах
или расчалках 5 позволяет с помощью Датчика 1 измерять усилие
реактивной тяги, создаваемой струей газов, вытекающей из сопла 11
со скоростью wc. Вход воздуха в трубопровод, подводящий его за-
тем к камере, осуществляется в приспособлении 3 тангенциально,
поэтому входного импульса у установки не будет. Естественно, все
коммуникации, в том числе и топливопроводы 7, должны быть вы-
полнены гибкими и не создающими усилия в направлении дейст-
вия тяги /?.
В общем случае уравнение тяги имеет вид
R = Grw^Fc(pc-pa),
(3.24)
г ре —скорость на выходе из сопла;
откуда
2k *
-—ВТ с — критическая скорость звука;
А+1
8 Fс (Дс Ро)
д г.
у Л+1 Г"С
2
(3.25)
90
Из последнего выражения следует, что помимо тяги и расхода
газа необходимо измерять его давление дс на срезе сопла и полное
давление р* в сопле, чтобы вычислить коэффициент скорости %0.
Рие. 3.24. Схема установки, позволяющей измерять тягу камеры (двигателя):
/—изме^и^ель усилия (тяги); 2—приспособление для тарировки установки (измерителя
тяги); j—приспособление для тагежцпэлмюго подяодд шэдгуля; лдб;лрнят2/<>с уллотме-
ние; £—расчалки; 6—мерный блок; 7—гибкие шланги -гопливопрокодол; 3— испытуемая
камер;*; 5—скользящая опора камеры; JQ—тсидеры; //—сопло
Однако, если перепад давлений на сопле сверхкритический, то на
срезе очкового сопла Х = 1 и нет необходимости измерять р*.
Найдя Т* по тяге, определяют ^ = 7’’—273 и коэффициент вы-
деления тепла по формулам (3. 19) или (3,20).
§ 4. СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СОПЕЛ ВРД
Характеристиками сопла называют зависимости параметров,
определяющих его работу, от степени расширения.
К параметрам, определяющим работу сопла, обычно относят
следующие безразмерные величины
I. Коэффициент расхода jj.= Gn/GT.
2. Коэффициент скорости <р=А2Д/Х2т.
3. Коэффициент восстановления полного давления а — рУр\.
4. Коэффициент потери импульса / = /а/Ат-
5. Коэффициент ТЯГИ C2i! = Rc.nlRv.T.
Эти безразмерные коэффициенты являются отношением дейст-
вительного расхода газа через сопло Сл, действительной безраз-
мерной скорости на выходе А2д, действителвного полного давления
за соплом рз, действительного импульса сопла /2 и действительной
тяги сопла /?с.п к значениям тех же величин при изоэнтропическом
течении при данной степени расширения.
Процесс расширения газа в сопле поддается моделированию,
поэтому наряду с испытанием полноразмерных сопел широко
9Т
используется испытание уменьшенных моделей сопел, геометриче-
ски подобных натурным.
Один из возможных вариантов принципиальной схемы уста-
новки для испытания модели сопла приведен на рис. 3.25. Модель
сопла 3 подвешена на гибких лентах 2, весовой механизм 4 позво-
ляет измерить усилие /?ИЗм, возникающее при прососе через сопло
Рис. 3.25. Принципиальная схема установки для испытания моделей сверх-
звуковых сопел:
/—входной конфузор; 2—гибкие лснсы; испытуемая модель; 4--весовой механизм;
5, б—полости; 7— выходной патрубок; 8—гибкие трубопроводы; 9—лабиринтные уплотнения
воздуха. Установка имеет оборудование для измерения основных
параметров воздуха на входе в сопло (plt р*, Т*) и на выходе из
сопла (р2, р?, 7,*=7'*), а также распределения полных давлений
по радиусам сопла на входе и выходе, Кроме того, по образующей
сопла обычно делают дренажные отверстия для измерения стати-
ческих давлений вдоль сопла.
Полученные экспериментальные величины позволяют, исполь-
зуя известные формулы газовой динамики, определить все пара-
метры, характеризующие работу сопла.
Определение коэффициента расхода ц
Действительный расход воздуха бд может быть определен
во входном насадке, забирающем воздух из атмосферы, либо по
замерам на входе в сопло. В последнем случае
G
(3. 26)
где р*— среднее значение полного давления на входе в сопло
в сечении Fj;
? (>ч) — газодинамическая функция, зависящая от рх и р*.
Теоретический расход воздуха определится по той же формуле,
записанной для сечения 71ф при той же степени расширения, но при
А,1:р= Р\ И FKp =7’1.
mspil (^Ь'р) />1^ГКр
т=
(3.27)
Определение коэффициента скорости <р
Действительная безразмерная скорость Х2д на выходе из сопла
может быть найдена из газодинамических таблиц по измеренным
значениям р2 и р*, теоретическое значение Х2т— также из таблиц
по отношению /7i;p/F2 = ?(%2t),
где FKp — критическое сечение сопла.
Определение коэффициента восстановления давления произво-
дится по измеренным значениям pj и р^т
Определение коэффициента потери импульса /
Полный секундный импульс газа в сечении F равен
pF.
Если воспользоваться функцией
^)-И+т)-
то
/=Gz(X) рЛ2к-±1вТ.
Тогда
^BA^O-ai) 2 ~ ВТ2
у = 41 =______Г
/гт G^Q:2Z)^2^ ВТ\
но так как Т2= 7’^=7*, а GBJJGBT=p,
то окончательно
г (41)
J — в —.
г (40
93
Величины г(Л2д) и 2(л2т) определяются из таблиц по действитель-
ному ?.2д и теоретическому iST значениям безразмерной скорости.
Определение коэффициента тяги си
Приняв обозначения рис. 3. 25, будем считать положительными
все силы, действующие в направлении тяги сопла:
св®м - аЛ-1
л отрицательными силы, действующие в противоположном направ-
лении:
- (GBWj-h PiFi -г Л^1Р1т+ ^Р'1)=- (Лд + АЛ Дц +
Очевидно, что разность всех сил, действующих в ту и другую сто-
рону, равна измеренному усилию
4“ АЛАтП~ АЛЛ — /1д Л/'1р1т AFjp^
Но сила тяги сопла Л.д есть разность импульсов на выходе,-
и входе в сопло: Rc„n=J2—Л
Тогда
алат+ алл-алат- д^';л.
Действительная тяга сопла определится из выражения
Л.д = А>изм- АЛ Ат- АЛЛ Л АЛАт + лЛЛ-
Теоретическая тяга сопла может быть найдена как разность
теоретического импульса /2т и действительного импульса /|Д;
1/ вт",_
Так как ОВТ = ОВ Jp и Т\=Т\, то
Л.т=А.д г(Х2т)-гЛ)]. (3. 29)
у k V J
По значениям Л.д и Л.т вычисляется crt
Выше была рассмотрена типичная методика исследования про-
стейшего жесткого сверхзвукового сопла. В воздушно-реактивных
двигателях находят применение звуковые и сверхзвуковые сопла
с регулируемой геометрией, регулируемые сопла с эжектирующими
приставками, сопла, позволяющие изменять направление вектора
94
тяги, и т. д. Установки для испытания таких сопел и соответствую-
щие методики исследования должны разрабатываться с учетом осо-
бенностей их конструкции и рабочего процесса.
В действительных условиях работы в соплах происходит раз-
гон газа с высокой температурой, поэтому, помимо чисто газодина-
мических характеристик, рассмотренных выше, исследователей
интересуют вопросы термической и вибрационной стойкости сопла,
надежности работы механизма регулирования сечений сопла
в условиях высоких температур и ряд других эксплуатационных
характеристик.
Испытания проводятся обычно на двигателе в стендовых или
летных условиях, параллельно с испытаниями других агрегатов
двигателя, т. е. при доводочных испытаниях.
Глава IV
ПРИБОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ И СТЕНДОВ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ И ПРИБОРАХ
Измерением называется экспериментальное определение соот-
ношения между измеряемой физической величиной и величиной,
принятой за единицу измерения. Основное уравнение измерения
= (4. 1)
где А — измеряемая величина;
v — единица измерения;
q — числовое значение измеряемой величины в принятых еди-
ницах измерения.
Тела или устройства, являющиеся вещественным воспроизведе-
нием единиц измерения (или их долей), называются мерами.
Классификация измерений
Различают следующие три основных вида измерений: прямые,
косвенные и совокупные.
1. Прямые измерения, при которых значение искомой величины
получается непосредственно из опытных данных либо путем непо-
средственного сравнения ее с мерами, либо посредством измери-
тельных приборов, градуированных в единицах измерения данной
физической величины. Прямые измерения проводятся одним из сле-
дующих методов:
а) методом непосредственной оценки, в котором физическая
величина оценивается непосредственно мерами или измеритель-
ными приборами, градуированными в единицах измерения данной
физической величины (длина — линейкой, давление — манометром,
температура — термометром и т. д.);
б) дифференциальным (разностным) методом, в котором оцени-
вается разность между измеряемой физической величиной и вели-
чиной известной или разность между двумя физическими величи-
нами (разность давления — дифманометром, разность силы то-
ков— логометром и т. д.);
96
в) нулевым методом, в котором действие измеряемой физиче-
ской величины уравновешивается действием известной физической
величины (измерение термоэдс термопары — потенциометром,
массы — при помощи гирь на рычажных весах и т. д.);
г) методом совпадений, в котором равномерно чередующиеся
сигналы, характеризующие измеряемую величину, сравниваются
с сигналами от известной физической величины (обороты — стробо-
тахометром).
2. Косвенные измерения, при которых результат измерения полу-
чается на основании математической обработки прямых измерений
нескольких величин, связанных с искомой величиной известным
уравнением. Например, определение расхода жидкости и газа
по перепаду давления в дроссельных приборах, определение ско-
рости по перепаду давления в пневмометрических насадках и тем-
пературе и т. д. Косвенные измерения — самый распространенный
вид измерений, применяемый в тех случаях, когда искомую вели-
чину невозможно или сложно измерить непосредственно, или когда
косвенные измерения дают более точный результат, чем прямые.
3. Совокупные измерения, при которых несколько физических
величин определяются совокупно из нескольких измерений, путем
последующего решения системы уравнений. Применяются, как пра-
вило, в лабораторных исследованиях.
Измерительные приборы
Измерительными приборами называются устройства, служащие
для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с еди-
ницей измерения.
Рассматривая принципиальную схему любого измерительного
прибора, можно выделить три основных звена: чувствительные эле-
менты, передаточно-множительные механизмы или устройства и
регистрирующую часть.
1. Чувствительные элементы, на которые воздействует измеряе*
мая величина. Если чувствительный элемент преобразует измеряе-
мую физическую величину в параметры другой физической вели-
чины, то его называют датчиком (датчик электрического тахометра,
пьезоэлектрический датчик давления и т. д,), В других случаях он
носит название приемника (приемник полного, статического дав-
ления и г. п.).
Датчики должны обеспечивать однозначную связь между изме-
ряемой величиной и величиной, посылаемой в измерительную цепь.
От приемников требуется передача измеряемой величины из точки
измерения в измерительную цепь без искажения.
Наибольшее распространение получили электрические датчики,
преобразующие действие измеряемых величин в изменение пара-
метров электрического тока или электрической цепи. Приборы
с электрическими датчиками обладают большими преимущест-
4 217
97
вами: их проще, чем другие приборы, сделать дистанционными,
малоинерционными и малогабаритными.
2. Передаточно-множительные механизмы перелают физические
величины по измерительной цепи от чувствительных элементов
в регистрирующую часть. В зависимости от особенностей регист-
рирующей части прибора физические величины могут передаваться
без изменения или с изменением их численных значений. Примером
передаточно-множительных механизмов могут служить зубчатые
передачи, кулачковые и рычажные механизмы, электрические уси-
лители.
3. Регистрирующая часть прибора обычно снабжена шкалой или
автоматическим записывающим устройством. Для осуществления
отсчета на шкалах имеются отметки (штрихи), каждая из которых
условно изображает численное значение измеряемой величины.
Начальная отметка шкалы соответствует наименьшему значению
измеряемой величины (Л1Пк1) и называется нижним пределом изме-
рения. Конечная отметка шкалы соответствует наибольшему значе-
нию измеряемой величины (Лтах) и называется верхним пределом
измерения. Область от Лш(п до называется диапазоном изме-
рения. Участок шкалы между двумя соседними отметками назы-
вается делением шкалы, а приращение измеряемой величины, соот-
ветствующее одному делению, — ценой деления.
Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Равно-
мерная шкала наиболее наглядна и удобна. Однако не все приборы
имеют равномерную шкалу, ибо это не всегда возможно или вызы-
вает усложнение конструкции прибора. В некоторых случаях даже
желательно иметь неравномерную шкалу с увеличенным рабочим
участком.
Одной из основных характеристик прибора является зависи-
мость перемещения стрелка от величины измеряемого параметра.
Эта зависимость называется урар.нением или характеристикой,
шкалы. Если известно уравнение шкалы, то можно определить чув-
ствительность прибора. Чувствительностью прибора называют пре-
дел отношения линейного или углового перемещения указателя
(соответственно в мм или градусах) к приращению измеряемой
величины при стремлении последней к нулю:
$ = Нпил-ч>(—) = — . (4.2)
Чем больше единиц шкалы приходится на единицу измеряемой
величины, тем чувствительнее прибор.
Когда характеристика шкалы дана в виде графика (рис. 4.1),
то чувствительность прибора пропорциональна тангенсу угла на-
клона касательной к характеристике шкалы в данной точке:
/7 (Y
s=—tge,
d A m,
А
где 0 — угол между касательной и осью абсцисс;
(4.3)
98
тл— масштаб измеряемой величины;
тл — масштаб перемещений.
У самопишущих приборов регистрирующая часть снабжена
автоматическим устройством, записывающим показания либо
в определенных точках по команде экспериментатора, либо непре-
рывно в течение определенного промежутка времени. Как правило,
запись осуществляется с большей точностью, чем снятие показаний
визуальным способом.
Рис. 4.1. Различные характеристики шкал:
а—рявно.черная шкала (/a;'rfzt=const; d2a/dA2^=(); Лп1|ц =0; б—неравномерная шка-
ла с понижающейся чувствительностью dafdA^consi- ИЩД/Д’СО; —0;
в—неравномерная шкала с возрастающей чувствительностью da'dA^t const;
d’o/HA’X); Дт1п >0
Измерительные приборы с точки зрения точности измерения
делятся на две категории.
1. Образцовые измерительные приборы, предназначенные, во-
первых, для воспроизведения и хранения единиц измерения (эта-
лоны), во-вторых, для проверки и градуировки других измеритель-
ных приборов.
2. Рабочие приборы, предназначенные для практических изме-
рений. Различают две подгруппы рабочих приборов:
а) лабораторные приборы, в которых предусматривается внесе-
ние поправок к показаниям в процессе измерения;
б) технические приборы — более грубые. В их показания попра-
вок не вносят. В паспорте прибора указывается гарантированная
точность измерения в определенном интервале изменения внешних
условий.
Погрешности измерений и измерительных приборов
Для проверки, выбора и настройки измерительной аппаратуры
важно знать погрешности, которые возникают в приборах, и вызы-
вающие их причины. Изучать погрешности удобнее, разбив их нэ
группы. Однако создание классификации погрешностей встречает
ряд трудностей, так как одну и ту же погрешность прибора, в зави-
симости от выбранного подхода к классификации, можно отнести
к той или иной группе. Так. например, математическую оценку
4* 99
погрешностей можно рассматривать независимо от порождающих
их причин.
Если классифицировать погрешности по вызывающим их причи-
нам, то можно выделить две группы: объективные и субъективные
погрешности.
Объективные погрешности возникают из-за несовершенства ме-
тода измерения, дефектов в конструкции приборов и влияния внеш-
них условий на процесс измерения.
Субъективные погрешности измерений появляются в связи с фи-
зиологическими особенностями наблюдателя и качеством его
работы.
Объективные погрешности в свою очередь можно разделить на;
статические, наблюдаемые при измерении постоянных во времени
величин, и динамические, наблюдаемые при измерении переменных
во времени величин или при переходе от измерения одного значения
физической величины к другому.
Рассмотрим подробнее каждую группу погрешностей.
При математической оценке погрешностей измерения различают
абсолютные и относительные систематические и случайные погреш-
ности.
Абсолютной погрешностью е называют разность между пока-
занием прибора и действительным значением измеряемой вели-
чины Л:
в=Лпр-А- (4.4)
Если известна абсолютная погрешность прибора, то можно вычис-
лить точное значение физической величины. Для этого в показания
прибора надо внести поправку. Поправкой к показаниям прибора
будет абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком:
(4.5)
Таким образом, для определения действительного значения из-
меряемой величины к показанию прибора алгебраически прибав-
ляют величину поправки;
А = Апр + с. (4.6)
Поправки определяются при тарировке и в виде таблицы или
графика прикладываются к прибору.
При пользовании приборами иногда удобнее оперировать не
с абсолютными, а с относительными значениями погрешностей.
Относительная погрешность 6 выражается в долях или процен-
тах действительного значения измеряемой величины.
или = — 100. (4.7)
Л А
Но так как действительное значение измеряемой величины неиз-
1G0
вёстно, то относительную погрешность представляют как отношение
абсолютной погрешности к показанию прибора *.
.— или
4пр
М=~ 100.
^пр
(4.8)
Приведенная относительная погрешность равна абсолютной
погрешности, выраженной в долях или процентах верхнего предела
измерений прибора.
е г
ЗпР=~------- или 8пр^=---------100.
-^тах.
Точность прибора оценивается наибольшей величиной абсолют-
ной погрешности. Для удобства ее вычисления приборы классифи-
цируются по точности. Каждому прибору присваивается класс точ
ности, численно равный величине наибольшей приведенной относи-
тельной погрешности прибора, выраженной в процентах. Зная класс
точности прибора и верхний предел измерения, можно легко вы-
числить абсолютную и относительную погрешности для каждого
конкретного измерения.
Пример 1. Тахометр с диапазоном измерения 0-:-10 000 об!мин показывает
п=3000 об!мин. Класс прибора 0,5. Вычислить абсолютную и относительную
погрешность измерения.
Решение. Абсолютная погрешность тахометра определяется по классу
прибора и верхнему пределу измерения;
кл. прибора X лгаак 0,5-10000
е = ------------------- -----—-----= 50 off!мин,
100 100 '
(4.9)
Относительная погрешность
£
& = —
-^пр
50
Абсолютные погрешности характеризуют точность определения
интересующей нас физической величины. Они в большинстве слу-
чаев имеют размерность.
Относительные погрешности размерностей не имеют, благодаря
чему позволяют оценить совершенство методов определения раз-
личных по своей природе физических величин.
Систематические и случайные погрешности. Систематические
погрешности имеют определенное значение в каждой точке шкалы
и повторяются при многократных испытаниях прибора. Причинами
их могут быть смещение стрелки или шкалы относительно номи-
нального положения, неточная регулировка передаточно-множи-
тельного механизма, неправильное, постоянно повторяющееся по-
ложение наблюдателя относительно прибора. Систематические
* Это можно делать только при точных измерениях, когда е<£.4_ В этом
£ В 6
случае — =—---------яг-—.
А Л пр— е Лпр
161
погрешности в большинстве случаев могут быть учтены во время,
измерений внесением поправок, полученных при тарировке прибора.
Случайные погрешности появляются незакономерно, величина
их при нескольких испытаниях прибора различна.
Систематические и случайные погрешности можно отделить друг
от друга. Если после многократных испытаний прибора нанести
значение погрешностей на график (рис. 4.2), то окажется, что для
Рис. 4. 2. Распределение случайных и систематических погрешностей
одного и того же значения измеряемой физической величины погреш-
ности, определенные при различных измерениях, не совпадают, но
группируются вокруг некоторых значений. Кривая, проведенная
через среднее значение погрешностей для каждого значения физи-
ческой величины, дает графический закон изменения систематиче-
ских погрешностей, а отклонения от этой кривой представляют со-
бой случайные погрешности отдельных измерений.
Наибольшая разность между повторными показаниями прибора
при измерении одного и того же значения физической величины
при неизменных внешних условиях называется вариацией прибора.
Чем больше вариация прибора, тем ниже его точность. Никаких
поправок к показаниям прибора на случайные ошибки сделать
нельзя.
Рассмотрим теперь объективные и субъективные погрешности
Объективные погрешности, как уже указывалось, делятся на
статические и динамические.
Статические погрешности состоят из методических и инструмен-
тальных погрешностей.
102
Методические погрешности вызываются несовершенством или
нерациональным: выбором метода измерения.
Причиной инструментальных погрешностей является несовер-
шенство прибора.
Инструментальные погрешности вызываются конструктивными
недостатками прибора, отклонениями характеристик материалов от
нх номинальных значений, неточностью изготовления деталей, не-
точностями сборки и регулировки прибора. К основным видам
инструментальных погрешностей относятся:
1. Шкаловые погрешности, возникающие вследствие неточностей
установки, градуировки шкалы или регулировки передаточного ме-
ханизма и изменения чувствительных элементов и деталей прибора
с течением времени.
2. Погрешности, вызываемые трением: при возрастании измеряе-
мой величины силы трения препятствуют увеличению показаний,
при убывании — препятствуют уменьшению показаний. Величин}
этой погрешности можно приближенно определить, сравнивая пока-
зания прибора при измерениях до и после легкого постукивания
по нему. После постукивания стрелка прибора смещается на вели-
чину, вызванную силами трения.
При тарировке приборов незначительные вибрации в плоскости,
перпендикулярной действию измеряемых сил, уменьшают ошибку,
вызванную трением. Поэтому, например, при тарировке нежестких
станков на них ставят вибраторы.
3. Погрешности, вызываемые наличием зазоров в опорах и по-
движных соединениях прибора, проявляются в виде непостоянства
показаний прибора. При постукивании стрелка может занимать
различные положения в пределах некоторого угла. Для устранения
этих погрешностей зазоры по возможности уменьшают, а также
применяют пружины, которые создают предварительный натяг,
обеспечивающий отсутствие зазоров.
4. Погрешности от неуравновешенности подвижной системы при-
бора возникают в результате возможного смещения центра тяжести
подвижной системы относительно оси вращения (рис. 4.3), не-
смотря на тщательную балансировку этой системы в процессе изго-
товления. В зависимости от положения прибора это смещение
может давать неуравновешенный момент. При измерениях необхо-
димо обеспечивать правильную ориентацию приборов, например,
ие устанавливать приборы вертикально, если они предназначены
для работы в горизонтальном положении.
5. Ошибки гистерезиса проявляются у механических приборов
с упругими чувствительными элементами (манометры с трубчатой
пружиной, пружинные динамометры) и у электрических приборов
с ферромагнитным магнитопроводом. Наличие гистерезиса вызы-
вает занижение показаний прибора при увеличении нагрузки и за-
вышение при уменьшении нагрузки. Для уменьшения этих погреш-
ностей применяют материалы с малым гистерезисом, а также под-
вергают их специальной термической обработке и старению.
103
6. Инструментальные погрешности, вызываемые изменениями
внешней среды, например температуры и давления, от которых
зависят физические свойства материалов (электрическое сопротив-
ление, модуль упругости) и линейные размеры деталей приборов.
Повышенная влажность и ионизирующие излучения увеличивают
утечки электричества в электроизмерительных схемах и приборах.
Внешние магнитные и электрические поля искажают электрические
и магнитные поля приборов.
Для уменьшения погрешностей, вызываемых изменениями внеш-
ней среды, применяются специальные материалы, компенсаторы.
Рис. 4.3. К возникновении
погрешностей от неуравно-
вешенности подвижной си-
стемы прибора
экранирование н герметизация при-
боров, а также устанавливаются огра-
ничения применения приборов при из-
менении внешних условий выше опре-
деленных пределов.
Динамические погрешности возни-
кают при измерении изменяемых с те-
чением времени физических величин и
проявляются двояко. Во-первых, в виде
длительного затухающего колебания
(успокоения) подвижной системы при-
бора при переходе от измерения
одного значения физической величины
к другому и, во-вторых, в виде завы-
шения или занижения показаний при-
бора и отставания по времени регист-
рации измеряемого процесса (ампли-
тудная и фазовая погрешности). Оба
вида погрешностей связаны с инерци-
онностью подвижных частей прибора.
Погрешности, связанные с успокоением подвижной системы
прибора,, возникают по следующим причинам. При переходе от из-
мерения одного значения измеряемой величины к другому подвиж-
ная часть прибора перемещается в новое положение равновесия.
Однако вследствие инерции подвижных частей стрелка может
перейти равновесное состояние, а затем, под влиянием противодей-
ствующих сил, может вновь начать двигаться в обратную сторону.
Естественно, что отсчет нельзя производить, пока колебательный
процесс не прекратится или амплитуда колебания не уменьшится
до допустимых пределов. Наличие колебаний может сделать невоз-
можным регистрацию кратковременных установившихся процессов.
Для того чтобы колебательный процесс быстрее прекратился,
приборы снабжаются специальными успокоителями, тормозящее
действие которых должно быть пропорционально линейной или
угловой скорости движения. При выполнении этого условия успо-
коитель не будет оказывать влияния на показания прибора, когда
скорость подвижной.части равна нулю..
104
Напишем уравнение движения подвижной части прибора в на-
чале измерения определенного значения физической величины
—уи, (4.10)
где а — текущий угол поворота подвижной части прибора;
/ — момент инерции подвижной части прибора;
Р — коэффициент пропорциональности, или коэффициент
успокоения. Произведение Р — учитывает момент от
демпфирующего устройства;
Ма — противодействующий момент. Обычно он создается пру-
жиной и поэтому пропорционален углу перемещения
и жесткости пружины: Мк = Wa;
М? — момент силы трения;
М — приложенный вращающий момент.
Для простоты рассмотрим случай, когда Mf—О, что близко
к действительности, так как трение в приборах невелико. Тогда
уравнение (4. 10) примет вид
/ —+/7~ + Га=Л1. (4.11)
Дт2 rfT
Если демпфированияj нет (Prfa/rfz =0), то подвижная система
прибора будет совершать свободное гармоническое колебание с
периодом Г0=2л]/7/Р/ и угловой частотой собственных колеба-
ний <1)0=2.т/7'о = У№’1/.
Частота и период свободных колебаний подвижной системы
постоянны для прибора данной конструкции. Поэтому целесообраз-
но ввести один из этих параметров в уравнение движения подвиж-
ной части прибора. Введем в рассмотрение угловую частоту собст*
венных колебаний соо, а также величину р, называемую степенью
успокоения и зависящую от конструктивных параметров прибора:
Р.^-. (4.12)
2 уJW
Уравнение (4,11) примет вид
— + -Hoa=«o— (4.13)
и после решения:
a=ac -ace~>^ rJ—нт sin ((оот arctgiZ(4. 14)
у 1 “ рл 1/ р2 ]
Анализ формулы (4.14) показывает, что характер движения
подвижной части прибора полностью определяется значением сте-
пени успокоения и частотой собственных колебаний прибора.
105
Рис. 4. 4. Характер движения подвижной
части прибора при переходе к измере-
нию от одного значения измеряемой ве-
личины к другому:
!~о<р<1; IT—₽-1; Ш-₽>1
Если р = 0 (демпфирования нет), то, как уже отмечалось, проис-
ходит свободное гармоническое колебание;
если 0<р<1,— периодическое затухающее колебание с умень-
шающейся с течением времени амплитудой и периодом;
если р>/,— затухающее апериодическое движение;
если р— 1, возникает так называемый критический режим.
Характер движения для всех этих случаев показан на рис, 4.4.
Наибольший практический интерес представляет случай
0<р< 1, так как подвижная часть прибора при этом быстрее, чем
в других случаях, стремится к установившемуся положению.
При работе с приборами их показания практически считают
установившимися, если ко-
лебания подвижной части не
превышают определенных
пределов.
Способность прибора бы-
стро прекращать колебания
или уменьшать их до допу-
стимой величины характери-
зуется временем успокое-
ния.
Бременем успокоения на-
зывается время, протекшее
с момента включения при-
бора на половину полного
отклонения, до момента,
когда подвижная часть уста-
точностыо до +1 % от длины
новится в положении равновесия с
шкалы. Время успокоения подвижной части большинства электро-
измерительных приборов не превышает 4 сек.
Для получения наименьшего времени успокоения необходимо,
чтобы (4 = 0,7. Однако это связано с конструктивными трудностями,
поэтому обычно р = 0,4ч-0,6.
При выводе уравнения движения подвижной части прибора
предполагалось, что момент трения равен нулю. Наличие трения
в приборах сокращает время успокоения.
Амплитудная и фазовая погрешности при регистрации быстро-
переменных величин объясняются следующим. Предположим, что
измеряемая величина изменяется по синусоидальному закону и
трения в подвижной части прибора нет. Уравнение движения может
быть записано в следующем виде:
j ф, р sin №Т
ЛтД 1 dx 1
или
। О(а eta > 2 2 Af .
-- + 2рю0- 7 <t»oot= шп—sin ют.
drt-------------------' ТГ
(4. J 5)
(4.16)
106
Решение дифференциального уравнения (4.16) имеет вид
а = —'sin у sin (<у-(т У ] — р2-}- arctg 1 ——)+
IT ‘ г У ] — рг I 11 1 I/ рз /
4-—. — -1 sin (шт — arctg , (4. 17)
W /<1 — п®)2 + (2₽П)'2 V 1-П2/
<0
где т|= — ;
и>0
ш — угловая-частота регистрируемого процесса;
мо — угловая частота собственных колебаний подвижной части
прибора;
(р — угол, соответствующий началу регистрации процесса.
Отличие данного уравнения от уравнения (4. 14) состоит в том,
что, помимо собственных колебаний подвижной части, учитывается
соотношение между частотой собственных колебаний прибора и ча-
стотой регистрируемого процесса. Первый член уравнения (4.17)
из-за наличия множителя е ₽“оТ уменьшается с течением времени
и стремится к нулю, так что через определенный промежуток вре-
мени отклонение прибора полностью описывается вторым слагае-
мым. Рассмотрим структуру второго слагаемого. Оно состоит из
двух частей. Первая часть
• I +„ 231) \
sin arctg —-С-1
\ 1 — П2/
изменяется периодически с течением времени от 0 до 1. Величина
arctg(2pr)/l—т)а) показывает фазовую погрешность в регистрации
процесса. Вторая часть
М 1_________
представляет собой амплитуду колебания и зависит, помимо дей-
ствующего момента М и жесткости пружины W', от соотношения
частот т| и степени успокоения 0.
Если бы не было множителя
= A (4,18)
Г( 1-112)2 4- (23п)2
то амплитуда колебания равнялась бы Л1/1Е и не зависела от соот-
ношения частот регистрируемого процесса и собственной частоты
колебания подвижной части прибора. Наличие коэффициента /1=#1
(для конкретного прибора он зависит только от частоты измеряе-
мого процесса) приводит к появлению так называемом амплитудной
погрешности. На рис. 4. 5 показано изменение коэффициента А п за-
висимости от величин р и т|.
Из анализа изменения коэффициента А можно установить сле-
дующее правило: для получения малой амплитудной погрешности
107
необходимо, чтобы прибор имел коэффициент |} в пределах 0,64-0,7,
а частота собственных колебаний подвижной части прибора была
возможно больше частоты исследуемого явления (не менее чем
в 4—5 раз).
Выше уже отмечалось, что повышение точности регистрации
переменных процессов связано с увеличением собственной частоты
1
Рис 4.5. Изменение коэффициента А= г--- —
У(1~П2)2 + (2^)3
н зависимости от отношения частоты регистрируемого про-
цесса к частоте собственных колебаний подвижной части
прибора и степени успокоения
либо уменьшением момента инерции подвижных частей, либо уве-
личением жесткости пружин, дающих противодействующий момент.
Уменьшение момента инерции в силу конструктивных особенностей
не может быть беспредельным, а повышение жесткости пружин
приводит к уменьшению чувствительности прибора. Поэтому на
практике пользуются набором приборов для регистрации процес-
сов различной частоты (например, набор вибраторов при осцилло-
графировании).
Чувствительность же приборов с большой частотой свободных
колебаний может быть повышена введением в измерительную цепь
усилителей.
Остановимся еще на одном вопросе. Какова должна быть соб-
ственная частота колебаний подвижной части прибора, если необ-
108
ходимо измерить среднее по времени значение переменной физиче-
ской величины? В этом случае, очевидно, величина А в формуле
(4.18) должна быть равна нулю, а величина амплитудной погреш-
ности равняться —1(—100%). Последнее возможно только при
очень больших т], т. е. нужно применять инерционные приборы.
Субъективные погрешности связаны или с физиологическими
особенностями наблюдателя пли с качеством его работы.
При оценке физиологических особенностей наблюдателя прак-
тически важно знать время реакции человека на световой сигнал,
т. е. промежуток времени между началом раздражения сетчатки
Рис. 4. 6. Аятипараллаксиые приспособления:
/—шкала; г—-стрелка; г—зеркало
глаза и моментом подачи экспериментатором определенного сиг-
нала (например, нажатия пальцем головки секундомера).
Время реакции на раздражение средней силы составляет 0,15—
0,225 сек. Такова же длительность реакции и на прекращение раз-
дражения. Для слабых раздражений, близких к порогу чувстви-
тельности, время реакции увеличивается на 0,04—0,05 сек. Дли-
тельность реакции при монокулярном зрении (одним глазом) боль-
ше, чем при бинокулярном.
В связи с тем, что время реакции у людей может колебаться,
для уменьшения субъективной погрешности измерения отсчет на-
чала и конца промежутка времени необходимо вести одному и тому
же лицу.
Погрешность отсчета зависит от индивидуальной оценки пока-
зания тем или иным наблюдателем и от положения наблюдателя
относительно прибора в момент отсчета.
Так как стрелка не всегда совпадает с плоскостью шкалы, то
может возникать дополнительная погрешность отсчета, когда луч
зрения наблюдателя направлен не по нормали, а под некоторым
углом к шкале. Эта погрешность называется параллаксом.
Для уменьшения параллакса стрелку смещают ближе к шкале,
а точные приборы снабжают зеркальными шкалами или другими
приспособлениями (рис. 4.6). При пользовании приборами с зер-
кальной шкалой наблюдатель во время отсчета должен смотреть
109
О !0 ?0 30 40 50
1niiliiiiliiirliiiilnitliinlniiljiilluiiliittl
Кратность 1
q МО 200 300
L-l.i, l L.l I I I I I I I I I-I
Кратмость 2
О 5 fO 15 20
1 il ilil J iiil i h 11 h Li 1 i 111 h 111 И» hl t f
Кратность 5
0 1,0 2,0 3,0 4Д 5,0
I I I I । I I । ,1.1 । J..I 1 । 1
Кратность 3
(нРпра8ипьно)
Рис. 4.7. Шкалы различной
кратности
так, чтобы стрелка совпадала с ее изображением в зеркале. В этом
случае луч зрения направлен по нормали к шкале и параллакс
равен нулю.
Погрешности от параллакса не наблюдается в приборах со све-
товым указателем, в которых от-
счет производится по световому
пятну, отбрасываемому на экран
зеркалом подвижной части при-
бора.
На точность отсчета по шкале,
т. е. на индивидуальную ошибку
наблюдателя, оказывает влияние
форма и размеры стрелки и отме-
ток на шкале. Если стрелка распо-
лагается между отметками, то от-
счет между делениями произво-
дится «на глаз». При этом наилуч-
шая точность отсчета получается
тогда, когда толщина штриха шка-
лы и стрелки составляет около од-
ной десятой деления.
На количество промахов при от-
счетах оказывает влияние количе-
ство отметок, заключенных между оцифрованными делениями. По-
этому ГОСТ требует, чтобы на шкалах приборов цена деления была
кратна единице, двум или пяти (рис. 4. 7).
Субъективные ошибки могут быть устранены при введении
автоматической регистрации приборов.
§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Измерение температуры — один из самых сложных и трудоем-
ких видов измерений.
При испытании ВРД условия измерения температур весьма раз-
нообразны. В зависимости oi поставленных задач может требо-
ваться измерение поля температур в дозвуковом и сверхзвуковом
потоках, на поверхности или в глубине материала, измерение сред-
ней температуры в объеме или сечении, стационарной или перемен-
ной температуры в точках и т. д.
Многообразие требований и условий, которые подчас трудно
или даже невозможно удовлетворить в конструкции одного при-
бора, привели к необходимости создания многочисленных методов
измерения температуры и соответствующего приборного оборудо-
вания. На стендах по испытанию ВРД применяются следующие
виды термометров:
а) жидкостные термометры — для измерения температуры
окружающей среды, воздуха и жидкостей в трубопроводах, а так-
же для контроля температурного состояния других приборов;
НО
б) термометры электросопротивления — для измерения темпе-
ратуры воздуха, топлива и масла;
в) термоэлектрические пирометры (термопары) — для измере-
ния температуры горячих газов, поверхностей деталей и распреде-
ления температуры в глубине Материалов,
Жидкостные термометры
Работа жидкостных термометров основана на изменении объема
жидкости при изменении температуры.
Жидкостной термометр состоит из
к нему прозрачного капилляра и шка-
лы. Шкала изготавливается отдельно
или может быть нанесена на капил-
ляре. Типы жидкостных термометров
представлены на рис. 4. 8.
Коэффициент расширения жидко-
сти во много раз больше коэффициента
расширения материала оболочки
(стекла или кварца) благодаря чему
при нагревании изменяется уровень
жидкости в капилляре.
В табл. 4. 1 даны основные сведе-
ния о применяемых жидкостях (пре-
делы применения той или иной жидко-
сти в термометре зависят от устойчи-
вости физических свойств материала
оболочки и самой жидкости). Для по-
вышения верхнего предела измерения
объем над жидкостью заполняется
нейтральным газом под давлением.
Резервуары и капилляры для изме-
рения температур до 500° С изготовля-
ются из специального стекла, обладаю-
щего коэффициентом расширения при-
близительно 0,00002 град~1; при более
высоких температурах применяется
кварц.
Наибольшее распространение полу-
чили ртутные термометры.
Рабочие жидкостные термометры,
как и любые измерительные приборы,
разделяются на технические и лабора-
торные.
Цена деления лабораторных термо-
метров 0,5° С и менее, технических —
1,0° С и более; шкала лабораторных
резервуара, припаянного
а) 5)
в)
Рис. 4.8. Типы жидкостных
термометров:
Я—термометр со сложенной шка-
лой; б—палочный термометр;
в—термометр с наружной шка-
лой;
7—резервуар; 2—капилляр; .9—
шкала
ш
Таблица 4. 1
Название жидкости Область рабочих тем- ператур °C Коэффициент видимо- го расширения жидко- сти в стекле
От до
Ртуть —30 1200 0,00016
Толуол —80 100 0,00107
Этиловый спирт —80 80 0,00103
Керосин 300 0,00093
Пентан —200 20 0,00090
термометров имеет нулевую отметку; лабораторные термометры при
измерении погружаются в измеряемую среду до отсчитываемого
деления (выступающий столбик жидкости термометра не более
5—6°С над измеряемой средой). Технические термометры допу-
скают значительное выступание столбика.
Среди технических термометров большое распространение полу-
чили термометры, которые при измерении погружаются только
нижней «хвостовой» своей частью (соответствующее указание де-
лается на шкальной пластине термометра). Хвостовая часть выпол-
няется прямой или изогнутой под углом 90°, 120° и 135°.
Широкое применение жидкостных термометров объясняется
рядом преимуществ, которыми они обладают: широкий диапазон
измеряемых температур (—200ч-4-1200° С). простота в обращении,
высокая точность, отсутствие специальных источников литания
и дополнительных приборов измерения. Однако при использовании
жидкостных термометров не следует забывать их недостатков:
отсутствия дистанционное™ в показаниях, невозможности измере-
ния температуры в точке поверхности или объема, чувствительности
к ударам и вибрациям, невозможности непосредственного измере-
ния разности температур, значительной инерционности.
Термометры электросопротивления
В термометрах электросопротивления используется свойство
материалов изменять электросопротивление при изменении темпе-
ратуры. Изменение электросопротивления фиксируется электро-
измерительными приборами (мостом, потенциометром, логомет-
ром), шкала которых нередко градуируется непосредственно в °C.
Диапазон измеряемых температур от —200° С до +500° С.
Конструктивное оформление датчиков термометра электросопро-
тивления показано на рис. 4. 9. Проволока, предназначенная для
термометра, наматывается на жесткий электроизолирующий кар-
112
кас. В качестве материала каркаса используют пластические
массы, слюду, кварц, фарфор, стекло, которые достаточно жаро-
устойчивы и не оказывают вредного химического влияния на про-
волоку. Пластмассы применяются для низкотемпературных термо-
метров, слюда — для умеренных температур, кварц — для высоких.
Электросопротивление на каркасе изготавливается
диаметром 0,05—-0,1 мм с общим сопротивлением
45—100 ом. Материал проволоки — медь (для тем-
ператур — 50° С-н 4-150° С), никель (для темпе-
ратур— 50эС^- 4-200°С), платина (для темпера-
тур — 183’ С -•-+630’ С).
Обмотка с каркасом помещается в футляр, ко-
торый защищает их от химического воздействия
внешней среды и внешних значительных давлений.
Основные источники погрешностей термометров
электросопротивления:
1. Изменение сопротивления соединительных
проводов под воздействием температуры среды.
2. Изменение сопротивления чувствительного
элемента датчика при нагреве током.
3. Погрешности, связанные с применением элек-
троизмерительных приборов (см. § 1 настоящей
главы),
Для уменьшения погрешности, связанной с из-
менением электросопротивления соединительных
проводов, необходимо применять провода, сопро-
тивление которых мало по сравнению с электро-
сопротивлением чувствительного элемента дат-
чика, а также следить за тем, чтобы сопротивление
проводов при температуре градуировки (указы-
вается красной чертой на шкале) соответствовало
указанному на приборе.
Ошибка, связанная с нагревом чувствительного
элемента рабочим током, зависит от условий тепло-
обмена между средой и термоприемником и вели-
чины рабочего тока. Сила тока, пропускаемого че-
рез термометр, обычно не превышает 2—10 ма.
Экспериментально доказано, что нагрев термо-
из проволоки
Рис. 4. 9. Кон-
струкция тер-
мометра элек-
тросопротивле-
ния:
/—каркас; 2—об-
мотка электросо-
противления;
защитный чехол
метра, находящегося в жидкой среде, не превы-
шает О,Г С, в то время как по ГОСТу 6651—59 установившееся
отклонение температуры датчика, опущенного в тающий лед, не
должно превышать 0,2—0,4° С.
Термометры электросопротивления имеют ряд преимуществ,
а именно: возможность дистанционной передачи измерений и авто-
матической записи, широкий диапазон измеряемых температур,
высокую точность измерения, доступную стоимость. Однако им при-
сущи и недостатки: невозможность измерения температур в точке,
113
значительная инерционность, для их работы требуются источник
питания и электрические измерительные приборы.
Термоэлектрические пирометры (термопары)
Принцип работы термопары основан на том, что в цепи, состав-
ленной из двух разнородных проводников Л и В (рис. 4. 10) возни-
кает электрический ток, если места соединения проводников имеют
разную температуру. Силы, вызывающие этот ток, называются
термоэлсктродвижущими силами (термоэдс). Для измерения тер-
моэдс в электрическую цепь термопары включают электрический
прибор.
Величина термоэдс неоднозначно зависит от разности темпера-
тур соединений и, в общем случае, может быть различной при оди-
наковой разности температур в зависимости от их абсолютных зна-
чений. Эта зависимость будет однозначной только п том случае,
если температуру одного из соединений поддерживать постоянной.
Конец термопары, помещаемый в измеряемую среду, называют
рабочим. Конец, температуру которого поддерживают постоянной,
называют свободным. Обычно свободный конец помещают в среду
с температурой тающего льда (0°С).
До начала измерения термопары проходят тарировку, в про-
цессе которой при постоянной температуре свободного конца
рабочий конец последовательно нагревают до различных темпера-
тур и измеряют развиваемую термопарой термоэдс при каждой
температуре. По данным тарировки строят зависимость величины
термоэдс от температуры рабочего конца (рис. 4. II).
При выборе материалов термопары к термоэлектродам предъ-
является ряд требований:
I) пара выбранных проводников должна развивать термоэдс,
по возможности максимальную для данного интервала температур;
2) температура плавления или изменения физических свойств
материалов термоэлектродов должна быть выше максимальной
температуры в диапазоне измерения;
3) материалы термоэлектродов должны быть стойкими в среде,
в которой производятся измерения;
4) стоимость материала термоэлектродов должна быть мини-
мальной для существующих условий измерения.
По материалу применяемых в термопарах проводников их
можно разбить на три группы: термопары из благородных метал-
лов, из неблагородных металлов и из металлического проводника
в паре с неметаллическим.
Из первой группы нашли широкое применение термопары пла-
тинородий-платиновая и платинонридий-платиновая.
Благодаря стойкости материалов электродов при высокой тем-
пературе и в окислительной среде градуировочные данные термо-
пар сохраняются неизменными. Перечисленные свойства послу-
жили основанием для применения платннородий-платиновых тер-
114
мопар в качестве образцовых и эталонных приборов. Как техниче-
ские приборы платиновые термопары применяются для регистра-
ции высоких температур (до 1600° С) при исследовании процессов
горения основных и форсажных камер сгорания.
К недостаткам платиновых термопар следует отнести: низкие
величины развиваемых ими термоэдс, в связи с чем требуются
В
V
t
Рис. 4. 10. Тер-
моэлектрическая
цепь, состоящая
из двух термо-
электродов
Рис. 4.11. Тарировочный график термопары
платинородий-—платина при температуре сво-
бодного конца Го=0° С
высокочувствительная электроизмерительная аппаратура, значи-
тельные удельные электросонрдтивления и температурный коэффи-
циент электросопротивления, а также высокая стоимость мате-
риала.
Термоэлектрические свойства платины изменяются в среде водо-
рода, окиси углерода, при наличии паров металлов, кремнезема
и атомарного углерода. Во всех этих случаях термопару следует
применять в защитной аппаратуре.
При исследовании процессов горения углеводородных топлив
в камерах сгорания ГТД платиновая термопара подвергается вред-
ному воздействию окиси углерода, углекислого газа и атомарного
углерода. Однако значительный избыток воздуха в камерах ГТД
(а = Зд-5) снижает это вредное воздействие. Термопара, прошед-
шая 200-часовую эксплуатацию в основной камере сгорания ГТД,
115
не показала при последующей проверке отклонений от первона-
чальной градуировки.
Основное достоинство термопар второй группы — доступность
и дешевая стоимость термоэлектродного материала. Благодаря
этому электроды можно делать значительной толщины (если при
измерениях не имеет значения инерционность показаний), что уве-
личивает механическую прочность и снижает электросопротивление
электродов.
Наиболее часто применяются следующие термопары.
Хромель-алюмелевая термопара хорошо работает в окисли-
тельной атмосфере, имеет практически линейную характеристику.
Ее недостатки — повышенная
Рис. 4.12. Зависимость термоэдс
от температуры для термопары
из электродов НК-СА
хрупкость при высокой (свыше
1000° С) температуре, возмож-
ность изменения градуировочной
характеристики при длительной
работе в окислительной среде. При
этом наибольшие отклонения на-
блюдаются в интервалах темпе-
ратур 300—500° С и 800—1000’С.
Термопара широко применяется
при исследовании процесса горе-
ния топлива в основных и фор-
сажных камерах сгорания ВРД.
Для контроля температуры за
турбиной газотурбинных двигате-
лей применяются термопары из
сплава НК-СА. Одним термо-
электродом является никелько-
бальтовый сплав, вторым — спе-
циальный алюмель. Особенностью этой термопары является ее тер-
моэлектрическая характеристика (рис. 4. 12), При изменении тем-
пературы концов в интервале от 0е до 4-200° С термопара практи-
чески не развивает термоэдс, что позволяет не помещать свободный
конец термопары в термостат. По жаростойкости она не уступает
хромель-алюмелевой, однако, развиваемые ею термоэдс значи-
тельно ниже при измерении одних и тех же температур, что яв-
ляется существенным недостатком.
Хромель-копелевая термопара по жаростойкости уступает пере-
численным выше термопарам из-за невысокой жаростойкости ко
пеня. Применяется при температуре до 600° С (для длительных
измерений) и до 800°С (при кратковременном нагреве). Ее преиму-
ществом перед всеми другими термопарами является наивысшая
1 ермсюдс.
Медь-копелевая термопара имеет самый низкий температурный
предел измерения (400° С — длительный нагрев, 600° С — кратко-
временный) из-за сильной окисляемости меди. Находит применение
116
для измерения умеренных температур. Достоинство ее — доступ-
ность и дешевизна медного термоэлектрода.
Медно-константановая термопара применяется также при из-
мерении умеренных (до 300°С), а также низких (до —100°С) тем-
ператур. Кроме того, медно-константановая термопара применяется
в качестве образцового прибора для тарировки технических термо-
метров от 0 до 100° С. Погрешность при этом не превышает
±0,1° С.
Из перечисленных выше термопар стандартными являются пла-
тинородий-платиновая, хромель-алюмелевая, хромель-копелевая и
из сплава НК.-СА. Они выпускаются промышленностью и имеют
определенные градуировочные характеристики (табл. 4.2).
Таблица, 4. 2
Материал термо электродов Обозна- чение Верхний температурный предел в °C
при длитель- ном измерении при кратко- временном измерения
Платинородин-платина пп 1300 1600
Хромель-алюмель ХА 1000 1300
Хромель-копель хк 600 800
Никелькобальтовый склав-специ- альный алюмель НК-СА шо 1000
Из термопар третьей группы, материалами термоэлектродов
которых служат металл в паре с неметаллом, в практике приме-
няют, например, молибден-вольфрамовую термопару для измерения
температур до 2000° С. Материал обоих электродов легко окис-
ляется. Вследствие этого термопара заключается в защитный че-
хол, который существенно увеличивает инерционность.
Конструкция термопар показана на рис. 4. 13. Термоэлектроды,
соединенные между собой, помещаются в изоляционном материале.
Для предохранения изоляционного материала от механических
повреждений он заключается в металлический корпус, который мо-
жет быть выполнен охлаждаемым. На конце защитного корпуса
имеется планка для крепления соединительных проводов. Рабочий
конец может также помещаться в защитную трубку, предохраняю-
щую его от воздействия измеряемой среды.
Способ соединения термоэлектродов не оказывает влияния
на величину развиваемой термоэдс. Поэтому выбирают наиболее
технологичный способ, обеспечивающий надежность соединения.
Термопары с медным электродом спаиваются серебром или при-
поем с электродами из других неблагородных металлов — свари-
117
ваются в пламени электрической дуги или ацетиленовой
горелки.
Термоэлектроды из платины и ее сплавов свариваются в элек-
трической дуге, образованной между тонким (6—8 мм), остро зато-
ченным графитовым электродом и обоими термоэлектродами. После
сварки соединение зачищают до диаметра, равного диаметру про-
волоки термоэлектронов, а рабочему концу придают П-образную
форму (см. рис. 4.13). Это уменьшает ошибку измерения.
Рис, 4.13. Конструкция термопары;
2—рабочий конец; 2—термоэлсктроды; о—‘изолирующая двухкаиалмнзя керамика;
4—защитная металлическая трубка; 5—выводные клеммы
В качестве электроизолянии употребляются стеклянные бусы
(при измерении температур до 500"С), асбест (до 700°С), кварце-
вые трубки (до 1000—1100° С), фарфоровые трубки и бусы
(до 1500° С),
При конструировании термопар следует учитывать особенности
некоторых материалов: асбест гигроскопичен и не может надежно
изолировать во влажной среде; кварц, будучи нагрет свыше 1100° С,
постепенно переходит в нестекловидное состояние и теряет проч-
ность. Кварц быстро разрушается под действием щелочи, солей
щелочных металлов, окалины и ржавчины. Достоинством его
является устойчивость к резким изменениям температуры.
Для защиты высокотемпературных термопар из благородных
металлов применяются, главным образом, кварцевые и фарфоро-
418
вые трубки, общим недостатком которых является высокая стои-
мость и низкая механическая прочность.
Для уменьшения инерционности термопары, вызванной защит-
ными чехлами, рекомендуется вваривать термоэлектроды в до-
нышко защитного чехла, а диаметр последнего делать возможно
меньше.
Для измерения термоэдс применяются милливольтметры и по-
тенциометры (рис. 4.14). Под действием термоэдс в измерительной
цепи установится ток
i E{t‘= Е <*’
4“ Н- fyt ^Biieiiui ^внутр
где /?ввутр = /?м —электросопротивление милливольтметра (часто-
называемое внутренним сопротивлением);
/?пр —электросопротивление соединительных проводов;
А*т —электросопротивление термоэлектродов термо-
пары;
^виешн^^пР+^т—внешнее сопротивление.
Напряжение на клеммах милливольтметра будет всегда меньше
термоэдс из-за потерь в соединительных проводах и термоэлектро-
дах термопары:
а R и Л 4Н9)
Лт + Лпр + Лм /?м /
Для точного измерения термоэдс необходимо знать сопротивле-
ние цепи и, пользуясь формулой (4. 19), вносить поправку к пока-
заниям милливольтметра. Поправка тем меньше, чем. больше
внутреннее сопротивление по сравнению с внешним.. Поэтому внут-
реннее сопротивление милливольтметра делают достаточно боль-
шим. Поправка не вносится, если предварительно тарируется весь
измерительный комплекс, называемый термоэлектрическим пиро-
метром, состоящий из термопары, соединительных проводов и мил-
ливольтметра.
Выпускаемые промышленностью термоэлектрические пирометры
градуированы непосредственно в ° С, на их шкалах указано, для.
какой термопары они предназначены и при каком внешнем сопро-
тивлении проходили тарировку. Поэтому при монтаже измеритель-
ной цепи необходимо подобрать соответствующее внешнее сопро-
тивление. Стандартом установлены величины кипени; = 0,6; 5; 15;
25 ом.
Другим способом измерения термоэдс является измерение
с помощью потенциометра, основанное на уравновешивании изме-
ряемого напряжения напряжением, которое с достаточной точ-
ностью известно или может быть рассчитано.
Применяются потенциометры двух типов: с рабочим током по-
стоянной и переменном силы. Первые находят более широкое при-
менение благодаря большей точности измерения.
11»
Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой ра-
бочего тока приведена на рис. 4. 15. В начале процесса измерения
ставят переключатель 8 в положение «к» (контроль). Регулировкой
сопротивления 1 добиваются того, чтобы показания нуль-прибора
7 стали равными нулю, т. е. подбирают такую силу тока от батареи
питания 2, при которой падение напряжения на эталонном сопро-
тивлении 3 будет равно ЭДС нормального элемента 4. ЭДС нор-
мального элемента известна с большой точностью. Сила тока от
£
батареи питания i—
Рис. 4. 14. Схема включения милли-
вольтметра для измерения термоэдс:
/—термопара: 2—соединительные провода;
Л—милливольтметр
Ряс. 4.15. Принципиальная схеме
потенциометра с постоянной силой
рабочего тока:
1— сопротивление для регулирования силы
тока от батареи питания; 2—батарея пи-
тания; J—эталонное сопротивление; 4—нор-
мальный элемент; 5—реохорд; б—декада
сопротивления; 7—нуль-прибор: 8—пере-
ключатель; Р—термопара
Затем переключатель 8 устанавгшвают в положение «и» (изме-
рение). Меняя сопротивление реохордом 5 и декадой 6, добиваются
того, чтобы показания нуль-прибора опять были равны нулю, т. е.
чтобы падение напряжения на сумме сопротивлений J?ab + fod рав-
нялось термоэдс термопары 9:
E(t,Q=Uaa=Wab±Rcd),
Подставляя значение силы тока, найденные при первом измере-
нии, находят термоэдс термопары:
£(Zj ;„)= £н-э(^ + ^) =А(/?Д>_1-^). (4.20)
к*
Измеряемая ЭДС пропорциональна сумме сопротивлений
Rab + Rcd, поэтому последние могут быть градуированы непосред-
ственно в единицах напряжения.
120
Для регистрации термоэдс широко применяются автоматические
потенциометры, которые наряду с измерением осуществляют за-
пись, сигнализацию или регулирование температуры.
Сравнивая два способа измерения термоэдс термопар (при по-
мощи милливольтметра и потенциометра), можно сказать, что
точность определения термоэдс потенциометром при прочих равных
условиях выше, так как устраняется ошибка, связанная с электро-
сопротивлением проводов и термопары (в момент измерения тока
в цепи нет, а следовательно, нет и падения напряжения в элемен-
тах цепи).
При эксплуатации электроизмерительных приборов для изме-
рения термоэдс термопар
необходимо иметь в виду,
что кроме погрешностей,
описанных выше, возмож-
ны погрешности от пара-
зитных термотоков и маг-
нитных полей.
Если градуировочная
кривая термопары пред-
ставляет собой прямую
Рис. 4. 16. Схема включения термопар
в измерителе температуры газов за турби-
ной ТВГ-11:
Г—термопары; 2—подгоночное сопротивление;
5—милливольт метр
линию, можно одним из-
мерением определить
среднюю температуру из
показаний нескольких
термопар. Схема такой
цепи, применяемой в приборе ТВГ-11—измерителе температуры
газов за турбиной ГТД, приведена на рис. 4. 16. Четыре термопары
соединены последовательно и образуют термобатарею, термоэдс
которой равна сумме термоэдс термопар. Для определения средней
температуры необходимо суммарную термоэдс разделить на число
включенных термопар (в нашем случае на 4) и, пользуясь градуи-
ровочной кривой, найти среднюю температуру. Операция деления
суммарной термоэдс на число термопар может быть учтена при
нанесении шкалы измерителя, отградуированной в градусах, В из-
мерителе ТВГ-11 так и сделано.
Соединение нескольких термопар в батарею применяется также
в случае измерения небольших температур, когда развиваемая
термоэдс незначительна, а использование весьма точных и чувстви-
тельных электроизмерительных приборов затруднено.
Для повышения точности измерения разности температур при-
меняется дифференциальная схема включения термопар (рис. 4. 17),
В этом случае термоэдс одинаковых по материалу термопар на-
правляются навстречу друг другу, К электроизмерителю подходит
разность термоэдс. Если градуировочный график — прямая линия,
по измеренной разности термоэдс определяется разность температур
в любом участке градуировочного графика; если градуировочный
график — не прямая линия, то дополнительно должна быть изме-
12-1
Рис. 4. 17. Дифференциальная схема вклю-
чения термопар:
• J—рабочие концы; 2—тер моэлс кт родные провода;
Свободные концы; 4—медные провода; 5—под*
гоночное сопротивление; 6—милливольтметр
тической регистрации. К, недостаткам
рена одна из температур и по градуировочному графику предвари-
тельно найден участок, на котором определяется разность темпе-
ратур.
Широкое применение термопар объясняется рядом преимуществ
их по сравнению с дру-
гими измерительными
приборами: возможно-
стью измерения темпера-
туры в точке, достаточной
точностью, широким диа-
пазоном измерения (от
100°С до 2000°С), воз-
можностью дистанцион-
ной передачи показаний
прибора и введения цент-
рализованной и автома-
термопар следует отнести
необходимость применения точных и чувствительных электроизме-
рительных приборов, для эксплуатации которых требуются опреде-
ленные условия, что повышает общую стоимость прибора, кроме
того, необходимо помешать свободные концы термопар в термостат.
Ошибки при измерении температур, связанные с установкой
датчика термометра
В каждом приборе для измерения температуры есть чувстви-
тельные элементы, воспринимающие, температуру измеряемой
среды. Анализируя ошибки измерения, необходимо иметь в виду,
что термометры в сущности регистрируют температуру собственного
датчика. Поэтому точность измерения зависит не только от точно-
сти регистрирующих приборов, но и от того, насколько близка тем-
пература датчика термометра к температуре измеряемой среды.
В реальных условиях всегда существует некоторая разность между
температурой среды и температурой датчика. Эта разность яв-
ляется ошибкой измерения.
Рассмотрим, от каких причин зависит указанная ошибка изме-
рения п как можно ее уменьшить.
Ошибки, связанные с теплопроводностью материала датчика
термометра. Рассмотрение задачи о передаче тепла по материалу
стержня (рис. 4.18), омываемого потоком, температура которого
одинакова во всех точках, но отлична от температуры места заделки
стержня, приводит к следующему уравнению:
t t—-
ch /1 f
(4-21)
где /д (или /пр), t и ta — температура конца датчика, среды, в кото-
122
рую он помещен, и основания (места заделки)
датчика соответственно;
/ — длина погруженной части датчика;
и и f—периметр и площадь поперечного сечения соответ-
ственно;
л — коэффициент теплопроводности материала дат-
чика;
« — коэффициент теплопередачи от среды к датчику.
Рис. 4.19. Установка термо-
метра в трубопроводе
Формула (4.21) позволяет проанализировать влияние входя-
щих в нее величин на ошибку измерения. Ошибка измерения тем
выше, чем больше отличается температура места заделки датчика
от температуры среды. Поэтому в месте установки датчика целесо-
образно утеплять трубопровод, если это позволяет жаропрочность
стенок.
Увеличение длины части датчика, погружаемой в измеряемую
среду, уменьшает ошибку измерения. В конструкциях вводов дат-
чика в трубопровод и самих датчиков предусматривают возмож-
ность максимального увеличения длины погруженной части
(рис. 4. 19).
Увеличение коэффициента теплопередачи также приводит
к уменьшению ошибки измерения. Пути его увеличения видны из
рассмотрения связи коэффициента теплоотдачи с размерами дат-
чика и параметрами измеряемой среды.
В случае омывания поперечных трубок воздухом справедлива
следующая зависимость между критериями теплового подобия;
Nu — с Re™, (4.22)
где с и m — коэффипиенты, имеющие следующие значения:
с = 0,52, ш = 0,47 при Re= 1 10' —1 • 103; с = 0,18, т=0,62 при
123
Re= l • 103-=-2-105. Подставим в формулу (4.22) физические пара-
метры, входящие б критерий подобия:
откуда
а=едрЦи_’ (4.23)
\ V I d'~m ’ ч
где X — коэффициент теплопроводности измеряемой среды;
v — коэффициент кинематической вязкости среды;
d — диаметр датчика;
и — скорость потока.
Достигнуть увеличения а практически можно двумя путями.
Во-первых, увеличением скорости потока в месте измерения.
Так, например, можно выполнить датчик с отсосом (рис, 4.20)
Рис. 4.20. Конструкция датчика термометра с двумя термопарами и отсосом газа
и, отводя незначительное количество газа из измеряемой среды, су-
щественно увеличить скорость обдува датчика. Показания наибо-
лее стабильные, если газ в месте измерения имеет скорость звука.
Во-вторых, уменьшением диаметра датчика. В предельном слу-
чае, когда диаметр будет равен нулю, коэффициент теплопередачи
возрастет до бесконечности и ошибка измерения также станет рав-
ной нулю.
Датчики из материалов с большим коэффициентом теплопро-
водности дают большую ошибку при измерении, чем из материалов
с малым коэффициентом теплопроводности.
Если периметр и площадь поперечного сечения изменять неза-
висимо друг от друга, то влияние каждого из этих параметров
очевидно: увеличение периметра уменьшает, а увеличение пло-
щади поперечного сечения — увеличивает ошибку измерения.
124
Периметр и площадь поперечного сечения сплошного стержня
взаимосвязаны. Отношение периметра к площади поперечного се-
чения, входящее в формулу (4.21),
а nrf 4
/ л „ d
Td2
(4.24)
Рис. 4.21. Сравнение показаний термопар
в условиях камеры сгорания ВРД с раз-
личным конструктивным оформлением ра-
бочих концов
Следовательно, уменьшение диаметра датчика уменьшает
ошибку измерения.
Рассмотренные ошибки измерения возникают не только вслед-
ствие разности температур между стенкой, в которую заделан дат-
чик, и измеряемой средой, но и при измерении поля температур,
имеющего большой градиент, когда различные участки датчика
подвергаются воздействию разных температур. В этом случае на
величину ошибок измерения существенное влияние оказывает кон-
струкция чувствительного элемента датчика (рис. 4,21).
125
При отсутствии больших градиентов температур расчеты
и практика измерения показывают, что ошибка, связанная с тепло-
проводностью, незначительна, если длина погруженной части Дат-
чика свыше 20 его диаметров. При работе с термопарами, у которых
имеется охлаждаемый корпус, ошибка возрастает, если водяная
рубашка расположена близко к рабочему концу термопары.
Ошибки, связанные с излучением тепла поверхностью датчика
термометра. При тепловом равновесии количество тепла, поступаю-
щего через поверхность датчика путем конвективного теплообмена,
равно количеству тепла, излучаемого поверхностью датчика и пере-
даваемого путем теплопроводности в стенку трубопровода.
Если .можно пренебречь количеством тепла, передаваемым пу-
тем теплопроводности, определение ошибки, связанной с наличием
излучения, и анализ влияния на нее различных факторов значи-
тельно облегчаются. Запишем уравнение баланса тепла для этого
случая:
i \ = 17—V — f— , (4.25)
д и [\юоУ \юо/ к
(4.26)
где F — площадь поверхности датчика;
со—коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;
г=-------—-—---------приведенный относительный коэффициент
1 4. Л /JL _ Л лучеиспускания;
епр М Ч) /
snp s0 —относительный коэффициент лучеиспус-
кания (степень черноты) поверхности дат-
чика и стенки трубопровода соответст-
венно;
Fo — поверхность трубопровода, участвующая
в лучистом теплообмене с поверхностью
датчика.
Так как обычно F^F, то отношение F/F0~Q и Ошибка,
связанная с наличием лучистого теплообмена,
/ _t — ЕСо 7£з_у_/тру
д a Lv(W \1°°/
Анализ уравнения (4. 26) показывает, что эта ошибка не зави-
сит от величины поверхности датчика, обратно пропорциональна
коэффициенту теплоотдачи от среды к датчику и в сильной степени
зависит от разности температур поверхности датчика и стенки
трубопровода. Если эта разность равна нулю, ошибки нет. Утепле-
ние стенок трубопровода уменьшает ошибку, связанную с лучистым
теплообменом. Если нецелесообразно утеплять стенки трубопро-
вода, то экранированием теплоприемника (рис. 4. 22) можно повы-
сить температуру «стенки», участвующей в лучистом теплообмене
с датчиком.. Температура экрана должна быть выше температуры
126
стенки. Увеличение количества экранов и расстояния между ними
существенно снижает ошибку и является эффективным средством
повышения точности измерения.
Ошибка, связанная с лучистым теплообменом, в сильной степени
зависит от температуры. Для платипородий-платиновой термопары
в условиях камеры ВРД ошибка измерения, связанная с лучистым
теплообменом, возрастает в 5 раз при повышении температуры газа
от 1000° С до 1700° С при диаметре термоэлектродов 0,5 льи.
Кроме того, ошибка измерения, связанная с наличием лучистого
теплообмена, прямо пропорциональна
коэффициенту лучеиспускания датчи-
ка, который зависит от материала дат-
чика и качества его поверхности. Для
шероховатой поверхности коэффици-
енты лучеиспускания вдвое больше,
чем для гладкой. Экспериментальное
определение степени черноты поверх-
ности концов термопар показало, что
их необходимо относить к шерохова-
той поверхности, так как степень чер-
ноты у них вдвое больше, чем у прово-
локи термоэлектродных материалов.
Для уменьшения ошибки поверхность
датчика необходимо полировать и со-
держать в чистоте.
Точное определение ошибки непо-
средственно по формуле (4.26) за-
труднительно. Числовое значение вхо-
дящих в формулу коэффициентов а
и особенно а очень сильно зависит
от многих обстоятельств, сопутствую-
Рис. 4.22. Экранирование
датчика термометра:
/—рабочий конец термопары:
2—экран
щих измерениям (интенсивность турбулентности, состав газа, тем-
пературные градиенты, распределение скоростей газа, осаждение
копоти), но учесть их почти невозможно. Поэтому всегда следует
пользоваться изложенными выше рекомендациями, направленными
на уменьшение ошибки измерения, а поправку лучше всего опреде-
лять путем сопоставления данных измерений с данными, получен-
ными экстраполяцией или косвенными методами.
При измерении температур в камерах сгорания ВРД поправку
на излучение можно вводить, пользуясь приближенным экстраполя-
ционным методом двух термопар, предложенным Н. И. Марковым
[15]. По этому способу измерение температур в каждой точке осу-
ществляется двумя термопарами из одинаковых термоэлектродных
материалов, но отличающихся друг от друга диаметрами термо-
электродов (см. рис. 4,. 20). Термопары могут быть смонтированы
в одном приборе. Разность между показаниями термопар и истин-
ной температурой:
127
В связи с тем, что второй член в скобках значительно меньше пер-
вого, им пренебрегают, а коэффициенты лучистого теплообмена
для термопар из одинаковых материалов принимают равными.
Уравнения упрощаются и принимают вид:
/ ’7'1 Ч 4
д \100) '
л 1100/
(4-27)
Используя соотношение (4.23), где для простоты показатель
степени принимают равным 0,5, получают зависимость между коэф-
фициентами теплоотдачи а' и а":
или а = а
(4.28)
Деля уравнения (4.27) друг на друга и используя соотношение
(4.28), получают выражение для отношения разностей темпе-
ратур:
Ч V
(4.29)
Уравнение для определения истинной температуры газа полу-
чают из следующих очевидных соотношений:
(4.30)
128
Внесение поправки на излучение по способу двух термопар
позволяет определять температуру в камерах сгорания ВРД
(до 2000° С) с точностью до 2—3%.
В заключение необходимо отметить, что в реальных условиях
при измерении температур в тракте воздушно-реактивных двигате-
лей ошибки измерения, связанные с установкой датчиков термомет-
ров, могут быть значительными. При погружении датчика может
искажаться температурное поле из-за изменения линий тока газа.
Наличие жидкого и газообразного топлива может вызвать заниже-
ние показаний термометра вследствие охлаждения датчика кап-
лями топлива или завышение показаний в случае догорания смеси
за крупным датчиком, а также за его экраном или при катализе
на поверхности (у платиновых термопар), В каждом отдельном
случае необходимо проявлять особое внимание к установке датчика
и объективно оценивать влияние рабочего процесса ВРД на усло-
вия измерения.
Ошибки измерения, связанные с тепловой инерционностью
датчиков термометров
При измерении температуры на переходных режимах двига-
теля, а также при перемещении датчика из зоны с одной темпера-
турой в зону, имеющую другую температуру, приходится учитывать
тепловую инерционность датчиков.
Тепловая инерционность датчиков термометров рассчитывается
на базе общих положений теории тепловой инерции. Для облегче-
ния рассмотрения задачи примем ряд допущений. Предположим,
что:
а) температура отдельных точек датчика Тдр одинакова и из-
меняется лишь с течением времени;
б) температура измеряемой среды Т также одинакова во всех
ее точках и является лишь функцией времени;
в) коэффициент теплопередачи « на поверхности датчика оди-
наков во всех точках и сохраняет постоянное значение с течением
времени и при изменении температуры.
Сделанные допущения редко полностью выполняются в практи-
ческих условиях. Поэтому точное количественное совпадение рас-
четных и экспериментальных данных получается при малых значе-
ниях а, когда тепловые потоки невелики и температура на поверх-
ности датчика успевает выравняться. Для больших значений а
выводы имеют лишь качественный характер.
Напишем уравнение, отражающее изменение теплосодержания
датчика dQ за бесконечно малый промежуток времени, за который
температура его изменяется на dT^;
d.Q=-CdT\, (4,31)
где C=cpxi(i—полная теплоемкость датчика;
5 217 129
ср~удельная теплоемкость материала датчика;
v — объем датчика;
о — плотность материала датчика.
Знак минус показывает на убыль внутренней энергии.
Все тепло, ушедшее на изменение теплосодержания датчика,
прошло через его поверхность F путем конвективного теплообмена:
dQ=aF(7\-T)dr. (4.32)
Сравнивая формулы (4.31) и (4.32), можно записать
^А_[_те7'м-/иГ=0.
dr 1 *
Буквой т здесь обозначен комплекс величин, характеризующих
геометрические размеры датчика и условия теплопередачи на его
поверхности tn — aFjC,
Поскольку то dT/dr^f'(r). Вводя эти обозначения
в дифференциальное уравнение и опуская промежуточные дейст-
вия *, напишем окончательное решение в общем виде
Тл - Т = (7\0 - Го) - е~™ J em'f’ (т) dx (4.33)
т0
(индексом «О» отмечены начальные параметры).
Частное решение будет зависеть от конкретного вида зависимо-
сти температуры окружающей среды от времени.
Формула 4.33 состоит из двух членов. Первый член отражает
влияние начальных условий измерения. С увеличением времени т
этот член стремится к нулю. Второй член отражает влияние закона
изменения температуры среды на разность температур и по исте-
чении достаточного промежутка времени только он показывает
величину отставания,
Рассмотрим некоторые простейшие виды функций Г=/(т).
1. /(rj^const. Это условие соответствует внесению датчика
в измеряемую среду с постоянной температурой или перемещение
его из одной зоны температур в другую. Формула (4.33) упро-
щается и принимает вид:
- т = (Гд0 - Го) (4. 34)
т. е. с течением времени разность между температурой датчика
и среды уменьшается по экспоненциальному закону и может стать
как угодно малой (рис. 4.23). Из уравнения (4.34) можно узнать,
через какое время датчик нагреется до заданной температуры
и разность ДГ—Тд—Т, являющаяся ошибкой измерения, станет рав-
ной или меньше допустимой. Это время называют временем уста-
новления.
* Подробное решение приведено в книге Г. М. Кондратьева [12].
13(1
Рис. 4 23. Изменение темпе-
ратуры датчика термометра
после помещения его в среду
с постоянной температурой
2. /(т) =7"т+Д cos(<ot) — простейший случай периодического из-
менения температуры по косиносуидалыюму закону с амплитудой
А около среднего значения Тт.
Опуская промежуточные выкладки [12], напишем окончательный
результат:
Тл - Т=(7 л0 - Т) + А * [sin (шт - ₽) - sin («т — ₽)].
(4. 35)
Здесь принято:
3=arctg — ; А* = A sin $= .
m у да2 +
По мере увеличения времени первое слагаемое, отражающее влия-
ние начальных температур датчика и
среды, стремится к нулю, так что
в пределе
Тд-7'=Л*81п(шт-Я (4.36)
Таким образом, при колебании тем-
пературы среды разность температур
датчика и среды колеблется по синусо-
идальному закону с амплитудой,
уменьшенной в sin р раз, и сдвинута
по фазе на угол р.
Более наглядное представление об
изменении температуры датчика мож-
но получить, решив уравнение (4. 36)
относительно Гд с учетом равенства
T=Tm+A cos (он):
Тя~Тт-\- В COs(urr— [i), (4.37)
где В = А cos р.
Чем больше частота колебаний температуры или чем меньше т,
тем больше р и тем меньше cos [}, т. е. при большой частоте колеба-
ний температуры и большой инерционности датчика последний
слабо реагирует на колебания температуры.
Рассмотрим несколько подробнее величину т. Часто в анализе
оперируют с обратной величиной е=1/пт, которую называют по-
стоянной тепловой инерции и которая имеет размерность времени.
От ее величины зависит абсолютное значение отставания темпера-
туры датчика от температуры среды. Для анализа влияния на по-
стоянную тепловой инерции различных факторов удобно предста-
вить ее как произведение двух величин
5*
13»
где Ф — коэффициент, показывающий влияние на тепловуто инер-
ционность прибора материала и геометрических форм
датчика;
а — коэффициент теплоотдачи, показывающий влияние па
тепловую инерционность условий измерения.
Один и тот же датчик в зависимости от условий измерения мо-
жет быть инерционным или малоинерционным.
Ошибки измерения температуры в газовом потоке,
движущемся с большой скоростью
При измерении температуры газа, движущегося с большой ско-
ростью, возникают дополнительные источники погрешностей, свя-
занные со скоростью потока и конструкцией датчика. Дело в том,
что температура поверхности твердого тела, помещенного в поток
ю го jo мх
Рис. 4.24, Распределение темпера-
туры на поверхности цилиндрического
тела, помещенного в поток газа.
Поверхность цилиндра принята за
уровень статической температуры
в потоке
газа, не одинакова в различ-
ных точках (рис. 4.24). На
передней стороне тела всегда
имеется точка, в которой поток
разветвляется. Такая точка
называется критической. Ско-
рость в критической точке рав-
на нулю, поток полностью тор-
мозится и температура дости-
гает максимального значения.
Эта температура называется
температурой торможения
В остальных точках поверх-
ности датчика скорость не рав-
на нулю и температура уста-
навливается между Т* и Т
в зависимости от формы тела.
Средняя температура датчика
лежит в пределах Т<ГПТ,<Т*
(между температурой тормо-
жения и термодинамической
температурой потока). Это крайне неудобно, так как обычно ста-
вится задача определения одной из этих температур. С изменением
температуры и скорости потока температура датчика будет изме-
няться; обычно зависимость температуры датчика от параметров
потока выражают в следующей форме:
т-. -г- I W—
Г*’Г+Г^'
(4.39)
132
j’ _у1 у* _т
тле г — —---—- — коэффициент восстановления температуры
(безразмерная величина, значение которой
2ср лежит в пределах 0 -ь-1,0).
Коэффициент восстановления температуры показывает степень
преобразования скоростного напора потока в энтальпию на по-
верхности датчика. Коэффициент восстановления для одного и того
же датчика не является постоянной величиной. Его значение зави-
сит от определяющих критериев (М, Re, Pr, Nu, k и т. д.)_
Для экспериментатора не так важно абсолютное значение г, как
его неизменность, ибо датчик можно препарировать, чтобы впослед-
ствии вносить необходимую поправку.
Как показали исследования [19], у датчиков, не снабженных
никакими дополнительными устройствами, коэффициент восстанов-
ления температуры меняется в широких пределах (рис. 4.25), осо-
Рис. 4. 25. Изменение коэффициента восстановления температуры г от скоро-
сти потока и диаметра рабочего копна термопары
бенно в области чисел М = 0->0,7 и Re<l,2-103. Несмотря на то,
что накоплен экспериментальный материал, еще нет достаточных
данных для теоретического расчета величины г. Поэтому датчики,
предназначенные для измерения температур в высокоскоростном
газовом потоке, снабжают специальными устройствами — «ловуш-
ками», в которых поток тормозится (рис. 4.26),
Скорость газа в «ловушках» существенно меньше, чем в основ-
ном потоке, и измерение температуры происходит в условиях, близ-
ких к статическим. Наибольшее распространение в качестве изме-
рителей температуры газов за турбиной. ТРД получили датчики,
конструкция которых близка к изображенной на рис. 4.26,5. Их
показания достаточно надежны, если отсутствует заметный гради-
ент температур в месте измерения.
Выводы, сделанные относительно ошибок измерения, связанных
с теплопроводностью, лучистым теплообменом, теплоемкостью дат-
чиков, и рекомендации по их уменьшению, сохраняют свою силу
при измерениях в высокоскоростном газовом потоке, Численное
значение этих ошибок уменьшается в связи с тем, что коэффициент
133
теплопередачи имеет большие значения, а «ловушки» играют роль
экранов, уменьшающих лучистый теплообмен.
Если температуры в камерах сгорания измеряются в области,
богатой топливом или продуктами его разложения, то в «ловушках»
Рис. 4.26. Конструкции датчиков термометров для измерения температуры
в высокоскоростном газовом потоке
может идти процесс догорания топлива, приводящий к значктель
ным положительным ошибкам измерения. В этих условиях целесо
образно применять датчики с открытым чувствительным элементом
134
§ 3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Статическое давление может быть определен^ как давление на
поверхности бесконечно тонкой неподвижной пластинки, помещен-
ной в поток идеальной жидкости параллельно его направлению,
или на стенке, вдоль которой движется поток газа. Последним
определением и пользуются при измерении статического давления
газа в каналах.
Полным давлением р* называется давление, которое испытывает
неподвижное тело, помещенное в движущийся поток газа, в той
точке, где скорость набегающего потока затормозится до нуля.
В открытом потоке торможение струек газа, не ограниченных твер-
дыми стенками, происходит практически по адиабате и без потерь
полного давления.
Измерение полного давления
Представим себе, что плоскопараллельный поток идеальной
несжимаемой жидкости набегает на какое-либо тело со скоростью
и давлением, которые на бесконечном удалении от тела равны о»
и Уравнение
бесконечности), и
обтекаемого тела:
Бернулли для сечения, удаленного от тела (на
для сечения, расположенного где-либо около
Р^
г 1 2
2
(4. 40)
р — давление в
рость равна
сечении возле тела, где ско-
тч
q — соответственно величины
напо-
здесь
(То2
----— у,. и —
2 2 ров на бесконечности и возле тела.
Перепишем уравнение (4. 40) в виде
р — p„ = q„ — q. (4.41)
Разделив его на /2, получим
= (4.42)
Если то р = 0, т. е. р — Р<*>-
При У = 0 относительное давление и
р^= р*=<7™. (4.43)
Если 0<р< 1, то давление р будет меньше, чем полное давление
набегающего потока
р^Рж + рд™. (4,44)
Теоретические расчеты, выполненные для идеальной жидкости,
я опытные данные для реального газа показывают, что в централь-
135
ной критической точке тела, на которое набегает поток со скоро-
стью, соответствующей числу М'^1, скорость тормозится до нуля,
т. е. /7=1 и p=pt -
На рис. 4. 27 приведены опытные данные по распределению дав-
ления по поверхности осесимметричного тела с удобнообтекаемым
носком. Критическая точка, в которой скорость потока тормозится
до нуля, имеется и у многих тел другой формы.
Если отверстие, расположенное на полусфере обтекаемого тела
концентрично с ним, соединить
с прибором, измеряющим давле-
ние, и направить на тело поток,
также параллельный его оси
(рис. 4.28, а), то в соответствии:
с изложенным выше прибор по-
кажет давление ра, равное пол-
ному давлению набегающего по-
тока р* . Но если поток будет
набегать под некоторым углом гр
(см. рис. 4.28,6), то критическая
точка К расположится выше от-
верстия, а прибор, соединенный
с отверстием, зафиксирует неко-
торое давление рп меньшее,,
чем р* .
Обозначим
-
Рис. 4.27. Распределение давле-
ния по поверхности осесимметрич-
ного полутела
Прибавив к правой и левой части по единице, получим
Рп Р,~. . , “*11
Заменим через p^-\-q^'.
-------=р -ф1. (4.46)
Сравнивая выражения (4,42) и (4.46), найдем окончательно:
--------=р 4-1 = р. (4.47)
Приемники полного давления в простейшей схеме выполняются
в виде трубки, обращенной отверстием навстречу набегающему
потоку. Подобный насадок (см. рис. 4. 28, е) при отклонении век-
тора скорости на угол до 15° от оси входного отверстия продол-
жает отбирать давление, очень близкое к полному. Чувствитель-
ность насадка к скосу потока зависит как от формы головной части-
136
насадка, так и от относительного диаметра отверстия (рис. 4.29
и 4, 30).
При исследованиях течения в диффузорных или изогнутых коль-
цевых каналах приходится иметь дело с потоками сложной струк-
Рис. 4.28. Влияние угла скоса потока ф на показания насадка полного
давления
туры. Полное давление в таких случаях можно измерить при по-
мощи комбинированного насадка, показанного на рис. 4.31.
В отборной трубке давление остается постоянным и равным
полному давлению при угле скоса потока до 48е.
Рис. 4.29. Влияние угла скоса потока ф
и величины относительного диаметра от-
верстия b/d па показания насадка полного
давления
Измерение полных давлений в дозвуковом потоке не представ-
ляет каких-либо трудностей. Для этого можно применять насадки
несколько другой формы. Методика измерения полного давления
137
Рис. 4.30. Влияние формы носка на-
садка на чувствительность к углам
скоса потока <р
Рис. 4.31. Влияние угла скоса по-
тока <р на показания комбинирован-
ного насадка полного давления
138
в сверхзвуковом потоке будет изложена ниже, в § 4 настоящей
главы.
Измерение статического давления
Рис. 4.32. Дренажирова-
ние стенки канала для
замера статического дав
ления
В соответствии с определением, приведенным в начале пара-
графа, статическое давление измеряют либо на стенке канала, либо
в определенной точке на поверхности насадка, внесенного в поток.
В полуэмпирических теориях пограничного слоя принимается, что
градиент давления в направлении, перпендикулярном стенке ка-
нала, равен нулю, и, следовательно, давление на стенке такое же,
как и в потоке в направлении, нормальном к стенке.
Таким образом, статическое давление в закрытом потоке можно
определить, измерив давление на стенке
канала. К расположению и форме отвер-
стия, через которое отбирается статиче-
ское давление, предъявляются следую-
щие требования. Ось отверстия должна
быть перпендикулярной стенке, а диа-
метр отверстия не должен превышать
1,0 мм (рис. 4.32). Стенка перед отвер-
стием должна быть совершенно гладкой,
без выступов, впадин, рисок, а кромки
отверстия — без заусенцев или фасок.
Кроме того, поток газов в зоне измере-
ния статического давления должен про-
текать параллельно стенке.
Распределение давления по поверх-
ности осесимметричного тела (см. рис.
4.27) показывает, что на расстоянии бо-
лее 3rf от носка тела давление на его
поверхности практически равно стати-
ческому. Для измерения статического
давления как в дозвуковом, так и в сверх-
звуковом потоках используются игольчатые насадки (рис. 4.33).
Однако они обладают малой жесткостью, легко попадают в вибра-
ционный режим, что .может исказить их показания и привести
к быстрой поломке. Такие насадки пригодны для измерения давле-
ния в относительно холодных потоках.
Для измерения статического давления в открытом факеле пла-
мени в ядре свободной струи авторы применяли насадок с охлаж-
даемой державкой (рис. 4.34) и диском из нержавеющей жаро-
прочной стали, что позволяло проводить измерения при темпера-
туре пламени до 2000° К. Верхняя рабочая поверхность диска
притиралась на плите.
Дисковый насадок чувствителен к углу установки рабочей по-
верхности относительно направления набегающего потока. Зависи-
мость давления, отбираемого насадком, от угла его установки
139
показана на рис. 4. 35. Насадок дает правильные показания лишь
в диапазоне углов Од-±5°, При незначительном отклонении углов
Рис. 4.33. Игольчатые насадки для измерения статического
давления в дозвуковом и сверхзвуковом потоках:
а—Г-об разный, б—S-образный
от указанного интервала насадок дает очень заниженные или за
вышенныс показания.
Рис. 4. 34, Насадок для измерения статического давления в потоке
Измерение динамического напора
При исследовании потоков в различных элементах газо-воздуш-
ного тракта ВРД часто возникает необходимость в измерении дина-
мического напора, т. е. разности между полным и статическим
давлениями Дрдип = рф—р. Динамический напор обычно измеряют
140
Рис. 4.35. Показания дискового насадка в зависимости
от угла его установления
141
по перепаду давлений на дифференциальном манометре (рис. 4.36),
В зависимости от задачи исследования экспериментатора могут
интересовать как местные значения динамического напора, так и
его осредненное значение по всему сечению канала. Для измерения
местных значений динамического напора в дозвуковых потоках
применяются насадки, представляющие собой комбинацию отбор-
Рис. 4.36. Соединение комбинированного насадка
с пьезометрами
ников полного и статического давления. Размеры такого комбини-
рованного насадка нормализованы и даются в функции от его диа-
метра (рис. 4.37). Кривые в нижней части графика характеризуют
распределение давления по поверхности цилиндрического участка
насадка. Левая часть кривой не учитывает влияния державки, пра-
вая характеризует распределение давлений с учетом этого влияния.
Конструкция манометров, вакуумметров, дифманометров
При испытании ВРД и их элементов приходится измерять дав-
ления от нуля до 10е н/м2 в газо-воздушных трактах и до 8- 106 н/мг
в топливных системах. Выбор того или иного прибора для измере-
ния давлений зависит от принятой методики исследования, требуе-
мой точности и диапазона измеряемой величины.
Приборы, предназначенные для измерения избыточного абсо-
лютного давления, называются манометрами или пьезометрами,
для измерений абсолютных давлений меньше атмосферного -
вакуумметрами, измеряющие барометрическое давление — баромет-
рами. Манометры, предназначенные для измерения перепадов
(разности) давлений, называются дифференциальными (дифмано-
метрами) .
Наибольшее применение при испытаниях ВРД находят разнооб-
разные жидкостные, пружинные и грузопоршневые манометры.
142
Рис. 4. 37. Нормальная пневмометрическая трубка с полусфе-
рической головкой
143
Жидкостные манометры
Жидкостные манометры, представляющие собой (7-образную
стеклянную трубку, заполненную жидкостью, применяются для
измерения относительно низких давлений (4—5)> 105 н/м2 и неболь-
ших перепадов давлений. В дифференциальном пьезометре раз-
ность давлений уравновешивается сталбом жидкости, в простом
пьезометре измеряемое давление уравновешивается столбом жидко-
сти и атмосферным давлением. Схема соединения жидкостных
манометров и дифференциального манометра показана на
Рис. 4.38. Схема соедине-
ний жидкостного дифферен-
циального манометра
рис. 4.38. При измерении расхода
газа с помощью диафрагмы необхо-
димо измерять давление р, перед диа-
фрагмой и перепад давлений на ней
(Pi—Рг).
Абсолютное давление перед дна -.
фрзгмой pi при установившемся ре-
жиме течения газа будет уравновеши-
ваться столбом жидкости и атмо-
сферным давлением BQ. При отсчете
по жидкостному манометру сразу
определить общую высоту столба,
учитывая возможность колебания
уровней жидкости, затруднительно,
поэтому обычно отсчитывают и запи-
сывают в протокол перепады hi и Л?
от нуля шкалы пьезометра. Очевидно,
При проведении опыта не-
посредственно измеряется избыточное
давление (над атмосферным) р1ПЗб =
= 11^, где у — удельный вес жидкости.
Избыточное давление пропорцио-
нально высоте столпа
трубки манометра.
жидкостн Н и не зависит от диаметра
Абсолютное давление pi = pi„;«, + B0-HiYi + Bo, где Во — атмо-
сферное давление, выраженное в тех же единицах, что и избыточное
давление. В международной системе единиц (СИ), вводимой
в СССР с 1/1 — 63 г., единицей силы является ньютон («), а едини-
цей Давления - н/м2.
1 ати = 1 кГ/см2 = 735 мм рт. ст. = \0000 мм вод. ст.= 10000 кГ/м2 —
=9,8- L04 н/.«2.
При измерении атмосферного давления часто пользуются милли-
барами; 1 xi6 = 0,75 мм рт. ст.
При использовании дифференциального жидкостного мано-
144
метра (см. рис. 4. 38) отсчитанный столб жидкости Яа непосред-
ственно характеризует измеряемый перепад давлений
р, — /7з=/У,у2=_(й3+й4) у.., (4.48)
где уз — удельный вес жидкости в дифманометре.
Высокая точность жидкостных манометров в сочетании с просто-
той их конструкции и удобством в обращении определяет широкое
их распространение при испытаниях ВРД.
Если порядок величины измеряемого давления известен, то
достаточная точность при измерении может быть обеспечена выбо-
ром соответствующей жидкости для заполнения манометра. При-
меняемые в манометрах жидкости и их удельные веса приведены
в табл. 4. 3.
Таблица 4.3
Название жид- кости Химическая формула Температура сС Плот- ность при 20° с г!смЛ Примечание
плавле- ния кипе- ния
Ртуть Hg —38,9 356,9 13,546 Ядовита, сильно действует на алю- миний, медь, оловян- ный припой
Бромоформ СНВгз 8 149,5 2,89 Ядовит
Четыреххлори- стый углерод СС14 —22,6 76,8 1,595 Ядовит, разрушает резиновые трубки
Нитробензол C6HrNO2 25,6 210,9 1,205 Ядовит и горюч
Вода дистилли- рованная Н2О 0 100 1,0 при /=4°С
Спирт МСТИЛО’ вый CHSOH —97,8 64,7 0,792 Ядовит и горюч
с?фир этиловым (С2Н5)2О -116,3 34,6 0,710 Горюч
Тетрабромэтап С2Н2Вг4 189,5 3,42 Ядовит, сильно действует на металлы
При точных измерениях следует учитывать капиллярные свойства
. жидкости и во избежание погрешностей нс употреблять для мано-
метров некалиброванные стеклянные трубки с малым внутренним
диаметром.
Типы жидкостных манометров. Для измерения с высокой точ-
ностью давлений в 5 • 105-ь10 10д нДм2 (5—10 атмосфер) приме-
няют манометр Менделеева (батарейный манометр), представляю-
145
щий собой два, три или несколько [7-образных манометров, соеди-
ненных последовательно (рис. 4,39).
В качестве тяжелой жидкости в батарейных пьезометрах приме-
няется ртуть, Соединительные трубки и все полости в стеклянных
трубках над уровнями ртути (за исключением крайних трубок) за-
полняются прозрачной несжимаемой жидкостью, обычно водой.
Для ее заливки в соединительных трубках ставятся тройники
Рис. 4.39. Схема манометра Менделеева
(батарейного манометра);
Т—тройник; К— кран илп пробка
с краниками.
Измеряемое давление р, как следует из приведенной схемы,
уравновешивается столбами
ртути hi +Л2+ ... +kn и ат-
мосферным давлением Во, но
за вычетом весов столбов
воды h2 + hs+...+hn. Сле-
довательно
Pw*s=(^i И- h2 + h3 -f-
-ф • +Лв)¥рт — (А2+/гв+
^--.+'04™ (4Л9)
и абсолютное давление
рабе ~ Ризб 4” Не-
широкое применение в
исследовательской практике
находят батарейные мано-
метры, в которых пьезомет-
рические трубки соединены
не последовательно, а па-
раллельно (рис. 4.40). Эти
манометры особенно удобны в тех случаях, когда приходится из-
мерять большое количество давлений, мало отличающихся от
атмосферного или какого-либо другого постоянного давления.
Обычно две крайних трубки сообщаются с атмосферой.
Бачок соединяется с гребенкой батарейного пьезометра гибкой
трубкой, благодаря чему, устанавливая бачок на нужный уровень,
можно измерять одним и тем же батарейным пьезометром как
избыточные давления, так и разрежения. Если приходится одно-
временно измерять и то и другое, бачок устанавливается в среднее
положение.
Для измерения очень малых избыточных давлений, а также
малых перепадов, например динамических напоров при измерении
малых скоростей с помощью пневмометрического насадка, приме-
няются микроманометры. Обычно микроманометр (рис. 4.41) вы-
полняется в виде заполненного спиртом сосуда большого попереч-
ного сечения, соединенного с трубкой, наклон которой можно изме-
нять. Если с помощью микроманометра измеряется динамический
напор рдин, то бачок соединяется с отверстием насадка, отбираю-
146
щнм полное давление, а трубка — с отверстием статического дав-
ления.
* г Л , d2\ .
Ркт~Р -р=Ьуж Ит — sin а,
\ /
(4. 50)
где d — внутренний диаметр трубки;
D — внутренний диаметр бачка;
L — столб рабочей жидкости в наклонной трубке.
У микроманометров промышленного изготовления наклонная
трубка фиксируется в поло-
жениях, отмеченных различ-
ными значениями k =0,1;
0,2; 0,3 и т. д. Перепад дав-
ления \p~kn, где п — число
делений, отсчитанное по на-
клонной стеклянной трубке
от нулевой отметки до мени-
ска жидкости. Коэффициент
k учитывает диаметр бачка
и трубки, удельный вес жид-
кости и угол наклона
трубки а.
В показания жидкостных
манометров необходимо
вносить поправки. Помимо
Рис. 4.40. Батарейный манометр с па-
раллельным соединением трубок
погрешностей, вызванных ошибками
при отсчетах высоты столба жидкости, жидкостные манометры
могут иметь и другие погрешности, связанные с условиями произ-
водства измерения.
Рис. 4.41. Микроманометр с переменным углом на-
клона измерительной трубки:
/—сосуд; 2—стеклянная трубка; 5—стойка; 4—приспособ-
ление Для установки мениска на ноль; 5—ниппеля
147
Наибольшее влияние, искажающее результаты измерений, ока-
зывают ускорение силы тяжести и температура, так как конкрет-
ные условия опыта могут отличаться от тех нормальных условий,
в которых были определены удельный вес и ускорение силы тяже-
сти (нормальным считается ускорение силы тяжести на уровне
моря дп = 980,665 см/сек2).
Пусть давление, измеренное на данной географической широте,
выражено некоторой высотой столба жидкости. Это давление будет
определяться силой тяжести жидкости. Как известно, сила
Fi^TZigi^/p/iigi, (4.51)
где f — сечение трубки.
Если то же самое давление было измерено на уровне моря, то
для создания такой же силы при другом ускорении силы тяжести
gu понадобилась бы и другая масса /пн. Тогда, считая плотность р
той же, ^1 = Fn=mngb^fQhbgu,
откуда
hH^ (4.52)
s6r
Для Москвы ускорение силы тяжести равно 981,52 см/сек2.
Если отсчет показаний по жидкостному манометру произво-
дился при температуре, отличной от той, при которой был опреде-
лен нормальный удельный вес, то показания отсчета также нужно
корректировать, т, е. привести их к нормальным условиям. С изме-
нением температуры меняется не только объем жидкости, но и
длина шкалы, по которой отсчитываются показания. Деления нано-
сят на шкалу обычно при температуре 20° С, поэтому длину шкалы
следует приводить к этой температуре.
Если при температуре окружающей среды t измерен перепад
давлений lit, то при нормальной температуре t0 высота столба
- [?('- *о)~ «Е- 20)]}, (4.53)
где р — коэффициент объемного расширения жидкости при тем-
пературе около 20эС (для ртути £ = 0,000181, для воды — 0,00207,
для метилового спирта — 0,00125 град~1)-,
а — коэффициент линейного расширения материала шкалы (для
стекла а = 0,000008, для латуни — 0,0000189, для стали — 0,0000105,
для целлулоида 0,000074 град~}).
Пружинные манометры
Все пружинные приборы основаны на принципе деформации
различного рода упругих элементов. К их положительным качест-
вам следует отнести портативность, простое устройство, универ-
сальность, простоту применения, огромный диапазон измерения —
от сотен до 10я н/м2 и другие. При испытаниях ВРД обычно приме-
148
няются манометры с трубчатой пружиной — трубкой Бурдона
(рис. 4. 42).
Когда манометр подсоединен к месту измерения давления,
под действием давления во внутренней полости трубки эллиптиче-
ское или овальное сечение трубки стремится стать круглым, При
этом вся трубка, согнутая в кольцо, будет стремиться распрямиться.
Перемещение свободного
конца трубки передается па
стрелку, которая повернется
на угол, пропорциональный
величине измеряемого дав-
ления.
Устройство образцовых
манометров и вакуумметров
такое же, как рабочего ма-
нометра. Большая точность
образцовых приборов по
сравнению с рабочими до-
стигается выбором высоко-
качественных материалов
для трубчатой пружины, до-
пустимых напряжений в них
и более тщательным изго-
товлением деталей передаю-
щего механизма.
Образцовые манометры
выполняются с именованной
или с градусной шкалой.
Именованные шкалы гра-
дуированы непосредственно
в единицах измерения дав-
ления, на градусных шкалах
на дуге в 300° равномерно
Рис. 4.42. Манометр с трубчатой пру-
жиной:
/—трубка Бурдона; держатель; 3—пробка;
4—корпус; 3—поводок; б—сектор; 7—стрелка;
8—шкала
градус. Максимальное давление, на
указывается на циферблате, напри-
наиссспы штрихи через один
которое рассчитан манометр,
мер, 10 ага —300. Однако градусную шкалу нельзя считать строго
пропорциональной величине измеряемого давления.
Для получения удовлетворительной точности измерений при
пользовании пружинными манометрами следует выполнять ряд
правил. Прибор нужно устанавливать так, чтобы шкала занимала
вертикальное положение и надписи на циферблате были располо-
жены горизонтально. Если приборный пульт подвержен тряске, то
лучше установить манометр на отдельном кронштейне, закреплен-
ном на стенке, либо укрепить на мягкой подвеске. Прибор следует
изолировать от воздействия высоких и низких температур. При
постоянной или плавно меняющейся нагрузке измеряемое давление
должно находиться в пределах от '/з До 2/з шкалы прибора, при
колеблющейся нагрузке — от !/з До '/г шкалы. При измерении пуль-
149
сирующего давления в подводящую магистраль следует устанавли-
вать диафрагмы с отверстием очень малого диаметра (0,1 — 0,2 леи).
При этом следует иметь в виду, что манометр будет реагировать на
изменение среднего давления с некоторым запаздыванием, завися-
щим от диаметра отверстая в диафрагме и вязкости среды, пере-
дающей давление.
Если прибор установлен выше или ниже точки, в которой произ-
водится измерение, то в показание прибора необходимо вносить
поправку на высоту столба жидкости, находящейся в подводящем
трубопроводе.
Для измерения давлений в агрессивных жидкостях и газах
(кислоты, аммиак, кислород) применяются манометры, специально
предназначенные для работы с данной жидкостью или газом..
Контрольные манометры используются для проверки рабочих
манометров на месте их установки и лишь изредка для непосред-
ственного измерения. Современные контрольные манометры имеют
две трубчатые пружины, впаянные в общий держатель, и соответ-
ственно два передаточных механизма и дпе стрелки, указывающих
давление либо по одной, либо но двум шкалам — каждая по своей
шкале. Пока при работе прибора обе стрелки показывают одина-
ковое давление (т. е. расхождения не выходят за пределы допусти-
мой погрешности манометра), можно считать, что манометр испра-
вен. Если стрелки показывают различные давления, то манометр
неисправен, так как мала вероятность того, чтобы при вредном
воздействии на прибор (например, ударе) обе трубки и оба меха-
низма получили одинаковые повреждения и одинаково изменили
свои показания.
Таким образом, контрольный манометр как бы сам себя контро-
лирует во время работы.
Грузопоршневые манометры
В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравно-
вешивается грузом, который накладывается на тарелку поршня
(рис. 4.43). Грузопоршневые манометры применяются в основном
для проверки и тарировки пружинных манометров.
Тарируемый манометр устанавливают в один из штуцеров
и открывают соответствующий кран. Затем на тарелку поршня 2
кладут необходимый груз. Вращением маховика 10 добиваются,
чтобы поршень на г/з был погружен в цилиндр колонки. В этом
положении для уменьшения трения покоя поршень приводят во вра-
щение от руки и отсчитывают давление по шкале манометра. Истин-
ное давление определяют по величине груза и площади поршня.
Па приборе можно тарировать рабочий манометр по образцо-
вому манометру. Манометры ставятся на оба штуцера, кран 7 за-
крывается, а требуемое давление создается винтовым прессом. При
150
пользовании грузами в приборе можно создать давление до
50* 105 w/ж2, при пользовании винтовым прессом — до 500 • 10s н!м2.
— 2
Рис. 4.43. Схема грузопоршневого манометра:
/—колонка; 2—поршень с тарелкой; 3, 4—грузы; £—поршень винтового пресса;
6—штуцера; 7, 8, 9— краны; 10—маховичок; fl—ванна с маслом
Групповые регистрирующие манометры (ГРМ)
Для измерения и регистрации давлений, разрежений или пере-
падов давлений неагрессивного газа на экспериментальных стен-
дах часто применяется манометр ГРМ-2, позволяющий регистри-
ровать одновременно давление в двадцати точках. Класс точности
прибора 0,5.
Схема прибора показана на рис. 4. 14. Давление от точки изме-
рения подводится через штуцер 1 в сильфон 2 на рычаге 5, закреп-
ленный на неподвижной планке 3. Сильфон преобразует давление
или разрежение* в силу, действующую на рычаг 5, которая непре-
рывно уравновешивается силой деформации винтовой измеритель-
* При измерении перепада давлений измеряемые давления подводятся к
штуцерам t и Г.
151
Рис. 4.44. Схема ГРМ-2
ной пружины 10. Рычаг 5 и планка <? соединены упругим шарни-
ром 4. При отсутствии избыточного давления в сильфоне рычаг 5
находится в равновесии и контакты 7 и 8 на его левом плече 6
разомкнуты. Измеряемое давление преобразуется в силу, которая
отклонит рычаг, что вызовет замыкание контактов.
При замыкании верхнего или нижнего контакта в электриче-
скую цепь включаются магниты 20 или 20' соответственно. Пла-
стинка 21, притягиваясь к тому или другому магниту, прижимает
ролик 24 к непрерывно вращающимся дискам 23 или 23', которые
жестко посажены на групповом валу 22.
Групповой вал приводится от электромотора 25 через червяч-
ную передачу 26.
Ролик 24 через червячную передачу 27 вращает валик визуаль-
ного винта 28 и винт 12, из который навернута гайка 11 измери-
тельной пружины 10. При вращении винта гайка перемещается
по нему, изменяя натяжение пружины 10 до тех пор, пока рычаг 5
не придет в состояние равновесия и контакт на его левом плече
не разомкнется, выключив магнит. При этом и ролик 24 под дейст-
вием пружины (на схеме не показана), придет в нейтральное поло-
жение.
Чем больше давление в сильфоне, тем больше должна быть
уравновешивающая сила, и тем большее число оборотов сделает
измерительный винт 12 до равновесия рычага. Число оборотов
винта, пропорциональное давлению в сильфоне, служит мерой дав-
ления. Показания прибора могут наблюдаться визуально по указа-
телю 29, передвигающемуся по шкале 30, а также регистриро-
ваться на бумажной ленте 31, протягиваемой особым механизмам.
В момент записи каретка 33 смещается вправо и рельефные цифры
на колесах 14 и 17 с помощью красящей ленты 32 дают оттиски
на бумажной ленте. Во время печатания переключатель 34 разры-
вает цепь питания электромагнитов и останавливает вращение
валика 12.
В конструкцию прибора включено устройство 9, позволяющее
наносить на бумажную ленту условный номер, который может обо-
значать номер замера, режима и т. п., что необходимо для после-
дующей расшифровки записанных показаний.
В приборе ГРМ-2 имеется двадцать описанных выше измеритель-
ных элементов, смонтированных в общем каркасе двумя группами
по 10 элементов в каждой. Таким образом, прибором ГРМ-2 можно
записывать одновременно давление в двадцати точках или, соот-
ветственно, двадцать перепадов давлений.
Приборы выпускаются для измерения разрежения от —1,0 до
0 кГ/см2, мановакуумметры с диапазоном измерений от —1,0
до +19 лТ/сл12 и манометры с диапазоном от 0 до Н-20 кГ!см2. Для
манометров диапазон измеряемого давления может составлять
от 0 до 0,6, от 0 до 1,0, от 0 до 2 кГ/см2 и т. д.
В приборе ГРМ-2 используется нулевой принцип измерения, бла-
153
годаря чему исключается нелинейность характеристики сильфона.
Высокая точность и простота эксплуатации этих приборов позво-
ляет заменять ими вредные для здоровья ртутные пьезометры.
§ 4. ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЕЛ М, 1 И ВЕКТОРА СКОРОСТИ
Определение чисел М и А,
Поскольку числа М и ?. однозначно определяют друг друга, то
можно говорить об определении одной из этих величин, например
числа М. Величина М в данной точке потока может быть опреде-
лена экспериментально, если в этой точке известны значения пол-
ного и статического давлений. Действительно,
й
k — 1
р*
Р V ' 2
В зависимости от условий и принятой методики опыта полное
и статическое давления р* и р в данной точке дозвукового потока
могут быть измерены либо соответствующими насадками раздельно
(см. § 3, гл. IV), либо одновременно комбинированным насадком.
Одновременное проведение замеров всегда предпочтительнее, по-
этому в прямолинейных закрытых каналах или при определении
числа М летательных аппаратов пользуются комбинированными
насадками.
При проведении опытов в лабораторных условиях число М на-
ходят по измеренным значениям р* и р из газодинамических таблиц
для соответствующих значений показателя адиабаты k.
В сверхзвуковом потоке перед заборным отверстием насадка
полного давления возникает ударная волна (рис. 4.45). Полное
давление центральной струйки при переходе через прямой скачок
уменьшается, и полное давление р*. измеренное насадком, будет
меньше, чем начальное р*. Если известно статическое давление
в потоке до скачка рн, то используя известные соотношения газо-
вой динамики, можно получить следующую зависимость*:
2ft
Mt"1
(4.54)
Л
Л—1
(4. 55)
н
\й-1
— 1
Из этого выражения можно найти начальное число Мн,
садком измерены р[ и plt. Для воздуха (А= 1,4)
р* 166,7 М7„
если на-
(4.56)
* Это выражение называют формулой Релея.
154
Формула (4. 56) учитывает волновые потери, которые имеют место
только при М>1, поэтому для М<1 она применяться не может.
Для измерения чисел М. в сверхзвуковом прямолинейном потоке
применяют комбинированный пневмометрический насадок, изобра-
7 У Парная
Рис. 4.45. Комбинированный насадок в сверхзвуковом потоке
женный на рис. 4.45. Опыты показали, что если отверстия для
отбора статического давления находятся на расстоянии (4-j-6)d
от передней кромки насадка, выполненного в передней части в виде
конуса, то измеряемое им давление равно статическому давлению
набегающего потока.
Определение скоростей в прямом потоке
Скорость в данной точке потока ю = Ма или ьу = ХпкР,
где а,= УкВТ и -г—- ВТ*.
I' “Г I
Таким образом, чтобы найти скорость в данной точке потока, необ-
ходимо измерить в этой точке р, р* и Т (при определении через
число М) либо р, р* и Т* (при определении через число А).
Измерение величины и направления вектора
скорости в плоском потоке со сложной структурой
При изучении течения газа в плоских решетках, форсажных
камерах находят применение цилиндрические насадки с тремя от-
верстиями в приемной части, от которых через корпус выведены
трубки к пьезометрам.
Общий вид такого насадка показан на рис. 4.46, Л. Крайние
отверстия 1 и 3, расположенные симметрично относительно цент-
рального отверстия 2, соединены с дифференциальным маномет-
ром Лри. Одно из крайних отверстий соединяется с пьезометром Др,
155
пьезометр Дрдин соединен с центральным и одним из крайних отвер-
стий. На корпусе насадка неподвижно укреплена стрелка, направ-
ление которой параллельно оси центрального отверстия 2. При
исследовании течения в плоском потоке насадок устанавливают
таким образом, чтобы поток был перпендикулярен оси сто корпуса.
Рис. 4. 46. Схема установки и соединения с пьезометрами насадка для опре-
деления величины и направления вектора скорости в плоской решетке:
/, 2 и 3—приемные отверстия насадив; 4—неподвижный лимб; 5—штуцер для установки
насадка; 6—направляющий аппарат; 7—исследуемый профиль плоской решетки; стрелка
Если вращать помещенный в поток насадок вокруг этой оси, то,
очевидно, можно найти положения, когда на пьезометре Др0 уста-
новится нулевой перепад при положительном перепаде на пьезо-
метре Дрдип *. В этом положении стрелка, укрепленная на корпусе,
будет указывать направление потока, а перепад на пьезометре
ДРдин укажет величину, пропорциональную динамическому напору.
Коэффициент пропорциональности £ между истинным и измеряе-
мым с помощью насадка динамическим напором, а также аэроди-
намическую ось насадка находят нз предварительных опытов (та-
рировки прибора/.
На рис. 4.46,5 показана схема установки для исследования
плоской диффузорной решетки, где обычно используются подобные
насадки.
* Расположение жидкости в пьезометре Дрдии (рис. 4.46, А) соответствует
«положительному» перепаду. На том колене пьезометра, где при «положитель-
ном» перепаде должно быть большее давление во избежание ошибки рекомен-
дуется ставить знак «+».
156
Определение направлений скорости с помощью
визуализации потока
Если условия проведения опыта позволяют одну из плоских
стенок исследуемого канала сделать прозрачной, то подробное
и наглядное представление о структуре потока и направлениях
линий тока в нем могут дать методы, основанные на визуализации
потока.. Поток прозрачного газа можно сделать видимым следую-
щими методами: 1) подвешиванием в нескольких точках потока
шелковинок; 2) введением в нескольких точках потока дыма или
легких порошков (окиси магния MgO, четыреххлористого тигана
TiCU, уксусного альдегида СН3СООН и др.); 3) местным нагревом
потока.
Вводить в поток дым иди порошок необходимо так, чтобы не на-
рушать первоначальную структуру потока. Скорость введения
подкрашивающего вещества должна быть равна скорости потока
в данной точке, а удельный вес должен быть близок удельному
весу основного потока. Дым и порошок видны в потоке невооружен-
ным глазом при скоростях потока, не превышающих 30 м]сек. При
больших скоростях структура потока может фотографироваться
на высокочувствительную пленку при специальном освещении. При
применении местного подогрева визуальное наблюдение или фото-
графирование потока возможно с помощью специальных оптиче-
ских приборов, например теневого прибора (см. §11, гл. IV).
Определение величины и направления вектора скорости
в трехмерном потоке
При изучении течения газа в элементе газо-воздушного тракта
ВРД приходится сталкиваться с условиями пространственного тече-
ния газа. В этих случаях для выяснения структуры потока в каж-
дой точке исследуемого пространства необходимо определить вели-
чину вектора скорости и его направление по отношению к выбран-
ной системе координат.
Наиболее сложную пространственную структуру имеет поток
в основных камерах сгорания ГТД. Если исследование потока в жа-
ровой трубе камеры сгорания производится при ее работе, то наса-
док необходимо делать охлаждаемым. Кроме того, наличие в жаро-
вой трубе топлива во всех стадиях испарения и горения заставляет
применять особые меры против закоксования отверстий насадка
во время измерений.
Для исследований пространственного потока в жаровых трубах
камер ГТД в Л1АИ был разработан охлаждаемый пятидырчатый
цилиндрический насадок с полусферической головкой (рис. 4.47),
являющийся как бы сочетанием цилиндрического и сферического
насадков. Полусфера этих насадков обычно выполняется диамет-
ром 10; 8 и 6 мм.
157
Риг. 4.47. Пятидырчатый цилиндрический насадок с полусферической головкой:
(—приемная часть — аалу сфер а с пятью отверстиями; У—корпус насадка; 3—стрелка, жестко укрепленная на корпусе; 4—диск
с лимбом; -5—трубки от приемных отверстий; 5—трубки подвода и отвода охлаждающей воды
Насадок вводится в жаровую трубу камеры сгорания через спе-
циальные втулки в кожухе камеры (рис. 4.48). На корпусе на-
садка 12 нанесены деления, по которым отсчитывается глубина его
погружения. На корпусе насадка укрепляется неподвижно стрелка
14 так, чтобы ее направление совпадало с направлением оси цент-
Рис. 4.48. Схема соединеиия отверстий насадка с пьезометрами и системой
продувки:
Л 2, 3, 4 и 5—номера отверстий; 6—шланги из вакуумной резины, 7—зажим; Я—редуктор;
9—баллом со сжатым воздухом; /0— груз; //—диск с лимбом; /2—корпус насадка; /3—нтул-
кн; /4— стрелка; /3—клапан; /^—насадок
рального отверстия на цилиндрической части насадка. На корпус
насадка свободно посажен диск 11 с лимбом. К диску подвеши-
вается груз 10, что обеспечивает неподвижность диска при враще-
нии насадка вокруг оси его корпуса.
На рисунке показано соединение отверстий насадка с пьезомет-
рами и с системой продувки. Во время измерений насадок уста-
навливают в данном сечении на некоторую глубину. Затем не из-
меняя глубины погружения, насадок поворачивают вокруг оси его
корпуса до тех лор, пока на пьезометре Дро, соединенном с отвер-
стиями 4 и 5, не установится нулевой перепад давления при поло-
159
жительном перепаде на пьезометре Дрдин.лзм. В этом положении век-
тор скорости будет симметричен отверстиям 4 и 5, т. е. будет рас-
полагаться в плоскости, совпадающей с осями отверстий 1, 2 и 3.
Зафиксировав положение корпуса, отсчитывают по делениям на
корпусе глубину погружения насадка, угол (3 поворота насадка
от начального положения, указываемый стрелко-й, и фиксируют
Рис. 4.49. i|?=f(<p°)
показания всех пьезометров. Затем насадок перемещается в новое
положение, и все измерения повторяются. Если измерения произ-
водятся в работающей камере вблизи форсунки, то насадок необ-
ходимо продувать. Для этого открывают зажим 7 и во все каналы
поступает сжатый воздух. После продувки все резиновые шланги
одновременно пережимают зажимами и насадок готов к работе.
При расшифровке результатов измерений пользуются тариро-
вочными графиками, характер которых приведен на рис, 4. 49 и
4.50. Имея тарировочную кривую ф=/(ф°) по значениям Ар" и Др',
полученным при проведении опыта, для каждого положения на-
садка легко определить угол ф, т. е. угол между вектором скорости
и осью корпуса насадка. При нахождении угла ф по графику (см.
рис. 4, 49) необходимо обращать внимание на знаки величин Др'
и Др". Чтобы определить величину вектора скорости w, необходимо
160
пользоваться графиком £=/(ф°) (см. рис. 4.50) и по уже извест-
ному углу ф найти коэффициент насадка
« *
-^1 4 Рднч.из м 57)
Щ^2 дЛ1ин
2
Здесь Д/?дин —динамический напор потока;
Дрд[1Н.ваи—перепад давлений, измеряемый по пьезометру, сое-
диненному с отверстиями 1 и этот перепад про-
порционален динамическому напору Дрдни, но зави-
сит также от угла скоса потока <р:
• (4.58)
Абсолютная скорость потока в точке измерения i при экспери-
менте определяется по формуле
величину
1 Р* J \ Pi + &РлЮ, J
находим по газодинамическим таблицам для соответствующего
значения k;
где Т* и pi — температура торможения и статическое давление
в точке измерения.
Обработка экспериментальных данных производится в следую-
щей последовательности. Из эксперимента для измерения в дан-
ной точке известны; глубина погружения насадка А, считая от среза
втулки, угол поворота насадка р, перепады на пьезометрах Др'
и Др" с их знаками, всегда положительный перепад Д/?дИн.изм- Кроме
того, нз эксперимента, проведенного на том же режиме работы,
должны быть известны поля полных температур и статическое
давление вдоль жаровой трубы. По тарировочному графику
ф = /(ф°), по величинам Ар' и Ар" находим угол ф, а по углу гр
(из второго тарировочного графика)—коэффициент насадка g.
Затем определяем Дрдпн по (4.58) и подсчитываем величину век-
тора скорости sa. Далее по известным значениям углов ф и р могут
быть найдены все три составляющие вектора скорости (рис. 4.51).
Осевая составляющая w'cos3, тангенциальная составляющая
wx=w' sin ft; радиальная составляющая wr—w cos (180—<р)= —w cos о.
В свою очередь w'~?osin(180 — ^) = wsin<p.
6 217
161
Таким образом,
даа w sin я cos р, wt = wsin о sin fi, да,——да cos tp (если <?>90*) или
да, = да cos <р (если ф < 90s).
Рис. 4-53. Вектор сксросш w и
его проекции.
После того, как найдены составляющие вектора скорости дао,
ч®-, и даг, могут быть построены эпюры скоростей по осям, вдоль
которых производились измерения.
Пяти дырчатый насадок с полусферической головкой может
быть также использован для измерения потока в решетках и диф-
фузорах.
§ 5. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ
ЖИДКОСТИ И ГАЗА
Тахометрические датчики для измерения переменных расходов
При испытаниях ВРД и их агрегатов возникает необходимость
измерить расходы жидкостей — топлива, масла, воды. Если через
сечение трубопровода, выбранное для измерения за время т сек
протекает количество жидкости, масса которой составляет М кг,
то осредненпый секундный расход
(4.59)
Если время измерения стремится к нулю, то в пределе будет полу-
чен мгновенный расход жидкости в момент измерения
бмгя = ” (4.60)
ьср=— кг/сек.
t
162
При строго установившемся режиме течения мгновенный секундный
расход жидкости будет по времени постоянным и численно совпада-
ет со средним секундным расходом. Мгновенное значение расхода
во время опыта может изменяться. Естественно, что в этом случае
мгновенные и осрсдненные значения расхода не будут равны. В не-
которых случаях приходится определять суммарный расход, напри-
мер, количество израсходованного масла за время этапа испыта-
ния ГТД.
Для измерения мгновенных расходов при быстроменяющемся
расходе применяются малопнерциониые приборы. К их числу отно-
сятся тахометрические датчики расходов, которые выполняются
ненагруженными и нагруженными. Нен а груженный датчик
(рис. 4.52) состоит из легкой турбинки, помещенной в цилиндриче-
ский канал, по которому протекает жидкость, источника света,
фотоэлемента и электрического устройства. Последнее преобразует
частоту импульсов, полученных от фотоэлемента, в силу тока или
напряжение, которые регистрируются стрелочным прибором или
осциллографом. Источник света и фотоэлемент помещены в канале,
ось которого смещена по отношению к оси турбинки так, чтобы при
ее вращении лопасти перекрывали луч света. При малых размерах
турбинки число ее оборотов и, следовательно, регистрируемых
фотоэлементом импульсов будет пропорционально, объемному рас-
ходу протекающей жидкости. Расшифровка показаний прибора
производится по заранее полученному тарировочному графику.
В нагруженных тахометрических датчиках турбинка с помощью
механической передачи соединяется с тем или иным устройством,
преобразующим число оборотов турбинки в пропорциональную им
электрическую величину, которая осциллографируется или регист-
рируется показывающим прибором. В качестве примера
на рис. 4„ 53 показан нагруженный датчик — суммирующий расхо-
домер топлива. При прочих равных условиях нагруженный тахо-
метрический датчик будет более инерционным, чем ненагружениый,
но может быть выполнен по более простой электрической схеме.
Измерение расхода жидкости и газа дроссельными приборами
Осредненные расходы жидкостей и газов при установившемся
течении часто измеряют с помощью дроссельных приборов (диа-
фрагм, сопел, трубок Вентури), представляющих собой местное
сужение трубопровода. Увеличение скорости в этом сечении вызы-
вает соответствующее уменьшение статического давления. По пере-
паду статических Давлений до дросселя и в месте сужения можно
определить расход жидкости или газа.
На рис. 4.54 показана схема течения жидкости в дроссельных
приборах и изменение статических давлений вдоль стенок канала.
Поток перед диафрагмой разгоняется и давление на его оси
(штрих-пунктирная линия) начинает падать, но кривизна линий
6*
163
Рис. 4.52. Схема пенагруженного
тахометрического датчика.*
/—турбинка; 2—источник cofna; 3—фотоэле-
мент; 4—усилитель; 5—выводы к осцилло-
графу или счсгчику импульсов; 6—про-
зрачные стенки; 7—канал
Рис. 4.53. Схема нагруженного
тахометрического датчика;
/—корпус датчика; 2—направляющий
at: парят; $•—турбинка; 4—герметичная
перегородка; 5—подшипники; 6—черням*
нам передача; 7—ведущий магнит;
5—ведомый магнит; 5— прерыватель;
М—щетки
164
тока вызывает появление центробежных сил, поэтому статическое
давление на стенке канала перед диафрагмой увеличивается.
При подходе к диафрагме радиальные составляющие скорости
направлены к оси канала; следуя по инерции, поток продолжает
сужаться, а наименьшее сечение F2 получается за отверстием диа-
фрагмы. Наиболее узкому сечению соответствует наименьшее
давление в потоке и на стенке за диафрагмой. Далее поток тормо-
зится, растекаясь снова до стенок канала.
Статическое давление за дроссельным прибором оказывается
меньше, чем начальное, на величину бр. Наибольшая потеря дав-
ления получается на диафрагмах, меньшая — на соплах и наимень-
шая — на трубках Вентури.
Для несжимаемого газа при отсутствии трения для сечений
1'—2' уравнение Бернулли запишется следующим образом;
(4.61)
Для этих же сечений уравнение неразрывности:
F2w2= Лорад2,
(4-62)
где [х = Л,//% —коэффициент сужения струи.
Из уравнений (4.61) и (4.62), обозначив FdF\=mt получаем
(4. 63)
Давления на дроссельном приборе измеряются не в сечениях
/•—2', а в сечениях 1 и 2— до и после диафрагмы. Кроме того, дей-
ствительное течение газа сопровождается потерями, поэтому
в уравнение (4.63) вводят коэффициент $ (вносящий соответствую-
щие поправки):
Подставив в уравнение расхода G~F2fjws значения w2 из выраже-
ния (4.64) и F2 из выражения (4.62), получим
G = /2 Д А - Л)-
У 1 — [л2/д2
(4. 65)
Коэффициенты ц и определить ио отдельности из опыта сложно,
поэтому их определяют совместно и называют коэффициентом рас-
хода
(4.66)
165
166
Рис, 4.54. Схема течения и распределения давлений
в диафрагме (а), сопле (б) и трубке Вентури (в)
Рабочая формула для вычисления расхода несжимаемого газа или
жидкости принимает вид
С=«/70У2р(/?] — р2) кг!сек. (4.67)
При больших перепадах давлений на дроссельном приборе прояв-
ляется сжимаемость газа; для ее учета в рабочую формулу вво-
дят поправку е:
G = zaF0 д. (4. 68)
Подробные исследования диафрагм и сопел позволили их нор-
мализовать. Удобство пользования нормализованными прибора-
рами заключается в том, что их можно эксплуатировать без пред-
варительной тарировки, если они применяются для трубопровода
диаметром не менее 50 мм, удовлетворяют условиям 0,05<т<0,7
для диафрагм и 0,05<щ<0,65 для сопел, выполнены и установлены
в соответствии с определенными требованиями. На трубки Вентури
нормали не введены и они требуют предварительной тарировки.
Дроссельные приборы выполняются из материалов, не корроди-
рующих при контакте с измеряемой жидкостью или газом (латуни,
бронзы, нержавеющей стали, углеродистой стали с соответствую-
щим покрытием), К недостаткам дроссельных приборов следует
отнести их сопротивление, дающее невосстанавливаемые потери
давления.
167
(4. 69)
При проведении опытов иногда необходимо сохранить постоян-
ство расхода, например, расхода воздуха через камеру сгорания
при условии, что давление в самой камере может быть в течение
опыта переменным. В подобном случае сопло, можно использовать
и как измеритель расхода, и как своего рода жиклер. При этом
выбирают такое значение полного давления р] перед соплом, чтобы
при любом давлении в испытуемой камере на дроссельном приборе
сохранялся сверхкритический перепад. Проходное сечение сопла
вычисляют из уравнения расхода
аУвт^
Р 0 ——-------т
«™1ф? 0
где ?(Х)=1, G — заданный расход.
На выходе из сопла при этом условии будет всегда звуковая
скорость, а расход (если р* и Т* в течение опыта будут поддержи-
ваться неизменными) — постоянным.
При тщательном выполнении дроссельного прибора, правильной
его установке и эксплуатации средняя квадратичная погрешность
при измерении расхода не должна превышать ±3%.
Ротаметры
Ротаметры применяются для измерения расхода различных
жидкостей и газон. Ротаметр состоит из вертикальной стеклянной
или металлической конусной трубки / (рис. 4.55) и поплавка-
ротора 2. Чем больше расход измеряемой жидкости, тем выше
в ней поднимается поплавок. Положение поплавка относительно
шкалы, нанесенной на стеклянной трубке, определяет расход
жидкости. Ротаметры работают при постоянном перепаде давления
на поплавке и поэтому часто называются расходомерами постоян-
ного перепада.
На верхнем ободе поплавка нанесены косые прорези, благодаря
которым поплавок в потоке жидкости приобретает вращательное
движение, центрирующее его по середине потока.
Ротаметры менее точны, чем другие дроссельные приборы. По-
грешность показаний ротаметра может достигать 2,5%. Ротаметры
очень удобны в тех случаях, когда во время опыта приходится
следить за мгновенным расходом жидкости, например, за расходом
топлива при выводе установки или двигателя на нужный режим.
Обладая малой инерцией, ротаметр позволяет быстро установить
приблизительно требуемый расход. Точную же величину расхода
определяют включенным последовательно объемным или массовым
расходомером.
Измерение расхода жидкости объемным и массовым методами
Объемные расходомеры — штихпроберы (рис. 4.56) приме-
няются главным образом для измерения расходов топлива. Мерный
бак 1 выполняется полностью прозрачным (из стекла или плекси-
168
Рис. 4.5а. Схема рота-
метра:
I—конусная прозрачная труб-
ка; J—поплавок; 3~ предо-
хранительная решетка
Рис. 4. 56. Схема объемного расходомера:
1~мерный бак; 2—ДИСКИ; 3—компенсационный бак; 4—‘переляйная труб-
ка; 5— воздушный кран; 6—кран; "—соединительная трубка; 8—тру-
бопровод
169
гласа) или с вертикальными окнами для наблюдения за уровнем
жидкости. Диски 2 делят мерный бак на несколько полостей (щ, Ds,
уз, с^). Объемы полостей (и2 и о3), используемых при измерении,
с большой точностью определяются при тарировке и обозначаются
прямо на приборе.
Объем Di является резервным, a v4 — страховочным. Над мер-
ным баком располагается компенсационный бак, внутри которого
проходит переливная трубка 4. Объем — от днища бака до среза
переливной трубки — является компенсационным. В крышке штах-
пробера имеется регулировочный кран 5. Трубопровод 8, подводя-
щий топливо от насоса или напорного бака, соединен трубкой 7
с компенсационным баком. Если измерение не производится, то
пробковый кран 6 открыт и топливо проходит прямо к потребителю.
Чтобы привести прибор е рабочее состояние (перед началом опыта),
открывают кран 5 (кран 6 открыт) и стравливают в атмосферу
воздух до тех пор, пока уровень топлива не поднимается примерно
до середины объема гц. Такой же уровень установится и в трубке 7,
как в сообщающихся сосудах. Если уровень топлива поднялся
выше, чем нужно, или прибор вообще нужно освободить от топлива,
кран 5 соединяют с баллоном сжатого воздуха и топливо выдавли-
вается из штихпробера.
При измерении кран 6 перекрывается. Топливо от насоса через
трубку 7 начинает наполнять компенсационный бак 3, вытесняемый
из которого воздух перетекает через трубку 4 в бак 1 и выдавли-
вает находящееся в нем топливо к потребителю. Наблюдатель
следит за расходованием топлива из мерного бака 1 по падению
уровня. Как только топливо опустится ниже уровня риски на кромке
верхнего диска, пускается секундомер, при прохождении уровня
кромки следующего диска секундомер останавливается. В месте
сужения между диском и стенкой происходит стремительное паде-
ние уровня жидкости, что позволяет точнее зафиксировать момент
прохождения уровня мимо риски на кромке диска. Зная время,
за которое израсходовался заранее известный объем, и плотность
топлива, нетрудно рассчитать расход топлива:
G —Kzjce/c, (4.70)
т
где — плотность топлива в кг/дм3;
г — измеренное время в сек.;
— мерный объем в д.и3,
В качестве мерного объема может быть выбран объем v2 или v3,
или Уг + »з. Мерный объем выбирается в зависимости от расхода
топлива: он должен быть таким,чтобы время измерения t было не
менее 15 сек. При меньшем промежутке времени будет возрастать
ошибка измерения.
Измерение расхода топлива с помощью штихпробера часто
автоматизируется. Против дисков ставятся лампы подсвечивания
170
и фотоэлементы, которые фиксируют моменты прохождения уровня
топлива. Усиленные сигналы фотоэлементов могут регистриро-
ваться на ленте шлейфового осциллографа с одновременным нане-
сением отметки времени либо могут подавать команду на затвор
фотоаппарата, фотографирующего постоянно работающий секун-
домер.
При проектировании штихпробера должны быть выполнены два
УСЛОВИЯ 7 j + U2 ^3 “Ь Уд
и и5> О] +02 + ^3. Если после
измерения наблюдатель не
успел или забыл открыть
кран б, то двигатель не оста-
нется без топлива, что га-
рантируется первым усло-
вием. Когда уровень достиг-
нет примерно середины объ-
ема уровень топлива в
верхнем баке дойдет до сре-
за трубки и топливо начнет
поступать через трубку 4 в
мерный бак, что прекратит
понижение уровня в емко-
сти щ.
Второе условие позволя-
ет использовать для измере-
ния емкость и3, не опасаясь
того, что переливание топ-
лива через трубку 4 начнет-
Рис. 4.57. Схема массового расходо-
мера:
/—мерный бак; 2—весы; 5—тарелка для рая<
мещения грузов при тарировке расходомера;
4—компенсационный бак; 6—воздушный крэи;
б—"кран включения расходомера; 7—трубка
перелива; Я—указатель уровня; 9—трубопро-
вод питания
ся до израсходования объ-
ема Оз.
Объемные расходомеры
просты по конструкции, на-
дежны в работе, не требуют
особого ухода и обеспечивают высокую точность измерения — до
0,7%. К недостаткам штихпроберов относятся:
1. Невозможность измерения мгновенных расходов жидкости.
2. Значительное усложнение прибора при осуществлении ди-
станционного измерения.
3, Усложнение прибора при использовании его в магистралях
с высоким и переменным давлением. Из-за сжимаемости воздуш-
ной подушки в компенсационном бачке при изменении давления
топлива будет изменяться и его начальный уровень.
4. При измерении расхода жидкости необходимо измерять ее
температуру, от которой зависит плотность жидкости и размеры
мерных объемов.
Схема измерения расхода жидкости (топлива) массовым мето-
дом представлена на рис. 4. 57. При открытом кране 6 воздух из
171
мерного бака 1 вытесняется топливом в компенсационный бак 4.
При измерении расхода кран 6 закрывают. Топливо поступает
в бак 4, а вытесняемый воздух выдавливает топливо из бака 1.
Время т расходования мерной массы (от одной выбранной от-
метки на весах до другой) фиксируется по секундомеру. Секунд-
ный массовый расход определяется по формуле G—gyjx.
Мерный бак 1 подвешен свободно к весам 2, но жестко связан
трубопроводами с магистралью питания и баком 4. Влияние жест-
кости труб на показания весов учитывается предварительной тари-
ровкой. Воздух не должен попадать в магистраль питания двига-
теля. Для этого воздушная подушка перед измерением должна
быть меньше объема мерного бака /, что устанавливается краном 5
по указателю уровня жидкости 8.
Для получения высокой точности время измерения должно быть
не меньше 15 сек..
При пользовании массовым методом не возникает ошибок, свя-
занных с изменением температуры жидкости; масса может быть
определена с более высокой точностью, чем объем. Поэтому массо-
вый метод определения расхода жидкости является наиболее
точным.
§ G ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ И РАСХОДОВ ГАЗА
ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ВРД
При заводских испытаниях серийных полноразмерных ВРД
скорости газа по тракту двигателя не измеряют. Но при доводоч-
ных испытаниях, а также при проведении исследовательских работ
может оказаться необходимым знать значения скоростей п различ-
ных характерных участках газо-воздушного тракта двигателя. Для
введения насадков потребуется соответствующее препарирование
двигателя, которое должно выполняться квалифицированно, с уче-
том особенностей конструкции данного узла. Любое препарирова-
ние корпусных деталей и оболочек двигателя приводит к их ослаб-
лению и концентрации напряжений в местах сверлений. Поэтому
всякие препарирования двигателя нежелательны и допускаются
только в случае неотложной необходимости и в минимальном
объеме.
Датчики приходится устанавливать в каналах ограниченных
размеров. При испытаниях двигателя всегда имеет место тряска.
По этим причинам к датчикам предъявляют следующие требова-
ния: они должны иметь малые габариты, позволяющие производить
их монтаж и установку в месте измерения, и быть достаточно проч-
ными, чтобы исключить возможность поломки прибора от тряски.
Стандартные комбинированные насадки — трубки Пито—не
отвечают указанным требованиям. Они, как правило, не приемлемы
по габаритам и не‘обладают достаточной прочностью, поэтому
не находят применения при испытаниях ВРД.
172
2
Рис. 4. 58. Схема устройства для изме-
рения расхода воздуха через газотур-
бинный двигатель с осевым компрес-
сором:
/—насадок; 2—каркас, обтянутый сеткой
Измерение расходов газа при испытаниях ГТД
Задача измерения расхода воздуха через газотурбинный двига-
тель любого типа может быть решена путем измерения каким-либо
дроссельным прибором притока воздуха в бокс при герметизации
помещения бокса и выхлопа двигателя. Но полная герметизация
помещения, учитывая необходимость вывода ряда коммуникаций
и систем управления двигателей, сложна и дорога. По этой
причине расход воздуха чаще измеряют на самом дви-
гателе.
На двигателе с осевым компрессором расход воздуха обычно
измеряется с помощью входного насадка 1 (рис. 4.58), который
изготовляется из листового
алюминиевого сплава или
отливается. Для получения
равномерного профиля ско-
ростей на входе й цилиндри-
ческую часть насадка его -
входной участок плавно за-
кругляется (по лемнискате),
внутренняя поверхность про-
тачивается и полируется.
Во избежание попадания в
двигатель посторонних пред-
метов входная часть с на-
садком заключаются в боч-
кообразный каркас 2, обтя-
нутый сеткой.
Уравнение расхода через
сечение 0—0, выраженное через параметры торможения, имеет вид
6 }
УВ7'О*
Для воздуха ткР = 0,684. Функция ?(Х0) для сечения 0—0 может
быть найдена по газодинамическим таблицам, если известно стати-
ческое давление р0 и полное давление в этом сечении. Темпера-
тура равна температуре окружающего воздуха перед входом
в двигатель; TJJ=fo+273. При отсутствии потерь (на трение
о стенки насадка и при прохождении воздуха через сетку) полное
давление р^ в мерном сечении насадка было бы равно атмосфер-
ному давлению Во, В реальном случае будет иметь место некото-
рое падение полного давления, которое следует учесть коэффициен-
том насадка о, определяемым при его предварительной тарировке.
Если конструкция двигателя не позволяет установить на входе
мерный насадок * или насадок не может быть установлен по какой-
* На двигателе с центробежным компрессором или на турбовинтовом дви-
гателе.
173
либо другой причине*, то расход воздуха через двигатель может
быть определен по расходу газа в сопле G3—GT—GT, где С?т — рас-
ход топлива.
Как и в предыдущем случае, расход газа может быть определен
из уравнения расхода (4.71), в котором ткр берется для соответ-
ствующего значения k. Наиболее точно измерить расход газа можно
в сечении, расположенном непосредственно за соплом, где поле
скоростей наиболее равномерно,
Насадок для измерения полного давления, устанавливаемый
на выходе из сопла, должен быть изготовлен из жаростойкого мате-
риала либо иметь водяное охлаждение. В последнем случае вода,
охлаждающая насадок, может сбрасываться в струю газа, Удобны
насадки в виде гребенки или крестовины.
Приемные отверстия располагаются на серединах равновеликих
площадок, на которые мысленно разбито выходное сечение сопла.
Возможная схема охлаждаемого насадка —требенка для измере-
ния полных давлений в шести кольцевых площадках — показана
на рис. 4.59. Количество площадок выбирается в зависимости
* Например, при изучении влияния неравномерности поля скоростей на
входе на работу двигателя.
174
вт размера сопла. При нерасчетном режиме работы с недорасшире-
нием газа необходимо измерять не только полное давление р*
на срезе сопла, но и статическое давление ре для нахождения
Рис. 4. 60. Схема крестообразной гребенки для измерения полных и статических
давлении на выходе из сопла:
/— приемники полных давлений; 3—приемники статических давлений; 3—штуцера для под-
вода воды; 4—штуцера статических давлений; 5—«штуцера полных давлений; 6—трубка
отбора статического давления; 7—сброс воды из отборников статического давления
(/(Ас). Гребенки для измерения полного и статического давления
могут быть выполнены либо отдельно, либо в виде одного насадка.
На рис. 4.60 представлена схема комбинированного охлаждае-
мого крестообразного насадка. По вертикальной оси расположены
приемники для измерения статического, по горизонтальной — для
измерения полного давления.
Для измерения температур обычно применяются хромель-алю-
иелевые термопары, выполненные по схеме проточной термопары
(см. § 2, гл. IV). Температура потока по сечению сопла в общем
175
случае будет неравномерной. Поэтому для нахождения средней
температуры необходимо сделать измерения в нескольких точках
сечения.
Измерение расхода газа при испытаниях ПВРД
При испытаниях, проводимых по схеме присоединенного трубо-
провода, расход воздуха, проходящего через тракт прямоточного
двигателя, проще всего измерить в подводящем трубопроводе.
Как правило, в нем имеются прямолинейные участки, пригодные
для размещения дроссельных приборов. Однако применение этих
приборов связано с некоторой потерей полного давления, что
в данном случае нежелательно. Более правилен метод, основанный
на измерении в выбранном сечении трубопровода осредненных зна-
чений р*, р и Т*.
Рис. 4.61. Схема установки приемников и датчиков для изме-
рения расхода газа в прямолинейном участке газопровода:
1—трубопровод: 2—гребенка отборников полных давлений: J—термопара;
-f—коллектор для отбора статического давления; испытуемый дви-
гатель
Для измерения расхода воздуха следует выбирать сечение, пе-
ред которым имеется прямолинейный участок длиной не менее
15 диаметров трубопровода, а за ним — длиной не менее 10 диа-
метров трубы.
В мерном сечении (рис. 4.61) трубопровода 1 устанавливается
насадок полного давления 2 с несколькими приемными отверстиями,
расположенными на серединах кольцевых равновеликих площадок,
термопара 3 и приемник статического давления 4, отбирающий
давление в нескольких точках по окружности и осредняющий его
в кольцевой полости. Расход газа рассчитывается по уравнению
* » * . I *
-71Ч -п Р2 + Рг
(4.71), в котором р* = ----——-------— среднее значение полного
Z
давления.
Такой способ измерения расхода нс вносит сколько-нибудь за-
метных потерь полного давления потока и не искажает поле г.яро-
стей на входе в двигатель.
176
При испытании ПВРД с обдувом расход может быть измерен
только в проточной части двигателя, что вызывает большие труд-
ности. Ввиду разнообразия конструкций самих объектов и целей
исследования, ниже приводятся наиболее вероятные пути решения
задачи.
Расход газа может быть измерен в сечениях за соплом или
в конце камеры сгорания. Абсолютные значения температур
за камерой ПВРД — порядка 2500е К. Температура газов может
быть определена при помощи газового анализа. Но отбор газовых
проб в большом количестве точек удлиняет время опыта и делает
Рис, 4. 62. Схема трехскачкоэого диффузора СПВРД:
/—игла диффузора; 2—обечайка; 3—косые скачки; /—конический прямой (условно)
скачок; 5—завершающий прямой (условно) скачок; 6—отборники полного давле-
ния; 7—’отборники статического давления
определение расхода газа весьма громоздким. Применение такой
методики может быть оправдано', если среднюю температуру газов
необходимо знать для определения других параметров, например
коэффициента выделения тепла. Расход воздуха может быть опре-
делен также в каком-либо сечении диффузора ПВРД.
На рис. 4.62 в качестве примера показана схема трехскачкового
сверхзвукового осесимметричного диффузора с системой скачков
при расчетном значении числа М на входе, Естественно, что для
определения расхода воздуха может быть выбрано только то сече-
ние, где поток ограничен стенками и может быть определено про-
ходное сечение канала. На некотором расстоянии от входа кольце-
вой канал диффузора имеет, как правило, минимальное сечение —
горло (Fv). В этом сечении может быть измерен расход воздуха.
В общем случае в зависимости от числа Мо на входе в диффузор
и проходного сечения сопла (или подогрева в камере сгорания)
177
в сечении горла может быть дозвуковая, звуковая и сверхзвуковая
скорость, что несколько осложняет задачу.
В сечении горла устанавливаются отборники полного и стати-
ческого давления. Температура торможения потока, равная темпе-
ратуре набегающей струи То, по длине диффузора не изменяется
и может быть измерена в любом удобном для этого сечении.
Для получения осреднепного значения полного давления может
потребоваться установить не одиночные отборники, как показано
на рис. 4.62, а гребенки с несколькими отборниками.. Может быть
увеличено и количество отборников по окружности. После измере-
ний расход подсчитывается по уравнению (4.71).
§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛА ОБОРОТОВ
В практике испытания ВРД и их агрегатов нашли применение
электрические, стробоскопические тахометры и суммарные счет-
чики оборотов.
Электрические тахометры бывают двух типов: с индукционным
преобразователем (используется зависимость напряжения тока
от скорости вращения генератора) и с частотным преобразователем
(используется частота генерируемого тока).
Тахометры второй группы значительно точнее, так как частота
тока нс зависит от сопротивления проводов, что в тахометрах пер-
вой группы вызывает дополнительные погрешности.
Стробоскопические тахометры используют способность челове-
ческого глаза удерживать в течение некоторого времени изобра-
жение предмета, исчезнувшего из поля зрения. В стробоскопиче-
ских тахометрах со световой вспышкой вращающаяся деталь пе'
риодически освещается безынерционным источником света — газо-
светной лампой. Частота вспышек известна и ее можно плавно
изменять. Если частота вспышек равна числу оборотов детали или
меньше его в целое число раз, то деталь кажется неподвижной.
В этот момент по числу вспышек лампы можно судить о числе обо-
ротов детали.
Суммарные счетчики регистрируют общее число оборотов,
за время включения счетчика. Они могут быть механическими
или электрическими. В последних подсчитываются импульсы тока,,
вызванные контактным устройством, фотоэлементом или другим
преобразователем, связанным с вращающимся валом объекта
измерения. Электрические счетчики удобнее, так как обладают
достаточной дпстанционностью и большой скоростью счета.
Электрический магнитоиндукционный тахометр ИТЭ-1
Электрический магнитоиндукционный тахометр состоит из двух
частей: датчика ДТЭ-2, установленного на двигатель и жестко
с ним связанного, и указателя ИТЭ-1, вынесенного на пульт наблю-
дения (рис. 4. 63).
178
При вращении ротора датчика 8 в обмотке статора 7 вырабаты-
вается трехфазный ток, частота которого пропорциональна числу
оборотов двигателя. Электродвигатель указателя вращает магнит-
ный узел 11, состоящий из двух плат с запрессованными в них
цилиндрическими постоянными магнитами. В воздушном зазоре
магнитного узла находится диск 5, в котором при вращении узла
возникают вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с маг-
нитным полем создает вращающий момент, пропорциональный
Рис. 4.63. Принципиальная схема магнитоиндукциоиного тахо-
метра:
/—шкала; 2—стрелка; .1—алюминиевый диск; 4—спиральная пружина;
5—диск (чувствительный элемент}; в—обмотка статора синхронного мотора
указателя; 7—обмотка статора датчика тахометра; в—ротор датчика тахо-
метра; S'-диск; 10—ротор синхронного мотора указателя; П—магнитный
узел; 12— магнитный демпфер
числу оборотов двигателя. Этот момент используется для отклоне-
ния стрелки тахометра. Противодействующий момент создается
спиральной пружиной 4.
Для успокоения колебаний стрелки при измерениях имеется
магнитный демпфер /2 с алюминиевым диском 3, укрепленным
на валу стрелки. Точность тахометра ИТЭ-1 при температуре
+ 20°С и при измерении числа оборотов, составляющих 60—100%
от верхнего предела шкалы, составляет ±0,5%.
Датчик ДТЭ-2 применяется также в более точном унифициро-
ванном ферродинамическом стендовом тахометре ТСФУ-1, в кото-
ром частота тока датчика измеряется частотомером. Погрешность
измерения не превышает ±0,2%. Хорошей точностью обладают
стендовые ферродинамические тахометры типов ФТ-49 (погреш-
ность ±0,5%) и ФТ-49/13,5 (погрешность не более 0,35%).
Стробоскопический тахометр СТ-МЭИ
Строботахометры применяются в тех случаях, когда измеряе-
мые обороты очень велики и нет возможности их редуцирования
для подключения электрических тахометров, или если на исследуе-
мом объекте не предусмотрена возможность подключения тахо-
метра.
179
Стробоскопический тахометр СТ-МЭИ (рис. 4.64) имеет пре-
делы измерения от 300 до 30 000 об/лшн, а при проведении допол-
нительных расчетов — до 200 000 об/мин. Основная погрешность
при номинальном напряжении сети и при условии проверки пока-
заний в контрольных точках шкалы по вибратору не превы-
шает 1 %.
Электрическая схема прибора состоит из выпрямителя, системы
зажигания и задающего генератора, собранного по схеме само-
ходного мультивибратора с отрицательной обратной связью. Вилю-
Рис. 4.64. Строботахометр СТ-МЭИ:
1—^импульсная переносная лампа; 2—корпус измерителя; 5—окно
вибратора; 4—переключатель (включение питания», включение
импульсной лампы); 5—шкалы прибора; 6—рукоятка тонкой
регулировки; 7—рукоятка грубой регулировки; S—сигнальная
лампочка включения сети; переключатель диапазонов изме-
рения (шкал); 10—крышка, под которой расположены винты
настройки вибратора на контрольные точки
чение прибора производится поворотом переключателя 4 из поло-
жения «Выкл.» в положение «Сеть». После 2—3-минутного про-
грева можно включать импульсную лампу, повернув тот же выклю-
чатель в положение «Лампа».
Перед началом измерения проводится градуировка шкал. Для
этого освещают окно 3 вибратора, имеющего строго определенное
число колебаний, светом импульсной лампы / и с помощью регу-
лировочных винтов, находящихся под крышкой 10, добиваются
видимой неподвижности его в следующих точках шкал: на первой
шкале на отметке 1000 об/мин— одно неподвижное изображение;
на второй шкале на отметке 3000 об!мин — одно неподвижное изо-
бражение; на третьей шкале на отметке 12000 об/мин — два непо-
движных изображения,
При измерениях вращающуюся деталь освещают импульсной
лампой. Регулируя частоту вспышек лампы рукоятками 6 и 7 и пе-
реключателем 9, добиваются одного видимого неподвижного изо.-
180
бражения детали. По шкале 5 в направлении против часовой
стрелки отсчитывают число оборотов.
В тех случаях, когда пет ориентировочных сведений о скорости
вращения, измерения начинают с самой высокой частоты вспышек
лампы. Если при этом возникает двойное, тройное и т. д. изобра-
жение объекта, то, следовательно, частота вспышек выше скорости
вращения. Плавной регулировкой частоты вспышек добиваются
одного изображения. Начинать измерения с низких частот вспышек
не следует, так как будут возникать ошибки; одно неподвижное
изображение будет видно при вспышках лампы с частотой */2,
и т. д. от числа оборотов детали.
Электрический суммарный счетчик оборотов
В качестве суммарного счетчика оборотов может применяться
любая электрическая или электромеханическая счетная система,
обладающая достаточной скоростью счета и цифровым запасом.
Таким прибором может быть счетчик электрических импульсов
ВСП. На рис. 4.65 показана используемая для подсчета оборотов
часть панели. Прибор ВСП регистрирует положительные электриче-
ские импульсы напряжением от 2 до 100 в, разделенные интерва-
Рис. 4. 65. Панель прибора ВСП:
/—тумблер включения сети питания; 2—сигнальная лампочка; 3—механи-
ческие счетчики; 4—рукоятка установки механических счетчиков иа нуль;
5—тумблер пуска счетчика; 6— переключатель коэффициента пересчета;
7—неоновые лампочки переучетного устройства; <5—кнопки «сброса показа-
ний с псресчетяого устройства; 9—секундомер
181
лом не менее 50 мксек. Он состоит из двух механических счетчи-
ков 3 (правый считает единицы, а левый — сотни импульсов)
и электрического пересчетного устройства, неоновые лампочки кото-
рого 7 вынесены на панель прибора. Пересчетное устройство в за-
висимости от положения переключателя 6 может передавать
на механические счетчики каждый пришедший импульс или каждый
четвертый, восьмой, шестнадцатый, тридцать второй или шестьде-
сят четвертый. Датчиком оборотов может служить прерыватель,
фотоэлемент или генератор переменного тока, связанные механи-
чески с исследуемым объектом. В момент регистрации тумблер 5
ставится в положение «Пуск» и одновременно включается секундо-
мер 9. По окончании измерения тумблер 5 и секундомер 9 выклю-
чаются. Количество оборотов, зарегистрированное счетчикоги
за время т сек, равно показанию механических счетчиков, умно-
женному на коэффициент пересчета, плюс сумма чисел, стоящих
у горящих неоновых лампочек 7. Например, показание механиче-
ских счетчиков — 621, коэффициент пересчета— 16, горят неоновые
лампочки с цифрами 1, 8 и 16. Общее число импульсов
К = 621 • 16+ 1+8 +16 = 9961.
Средние обороты подсчитываются по формуле цср = К/(-г 60).
§ 8 ИЗМЕРЕНИЕ СИЛ
Измерение сил в процессе испытания ВРД необходимо в пер-
вую очередь для определения величины тяги и крутящего момента.
На экспериментальных стендах находят применение маятниковые,
гидравлические динамометры и упругие силоизмерители с электри-
ческими датчиками.
Маятниковые динамометры
Принцип работы маятникового динамометра ясен из рассмот-
рения рис. 4. 66. На рычаге длиною I подвешен груз Q, который
вместе с сектором радиуса г может вращаться вокруг шарнира 0.
К сектору радиуса г приложена измеряемая сила Р. Система при-
дет в равновесие, когда момент от силы Р будет равен моменту
от силы Q относительно точки 0:
п Q'- sin и
Pr = Qlsma. откуда Р—-~-------.
г
Маятниковый динамометр в таком простейшем оформлении не-
удобен из-за неравномерной шкалы. Для выравнивания шкалы
сектор профилируют по закону r=cisina/u, тогда угол отклонения
маятника будет пропорционален приложенному усилию:
Р~^-а. (4.72)
а
182
Применяются и другие способы выравнивания шкалы.
На рис. 4.67 показана весовая головка, в которой использован
рассмотренный выше принцип уравновешивания силы.
Измеряемое усилие Р прикладывается к серьге грузоприемног»
рычага 1, который поворачивается на опоре 1'2 и передает усилие
с помощью стальной ленты 2 на квадрант 3. Конструкция позволяет
Рис. 4.66. .Принцип работы
маятникового динамометра
Рис. 4.67. Схема весовой головки:
7—грузоприемный рычаг: 2—стальная ленте:
квадрант; 4—кронштейн; 5—лента: 6—ба-
рабан: 7—указательная стрелка; грузик.
1Л-млснла; 10—демпфер; //—серьга дополвм
тельного груза; /2—опора грузопрнемиог»
рычага
менять место приложения усилия, т. е. соотношение плеч (a + b)/b,,
благодаря чему рычаг 1 может выполнять роль редуктора.
Квадрант подвешен к кронштейну 4 на двух лентах и может
перекатываться своими опорными секторами по вертикальным на-
правляющим кронштейна, Отклонение квадранта с грузом создает
момент, уравновешивающий момент от приложенного усилия.
Поворот квадранта вызывает перемещение ленты 5, которая пово-
рачивает барабан 6, жестко насаженный на ось указательной
стрелки 7.
Шкала весовой головки (равномерная, условная) содержит
1000 делений. Цена деления зависит от отношения (а + b)/b системы
передач к весовой головке и определяется в процессе тарировки.
Весовая головка снабжена гидравлическим демпфером 10, соеди-
ненным с рычагом 1, и серьгой для дополнительного груза 11. До-
полнительный груз подвешивают для компенсации предваритель-
ного натяга в системе передачи усилия от двигателя к весовой
головке.
183^
На рис. 4.68 показана схема динамометра с оптической систе-
мой передачи показаний. Источник света 7 просвечивает шкалу 6,
а объектив 9, поставленный непосредственно за прозрачной шка-
лой, увеличивает изображение шкалы в 10 раз и через систему
12
Рис. 4. 68. Схема динамометра с оптической
системой передачи показаний:
/—демпфер; 2—силоприемный рычаг; 3—лентг:
уравновешивающий груз; .5—квадрант; 6—стек-
лянная прозрачная шкала; Г—-лампочка; 5—кон-
дснсор; 9—объектив; !0, 11—зеркала, /2—мато
- вый экран
наклонных зеркал 10 и 11 передает изображение на матовый,
экран 12.
Маятниковые динамометры весьма надежны в эксплуатации,
но требуют тщательного устранения всех люфтов в системе передач
усилия и защиты подшипников и шарниров от влаги и пыли.
Гидравлические динамометры (месдозы)
На испытательных станциях находят применение следующие
виды гидравлических динамометров; проточные, непроточные
и компенсационные.
На рис, 4. 69 показана непроточная месдозз. Она состоит из кор-
пуса 5, наполненного жидкостью и закрытого упругой диафраг-
мой 4. На диафрагме покоится поршень 3, к которому приклады-
вается измеряемое усилие.
Приложенное к месдозе усилие создаст в ней давление, измеряе-
мое манометром 6. После соответствующей тарировки величина
Давления служит мерой приложенного усилия.
Диафрагмы для измерения давления до 10 Kf/cxt2 изготавли-
ваются из высокопрочной прорезиненной мембранной ткани толщи-
ной 0,3—0,8 мм или бериллиевой бронзы толщиной 0,05—0,06 мм,
184
которая обладает рядом достоинств: у нее линейная характери-
стика и отсутствует гистерезис. Для измерения более высоких дав-
лений применяется листовая маслобензостойкая резина (2—3 jmjh).
или тонколистовая сталь.
В качестве рабочих жидкостей применяют различные масла,
смесь масла с керосином, технический глицерин, спирта- и водо-
глицериновые смеси. Спирто- и водо-глицериновые смеси не замер-
зают при низких температурах.
Достоинством непроточных месдсз является простота конструк-
ции (отсутствие сложных систем рычажных передач) и широкий
диапазон измерения. Однако им присущ и ряд недостатков. На по-
казание непроточной месдозы оказывает существенное влияние
Рис. 4.69. Схема непроточной месдозы с раз-
делительной диафрагмой:
/—крян: 2—прижимное кольцо: 3—поршень; 4—$йз-
делительная диафрагма: <5—корпус месдозы; 6-мано-
метр; 7—кран
температура окружающей среды.. Объемный коэффициент расши-
рения у жидкости больше, чем у металла. Поэтому в замкнутой
системе месдозы начальное давление изменяется в зависимости
от температуры среды и перед каждым испытанием двигателя необ-
ходима тарировка месдоз.
На точность измерения давления большое влияние оказывает
сжимаемость рабочей ?кидкости, которая составляет примерно
0,5% на 70 кГ/см2: Наименьшую сжимаемость имеют глицерин
и спирто-водные смеси, наибольшую — минеральные масла.
Сжимаемость рабочих жидкостей зависит от содержания воз-
духа, который может быть растворен в жидкости или находится
в ней в свободном виде. Растворимость воздуха при нормальных
атмосферные условиях составляет около 10% и линейно возрастает
с увеличением давления, Свободный воздух приводит к неустойчи-
вой работе месдозы, растворенный — слабо влияет на сжимаемость
жидкости, но при изменении внешних условий может освобождаться
из раствора. Поэтому систему силоизмерителя непроточных месдоз
необходимо часто проливать.
Проточные месдозы лишены указанных недостатков. На рис.
4. 70 показана схема проточной диафрагменной месдозы. Рабочая
185
жидкость непрерывно подается объемным насосом 3 в полость
под диафрагму и выходит из нее через клапан перепуска, шток
которого 8 связан с диафрагмой 9. Объемный насос обеспечивает
приблизительно постоянный объемный расход жидкости вне зави-
симости от давления на выходе, поэтому при изменении нагрузки
сечение в клапане перепуска будет автоматически изменяться пока
давление жидкости под диафрагмой не уравновесит нагрузку.
После предварительной тарировки величина давления служит ме-
рой приложенного усилия (нагрузки). Примером проточной мес-
дозы может служить измеритель крутящего момента ИКМ, кон-
струкция которого была рассмотрена выше (§ 5, гл. II).
Рис. 4.70. Схема проточной диафрагменной месдозы:
/—маслабак; 2—фильтр низкого давления; 3—насос; 4—фильтр
высокого давления; 5—кран перепуска; <5—прижимное кольцо;
7—поршень; S—шток перепуска; 5—разделительнаи диафрагма;
10—корпус месдозы; 21—манометр
В компенсационных месдозах при нейтральном положении мем-
браны жидкость через ыесдозу не расходуется. Они не чувстви-
тельны к колебаниям температуры и утечкам рабочей жидкости.
Конструкция компенсационной месдозы показана на рис. 4.71.
Если измеряемое усилие постоянно, то клапаны 6 и 7 закрывают
сливное и входное отверстия и мссдоза работает как непроточная.
Если измеряемое усилие увеличилось, то поршень 1 через толка-
тель 8 открывает подающий клапан 6, через кольцевой зазор кото-
рого рабочая жидкость из расходного баллона 10 устремится под
диафрагму 4, повышая давление до тех пор, пока не уравновесится
приложенное усилие и поршень не вернется в нейтральное положе-
ние и не прикроет подающий клапан 6. При уменьшении измеряе-
мого усилия открывается сливной клапан Z, благодаря чему давле-
ние под диафрагмой падает и поршень вновь возвращается в нейт-
ральное положение.
Питание месдозы осуществляется из расходного баллона 10,
который перед работой заполняется полностью, а компенсационный
баллон — на объема. В компенсационный баллон подается воз-
дух, давление которого вдвое больше максимального давления
в месдозе.
J86
Компенсационная месдоза наиболее точная из рассмотренных
приборов и в совокупности с поршневым манометром позволяет
проводить измерения с точностью до 0,2%.
Рис. 4. 71. Компенсационная диафрагменная месдоза:
/—поршень; 2—корпус; 3—фланцевое кольцо; /—диафрагма; 5—вставка; 6—подающий
клепан: 7—сливной клапан; 3—толкатель; 9—шариковый эагиор: 10—расходный бал-
лон; 11—компенсационный баллон; 12—маслобак; 13—'приемник давления; Н—весовая
головка
Недостатком маятниковых и гидравлических динамометров
является значительная инерционность, что не позволяет применять
их для исследования переходных и не.установившихся режимов
работы двигателя.
Упругие силоизмерители с электрическими датчиками
Эти измерители представляют собой упругие элементы, дефор-
мация которых вызывает изменение параметров электрического
тока. Наибольшее распространение получили силоизмерители
с тензодатчиками сопротивления (рис. 4.72).
На рис. 4.72, а показано упругое кольцо, на наружной и внут-
ренней сторонах которого наклеены тензодатчики из фольги.
В силоизмернтеле на рис. 4.72,6 в качестве упругого элемента
используется металлический подшипниковый шарик также с накле-
енными тензодатчиками, Тензодатчики соединяются, как правило,
в мост, разбаланс которого регистрируется электроизмерительным
187
прибором. Возможна регистрация как всего усилия, так и его
отклонения от среднего, максимального или другого базового зна-
чения. В последнем случае точность измерения существенно повы-
шается.
Рис. 4. 72. Упругие силоизмерители с электрическими дат-
чиками:
а—упругое кольцо; 5—шарик
Электрические силоизмерители малоинерционны, обеспечи-
вают автоматическую регистрацию и дистанционмость измерения,
могут быть выполнены для любых диапазонов измерения. Однако
их точность во многих случаях ниже, чем у маятниковых и гидрав-
лических динамометров.
§ 9. ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
Наиболее распространен метод определения крутящего момента
по опрокидывающему моменту балансирных устройств. В балан-
сирных устройствах момент, приводящий в равновесие некоторую
качающуюся деталь измерителя, однозначно связан с величиной
определяемого крутящего момента. В практике испытания ВРД
и их узлов находят применение балансирные электродвигатели,
мультипликаторы со свободно подвешенным корпусом, гидротор-
мозы и электрические измерители крутящего момента.
Балансирные электродвигатели
На рис. 4.73 показана схема балансирного электродвигателя
Балансирный момент Л1р, приложенный к статору электродвигателя
равняется крутящему моменту Л11!р на валу с учетом небольшого
момента трения в подшипниках:
M6±/W1P = .MKP = /V. (4.73)
Момент трения направлен против движения. При качании ста-
тора его знак изменяется и поэтому его нельзя учесть. Если же
188
считать Л11(р = Л1б, то ошибка в измерении может быть равна удвоен-
ному моменту трения.
При подвеске балансирного двигателя за ротор (рис. 4.74) усло-
вия измерения улучшаются, так как момент трения всегда сохра-
Рис. 4. 73. Схема балансирного электродвигателя
пнет определенный знак, если угловая скорость качания статора
не превосходит угловой скорости вращения ротора. В этом случае
величина момента трения может быть определена и учтена при
измерениях. Для этого при отключенной от двигателя нагрузке
необходимо определить jM6=Mtp при каждом числе оборотов,
на которых ведется испытание. Значения Л4д для каждого числа
оборотов заносят в таблицу и учитывают в процессе обработки экс-
периментальных данных.
Рис. 4.74, Схема балансирного электродвигателя с подвеской
за ротор
Момент трения может быть уменьшен путем подвески статора
и уменьшения давления на опоры ротора.
189
Мультипликаторы со свободно подвешенным корпусом
Для измерения крутящего момента может быть использован
балансирный момент на корпусе мультипликатора. Однако здесь,
помимо моментов трения в подшипниках подвески, необходимо учи-
тывать механический КПД передач.
Наиболее часто применяются соосные планетарные и неплане-
тарные мультипликаторы. Входные и выходные валы в них могут
вращаться как в одну, так и в разные стороны. Рассмотрим случай,,
когда входной и выходной валы вращаются в противоположных
направлениях (рис. 4.75).
Рис. 4.75. Соосный мультипликатор, приспособлен-
ный для измерения крутящего момента:
/- -мультипликатор; 2—опора; 3—станина; 4—измеритель
усилия
Напишем уравнение для внешних моментов, действующих
на ускоритель. Для этого мысленно разрежем валы и заменим
действие отрезанных частей соответствующими моментами:
= (4.74)
Выразим Л1вк через А4кр, передаточное отношение i и механический
КПД ускорителя: Мвх=Л)кр(Лр Подставив в уравнение (4.74)
выражение Л!вх, получим
Л4кр=—. (4. 7о)
~+ 1
П
Для мультипликаторов, в которых входной и выходной валы
вращаются в одну сторону, связь между балансирным и крутящим
моментом может быть получена на основании аналогичных рассуж-
дений. В этом случае
Мкр = —(4.76)
— -1
п
В формулах (4.75) и (4.76) величина Мкр существенно зависит
от механического КПД передач, который в процессе эксперимента
изменяется в зависимости от передаваемой нагрузки. При измене-
нии нагрузки от нуля до максимальной величина т] изменяется от О
190
до 0,97—0,98 и использование формул (4, 75) и (4. 76) без знания
действительного значения КПД. становится затруднительным. Вели-
чина механического КПД может быть вычислена, если конструкция
мультипликатора позволяет измерять потери в передаче. Одним
из способов определения потерь является измерение количества
тепла, отводимого с маслом, подаваемым на смазку передач и под-
шипников. Для этого необходимо утеплить мультипликатор и изме-
рять секундный расход масла G, температуру масла на входе
н Дна выходе и обороты выходного вала. По этим данным можно
определить величину КПД:
,, 2лп
Afirn----
кр 60
—--------
2ляих
м в,-----
х 60
м 2пп
кр 60
2лл ,
Л?к₽ + °Ср (
(4. 77)
Подставим значение Мнр из формулы (4.75). После соответствую-
щих преобразований
(4. 78)
Для мультипликатора, входной и выходной валы которого вра-
щаются в одну сторону,
,, 2ЛП г
"бо* “ ^ср ~~f 1) ‘
п ----------------------.
При определении КПД неизбежна некоторая ошибка. Ее влия-
ние на точность измерения ЛДР в мультипликаторе с валами, вра-
щающимися' в разные стороны, меньше, чем в мультипликаторе
с валами, вращающимися в одну сторону, что видно из формул
(4- 75) и (4.76). Поэтому измерение крутящего момента при по-
мощи соосных мультипликаторов, входной и выходной валы кото-
рого вращаются в разные стороны, более целесообразно.
Механический КПД редуктора может быть также учтен дина-
мическим тарированием. Для этого мультипликатор нагружают
гидротормозом, измеряя крутящий момент одновременно по муль-
типликатору и гидротормозу, причем показания последнего прини-
мают за истинные.
(4.79)
Гидротормоза
Гидротормоза применяются для поглощения и измерения мощ-
ности при испытании ТВД, турбин и турбостартеров. На рис. 4. 76, а
показана схема гидротормоза.
191
Мощность от испытуемого агрегата через муфту. и вал пере-
дается к диску 2 гидротормоза, который заключен в корпус 1, запол-
ненный проточной водой. При вращении диска вода отбрасы-
вается к периферии, а поверхность диска трется о воду. Подводи-
мая мощность тратится на трение и, в конечном счете, на нагрев
воды. Количество воды в кожухе и расход ее регулируются кранами
на входе и выходе. Корпус гидротормоза увлекается водой в ту же
сторону, в которую вращается диск. Балансирный момент, прило-
женный к корпусу, равен крутящему моменту, приложенному
Рис. 4.76.
п—схема гидротормоза:
/-“корпус; 2—диск; 3—патрубок подвода воды; -/-вал;
з—муфта; патрубок отвода воды:
б—типовая нагрузочная характеристика гидротормоза
к диску. Измерив балансирный момент и число оборотов гидротор-
моза, можно вычислить мощность, развиваемую испытуемым агре-
гатом. Поглощаемая гидротормозом мощность зависит от ряда его
конструктивных параметров и при расчете гидротормоза может
быть определена по формуле
/ О'" \
N = kDm 1-------------л’, (4.80)
Г спеши I гул ) 1 k z
\ ^внешн'
где k — коэффициент, учитывающий конструктивные особен-
ности гидротормоза;
^внешл — внешний диаметр диска;
£>впут — уровень воды внутри корпуса;
п — число оборотов диска.
Показатели степени приблизительно равны: т«4, а«3. Как
видно из формулы (4.80), мощность зависит от числа оборотов
и размера смачиваемой поверхности диска. Если ОИ!гл'/^пнегпн = 0,5,
то мощность, поглощаемая гидротормозом, составляет около 96%
максимальной, когда весь диск омывается водой. Поэтому гидро-
тормоза с соотношением иВнут<0>5Ппнешн обычно нс делают, исполь-
192
зуя внутреннюю полость гидротормоза для размещения необходи-
мых конструктивных элементов.
На рис. 4.76,6 приведена типовая нагрузочная характеристика
гидротормоза. При максимальном заполнении водой мощность воз-
растает с увеличением оборотов по кубической параболе (VI.
Точка А соответствует максимальному крутящему моменту, на ко-
торый рассчитаны вал и муфта. Дальнейшее увеличение погло-
щаемой мощности может осуществляться при постоянном Л1кр, что
достигается уменьшением смачиваемой поверхности диска тормоза.
Точка Б соответствует максимальной мощности, которую способен
поглотить гидротормоз при максимально возможной прокачке воды.
Эта мощность может быть получена при разных оборотах (при
разных заполнениях кожуха водой, что соответствует прямой БВ).
Точка В показывает максимальное число оборотов, при котором
диск рассчитывался на прочность. Кубическая парабола ОГ харак-
теризует минимальную мощность, соответствующую минимальной
загрузке кожуха водой.
Изменяя загрузку и прокачку воды, можно получить любой ре-
жим, выражаемый точкой внутри площади, ограниченной линией
ОАБВГО.
Количество воды, необходимое для работы гидротормоза, может
быть подсчитано по уравнению энергетического баланса
N-r = G^P^ (4.Х-4). (4.81)
Чтобы вода нс выкипала и на стенках не откладывалась на-
кипь, средняя температура воды не должна превышать 60° С.
Гидротормоза очень удобны в эксплуатации, могут быть по-
строены для любых мощностей, достаточно точны, надежны в ра-
боте, имеют широкую нагрузочную характеристику. Благодаря
этим качествам они находят широкое применение. Недостатком
гидротормозов является большое потребление воды.
Электрические измерители крутящего момента (торзиометры)
Балансирные измерители крутящего момента и гидротормоза
являются инерционными приборами и не позволяют производить
измерения при быстротекущих процессах и быстроизменяющихся
нагрузках. В этих случаях применяют менее инерционные электри-
ческие измерители крутящего момента, которые обладают еще
одним достоинством — занимают мало места.
В электрических измерителях крутящего момента, как и
в электрических измерителях усилий, мерой момента служит дефор-
мация упругих элементов, преобразованная в параметры электри-
ческого тока или электрической цепи. В большинстве конструкций
используются преобразователи, вращающиеся вместе с испытуе-
мым валом. Они должны быть снабжены токосъемными контактами
в виде щеток и колец, соединяющих вращающийся преобразователь
7 217
193
с измерительной аппаратурой. Наличие в измерительной цепи
скользящих контактов является серьезным недостатком, так как их
электросопротивление не остается постоянным, а в сильной сте-
пени зависит от случайных загрязнений (особенно маслом). Это
вносит дополнительные погрешности в данные измерений. Лучшие
результаты дает применение ртутных токосъемников.
В настоящее время разработан целый ряд приборов, не нуж-
дающихся в скользящих контактах и, следовательно, не имеющих
указанного недостатка.
Р(ис. 4.77. Схема торзио-
метра с проволочным пре-
образованием
Рис. 4.78. Схема фото-
электрического торзио-
метра:
/—фотоэл емс К Т; 2—д и « ф р а г-
ма; 3^источник света: •/—
диск с радиальными проре-
зями
Из торзиометров с контактными токосъемниками наиболее ши-
роко применяются торзиометры с проволочными преобразовате-
лями. На вал, передающий измеряемый момент, наклеиваются два
тензометра (рис. 4.77), расположенные перпендикулярно друг
другу и под углом 45° к оси вала (по направлению главных напря-
жений). Оба преобразователя включаются в два соседних плеча
моста.
При таком расположении тензометров изгибающие деформации
вала не оказывают влияния на точность измерения, так как оба
датчика подвергаются одинаковому (как по величине, так и по
знаку) воздействию усилий. Близкое расположение Друг к другу
исключает температурные погрешности. Перед экспериментом
устройство проходит тарировку путем статического нагружения
вала известным моментом.
На рис. 4.78 показана схема фотоэлектрического торзиометра,
не нуждающегося в скользящем токосъемном устройстве. В двух
местах вала, на базовом расстоянии I, жестко укрепляются диски4
с радиальными прорезями. Между дисками расположен источник
света 3. С другой стороны каждого диска за диафрагмой 2 с узкой
щелью расположены фотоэлементы 1. Положение дисков относи-
тельно друг друга регулируется так, чтобы при вращении с нулевой
нагрузкой в момент прохождения прорезями диафрагм свет одно-
временно попадал на оба фотоэлемента.
W4
Во время измерения, когда крутящий момент не ранен нулю,
за счет упругих дефомапий вала диски окажутся сдвинутыми отно-
сительно друг друга и фотоэлементы будут освещаться не одновре-
менно. Импульсы от фотоэлемента поступают в специальное уст-
ройство, в котором измеряется промежуток времени от одного
до другого импульса.
Недостатком электрических измерителей крутящего момента
является то, что их точность, как правило, ниже точности балан-
сирных электродвигателей и гидротормозов.
§ Ю. РЕГИСТРАЦИЯ БЫСТРОМЕНЯЮ1ДИХСЯ ВЕЛИЧИН
При испытании ГТД на нестационарных режимах работы возни-
кает необходимость регистрации ряда параметров (числа оборотов,
давлений и температур в различных точках тракта двигателя)
по времени. Обычно измеряемый параметр преобразуют тем или
иным датчиком в электрическую величину, которая затем регист-
рируется. При выборе датчика и регистратора, естественно, должно
выполняться правило: собственные частотные характеристики ре-
гистратора и Датчика должны быть выше частоты исследуемого
процесса (см. § 1 настоящей главы).
Среди приборов для наблюдения и регистрации быстроменяю-
щихся электрических величин наибольшее распространение полу-
чили катодные и шлейфовые осциллографы. Осциллографом
(от греческого «записывающий колебания») называют прибор, за-
писывающий и измеряющий изменение электрического тока
по времени.
Катодные, или электронные осциллографы
Основным узлом электронного осциллографа является катод-
ная, или электроннолучевая трубка (рис. 4.79), Наибольшее рас-
пространение получили низковольтные трубки с электростатиче-
ским управлением — фоку-
сировкой.
В канале трубки разме-
щается катод, излучающий
концентрированный поток
электронов, Далее следуют
электроды, находящиеся под
определенным потенциалом
по отношению к катоду и
выполняющие роль элек-
тронного оптического уст-
ройства, ускоряющего и фо-
кусирующего на экран труб-
ки пучок электронов.
Электронный луч прохо-
дит между двумя парами
Рнс, 4, 79. Схема устройства электронно-
лучевой трубки с электростатическим управ-
лением:
/—цоколь; 2—прожектор; £ и 4—пластины, от-
клоняющие луч в вертикальном и горизонталь-
ном направлениях; 5—электронный луЧ; fi—люми-
нофор, 7^колба
7*
195
отклоняющих пластин. Напряжение первой пары пластин образует
электростатическое поле, отклоняющее луч в вертикальном направ-
лении. Вторая лара пластин отклоняет луч в горизонтальном на-
правлении. Величина отклонения луча h пропорциональна напряже-
нию на пластинах.
Падая на экран, луч заставляет светиться люминофор — веще-
ство, которым покрыта внутренняя сторона экрана, Если к пласти-
нам приложить два исследуемых напряжения, то на экране можно
наблюдать или регистрировать с помощью фотоприставки кривую
в прямоугольных координатах, показывающую соотношение между
этими напряжениями. .
Электроннолучевая трубка является практически безынерцион-
ным прибором, способным воспроизводить весьма высокие частоты
при подводе напряжения непосредственно к отклоняющим луч
пластинам. Если исследуется напряжение малой величины, то на
трубку подается усиленный сигнал (рис, 4.80). Усилительные
Риг 4.80. Блок-схема электроннолучевого осциллографа:
/—электроннолучевая трубка; 2—приставка с фотоаппаратом 3 и ту-
бусом 4 для визуального наблюдения процесса, (ti—нремя прямого
хода луча. Тг—время обратного хода луча)
устройства, хотя и ограничивают частоты, записываемые без иска-
жения, но позволяют воспроизводить без искажения синусоидаль-
ный сигнал с частотой до 400 000 гц.
Электронный осциллограф позволяет получать изображение
изменения одного напряжения по отношению к другому или одного
напряжения по времени.
Если исследуемые напряжения имеют одинаковые частоты, то
на экране электронной трубки получается неподвижная фигура,
размеры и форма которой зависят от сдвига фаз и величин ампли-
туд, В этом случае напряжения подаются либо непосредственно
на отклоняющие пластины, либо через усилители, по схеме / (см.
рис. 4. 80).
196
При исследовании одного периодического напряжения на пла-
стины, управляющие горизонтальной разверткой, подастся пило-
образное напряжение от генератора развертки (схема II
на рис. 4.80), частота сигнала регулируется и может быть синхро-
низирована с частотой исследуемого напряжения. В этом случае
на экране также получается неподвижное изображение, но уже
в развертке по времени. Таким образом, электронный осциллограф
особенно удобен для исследования периодически повторяющихся
быстронеременных процессов, но может применяться и для регист-
рации одиночных быстропротекающих процессов. В этом случае
применяется ждущая развертка, включаемая одновременно с нача-
лом действия исследуемого сигнала. На экране получается раз-
вертка по времени одиночного исследуемого процесса.
Электронные осциллографы имеют высокую чувствительность,
хорошие частотные характеристики; обладая высоким входным
сопротивлением, незначительно нагружают исследуемую схему,
просты и удобны в обращении.
К их недостаткам нужно отнести то, что обычные электронные
осциллографы позволяют исследовать только один, некоторые —
два одновременно протекающих процесса, мало пригодны для ре-
гистрации непериодически изменяющихся процессов и совсем
не пригодны для регистрации длительных процессов.
Шлейфовые, или светолучевые осциллографы
Шлейфовые осциллографы позволяют производить визуальное
наблюдение и запись на фотобумажную ленту или пленку несколь-
ких процессов, протекающих одновременно, и, следовательно, де-
лать их сопоставление, что особенно важно. Нашей промышлен-
ностью выпускается более 20 типов шлейфовых осциллографов,
которые можно разбить на три группы:
1. Лабораторные универсальные осциллографы с фотолентой
шириной от 120 до 300 лип.
2. Переносные осциллографы с фотолентой шириной 60; 120;
200 и 300 .я.м.
3. Автоматические или специальные осциллографы.
Основной деталью светолучевого осциллографа является петлей
вой или рамочный шлейф (вибратор, гальванометр). Петлевые
шлейфы (рис, 4.81) состоят из постоянного магнита, в зазоре кото-
рого натянута петелька из тонкой металлической лепты, опираю-
щейся па две призмы из диэлектрика. Плечи ленты туго натянуты
пружиной. В середине петли наклеено миниатюрное зеркальце.
При протекании по петле электрического тока ее плечи в резуль-
тате взаимодействия с магнитным полем перемещаются в разные
стороны и зеркальце поворачивается на угол, пропорциональный
силе протекающего тока. На зеркальце направляется луч света;
отраженный луч падает на фотобумагу или пленку, которая с неко-
торой постоянной скоростью протягивается в направлении, перпен-
197
Рис. 4.81. Измерительная
система петлевого шлей-
фа:
/-лента-проводник; 2—опл-
ри-_ 3—зеркальце; 4— пружи-
на; 5—магнит
дикулярном плоскости колебания луча. На фотоленту при ее дви-
жении специальным устройством наносятся отметки времени
в виде тонких поперечных линий. Таким образом, на фотоленте
получается запись исследуемых процессов по времени.
Для успокоения колебаний петлю и зеркальце помещают в очи-
щенное парафиновое масло.
Петлевые шлейфы с индивидуальными магнитами применяются
обычно в лабораторных осциллографах. Частота их собственных
колебаний составляет от 1200 до
20 000 гц. Чувствительность петлевых
шлейфов, как правило, обратно пропор-
циональна их собственным частотам и мо-
жет составлять от 0.05 до 50 мм/ма при
длине луча I м, без усиления.
Рамочные шлейфы имеют тот же
принцип действия, что и петлевые, но ток
в них проходит по рамке, состоящей из
нескольких. витков тонкой проволоки
(рис. 4.82), Рамочные гальванометры,
применяемые в переносных осциллогра-
фах, имеют размеры не больше авто-
ручки и группируются в общей магнитной
системе. Благодаря этому в малогаба-
ритном приборе удается разместиться ря-
дом 20 и более шлейфам.
Частота свободных колебаний рамоч-
ных вибраторов составляет в среднем от
20—ВО до 2000—3000 гц, но разрабаты-
ваются рамочные вибраторы с частотой
до 10 000 гц, которые по частотным ха-
рактеристикам будут близки к петлевым
шлейфам. Чувствительность рамочных
вибраторов также примерно обратно пропорциональна их частотам
и изменяется для шлейфов разных типов в широких пределах —
от 1 до ~ 1500 лои/лнз при длине луча 1 лг.
Для рамочных шлейфов применяют жидкостное (масляное)
или электрическое успокоение вибраций.
Типичная оптическая схема шлейфового осциллографа показана
на рис. 4. 83. Свет от лампы 1 проходит через цилиндрические линзы
конденсора 2 и в виде горизонтальной полосы попадает на окошки
всех гальванометров 3 (на схеме условно показан одни гальвано-
метр). Отразившись от зеркальца гальванометра 4, луч света
делится. Часть луча через цилиндрическую линзу 5 собирается
в виде точки на поверхности фотоленты 6, перематываемой
во время работы с постоянной скоростью с одного барабана отъем-
ной кассеты 7 на другой. При отклонении зеркальца луч света
перемещается в горизонтальной плоскости, записывая на фото-
198
бумаге кривую исследуемого процесса во времени. Вторая часть
луча, отражаясь от зеркала 8, проходит через цилиндрическую
линзу 9 и собирается в световую точку, отражающуюся от граней
вращающегося зеркального барабана 10 н дающую изображение
Рис. 4.82. Измерительная система рамочного шлейфа:
«—низкочастотный вибратор-рамка 2, натянутая двумя растяжками 5;
б—высокочастотный вибратор-рамка 2 приклеена к сплошной ра-
стяжке 3;
1—зеркальце
исследуемого процесса на цилиндрическом матовом стекле И.
Это изображение можно наблюдать визуально в зеркале 12.
Свет от лампы 13 при совмещении щелей неподвижной диа-
фрагмы 14 и вращающихся дисков 15, происходящем через опре-
деленные промежутки времени, от зеркала 16 падает на линзу 5
и затем в виде тонкой горизонтальной черты — на фотоленту, отме-
чая промежутки времени.
Рис. 4. 83. Оптическая схема шлейфового осциллографа:
!—иампа; 2—конденсор; з—окно гальванометра; 4—зеркальце гальвано-
метра; R -цилиндрическая линза; б—фотонекта; 7—кассета. 3—‘зеркало;
9—цилиндрическая линза; Гб—зеркальный барабан; 1!—матовое стекло;
12—зеркало; 13—лампа сгметчнка времени; 14—диафрагма; 15—вращаю-
щиеся диеии; JG—зеркало
Осциллограммы расшифровываются с помощью заранее полу-
ченных тарировочных графиков. При тарировке шлейфов они вклю-
чаются последовательно с прецизионным миллиамперметром и со-
ответствующим реостатом в цепь аккумуляторной батареи. Уста-
199
навливая в цепи вибратора ток в 10, 20, 30% и т. д. от номинального
в прямом и обратном порядке, находят для каждого из шлейфов
зависимость величины отклонения луча на ленте от силы тока.
Шлейфовый осциллограф — самый распространенный электри-
ческий прибор для одновременной регистрации нескольких различ-
ных по характеру быстропротекакмцих процессов.
Скоростное фотографирование и киносъемка
Некоторые быстропротекающие видимые, но сложные явления
и процессы, например, процесс деформации и дробления капли
топлива, движущейся относительно воздуха, форма турбулентного
факела при возникновении пульсационного сгорания, невозможно
перевести в электрическую величину. Для регистрации таких явле-
ний применяется скоростное фотографирование или скоростная
киносъемка.
Если изучаемый объект сам не светится, то фотографирование
ведется при сильном искусственном освещении с малой экспози-
цией. Используется также и импульсное освещение объекта. В этих
случаях могут быть получены лишь отдельные изображения
объекта.
Скоростная киносъемка позволяет зафиксировать изучаемый
процесс в различных фазах его развития, а затем увидеть этот про-
цесс замедленным. Обычные кинокамеры не пригодны для съемок
с большой частотой кадров.
В Советском Союзе разработаны скоростные и сверхскоростные
кинокамеры, основанные на различных принципах, для разного
типа пленок. Например, камера ССКС-1, разработанная в Ленин-
градском институте точной механики и оптики, позволяет произво-
дить съемку с частотой от 1000 до 200 000 кадров в секунду. При
съемке используется аэрофотопленка, натянутая на вращающийся
барабан, с последующей перепечаткой на обычную кинопленку
(35лм<). Для освещения объекта требуются мощные осветители,
так как экспозиция чрезвычайно мала.
§ 11. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ИЗМЕРЕНИЯ
При проведении испытаний, носящих научно-исследовательский
характер, а также при эксплуатации двигателей на самолетах, на-
ряду с широко известными, ставшими стандартными методами
и приборами для измерения давлений, температур, расходов газа
и других параметров, находят применение специальные методы
и приборы. Некоторые приборы изготовляются промышленностью
серийно или небольшими партиями, другие являются почти уни-
кальными и изготовляются научными организациями. Классифика-
ция описанных ниже приборов как специальных условна.
200
Методы раннего обнаружения дефектов двигателей
При эксплуатации ГТД наблюдаются случаи выхода двигателей
из строя, не связанные с продолжительностью их работы на само-
лете. Обычно причинами этого оказываются случайные технологи-
ческие дефекты деталей и узлов, а также ошибки, допущенные
в процессе эксплуатации двигателя. Своевременное обнаружение
дефекта и снятие двигателя с эксплуатации для ремонта или за-
мены дефектной детали позволяет повысить безопасность эксплуа-
тации, не снижая общего срока службы ГТД.
В настоящее время разработаны и продолжают совершенство-
ваться методы и средства, позволяющие выявить многие дефекты,
встречающиеся в практике эксплуатации ГТД, на той стадии раз-
вития, когда дефект еще не влияет на работу детали или узла,
а, следовательно, и на параметры работы двигателя.
Для раннего обнаружения дефекта прежде всего необходим
контроль следующих параметров: а) вибраций корпуса двигателя,
б) температуры газов перед турбиной, в) состояния основных узлов
газо-воздушного тракта (камер, лопаток компрессора и турбины,
сопла), г) контроль состояния масла и л) контроль основных пара-
метров работы двигателя.
Аппаратура для контроля вибраций и температуры газа перед
турбиной выполняется бортовой.
Состояние деталей газо-воздушного тракта и состояние масла
контролируются перед полетом с помощью наземных средств ран-
него обнаружения дефектов. Стандартные самолетные приборы,
фиксирующие такие параметры работы двигателя, как число обо-
ротов, крутящий момент, расход топлива, позволяют обнаружить
только уже развившийся дефект агрегата или узла, когда опи пол-
ностью теряют работоспособность и вызывают необходимость
выключения двигателя. Поэтому стандартные самолетные приборы
часто не удовлетворяют целям раннего обнаружения дефектов.
Как наземные, так й бортовые методы и средства сводятся орга-
низационно в единую систему раннего обнаружения дефектов.
Неуравновешенность вращающихся деталей и нарушение ба-
лансировки, появляющиеся при обрыве лопаток компрессора или
турбины, а также при выработке и разрушении подшипников, при-
водят к механическим периодическим колебаниям - вибрациям
опор и корпусов отдельных узлов и корпуса двигателя. При испы-
таниях и эксплуатации двигателей производится их вибрографиро-
вание. Допустимые перегрузки, вызванные вибрацией корпуса
двигателя, индивидуальны для каждого двигателя и лежат в пре-
делах 1,5—5g.
Для записи вибраций применяются датчики сейсмического типа.
Их корпус жестко крепится к объекту измерения. Внутри корпуса
на упругих подвесках размещается масса, которая при колебаниях
корпуса датчика остается практически неподвижной. Перемещение
201
массы относительно корпуса переводится тем или иным способом
в электрическую величину и регистрируется.
На рис. 4.84 показан датчик МВ-22 вибрографа АВ-44, служа-
щий для измерения параметров установившейся вибрации и осно-
Рис. 4. 84. Датчик вибрографа МВ-22;
/—постоянный магнит; 2—‘корпус датчика: 3—катушка; 4—наружная обой-
ма; 5—подпятник; 6—сектор; 7— внутренняя обойма; 4—цилиндрические
пружины; 2—выходной шланг; 10—фланец крепления
ванный на принципе электромагнитной индукции. Постоянный маг-
нит 1 размещен в корпусе 2, в котором расположена катушка 3.
Подшипники качения допускают перемещение магнита относи-
тельно корпуса в направлении его оси. Среднее положение магнита
обеспечивается двумя цилиндрическими пружинами. Собственная
частота системы магнит—пружины значительно ниже частоты
измеряемой вибрации, поэтому при периодическом перемещении
корпуса магнит практически остается в покое. Магнитный поток
проходит через два воздушных зазора и замыкается через желез-
202
ный корпус датчика. При относительном перемещении магнита
и катушки (корпуса) в ней будет индуктироваться ЭДС
E^k'v tyte), (4. 82)
где k! -- постоянная в мв сек/мм;
и — скорость относительного движения в мм/сек.
Чувствительность датчика
где S — амплитуда вибраций в мм;
f — частота вибраций в гц.
В комплект прибора АВ-44 помимо датчика входят интсгро-
дифференцирующие усилители. Показания вибрографа регистри-
руются шлейфовым осциллографом.
Виброграф позволяет в диапазоне частот от 15 до 300 гц произ-
водить запись скорости перемещения от 7 до 310 мм/сек, ускорений
при включении дифференцирующего контура от 0,5 до 10g и ве-
личину перемещений при включении интегрирующего контура —
в пределах от 0,01 до 1 мм.
Для контроля вибрации корпуса двигателя АИ-20 разработана
аппаратура ИВ-41 сдатчиком МВ-25В, принцип действия которого
такой же, как у датчика, показанного на рис. 4.84. Аппаратура
пропускает только резонансную частоту, соответствующую рабо-
чим оборотом двигателя (другие частоты отфильтровываются).
Величины перегрузок можно наблюдать по стрелочному прибору.
Каждый прибор настраивается на перегрузку, измеренную у обслу-
живаемого двигателя при сдаче. Эта аппаратура позволяет контро-
лировать уровень вибрации корпуса двигателя в течение всего
срока его работы. Если уровень вибрации повысился на 1,0—1,5g,
то необходимо принимать соответствующие меры.
Температуру газов перед и .за турбиной можно контролировать
обычной аппаратурой, состоящей из термопары и показывающего
с молетиого прибора, снабженного устройством, сигнализирующим
( превышении предельно допустимой температуры, И то и другое
измерения температуры можно связать с автоматическим ограни-
чением топлива. Так, например, у двигателя АИ-20 по температуре
в сопле ограничивается подача топлива.
Контроль состояния деталей газо-воздушного тракта осущест-
вляется в период предполетного осмотра двигателя. Детали, доступ-
ные прямому (или через люки) визуальному наблюдению, осмат-
риваются для выявления трещин, забоин, коробления и .оплавле-
ния. На некоторых двигателях камеры сгорания и другие детали
можно осматривать через отверстия для воспламенителей и спе-
циально предусмотренные для этой цели люки с помощью прямых
203
или коленчатых перископических дефектоскопов. Делаются по-
пытки осмотра труднодоступных деталей с помощью гибкой «волок-
нистой» оптики. В отдельных случаях применяется рентгеноскопия,
радиография (наложение рентгеновской пленки на поверхность
корпуса двигателя и введения в камеру радиоактивных изотопов),
ультразвуковая дефектоскопия и другие методы.
Контроль состояния масла позволяет обнаружить дефекты под-
шипников, шестерен и других трущихся деталей на ранней сталии
развития по наличию в масле мельчайших частиц металла. Для
этого нужно периодически осматривать фильтр. Однако этот спо-
соб ле позволяет установить динамику развития дефекта. Поэтому
применяют способ магнитных пробок, которые устанавливают
в масляную магистраль. Частицы металла, осевшие на пробки, со-
бирают и хранят. Периодически сравнивая количества собранного
металла, можно судить о развитии дефекта (если, разумеется, раз-
рушается деталь из магнитного металла).
На некоторых двигателях масляные фильтры оборудуются кон-
тактными или индукционными датчиками. Контактный датчик, как
и воздушный конденсатор, состоит из двух рядов неподвижных
пластин, расстояние между которыми точно установлено. Пластины
находятся под небольшим напряжением, в зазорах проходит масло.
Если в масле появляются крупные частицы металла, не проходящие
через зазор, то они замыкают электрическую цепь, что и фикси-
руется тем или иным способом.
Наконец может применяться спектрографический анализ масла,
Через определенное количество часов работы двигателя из масло-
системы отбирается проба масла, подвергающаяся спектрографиче-
скому анализу. Спектрограф может быть откалиброван для не-
скольких металлов и градуирован по количеству частиц данного
металла в единице веса масла. Увеличение числа частиц металлов
в пробах указывает на развитие дефекта.
Описанные способы раннего обнаружения дефектов находят
применение также и при стендовых длительных испытаниях дви-
гателей.
Газовый анализ
Газоанализаторы — приборы для количественного определения
состава газов — находят применение при исследованиях камер сго-
рания ВРД. По составу газов в конце камеры сгорания или в ка-
ком-либо промежуточном сечении могут быть определены такие
важные параметры потока, как местное .значение коэффициента
избытка воздуха (по парогазовой фазе топлива), температура га-
за и важнейшая характеристика качества рабочего процесса в ка-
мере — коэффициент выделения тепла.
В лабораторных газоанализаторах, относящихся к группе хими-
ческих приборов, измерение производится по сокращению объема
анализируемой пробы газа после удаления определяемого компо-
нента. Удалить тот или иной компонент из пробы газа можно
204
только методом избирательного поглощения или тем же методом
в сочетании с дожиганием горючих составляющих исследуемой
пробы.
По первому методу работает прибор Орса, позволяющий опре-
делять количество СО2, О2 и СО в продуктах сгорания, причем
чаще определяются только первые два компонента. Реактив, пред-
назначенный для поглощения СО, применяется редко вследствие
ненадежности и краткосрочности его действия.
Второй метод используется в ряде отечественных приборов,
в частности, в приборе Всесоюзного теплотехнического института
(ВТИ). Этот прибор, дающий наиболее полный газовый анализ
и применяемый для точных исследований, позволяет определять,
семь компонентов газа. Избирательным поглощением определяются
СО2, О2 и тяжелые углеводороды CnHIfl и дожпганием — СО, СЬЦ
и Н2. Седьмым компонентом (в остатке) является N2-
При отборе пробы газа из камеры сгорания важно обеспечить
условия, при которых происходило бы «замораживание пробы»,
т. е. прекращалось бы течение всех химических реакций с момента
попадания отбираемого газа в газоотборник. Используя известный
закон экспоненциальной зависимости скорости химической реак-
ции от температуры, удается практически полностью затормозить
течение химических реакций, резко снизив температуру газа. Для
достижения этой цели выполняют газоотборник, интенсивно охлаж-
даемый холодной водой. Прибор Орса па одну пробу газа требует
для анализа 3—амин. На приборе ВТИ один анализ, в зависимости
от количества определяемых компонентов, требует от 40 до 60 мин
на одну пробу газа. Подробнее описание этих приборов можно
найти во многих книгах [19].
По результатам газового анализа, произведенного на приборе
ВТИ, может быть вычислен коэффициент избытка воздуха, коэффи-
циент выделения тепла и температура продуктов сгорания. Газо-
анализаторы совершенно непригодны для определения состава
смеси до зоны сгорания, т. е. в участках, где происходит подготовка
смеси и где значение коэффициента выделения тепла равно нулю.
Применение газоанализатора в тех участках зоны горения, где зна-
чение коэффициента выделения тепла существенно меньше единицы
(£<0,8), может привести к значительным ошибкам.
Однокомпонентные экспресс-анализаторы
При анализе продуктов сгорания углеводородных топлив (керо-
сина, бензина) наряду с многокомпонентными применяются одно-
компонентные газоанализаторы. В приборах этого типа исполь-
зуется какое-либо физическое свойство одного из компонентов,
позволяющее определить его количественное содержание в пробе.
Для углеводородных топлив в качестве таких компонентов прини-
мают углекислоту или кислород.
Определение содержания СО2 может быть основано на измене-
205
нии теплопроводности смеси при изменении содержания в ней
углекислого газа. По этому принципу построены так называемые
термокондуктивные приборы. В этих приборах нагреваемая элек-
трическим током проволочка помешается в среду, содержащую
углекислый газ. При изменении содержания СО2 изменяются усло-
Рнс, 4.85. Термомаг-
нитный индикатор кис-
лорода с малой по-
стоянной времени:
/—диафрагма; 3—пово-
ротные лопатки; 3—ка-
проновая набивка; 4—ка-
налы для пыраанипания
поля скоростей газа; 5—
дополнительный соедини-
тельный канал; S—ос-
новной соединительный
канал; 7—спирали; Я—по-
стоянный магнит; 9—кор-
пус прибора: 10. 11—ка-
налы
пня теплоотвода и, следовательно, электри-
ческое сопротивление.
Существуют и другие приборы для опре-
деления содержания СО2, но большая инер-
ционность или малая точность не позво-
ляют применять их дли исследования про-
цессов горения в ВРД.
Специально поставленные опыты пока-
зали, что такой важный параметр, как коэф-
фициент выделения тепла, может быть опре-
делен по содержанию СО2 в продуктах сго-
рания керосина или бензина лишь прибли-
женно. При ?дейетп = 0,5 ошибка в определе-
нии |со, будет составлять около 10%. При
значении |дсйств, близком к единице, ошиб-
ка будет меньше. Коэффициент выделения
тепла может быть с достаточной точностью
определен по содержанию кислорода
в пробе газа, если известно начальное содер-
жание кислорода [13]. Расчетная формула
имеет вид
_ 21 — О2ИЗМ
21 - О2КИН '
(4.84)
Здесь 21 —объемное содержание кислорода
в воздухе в процентах;
02Иэм — объемное содержание кисло-
рода в. процентах, измеренное
прибором;
О2мпн — объемное содержание кислорода в процентах, измерен-
ное после дожигания пробы или заранее вычисленное
при условии, что все топливо полностью окислено (при
данном значении коэффициента избытка воздуха).
Коэффициент выделения тепла, определенный по последней
формуле, будет соответствовать действительному во всем возмож-
ном диапазоне измерения — от 0 до 1. Точность в определении
коэффициента выделения тепла будет в данном случае опреде-
ляться точностью определения О211И, и видом расчетной формулы
Содержание кислорода может определяться приборами, основан-
ными па использовании его парамагнитных свойств. В зависимости
от размеров и конструкции приборы подобного рода обладают раз-
личными постоянными времени. В одном из отечественных прибо-
206
ров постоянную времени удалось уменьшить до 0,6 сек. Схема этого
прибора показана на рис. 4.8а. Расход газа, поступающего в при-
бор, дозируется диафрагмой 1 с отверстием диаметром 0,3 льи.
Благодаря термомагнитной конвекции в канале 6 возле вольфра-
мовых спиралей 7, нагреваемых электрическим током, образуется
поток газа, охлаждающий нити. Нити включаются в мостовую-
схему. После усиления ток разбалансировки моста регистрируется
миллиамперметром или шлейфовым осциллографом..
Хромотермографический метод газового анализа
В последние годы получил распространение сравнительно новый
метод газового анализа, использующий явление сорбции — погло-
щения газов и паров твердой или жидкой фазой, удерживающейся
на твердом веществе. В качестве сорбентов применяются активи-
рованный уголь, силикагель, окись алюминия и Другие вещества.
При адсорбции количество поглощенного вещества а описывается
уравнением Ленгмюра
где z и о — величины, связанные с адсорбционной способностью
поглотителя по отношению к данному газу;
с — концентрация газа при постоянной температуре, про-
порциональная давлению.
Последнее уравнение показывает, что при постоянной темпера-
туре при малых значениях с величина а пропорциональна с, а при
больших значениях с — величина а = const и соответствует насы-
щению поверхности адсорбента.
Адсорбционная способность веществ уменьшается при повыше-
нии температуры, При нагревании адсорбента будет происходить
обратный процесс—десорбция, так как молекулы газа, обладаю-
щие большей кинетической энергией, могут легко отрываться от по-
верхности адсорбента.
На рис. 4.86 показаны изотермы сорбции Для двух разных
поглотителей.
Принципиальная схема хромотермографа — прибора, исполь-
зующего явления сорбции, — приведена на рис, 4.87. Несущий
газ — гелии — подается в прибор через трубопровод 1. Жиклер 2
дозирует количество несущего газа, поступающего в прибор при
давлении р\. Полость 3 с нитью сопротивлением представляет
собой элемент катарометра — измерителя теплопроводности газо-
вых смесей. Миновав эту полость, несущий газ направляется в ко-
лонку 5, заполненную сорбентом. В дозаторе 4 в несущий газ 'вво-
дится с помощью медицинского шприца небольшой объем
(0,3—20 ши3) исследуемой смеси газов. Иглой шприца прокалы-
вается резиновая мембрана п проба выдавливается в гелий.
В колонке 5 происходит разделение компонента газа. Наиболее
207
сильно адсорбируемые газы задерживаются, и несущий газ обога-
щается менее адсорбируемым компонентом. Затем в поток посте-
пенно десорбирует следующий по летучести газ и т. д. В результате
этих процессов сорбции и десорбции с отставанием более активно
адсорбируемых газов смесь распреде-
ляется по колонке отдельными зонами,
содержащими чистые компоненты.
В таком порядке через фильтр 6 разде-
ленные газы вместе с газом-носителем
поступают в элемент катарометра 7.
С( или Р)
Рис. 4.86. Изотермы сорб-
ции для двух поглотителей
Рис. 4.87. Принципиальная
схема хромотермогрзфа:
/—входной трубопровод газа-но-
СИТСЛЯ; 2—жиклер; 3. 7—камеры
Сопротивления Л1 И включены катарометра; 4—дозатор; 5—колон-
в схему моста. В зоне нахождения ка (,рубка нз^нсниая сорбента
какого-либо из разделенных компонен-
тов теплоемкость смеси (несущий газ + компонент) отличается
от теплоемкости чистого гелия. Это изменяет температуру нити /?2,
что разбалансирует мост и фиксируется показывающим самопишу-
щим гальванометром (рис. 4,88). Площадь под кривой, характери-
зующей прохождение того или иного
компонента, пропорциональна объему
h этого газа, а коэффициент пропорппо-
^ск
Вис. 4. 88. Запись объемных
долей разделенных компо-
нентов на ленте самописца
нальности почти не зависит от природы
газа. При правильном подборе вели-
чины вводимой пробы, скорости тече-
ния газа-носителя, рабочей темпера-
туры (последняя может строго выдер-
живаться в приборе на выбранном
уровне), а также сорбента пики изме-
нения теплопроводности не наклады-
ваются друг на друга и могут быть
расшифрованы по соответствующим
тарировочпым графикам.
208
Таким образом, хромотермограф с удовлетворительной точ-
ностью (0,2—2% от общего содержания компонента) позволяет
определять количество различных газов в смеси. Состав газа дол-
жен быть заранее известен, так как качественного анализа хромо-
термограф не дает.
Теневой метод исследования газовых потоков
Теневой метод был предложен Фуко более ста лет назад для
определения неточностей шлифовки преломляющих или отражаю-
щих оптических систем. Теплер предложил использовать метод
Фуко для определения оптических неоднородностей в газовых по-
токах. Известно, что коэффициент преломления однородного газа
зависит от его плотности. Если в потоке, обтекающем какой-либо
предмет, создать искусственно местные неоднородности плотности,
то с помощью теневого метода можно наблюдать линии тока.
Оптическая неоднородность может быть достигнута введением
в поток через трубки такого же по составу, но подогретого газа.
Особый интерес представляет использование теневого метода при
исследовании сверхзвуковых течений, в которых резкие оптические
неоднородности будут наблюдаться в местах возникновения скач-
ков уплотнения.
Одна из простейших схем установки по методу Теплера приве-
дена на рис. 4.89. Точечный источник света 5 устанавливается
в фокусе линз^т L\. После прохождения линзы Ь\ параллельный пу-
чок света отбрасывается на линзу L?. При отсутствии оптической
неоднородности между линзами и при хорошем выполнении самих
линз лучи света пересекутся в фокусе линзы L2, и экран будет
равномерно освещен. Если теперь между линзами L] и Ь2 поме-
стить, например, рабочую часть плоской сверхзвуковой трубы,
оборудованной люками, закрытыми плоскими стенками Ci и С2,
то появится возможность наблюдать неоднородности в сверхзвуко-
вом потоке. Пусть на пути луча а встретилась оптическая неодно-
родность — скачок уплотнения. Это вызовет отклонение луча и, про-
ходя выше фокуса линзы Ь2, он будет «отрезан» — затенен ножом
Фуко Ф. В точке А на экране, в которую попал бы луч а, если бы он
не встретил скачка уплотнения, появится темное пятно. Геометр иче-
209
ское место таких темных точек даст на экране в соответствующем
масштабе очертания наблюдаемого скачка уплотнения или всей
картины обтекания сверхзвуковым потоком предмета, установлен-
ного в рабочей части трубы,
Для регистрации явления вместо экрана может быть установ-
лен фотоаппарат или кинокамера.
На рис. 4.90 приведена схема более совершенного отечествен-
ного прибора ИАБ-451 конструкции Максутова. Здесь дорогостоя-
щие линзы заменены зеркалами, которые не имеют хроматических
аберраций и проще в изготовлении. Применение зеркал позволило
сделать прибор более портативным.
Измерение давлений в пульсирующем потоке, сил, перемещений
и других величин электрическими методами
Для измерения переменных давлений жидкостные и пружинные
манометры совершенно непригодны вследствие их инерционности.
В исследовательской практике находят широкое применение элек-
трические методы, с помощью которых могут быть измерены пере-
менные давления и сосредоточенные силы. В электрическом дат-
чике такие величины, как сила и давление, преобразуются в пере-
мещение, которое и фиксируется электрической схемой прибора.
Следовательно, измеряемой величиной может быть и линейное пе-
ремещение.
Наиболее распространены индуктивные и емкостные датчики —
преобразователи. Наряду с ними для измерения быстроперсмснных
давления и сил применяются пьезокварцевые и тензометрические
датчики.
Индуктивные преобразователи могут быть выполнены по не-
скольким схемам..
210
Наиболее распространен преобразователь с малым воздушным
зазором б (рис. 4. 91, а), изменяющимся в результате воздействия
сосредоточенной силы Р на якорь 1. При измерении давления уси-
лие со стороны газов воспринимается мембраной, которая выпол-
няет также роль якоря.
Вследствие изменения зазора изменяется сопротивление маг-
нитной цепи и индуктивность катушки, надетой на сердечник
и включаемой в цепь переменного тока. С изменением индуктивного
сопротивления катушки изменяется и ее полное сопротивление /?.
Таким образом, электрическое сопротивление датчика связано
функциональной зависимостью с воспринимаемым усилием.
Рис. 4.91. Схемы индукционных преобразователей:
а—преобразователь с воздушным здзором; б—преобразователь с разомкнутой
магнитной цепью; в—'преобразователь трансформаторного типа.
На рис. 4. 91, б изображена схема индуктивного преобразова-
теле с разомкнутой магнитной цепью. Здесь перемещения сердеч-
ника 2 будут также изменять индуктивность катушки 7. Этот тип
преобразователя особенно удобен для измерения значительных
линейных перемещений.
В индуктивном преобразователе трансформаторного типа (см.
рис. 4.91, в) обмотка I питается переменным током. К зажимам
обмотки 2 второй катушки подключается вольтметр или вибратор
осциллографа, Если магнитодвижущую силу, т. е. ток 1, в первой
катушке поддерживать постоянной, то ЭДС во вторичной обмотке
будет функцией зазора б, т. е. величины прилагаемого усилия.
Полное сопротивление катушки связано с изменением воздуш-
ного зазора 6 гиперболической зависимостью (кривая Ri
на рис. 4.92). Если величина перемещения якоря Дб равна 10—15%
начального зазора б0, то на этом участке характеристика датчика
будет практически прямолинейной. Такой же характер будет иметь
зависимость между перемещением якоря и вторичной ЭДС для пре-
образователей трансформаторного типа.
Линейный участок характеристики может быть увеличен при
использовании дифференциальных преобразователей, обе катушки
которых включены в два соседних плеча моста (рис, 4,93).
211
При отсутствии силы якорь расположен симметрично относи-
тельно обоих сердечников (или обеих катушек), и магнитные сопро-
тивления потоков, создаваемых обеими катушками, одинаковы.
При смещении якоря под воздействием силы оба магнитных сопро-
тивления изменяются одинаково, но с противоположными знаками.
Силу тока 7Г в измерительной диагонали моста приближенно можно
выразить как
(4.86)
где k — постоянный множитель;
Рис. 4.92. Зависимость полных
сопротивлении катушек от вели-
чины зазора для дифференциаль-
ного преобразователя
/?1 и /?2 — сопротивления кату-
шек преобразователя
(см. рис. 4.93, а).
При отсутствии нагрузки на
якорь мост уравновешен, при
ртом Т?]=/?2, и обычно, Rz = Ri.
Под действием силы мост разба-
лансируется: /г = &1(7?1—/?г).
Функции ₽:2=f(6) п
Rj—/?2=/з(б) изображены на
рис. 4. 92. Линейный участок ха-
рактеристики преобразователя
рри дифференциальной схеме
расширяется, позволяя работать
при перемещении якоря Дб =
(0,34-0,4) Йо-
Расширение линейного участ-
ка характеристик будет иметь
место также и для дифференци-
альных преобразователей схем б
и в (см. рис. 4. 93).
В практике находят примене-
ние главным образом дифферен-
циальные преобразователи. Од-
ним из основных достоинств
индуктивных преобразователей является возможность получения
большой мощности (до 1—5 вт), что позволяет применять относи-
тельно малочувствительные приборы или осциллографы без пред-
варительного усиления.
При изменении питающего напряжения и его частоты в показа-
ниях индуктивных датчиков появляются погрешности. Изменение:
температуры индуктивного датчика также приводит к искажению
его показаний. Этот вид погрешности мог бы быть устранен в диф-
ференциальном преобразователе при идеальной симметрии его по-
ловин, но практически достичь этого не удается.
2Г2
Емкостные преобразователи представляют собой конденсатор,
емкость которого
С = , (4.87)
где е — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;
S — площадь поверхности обкладки;
б — расстояние между обкладками.
Измеряемая с помощью емкостного преобразователя неэлектри-
ческая величина может быть связана с изменением е, 5 или б.
Емкостный преобразователь, предназначенный для измерения
уровня жидкости в сосуде, показан на рис. 4. 94. Если диэлектриче-
Рис. 4.93. Дифференциальные преобразователи:
d и в—с воздушными зазорами; б—с катушками
екая проницаемость среды отличается от проницаемости воздуха,
то емкость конденсатора, образованного обкладками 2, будет ме-
няться при изменении уровня в сосуде 3 и, следовательно, в сооб-
щающейся с ним трубке J. Градуировка прибора определяется
ид экспериментальной зависимости емкости от уровня данной
жидкости.
На рис. 4.95 показана схема датчика, в котором емкость изме-
няется за счет изменения начального зазора между обкладками,
С помощью таких датчиков измеряются давления и сосредоточен-
ные силы. Роль подвижной обкладки и упругого элемента обычно
выполняет мембрана /, толщина которой выбирается в зависимости
от величины измеряемого давления (или силы).
Зависимость емкости конденсатора С от зазора б между его
обкладками имеет гиперболический характер. Поэтому для работы
выбирают обычно начальный участок кривой, что обеспечивает
при малом расстоянии между пластинками высокую чувствитель-
ность датчика к изменению зазора и линейную характеристику.
213
Для регистрации изменения емкости того или иного датчика при-
меняются разнообразные электрические схемы, которые могут быть
разбиты на три основные группы: мостовые, электроимпульсные
и резонансные.
Основной недостаток емкостного метода — погрешности, вызы-
ваемые паразитными емкостями, возникающими главным образом
в соединительных проводах. Поэтому последние должны быть на-
дежно экранированы.
Индуктивный и емкостный методы позволяют регистрировать
как быстропротекающие процессы (пульсации в топливных и воз-
Рис. 4.94. Схема емкост-
ного датчика для измере-
ния уровня жидкости:
/—стеклянная трубка; 2—
металлические обкладки; 3—
сосуд
душных магистралях), так и медленно
изменяющиеся величины.
В последнее время в исследователь-
ской практике все большее применение
находят проволочные преобразователи —
тензометры. Тензометр (рис. 4.96) пред-
ставляет собой тонкую проволоку (диа-
Рис. 4.95. Емкостный датчик для
измерения давления:
/—мембрана; 2—неподвижная об-
кладка
метром 0,02—0,04 мм) с высоким удельным электросопротивлением,
наклеенную зигзагообразно на тонкую бумагу и заклеенную такой
же бумагой сверху. Материал проволочного преобразователя дол-
жен иметь минимальное значение температурного коэффициента
сопротивления, чтобы свести к минимуму изменение сопротивления
датчика при изменении температуры. К концам тонкой проволоки
припаиваются выводные проводники из более толстой проволоки
или фольги. Датчик наклеивается на поверхность детали, деформа-
ция которой подлежит измерению. При деформации, например ра-
стяжении детали, проволочки преобразователя также растяги-
ваются и увеличивается их удельное и общее сопротивление. По
величине изменения сопротивления датчика, относительное измене-
ние сопротивления которого обычно не превышает 0,7%, можно
определить деформацию и напряжение, возникшее в данном участке
детали. Пользуясь тензометрическими датчиками определяют на-
пряжение не только в неподвижных, но и в движущихся деталях.
Тензометрические датчики часто используются также для измере-.
214
ния сил, давлений, расходов жидкости н в других случаях, когда
измеряемую физическую величину можно преобразовать в упругую
деформацию детали.
Следует иметь в виду, что если во время опыта будет изменяться
температура детали, то появится дополнительная деформация, свя-
занная с различием коэффициентов линейного расширения прово-
локи и детали. Поэтому при измерениях с помощью тензометриче-
ского датчика нужно либо обеспечить неизменность температуры
среды, окружающей прибор и деталь,
либо применять дифференциальный
способ с компенсацией изменения тем- I
пературы. Последний способ можно
Рис. 1.96. Схема тензомет-
рического преобразователя
1—канал: стержень; 3—ди-
лицдрическяя пружина; ^-тен-
зодатчики; 5—защитный кожух
Рис. 4. 97. Датчик для изме-
рения расхода мдкости:
проиллюстрировать на следующем
примере.
На рис. 4.97 приведена схема датчика для измерения расхода
жидкости. Набегающий поток воздействует на стержень 2, с уси-
лием Р, величина которого зависит от скорости и, следовательно,
от расхода жидкости. Под действием силы Р правая сторона тонко-
стенной трубки будет растягиваться, а левая — сжиматься. Сопро-
тивление соответствующих датчиков будет увеличиваться и умень-
шаться. При включении датчиков по схеме моста можно определить
расход жидкости (при наличии тарировочного графика). Измене-
215
ние температуры прибора и растяжение стенок трубки под дейст-
вием изменяющегося давления в канале. 1 не будет регистриро-
ваться измеряющей системой, так как деформации на обоих датчи-
ках будут компенсированы,
При статических испытаниях может быть принята обычная мо-
стовая схема, питающаяся постоянным током с чувствительным
милливольтметром пли гальванометром. При динамических испы-
таниях мощность мостовой схемы оказывается недостаточной для
осциллографа и требуется ламповый усилитель.
§ 12. ОСРЕДНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ
Основные уравнения газовой динамики выводятся для элемен-
тарной струйки, размеры которой столь малы, что все параметры
газа в ее сечении можно считать постоянными. В реальных потоках,
в том числе при течении газа в различных элементах ВРД, пара-
метры газа по сечению потока не остаются постоянными. В общем
Рис. 4.9S.
а—поля полных давлений до и после диффузорного участка:
б—поле полных давлений на выходе из сопла
случае по сечению изменяются р, р*, 7* и, следовательно, завися-
щие от них to, л, а и другие параметры. В ряде случаев, когда кри-
визна линий тока невелика или они параллельны, статическое дав-
ление по сечению остается постоянным, а р* и Т* могут изменяться
по сечению самым различным образом.
Рассмотрим два примера.
1. В дозвуковом диффузоре (рис. 4, 98, с) температура тормо-
жения для сечений / и 2 остается постоянной. Статическое
давление в обоих сечениях остается постоянным, а эпюры полных
давлений известны из опыта. Какие средние значения
^*ср и ^2ср следует подставить в формулу as = p*tf> чтобы най-
ти коэффициент восстановления давления?
2. Из дозвукового сопла (см. рис. 4.98,6) вытекает газ с одина-
ковой по сечению температурой торможения Г* —const, статическое
давление равно атмосферному. Чему равно среднее полное давле-
ние, если эпюра р* известна?
216
Можно воспользоваться тремя основными уравнениями газовой
динамики для определения среднего значения полного давления
по известной эпюре полных давлений:
1) Определить р* расходное, т. е. такое значение полного дав-
ления, которое, будучи подставлено в уравнение расхода, дает
действительное значение расхода газа через данное сечение.
2) Определить р*р импульсное, т.. е. значение полного давления,
которое дает тот же импульс, что и реальный поток.
3) Определить р*р энергетическое, дающее то же значение
энергии, что и содержащееся в реальном потоке.
Таким образом, при осреднении реальный поток с неравномер-
ным распределением параметров по сечению заменяется условным
равномерным потоком, сохраняющим то или иное свойство реаль-
ного потока.
Для получения р’рра(.х воспользуемся уравнением расхода
Л
Сср=^ДС; или
i -1
«кр.У (>-ср) pF mKpy(> i) pdF
У ВТ* '
о
После сокращения постоянных и равных величин
F
о
Л+ЦА-
Л (--------- Й“1
... \ 2
где уУ)—"~——газодинамическая табличная функция.
1 — -—- Х2
АН I
(4. 88)
Второй член знаменателя при %-СО,4 составляет ^0,0265, следова-
тельно, при 7.<О,4 с ошибкой не более 2,7% можно заменить функ-
цию г/(%) приближенной </(Л)=с-Х, где с — некоторая постоянная.
Тогда уравнение (4.88) примет вид
хср^=р'/^ (4.89)
6
Заменив в левой части уравнения (4.89) X через ее функцию от
Р/Р*р
и произведя алгебраические преобразования, получим
р* =- _____-___±______________
г ср.расх # •
217
Заменив значение )-t через ее функцию от />//>*, после сокраще-
ний получим
Если известно распределение полного давления по радиусу кана-
ла p*=j(r\ то для круглого канала dF=2nrdr и окончательно
где — внешний радиус канала.
Для получения р*р импульсного воспользуемся уравнением потока
импульса Re в сечении F-.
Rc=Mw-^- pF,
где М — масса газа;
а' — скорость газа;
р — статическое давление.
Последнее уравнение с помощью газодинамической функции
z(X) = — (л+ —} можно преобразовать к виду
2 \ X J
R=Gz (к)
Для наших случаев (см. рис. 4.98,а и б), считая Г* = const, k и В
также постоянными:
Gz(Xcp) = Jz(/./)iZG.
о
Приняв, как и раньше, у(/.)=сХ, используя уравнение (4.88)
после сокращения постоянных получим
р
^^|'Чг+7к)=(^Р< + г-1^
\ Лср/ J \ 4 1
218
или
о
Заменив %ср через ее функцию от pjp^ , после преобразований
получим
^ср.имч
2k
k -f-1
Заменив через ту же функцию а,, найдем
И если известно распределение р* по радиусу канала p*=f(r),
то окончательно
где R — внешний радиус канала.
Для получения р* энергетического следует воспользоваться урав-
нением энергии
О’? — W?
±Q±L = ср{Т.- .
Когда энергетическая система изолирована, т. е. подвод и отвод
внешнего тепла и внешней работы отсутствуют (Q = 0; 1 = 0), урав-
нение энергии запишется как уравнение теплосодержания
™.2
СРГ^=?'^Г- «93)
Суммарное теплосодержание потока газа с расходом G:
л / 2,0
£ 4G( ; 4-= ) срТ*dG.
i о
219
Для рассматриваемого Случая (Т* — const) последнее выражение,
после сокращения постоянных, сводится к уравнению расхода
fl
G = V д(Д, для которого было получено значение р^р_р;!С>. {уравне-
ние (4,90)]. Таким образом, при 7'* = const
Р ср.эпергст Р cp.pacx-
жет существенно меняться
Рис, 4. 99. Поля К w, р* и
Т* за камерон сгорания
В реальных случаях течения газа температура торможения мо-
по сечению канала, например, по сече-
нию основной и форсажной ка-
мер, в выходном сечении выхлоп-
ного сопла, При этом поля пол-
ных давлений и чисел Л могут
иметь совершенно различные эпю-
ры. На рис, 4.99 в качестве
примера приведены эпюры пара-
метров газа в выходном сечении ка-
меры сгорания ГТД. Течение здесь до-
звуковое, и статическое давление
в сечении среза жаровой трубы постов
янно. При достаточном поджатии ка-
нала эпюра полных давлений pt при-
ближается к П-образной. Такой же ха-
рактер будет иметь эпюра чисел м.
Подбирая расход и глубину подвода вторичного .холодного воз-
духа, стремятся получить эпюру полных температур 7"*, подобную
показанной на схеме. Поскольку Г7 Г*, постольку эпюра Wt
будет напоминать эпюру Т*. Подобная же картина может наблю-
даться, например, на срезе сопла ПВРД или ТРДФ при несиммет-
ричном подводе к газу тепла.
Рассмотрим вопрос получения осредненных значений р* и Т'
в случае, когда эти параметры по сечению непостоянны (но р =
— const). Запишем расход газа через рассматриваемое сечение
как сумму расходов через элементарные площадки:
Q— pF ___С P‘IFi
У^ J У^У
После сокращения постоянных получим
& (*ср) 7 _ р у {}.;) dF
УУг 1 У У
(4.941
(4. 95)
Если из опыта известны поля и 7 t, то одного уравнения рас-
хода (4.94) недостаточно, чтобы найти 7Д или Х*р.
220
Используем дополнительно уравнение теплосодержания. Общее
тепло, переносимое газом, равно сумме тепла, переносимого струй-
ками газа через элементарные площадки сечения;
о
Gcp7^ = ^cpT*dG. (4.96)
о
После подстановки величин G и dG из уравнения (4.94)
* р *
С'1 ср) рЛр _
УетГр J Увт*
а после сокращения постоянных
=f у(\)Уг'</Р. (4.97)
о
Уравнение (4.97) имеет в левой части два неизвестных, но может
быть решено совместно с (4.95). Исключив </(Аср), получим
(4.98)
ИСКЛЮЧИВ
У (\:р)».р
получим
(4.99)
По известным из опыта функциям A/=/i(r) и Т*=f2(r)можно
вычислить Г*р и р(>-ср), затем по таблицам найти ,,, по функ-
ции л (/.) и известному р вычислить Полученные осреднен-
ные значения 7'*р.э,р и /?ср.э.р будут удовлетворять уравнениям энер-
гии и расхода.
Полный импульс потока равен сумме импульсов элементарных
струек;
____________ о
^(Хср)УГ^=J z^VT'dG. (4.100)
о
Заменив G из (4.94), получим
ткРУ (Хср) (Хср) fa'p _ Г /пкр// (М pz (X,) /Ff <1Р
/btJ J V'bH
221
и после сокращения постоянных:
У(Mz(\Р) F= f
О
Если принять упрощение у(к) — с-}г, то мы придем к уравнениям
(4.91) и (4.92)?
Таким образом, одно уравнение количества движения позволяет
определить величину Л(;р и р‘р . если известны из опыта Ai=f(r)
или но не позволяет найти среднее значение температуры.
Полученные осредненные значения Х,ср.и и рСр.и будут удовлетво-
рять уравнениям импульса и расхода, так как последнее учиты-
вается в уравнении количества движения.
Лср.и ЛСр,И.р1 /'ср.И "срж.р*
Комбинация из уравнений количества движения (4. 100) н тепло-
содержания (4.96) не позволяет получить осредненных значений
температуры торможения и полного давления, которые удовлетво-
ряли бы только уравнениям (4. 100) и (4,96).
Из (4. 100) и (4.96) получим
г Охр)
Ут^
* 1 ср
G
рем/?-; ав
О__________
О
\y.dG
о
(4.101)
Исключение z(Xcp) из (4.100) и (4.101) приведет к уравнению
теплосодержания
о
* о
Исключение Гер приведет к выражению
о Г__________ та
j z (X,) у У rfG
О
G ~
j* T\dG
о
в котором в расход газа G входит Т* [см. уравнение (4.94)]. Та-
ким образом, из уравнений (4. 100) и (4.96) исключить Т* и найтн
А.ср.и.э не удается.
Осредненные различными способами коэффициенты скорости
могут значительно различаться численно в зависимости от того,
222
какую форму имеют исходные эпюры к и Т*. На рис. 4. 100 пока-
заны результаты расчета относительной разности
__ ^-ср.э.р — ^ср-и.р
Лср.э.р
я зависимости от отношения коэффициента скорости на оси
и у стенки круглого канала ЛоАст Для различных по форме эпюр
Рис. 4. 100. Зависимость относительного отклоне-
ния коэффициентов скоростей, полученных различ-
ными методами осреднения, от формы эпюр ?. и Г®
коэффициентов скоростей к и полных температур Т*. Характер про-
филя полной температуры оказывает меньшее влияние на осреднен-
ное значение Лср, чем исходный профиль к. При параболическом
профиле исходной эпюры к разности между осреднениями значе-
ниями к, определенные по уравнениям энергии и импульса, полу-
223
чаются большими, чем при эпюрах, очерченных ломаными ли-
ниями:
Различие в полных давлениях, подсчитанных по Хср.э.р и ?.(;р.и.р,
будет зависеть от того, какую долю составляет динамический напор
от статического давления, т. е. от величин Л. При малых X относи-
тельное отклонение в полных давлениях мало, при приближении X
к единице относительное отклонение в полных давлениях прибли-
жается к относительному отклонению в Л-
На практике пользуются «расходным» н «импульсным» спосо-
бами определения средней температуры за соплом камеры сгора-
ния или двигателя. Точность этих способов тем выше, чем больше
действительные эпюры Z. и Т* за соплом приближаются
к П-ооразным.
Кроме того, пользуются и более простыми методами осреднения,
например, среднеарифметическим осреднением температуры по из-
мерениям, произведенным в серединах равновеликих площадок,
на которые разбито исследуемое сечение. При имеющейся обычно
неравномерности поля % за камерами сгорания среднеарифметиче-
ская температура практически совпадает с 77рэр. При ожидании
больших неравномерностей полей следует оценить возможную
ошибку предварительным расчетом по приведенным выше фор-
мулам.
Рассмотренные соотношения для различных способов осредне-
ния относились к наиболее простому случаю, когда статическое
давление в исследуемом сечении одинаково. Если в осредняемом
потоке, помимо р* и Т*, по сечению изменяется и р, то для решения
задачи необходимо совместное решение трех независимых урав-
нений.
Конечные выражения получаются более громоздкими.
Глава V
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
§ 1 ОШИБКИ ВЫЧИСЛЕНИИ, СВЯЗАННЫЕ С ДЕЙСТВИЯМИ НАД
ПРИБЛИЖЕННЫМИ ЧИСЛАМИ
С действиями над приближенными числами приходится стал-
киваться как при расчете, так и при испытаниях двигателя.
В расчете параметров рабочего процесса двигателя используют
два вида величин: точные, которые указаны в конкретных заданиях
на проектирование (внешние условия среды, Г,*, скорость полета
и т. д.) и приближенные —опытные коэффициенты (ок.с, Одиф),
значение констант (ср, k. В), некоторые математические трансцен-
дентные числа (например, д = 3,14159
Во время испытаний двигателя большинство параметров рабо-
чего процесса определяются косвенными измерениями. Получаемые
из опыта численные значения физических величин являются при-
ближенными. При производстве вычислений с приближенными чис-
лами необходимо обязательно определять ошибку, которую они вно-
-сят в конечный итог расчета, Это позволяет оценить достоверность
полученных результатов, а также облегчить вычислительные ра-
боты, своевременно отбрасывая в результатах промежуточных дей-
ствий лишние, заведомо неточные, значащие цифры.
Напомним правила определения абсолютных и относительных
ошибок арифметических действий над приближенными числами.
Определим абсолютную ошибку суммы. Для этого сложим не-
сколько приближенных величин:
И1 + Sl) + M2±e2)4" • ± ‘я) =
= + А„+(Ч ±е2±.. ± 5„). (5.1)
Из уравнения (5. 1) можно определить абсолютную ошибку
суммы, если известны знаки абсолютных ошибок слагаемых.
Однако на практике знаки абсолютных ошибок известны далеко
не всегда. Поэтому при анализе ошибок предполагают самый небла-
гоприятный случай: все абсолютные ошибки имеют один и тот же
знак. Абсолютную ошибку, вычисленную в этом предположении,
8
217
225
называют предельной абсолютной ошибкой ЕпГ>-е и ею пользуются
в анализах и расчетах. Любая абсолютная ошибка суммы никогда
не превосходит предельной абсолютной ошибки.
Итак, предельная абсолютная ошибка суммы приближенных ве-
личин равняется сумме абсолютных значений абсолютных ошибок
слагаемых
епр='Ь2!е^- (5'2)
|'=1
Найдем относительную ошибку суммы. Для этого разделим
сумму абсолютных ошибок на сумму точных значений слагаемых
g i е1 i s2 i ... i £п
Аг -Н А + - -. + А„
Величину относительной ошибки можно определить, зная знаки
абсолютных ошибок слагаемых. Поэтому и здесь вводят понятие
о предельной относительной ошибке
g ___ । I ч I I ЕэI 4-... ч-1 епI
,1р-— Л,ЧЛ2 + ... + Лл ’
Оценить величину предельной относительной сшибки можно
следующим образом.
Заменим абсолютные ошибки произведением каждого слагае-
мого на абсолютное значение своей относительной ошибки:
g Al в] I 4- A Ai4-... 4- Al ?п|
А + Л24-... + Ап
Выделим из всех относительных ошибок слагаемых наиболь-
шую и наименьшую и подставим их значения в уравнение для
определения относительной ошибки:
g Аг | Чип I 4- А I Emtn I 4- ... 4- А I 5mtn I
₽ А 4- А 4- ...' + Ап
I + AI ^так I 4- ... 4- АП j |
р А 4" А 4- ... 4- А
После сокращения будем иметь
^*mtn ^пр <
т. е. предельная относительная ошибка суммы приближенных веди-
чин лежит в границах между наибольшей и наименьшей относи-
тельной ошибками слагаемых.
Для остальных арифметических действий величины предельных
абсолютных и относительных ошибок могут быть получены так же
легко, -как в только что разобранных случаях (табл. 5.1).
226
Таблица 5,1
Предельные абсолютные н относительные ошибки простейших функций
Вид функции
Предельная абсолютная
ошибка функции
Предельная относительная
ошибка функции
ff = •*! + х2+ — хп
У — — х2
У = Х1Х2
у = XjX2 . . . Х„
у = sin х
у — cos х
y=tgx
= ± (I Ч 1 + I с2 I)
гУ = ± (I Е1 I х2 *Н e2 I -И)
£у = £ (х2Х3 • • хп 1 е1 I +
+ X1X3 . ,. Х„ | Е2 | + ... . +
4- Х!Х2 . . . Xj_j • Л( + !... Хи| е/ [+
+ ... хгх2 ... хп-1 | ел I)
Е^ = £ &1 6 )
Еу = ±П^П-1]Н
1 — “1
eF = ± я х " | е ]
=± COS X] Б |
е =± Sin X I е |
y = ctgx
COS2 X
Id
Sin2 X
бу —± Ъх
'== Л0х
8,=±-^-6,
®у = ± Ctgx| е|
— ± tg х | s ]
2 [ в ]
^=±-4—-
sin 2х
2|е|
у s!n2x
Из таблицы следует, что наибольшую относительную ошибку
при арифметических действиях может дать вычитание приближен-
ных величин, близких друг к другу по абсолютному значению. По-
этому необходимо особенно тщательно подходить к выполнению
этого действия, предъявляя требование повышенной точности
к исходным для вычитания величинам.
В расчетах характеристик авиационных двигателей, их узлов
•и агрегатов приходится пользоваться формулами, в которых встре-
чаются не только арифметические, но и другие действия (например,
тригонометрические функции), а сами арифметические действия на-
ходятся в сложных сочетаниях, когда элементарные правила совер-
шенно непригодны.
8*
227
Для определения ошибок сложных зависимостей применяют
аппарат дифференциального исчисления. При этом следует пом-
нить, что он применим только для непрерывных функций, в чем
и необходимо убедиться для каждой функции перед началом
анализа.
Абсолютные ошибки применяемых в технических вычислениях
приближенных величин всегда достаточно малы по сравнению
с самими величинами. Поэтому в математической теории ошибок
абсолютные ошибки условно рассматриваются как бесконечно ма-
лые приращения аргументов, взятые со знаком плюс и минус,
а абсолютные ошибки функции — как бесконечно малые ее прира-
щения, вызванные бесконечно малыми приращениями (абсолют-
ными ошибками) ее аргументов.
Определим предельные абсолютные и относительные ошибки
функции. Для функции одного независимого переменного y~f(x)
связь между ошибкой функции и ошибкой аргумента можно запи-
сать в виде уравнения
y±dy=f(x±dx). (5.3)
Применим к правой части уравнения (5.3) формулу Тейлора;
y±dy=f(x)± dxf (х) ± f" (Л) ± /"' (л).
1 * Л I ‘2'0
Поскольку произведения малых величин являются величинами бо-
лее высоких порядков, то, согласно общим принципам приближен-
ных вычислений, при расчетах их можно не принимать во внима-
ние. Следовательно,
у ±dy=f{x) + dxf (х) или dy = ±dx-f (л),
откуда
пр ~ zxf (-*)- 4)
Таким образом, предельная абсолютная ошибка функции одного
независимого переменного равна произведению предельной абсо-
лютной ошибки аргумента и производной этой функции.
Найдем выражение для предельной относительной ошибки.
Для этого разделим обе части уравнения (5. 4) на у.
'D ИР | sxf' (*)
У У
Или
^ = +-^ = ^^-=</1п/(х). (5.^5)
у ~ 7W /(*) к t
Таким образом, предельная относительная ошибка функции одного
независимого переменного равна дифференциалу натурального
логарифма этой функции.
228
Рассмотрим функцию двух независимых переменных y=f(X]jc2).
Связь между ошибкой функции и ошибками аргументов запишется
в виде уравнения
y~rdy=f (х{ -Рdx^ x,,±dx2).
Применим формулу Тейлора к праной части уравнения, отбросив
бесконечно малые высших порядков и приведя подобные члены:
Л,= ±*-<«11^
Наибольшая ошибка получится тогда, когда оба слагаемых имеют
одинаковый знак
нр = ± f dxl 14- dx<i (5.6)
I cOy I dx2 )
Для определения предельной относительной ошибки функции двух
независимых переменных разделим правую часть равенства (5. 6)
на /(х,х2), а левую — на у и после несложных преобразований
получим
опр=±^1п/ (xrt2). (5.7)
Аналогично для функции нескольких независимых переменных:
г ± [ ?/^х2...хп) | df[x^...xn} dXi
р ( дхл | дх<2
+... + dXn ] (5 8)
и
. .х„). (5.9)
Предельная абсолютная ошибка функции нескольких независимых
переменных равна сумме абсолютных величин всех частных диф-
ференциалов этой функции. Предельная относительная ошибка
функции нескольких независимых переменных равна дифферен-
циалу натурального логарифма этой функции, причем следует
брать сумму абсолютных величин всех членов этого выражения.
В табл. о. 1 приведены формулы для вычисления предельных абсо-
лютных и относительных ошибок простейших функций.
Основываясь на общем правиле вычисления предельных ошибок
функции по предельным ошибкам ее аргументов, в общей теории
ошибок решают две основные задачи.
Первая, так называемая прямая задача теории ошибок заклю-
чается в вычислении ошибок функции, когда известны ошибки ее
аргументов и вид функциональной зависимости. Эта задача всегда
поддается решению, если функция непрерывная и логарифмируе-
мая. Прямая задача теории ошибок встречается лрн определении
предельной ошибки вычисления, а также при нахождении наилуч-
229
шего способа косвенного определения интересующей нас физиче-
ской величины. Дело в том, что одну и ту же величину иногда
можно определить различными независимыми эксперименталь-
ными методами, например, расход жидкости — дроссельными при-
борами, объемным, массовым и другими расходомерами. Сравни-
вая предельные ошибки каждого метода по ошибкам аргументов,
выбирают наилучший.
Вторая, так называемая обратная задача теории ошибок, заклю-
чается в вычислении ошибок аргументов, если известны ошибки
функции и вид функциональной зависимости. Решение подобной
задачи необходимо в тех случаях, когда нужно узнать, с какой точ-
ностью требуется измерять входящие в функциональную зависи-
мость величины, чтобы ошибка косвенного измерения не превосхо-
дила установленного заранее предела.
В общем виде обратная задача для нескольких независимых
аргументов решена быть нс может. Действительно, относительная
ошибка функции нескольких аргументов [см. уравнение (5.9)] вы-
ражается многочленом, в котором каждый член представляет со-
бой произведение относительной ошибки на некоторый коэффи-
циент:
5ПР — + («Ар + + • • - Hr «Ар
Одному и тому же значению б11р можно удовлетворить при различ-
ных значениях ошибок аргументов и коэффициентов при них. По-
ставленная задача является неопределенной. Однако при некото-
рых дополнительных предположениях она находит удовлетвори-
тельное решение. Одним из таких предположений является прин-
цип равных влияний, когда считается, что ошибки, вызванные
влиянием каждого аргумента, равны между собой:
«Ар-ri =«2^пр • = aAp-|rn — л Р • (5. 10)
Из равенства (5.10) можно получить п уравнений вида
из которых можно определить значения предельных относительных
ошибок аргументов.
Пример 1, Определить предельную относительную ошибку измерения уси-
лия месдоэон.
Решен ие. Формула дли определения усилия имеет вид Q=pF, где Q —из-
меряемое усилие; р —давление в месдозе; F — площадь месдозы.
Предельная относительная ошибка произведения двух переменных величин
(см. табл. 5. 1)
гв = ±(1»Р 1 + IM-
При использовании манометра класса точности 0,35 и рационально выбранных
пределах измерения будет не выше 0,5%. Площадь определяется по формуле
P=nd2/4, откуда
230
В расчетах: обычно полагают л=5,14 вместо 3,14159..., следовательно,
0,1)016 .
Определение линейных размеров в пределах 10ч-100 мм может быть выпол-
нено с точностью 6а=0,1%. Таким образом,
SF=± (0,051 % +2-0,1%) = ±0,251%;
»q=±(0.5% + 0,251 %) =±0,751%,
Пример 2. Определить предельную относительную ошибку измерения расхода
воздуха дроссельным прибором.
Решение. Формула Для определения расхода воздуха дроссельным при-
бором имеет вид
(7В = aiF |/ 2-—- Др.
Найдем выражение для предельной относительной ошибки измерения расхода:
6<?пр=± 1п °в =± +~ 6/, + — вг+ —
При правильно выбранных размерах дроссельного прибора и тщательном
выполнении предельные относительные ошибки величин а и « могут быть не выше
0,6—0,8%. Величины 6р и др принимаем такими же, как в примере 1:
8^=0,251%, 8,, = 0,5%.
Абсолютная предельная ошибка в определении газовой постоянной может
быть порядка 0,05. Отсюда, считая В = 287,4,
0,05’100
Абсолютная предельная ошибка в определении температуры среды может
быть ±0,5° С. Следовательно, для нормальных атмосферных условий
0,5
^=—100 =±0,174%.
Ошибка в определении перепада давления зависит от величины перепада. Пусть
Др=500 зьм. Предельную абсолютную погрешность при пользовании жидкостным
дифференциальным манометром можно принять 2 мм, тогда
2’100
!‘р=^Г“±,,'4ж'
Вычислим предельную относительную ошибку измерения расхода воздуха
с помощью дроссельного прибора:
0,8 + 0,8 + 0,251 + -у (+ 0,5 + 0,017 + 0,174 + 0,4) = ± 2,4%.
В(7пр~
Предельная ошибка получилась весьма большая. Ее величина в основном
зависит от точности определения коэффициентов расхода а и поправочного мно-
жителя на расширение е. Точность определения расхода может быть повышена
путем предварительной тарировки прибора.
231
Пример 3. Сравнить два метода определения мощности компрессора:
по уравнению теплосодержания Л'к = Gscp (^“^1) и по балансирному мо-
менту Л'н -- Л1бь» = QAnn/30.
Решение, Определим предельную относительную ошибку измерении мощ-
ности компрессора по уравнению теплосодержания:
Здесь =±2,4% (по результатам расчета в примере 2).
ср известно с точностью ±0,5->0,б%, Следовательно, Sc^ = ± 0,6%
Для вычисления 8, ж необходимо задаться температурами и пре-
V 2~Т1)
дельными абсолютными значениями ошибок измерения, Для компрессоров
ТРД можно принять 7^ =520° К; 7*я=:288аК, При тщательных измерениях
можно обеспечить определение температуры 7* с точностью ±3-:- ± 4°, а
7* —с точностью ± 1°.
(4+ 1)100
520 — 288
500
± — =±
232 х
2,16%.
(2,4 + 0,6-1-2,16) яи± 5%.
Мы получили очень большую ошибку, которая может даже возрасти при умень-
шении теплоиеренада на компрессоре (за счет увеличения И, *_ ). Точность
V2 l)
определения мощности компрессора по уравнению теплосодержания может быть
несколько повышена, например, путем дифференциального измерения разности
температур Г2—71( предварительной тщательной тарировки измерителя расхода
воздуха, однако даже при уменьшении ошибки вдвое точность метода все же
останется неудовлетворительной,
Определим предельную относительную ошибку измерения мощности ком-
прессора по балансирному моменту:
®>±(% + ^ + % + М.
Подсчет предельных относительных ошибок 5_ , 6Ь, приведен в примерах 1 и 2.
Для определения относительной ошибки измерения числа оборотов необхо-
димо задаться числом оборотов и оценить абсолютную точность его измерения.
Для ТРД я~6000-н15 000 об/мин, причем к„=20 об/мин. Пусть як=10 000 об/мин.
Тогда
и предельная относительная ошибка измерения мощности компрессора по балан-
сирному моменту
&' = ± (0,051+0,1+0,751 +0,20)=± 1,1%.
Сравнив предельные относительные ошибки и мы видим, что точность
метода определения мощности компрессора по балансирному моменту значительно
выше, чем по уравнению теплосодержания и может быть еще повышена при
применении более точных измерителей усилия.
232
§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СЛУЧАЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ К СЛУЧАЙНЫМ
ОШИБКАМ ИЗМЕРЕНИЯ. ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
Теория случайных ошибок основывается на теории случайных
явлений, так как случайные ошибки удовлетворяют основным тре-
бованиям этой теории. На основании уравнения Гаусса были ре-
шены практические задачи точности измерения *.
Вероятное значение измеряемой величины. Если произведено
п равноточных измерений одного и того же численного значения
физической величины X, то вероятным значением А этой физиче-
ской величины будет среднее арифметическое из п измерений:
(5.12)
п
где V А, — сумма величин, полученных в процессе измерения.
Среднее арифметическое не является точным значением иско-
мой величины, а обладает ошибкой
(5.13)
п
где У 5® — сумма квадратов отклонений каждого измерения от
среднего арифметического значения.
На рис. 5. 1 показана зависимость ошибки среднего арифметиче-
ского от количества проведенных равноточных измерений. Кривая
Рис. 5. 1. Зависимость ошибки среднего арифме-
тического от количества проведенных равноточных
измерений
* Выводы приводимых ниже уравнений изложены в книге К. П. Яков-
лева [28].
233
резко падает с ростам числа измерений до п— 10-4-12, после чего
спад ее становится весьма незначительным, Характер кривой
c = f(ri) позволяет сделать два вывода: во-первых, для получения
надежного среднего арифметического значения нет необходимости
делать больше 10—12 измерений *, и во-вторых, для получения
более точного значения измеряемой величины недостаточно только
увеличивать количество измерений, необходимо повышать точность
самого метода измерения.
Средняя квадратичная ошибка отдельного измерения. Средняя
квадратичная ошибка отдельного измерения
(5.14)
где 'V х’-сумма квадратов отклонений каждого измерения от
iTj истинного значения измеряемой величины.
Поскольку хг в процессе измерения нам неизвестны, так как неиз-
вестно точное значение измеряемой величины, то среднюю квадра-
тичную ошибку отдельного измерения выражают через отклонения
каждого измерения от среднего арифметического; -
(5.15)
Вероятная ошибка отдельного измерения. Вероятной ошибкой
отдельного измерения q называют такую ошибку, величина которой
делит все случайные ошибки данного ряда измерений на две рав-
ные по числу ошибок части, так что в одной части лежат ошибки
меньше р, а в другой — больше р. Вычисления дают зависимость q
от о в следующем виде:
2
о = 0,6745с — а,
4 3
(5. 16)
Средняя ошибка отдельного измерения. Средней ошибкой отдель-
ного измерения называют среднее арифметическое абсолютных
величин всех случайных ошибок из п измерений:
1 -н I 4-1 -^214- • • 4-1 хп] __________________________________________________ 1-1
(5.17)
* Эта особенность протекания зависимости с=/(/г) используется при назна-
чении количества двигателей (8—12 шт.) для проверки вновь устанавливаемого
ресурса.
234
Вычисления дают зависимость т] от сг в следующем виде:
1 f — •o=^0,8s. (5.18)
J/ л
Максимальная ошибка отдельного измерения. Максимальной
ошибкой отдельного измерения принято считать величину За, так
как из теории вероятности следует, что вероятность появления оши-
бок, больших Зег, составляет 0,0027, т. е. 2—3 ошибки на тысячу
равноточных измерений.
Практическое применение теории случайных погрешностей
сводится к следующему. Если интересующее нас значение физиче-
ской величины % измеряется многократно, то определяют среднее
арифметическое значение А из всех измерений, вычисляют среднюю
квадратичную ошибку с среднего арифметического (по формуле
5.13), а результат записывают в виде
Х = Д 4-0,6745г?, (5.19)
где 0,6745 с -— вероятная ошибка среднего арифметического.
Если измерение проводится однократно, то
A' = A(± 0,6745с, (5.20)
где а — средняя квадратичная ошибка отдельного измерения. Ве-
личина сг берется из предшествующих многократных измерений
данной физической величины или принимается как ’/э от предель-
ной погрешности. Часто пользуются вероятными относительными
погрешностями, которые вычисляются по ниже приведенным фор-
мулам (в %).
Вероятная относительная погрешность среднего арифмети-
ческого:
рс= 4- (),6745с 100. (5.21)
Л
Вероятная относительная погрешность единичного измерения:
. 0,6745я
о = 4- —---------- 100.
““ Ai
(5.22)
Пример 4. При измерении температуры воздуха за компрессором в одной
и той же точке на установившемся режиме получены следующие 7 значений тем-
ператур; 530, 535, 527, 520, 538, 525, 526’К.
Определить среднюю температуру и се вероятное отклонение от истинной.
Решение. Находим среднее арифметическое из 7 измерений:
_ , 10 4 15-|-7 + 0 4- 18 4-5 + 6 61
7ср = 520 + —--------? = 520 + __ = 52817о к
7
Далее расчет сводим в табл. 5. 2.
235
Таблица 5.2
№ по пор. 7,- = К 7"ср 7"i £2
1 530 —1,3 1,69
2 535 —6,3 39,69
3 527 + 1,7 2,89
4 520 +8,7 75,69
5 538 —9,3 86,49
6 525 +3,7 13,69
7 526 + 2,7 7,29
7ср = 528,7 “К; = 16,9; $ -227,43;
2 £+ = 16,8
0С ~ 0,6745с = ±1,57°
Окончательный результат после округления будет
7СР = 529^1,8' К.
§ 3. ВЕРОЯТНЫЕ ОШИБКИ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИИ
Найдем связь между вероятными погрешностями прямых из-
мерений и полученными с их помощью результатами косвенных
измерений.
Пусть искомая функция у зависит от т аргументов, причем изме-
рение каждого аргумента производилось п раз:
y=f(xlx2...xm\ (5.23)
Будем считать, как и в предыдущих случаях, бесконечно малые
приращения аргументов ошибками каждого аргумента, а беско-
нечно малое приращение функции — ее ошибкой.
y±dy=f(x-[ • -ХП!
Применим формулу Тейлора для каждого из п измерений. Отбра-
сывая бесконечно малые высших порядков, можем записать
у zb dyi = / (xtX2.. . х,Л') + (1хг i +
[ - - - xm) J, | j
236
Заменим бесконечно малые приращения соответствующими ошиб-
ками я используем равенство (5.23):
± (5,Л± ... ±
О?! 0*2
| д/ _-УОд) / _ \ ,
<?Лт ’ V-*'"'!’
dfC^x?... х„,) dj{х-.х^.. z„ ч , ,
Й«2 = ±---------------- (=jrj2^h -----"------- (exj2± - • • ±7
дх\ дх^
, {хх*! *т} I. \ .
— Тх VXmh'
ил т
.____I д/ {Х\х‘1 ут) /„ 1 I д/(-у]-у2 хт) I \ I I
s»n — пт: кЕхДя^: —— - ^jrJn дг • • -zb
OXi дх2
। (X|Xj . . . Хм) t\
— дх 1ЧЛ-
uxm )
Возведем все n. уравнений (5.24) в квадрат и сложим. При сло-
1=и
жении отбросим суммы произведений типа V стремя-
1=1
щиеся к нулю при увеличении я:
<-> й И п i —«
' х ч, =<У х +(£)2е <-.)?+
1=1 1=1 " i=i 1=1
Разделим обе части уравнения на произведение п(п—1). Частное
отделения суммы квадратов ошибок на произведение п(п—1) есть
квадрат средней квадратичной ошибки среднего арифметического
из п замеров. Следовательно, окончательная связь между вероят-
ными ошибками прямого измерения и полученного из них косвен-
ного измерения выразится равенством
= + Го2 + —+(—14 (5.25)
у \дхг/ 1 w2/ 2 TWJrm/
Легко видеть, что равенство (5.25) сохранится для вероятной
и средней погрешности, которые связаны со средней квадратичной
погрешностью зависимостью р = и r| — k'a, ио в него вместо о
пойдут соответственно q или ту
На практике при обработке результатов экспериментов чаше
всего встречаются с функциями, представляющими собой произве-
дение или сумму аргументов. Для этих частных случаев вид фор-
мулы, по которой определяется ошибка косвенного измерения, упро-
щается.
237
Если функция представляет собой произведение аргументов
u — kx't'-x'1* .. . x"m,
1 л т
то частные производные для нее:
— kn,-X^‘X^ . . . Х^-ХПГ\
л,- * 1 i mi
Заменив в формуле (о. 25) вероятную ошибку произведением отно-
сительной вероятной ошибки на ее аргумент можно опре-
делить вероятную относительную погрешность
n„ f ^П,х1П‘ ,.Л-2"т£)2х|
уу _____| J Xi 2 Л7 'М 1 ।
V I fe2jc2"*x|n’
J 2 гЦ
Ях^'х^...*2^
^х2л>х2я«.,..х^
Л2^х^...х2^
После сокращения получим окончательную формулу
Ofl=±"Krai fei)3 +«К£2)2+- W2- (5.26)
Для функций, представляющих собой сумму аргументов
у=ц1х1Д-агх2Х...+ягахи>
частные производные а формула для вычисления оши-
бок косвенных измерений будет иметь вид
т Г 1 2 , 2 2 I I 22
Qy V Л161 4“ а2С2“Г • •
(3.27)
Пример 5. Определить вероятную относительную ошибку измерения секунд-
ного расхода топлива объемным расходомером на установившемся режиме дви-
гателя. Данные об измерениях мерного объема, плотности и времени приведены
в табл, 5. 3. Секундный расход
(7 = — = qVt~*.
т
Решение 1. Вычислим вероятные ошибки измерения каждой величины.
Данные расчета средней квадратичной и вероятной ошибок одного измерения
и среднего арифметического приведены в табл. 5. 4, 5.5, 5. 6. Как видно из таб-
лиц, наибольшую вероятную ошибку в данном примере дает метод измерения
времени.
238
Гtig лица 5.3
Измеряемая величина Номер измерения
1 1 1 2 3 4 5 6 ' 7
Мерный объем V в <?л<3 10,57 10,54 10,53 10,54 10,55 10,56 10,56
Плотность Q в кг [дм3 0,794 0,793 0,796 0,797 0,795
Время расходования мерно- го объема т в сек 30,0 30,2 29,8 30,1 30,2 29,8
Таблица 5. 4
№ по пор. Vi дм3 5,= 7;-17ср 3
1 10,57 +0,02 4-10—*
2 10,54 —0,01 1-10—*
3 10,53 —0,02 4-10-4
4 10,54 —0,01 1-10-4
5 10,55 0 0
6 10,56 +0,01 1-10-4
7 10,56 +0,01 1-10-4
VC9 = 10,55 2 с+ =+ О,о4; 2^=-°»о4 У Е; = 12-10"4
7+4+34-4+5+64-6
ср = 10,5 + 0,01 - ~?т = 10,55 йлз;
12-10-4
—-— =± 0,0141 а.«з;
с
=± о ,(ю95 +«>
0,0095-100
&yr —i ш сс — 4-, 0>09%;
10,55
0,0141
е - ± -~7-- = ± 0,00535 дм3',
I '
есу=± 0,6745-0,00535 =± 0,0036 5.ИЗ;
0,0036-100
-±(M34%
239
Таблица 5j5
№ го пор* Ql кг/дм3 — Qi Sep 3
1 0,794 —0,001 Ь 10-6
2 0,793 —0,002 4-10-6
3 0,796 +0,001 1-10-6
4 0,797 +0,002 4-10-6
5 0,795 0
оср - 0,795 S <=—0,003; =+0,003 4+3+6+745 у 10-Ю-6
Ocj) =0,79 + 0,001- = 0,795 кг/й.и3; 10-10-е ± — ± 0,00158 кг/дм3', 0й=± 0,00106 кг/дм3\ . 0,00106-100 0,795 с0 = £ =± 0,000707 кг/дм3', QC^1= 0,6745-еу = ± 0,000475 кг/дм3; 0,000475-100 ^-± 0,795 ~±°-Об% Таблица 5.6
№ по Т,- “ ^cp
пор. сек 'l
1 29,9 —0,1 1-10-2
2 30,2 4~0 j 2 4-10-2
3 29,8 —0,2 4-10-2
4 30,1 +0.1 1-10—2
5 30,2 +0,2 4-10-2
6 29,8 —0,2 4-10-2
1ср—30,0 сек + d 1 + 11 II 1- 4-. 4ЛЛ llj- /4 >1 18-10-^
240
+2—2-1-1 + 2—2
Тср = 30 + 0,1 -------------=30,0 сек
Л’18-10-2
®t = ± 1 / -------= ±0,19 сек;
+ =±0,128 сек;
о.
0,128.100
---------=± О,43Ж;
30,0
0,19
с. = ± —т— = ± 0,0775 сек;
• ре
+т = ± 0,6745- Сх=± 0,0522 сек;
0,0522-100
ес- — i + =± о,174%
OU
2. По формуле (5.2G) подсчитаем вероятную относительную погрешность
определения секундного расхода топлива:
Qe0 = ± У+ ё?и+ <- О2 =± V0«М2+ 0,0342 + 0,1742«±<),19%.
Такая высокая точность получилась благодаря возможности многократного
намерения каждой величины, Если бы мы ограничились одним измерением, то
было бы необходимо подставить в формулу вероятные ошибки одного измерения
0q, Qr В этом случае точность определения расхода была бы значительно
хуже:
ес=± ]Лео + е|г + (—1)2е?=± /0,1342+ 9,092 + 0,432 = + о,46%.
§ 4. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Во время эксперимента производится регистрация величин,
которые необходимо знать как для контроля работы установки,
так и для определения параметров, являющихся целью испытания.
На современных стендах, которые эксплуатируются системати-
чески и на которых проводятся однотипные испытания, регистра-
ция и обработка результатов экспериментов полностью автомати-
зированы. Сигналы от датчиков в кодированном виде поступают
для обработки в вычислительную машину, настроенную на опреде-
ленную программу, а результаты обработки через определенное
(в пределах полминуты) время выдаются на стенд. По этим резуль-
татам принимается решение о дальнейшем ходе испытания, Часть
информации, которая не может быть быстро обработана или будет
необходима для последующего анализа (сопоставления с парамет-
рами других режимов, обработки совместно с результатами других
экспериментов), поступает в запоминающее устройство машины
и сохраняется.
Применение вычислительных машин особенно целесообразно
там, где имеется несколько экспериментальных стендов, обслужи-
241
ваемых единой энергетической установкой. При переключении
питания от одного стенда к другому счетно-вычислительная машина
также переключается на обслуживание очередного работающего
стенда, причем датчики и кодирующая система должны быть уста-
новлены на каждом стенде.
При отсутствии вычислительной машины регистрацию экспери-
ментальных параметров осуществляют, самописцами (самопишу-
щими потенциометрами, манометрами, осциллографами). Здесь
также целесообразно иметь центральную записывающую станцию,
к которой по мере необходимости подключаются исследуемые
объекты. Централизованное размещение регистрирующих приборов
позволяет лучше обслуживать их, а также устранять внешние по-
мехи (вибрации, шумы), мешающие нормальной работе.
На небольших и несистематически работающих стендах реги-
страцию экспериментальных величин также стараются макси-
мально автоматизировать, применяя переносные самописцы или
фотографируя показания приборов. Однако во всех случаях, как
при полной, так и при частичной автоматизации регистрации полу-
чаемых данных не исключена необходимость протокольной записи
показаний приборов и другой информации о ходе испытания. Веде-
ние протоколов требует от экспериментатора большой аккурат-
ности, точности и объективности. Нельзя «подправлять» или наспех
округлять показания приборов, если они отличаются от ожидаемых,
стирать неправильные или не вовремя сделанные записи, пользо-
ваться для протоколов случайными клочками бумаги. Неправиль-
ные записи должны быть аккуратно зачеркнуты, так чтобы можно
было разобрать ранее написанное, Каждый протокол должен иметь
дату, номер, записи об установке и испытуемом объекте, фамилию
и подпись экспериментатора, наименование и размерность регист-
рируемых величин. В протоколах должно отводиться место для
регистрации личных наблюдений, касающихся поведения уста-
новки, объекта испытания и приборов во время эксперимента. Эти
замечания помогают разобраться в причинах непредвиденных
отклонений результатов испытания.
Все протокольные записи можно разбить на две группы. В пер-
вую группу входят записи, позволяющие проверить режимы работы
установки и испытуемого объекта в процессе испытания. При иссле-
довании работы двигателя, например в аэродинамической трубе,
такими величинами будут температура и давление воздуха на входе
в трубу, давление в рабочей части, число оборотов двигателя,
температура газов за турбиной, расход и давление топлива, темпе-
ратура и давление масла, положение регулирующих узлов двига-
теля: клапанов перепуска, створок сопла. Кроме того, сюда отно-
сятся записи о времени работы на каждом режиме, о моментах сня-
тия экспериментальных точек, о неполадках в работе стендового
оборудования и двигателя] Все это отмечается в так называемом
«главном протоколе». Во второй группе записей регистрируются
242
такие величины, которые необходимы для последующей обработки
данных эксперимента. При испытании, например, камер сгорания
это будут величины, по которым определяются поля температур,
скоростей, концентрации топлива и продуктов сгорания в различ-
ных сечениях камеры, коэффициенты выделения тепла и потерь
полного давления.
Обработка опытных данных после проведения эксперимента
производится в два этапа. На первом этапе, во время так называе-
мой первичной обработки, условные показания приборов с помощью
тарировочных графиков и расчетных зависимостей переводятся
---'— при известном ходе зависимости;
----— при неизменном ходе зависимости
в численные значения физических величин. Если измерения прово-
дились многократно на каждом режиме, то вычисляются средние
арифметические значения и их вероятные отклонения от истинных.
Результаты прямых измерений используются для косвенного опре-
деления физических величин.
Первичная обработка обычно заканчивается построением гра-
-фиков изменения физических величин по сечениям, во времени или
по параметру, характеризующему режимы испытания (например,
зависимость тяги от числа оборотов). Графики строятся в удобном
для работы масштабе (обычно размером 203x288), причем при
делении осей абсцисс и ординат нужно соблюдать установленную
ГОСТом кратность шкал. Четко наносятся экспериментальные
точки, по которым или между которыми проводится кривая.
Особое внимание должно быть уделено выпадающим точкам.
Если нет сомнения, что экспериментальная зависимость протекает
плавно, то выпадающие точки считают промахами и убирают
нз рассмотрения (рис. 5.2, сплошная кривая) или для уточнения
проводят повторный эксперимент. Если ход экспериментальной
зависимости неизвестен, то кривая должна быть проведена через
все точки (см, рис. 5.2, пунктирная кривая).
Вторичная обработка опытных данных производится по ре-
зультатам первичной обработки с целью вычисления тех парамет-
243
ров исследуемого процесса, ради которых проводился эксперимент.
При снятии дроссельной характеристики двигателя это будут при-
веденные числа оборотов, тяга, удельный и часовой расходы топлива
и температура газов за турбиной, при снятии характеристики
камеры сгорания — коэффициенты избытка воздуха, выделения
тепла и потерь полного давления, определение температуры и коэф-
фициента выделения тепла по данным газового анализа и другим
каким-либо методам.
Во всех случаях вычисляются вероятные или средние квадра-
тичные ошибки вычисления параметров по использованным в обра-
ботке формулам. Конечные результаты не должны содержать недо-
стоверных значащих цифр.
П риложение
ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННОЙ
САНИТАРИИ НА УСТАНОВКАХ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ УЗЛОВ,
АГРЕГАТОВ И ПОЛНОРАЗМЕРНЫХ ВРД
Испытание ВРД и их узлов связано с повышенной пожарной
опасностью, производственной вредностью и возможностью трав-
матизма. Поэтому при проектировании установок, составлении про-
грамм и проведении опытов вопросам охраны труда и промышлен-
ной санитарии необходимо уделять большое внимание.
Производственная обстановка при испытаниях ВРД характе-
ризуется следующими особенностями:
а) высоким уровнем производственных шумов;
б) возможностью загазованности помещений продуктами сгора-
ния топлива и парами вредных веществ;
в) наличием емкостей, содержащих газы иод большим давле-
нием или при глубоком вакууме;
г) эксплуатацией грузоподъемных механизмов и транспортных
устройств;
д) пожарной опасностью, создаваемой топливам (в местах хра-
нения, на установках) и высокой температурой газов реактивной
струи;
е) большой кинетической энергией вращающихся деталей дви-
гателя (турбина, компрессор, редуктор, винты), осколки которых
в случае разрыва имеют большую пробивную способность;
ж) большой кинетической энергией входной и выходной струй:
газов двигателя.
а) Производственные шумы
При работе ВРД шум создают винты, редуктор, компрессор,
турбина, основная и форсажная камеры сгорания и струя газов,,
выходящая из реактивного сопла. Последние два источника
шума — самые интенсивные. Уровень шума вблизи работающего
двигателя достигает 135—НО дб. Его частотная характеристика
зависит от акустических свойств помещения и типа испытуемого
двигателя.
245
Шум вредно отражается па здоровье и работоспособность лю-
дей, длительное его воздействие может привести к глухоте.
Допустимые уровни производственного шума по нормам
СН245-—63 приведены в таблице.
Для измерения уровня шума и его частотных характеристик
применяют шумомеры различных типов, в частности переносный
шумомер инспекторского типа Ш-1 (вес 3 кг, диапазон измерения
от 55 до 140 дб).
Для борьбы с щумом всасывающие и выхлопные шахты снаб-
жают шумоглушащими устройствами, стены экспериментальных
боксов облицовывают звукопоглощающим материалом (акустиче-
ской штукатуркой, пористыми плитами, перфорированными кон-
струкциями). Испытательные стенды и станки устанавливают
на фундаменты, нс связанные с фундаментом здания, и снабжают
акустическими швами и амортизаторами, препятствующими пере-
даче вибраций на соседние помещения. Двери снаружи обивают
железными листами по войлоку или прокладывают между филен-
ками два слоя войлока, разделенные железным листом. Края две-
рей скашивают и обшивают резиной, чтобы они плотно прилегали
к дверной коробке. Плексигласовые или сталинитовые стекла
в смотровом окне кабины вставляют в 2—3 слоя па резиновых про-
кладках, а рамы не связывают между собой.
Для защиты работающих на установках от шума применяют
противошумы (устройства, закрывающие ушную раковину), укреп-
ляемые на голове с помощью летного шлема или специального
мягкого крепления. Противошумы значительно эффективнее защи-
щают органы слуха от шума, чем шлемофоны переговорного
устройства СПУ-2 (которыми часто оборудуются испытательные
установки), и ватные шарики, закладываемые в наружной слухо-
вой проход.
246
Чтобы шум не распространялся по территории завода и жилому
району, испытательные станции располагают с подветренной
по отношению к ним стороны и окружают шумозащигной зоной
радиусом не менее 100 л, в которой высаживают кустарники и де-
ревья с густой кроной.
б) Загазованность помещения продуктами сгорания топлива
Выхлопные газы двигателя не имеют постоянного химического
состава, который зависит от режима работы двигателя, сорта топ-
лива и масла. Однако в них всегда содержится азот, углекислый
газ и окись углерода. Наиболее опасна для здоровья окись угле-
рода СО, концентрация которого s воздухе допускается не свыше
0,03 мг/л. Попав через легкие в кровь, окись углерода соединяется
с гемоглобином, вытесняет кислород и вызывает кислородное голо-
дание. Кроме того, окись углерода оказывает непосредственное
отравляющее действие на центральную нервную систему. Длитель-
ное вдыхание окиси углерода в малых концентрациях может приве-
сти к хроническому отравлению, вызывающему головные боли,
головокружение, психические расстройства, апатию и раздражи-
тельность.
К парам вредных веществ, загрязняющих воздух испытатель-
ных станций, следует отнести в первую очередь пары бензина,
керосина и ртути*. Допустимая концентрация паров бензина и ке-
росина в воздухе — не более 0,3 мг/л; ртути — не более 0,01 мг/л.
Вдыхание воздуха, содержащего пары бензина и керосина в повы-
шенной концентрации, приводит к острым или хроническим отрав-
лениям (бензиновой пневмонии, раздражению слизистых оболочек
горла, носа, хрипоте, вплоть до потери голоса). Отравление парами
ртути вызывает стоматит. Возможно развитие малокровия, рас-
стройства центральной нервной системы, неполный паралич конеч-
ностей.
Эффективным мероприятием, уменьшающим загазованность
воздуха, является приточно-вытяжная вентиляция, которой обяза-
тельно оборудуются вес помещения испытательной станции и топ-
ливохранилища. Приемные патрубки вытяжной вентиляции распо-
лагают в нижней части помещений, так как большинство вредных
паров и газов тяжелее воздуха и их концентрация у пола значи-
тельно выше, чем на других уровнях помещения.
Чтобы исключить проникновение продуктов сгорания топлива
из бокса в кабину наблюдения через щели, все неплотности в Две-
рях, окнах и стенах, в том числе места прокладки магистралей
* Ртуть применяется в жидкостных манометрах, которыми измеряют давле-
ние ио воздушному тракту двигателя.
247
от измерительной аппаратуры и органов управления, должны быть
тщательно заделаны, а давление воздуха в кабине наблюдения
во время эксперимента — несколько превышать давление воздуха
в боксе. Последнее условие обычно удовлетворяется автоматически:
при испытаниях двигателя эжекция воздуха реактивной струей
создает разрежение в боксе.
В связи с тем что большая опасность для здоровья создается
даже при малых концентрациях паров ртути в воздухе, обращаться
с ртутью нужно очень осторожно, доверяя работу с ней только ква-
лифицированным рабочим, и после предварительного сантех-
инструктажа и проверки знании ими соответствующих инструкций.
Ртутные пьезометры, если они применяются на установках, должны
монтироваться на металлических эмалированных или окрашенных
масляной краской противнях в изолированных помещениях, пол
в которых покрывается линолеумом и делается с уклоном к сере-
дине, чтобы разлитая случайно ртуть нс скапливалась у плинту-
сов, а стекала в одно место, где ее легко собрать и удалить. Стеклян-
ные трубки с ртутью должны ограждаться защитными кожухами
из плексигласа. Поверхность ртути в пьезометрах заливается во-
дой, а трубки, соединяющиеся с атмосферой, объединяются в еди-
ный коллектор и выводятся из помещения наружу. Ремонтировать,
чистить ртутные пьезометры, сливать из них ртуть и заливать
ртутью разрешается только в специально оборудованном помеще-
нии с эффективно действующей вентиляцией.
Воздух помещений, в которых работают с ртутными приборами,
периодически проверяется на содержание паров ртути. Если кон-
центрация паров ртути выше допустимой, необходимо немедленно
прекратить работы и приступить к уборке и чистке помещения.
Производится очистка пола и стен с перестановкой мебели и всего
лабораторного оборудования. Щели и пазы, места стыков тща-
тельно шпаклюются и покрываются масляной краской. Внима-
тельно осматриваются траншеи. При обнаружении ртути, вкраплен-
ной в штукатурку, плитки пола, деревянные элементы установки,
соответствующие участки покрытий удаляются.
Очищенные поверхности промываются мыльной горячей водой
при помощи щеток, помещение проветривается в течение 5 дней
и производится контрольный анализ воздуха. Если перечисленные
мероприятия не дали должного эффекта, то удаляются еще боль-
шие участки покрытий, тщательно шпаклюются все щели, а поверх-
ности стен и оборудования вновь покрываются масляной кра-
ской.
Для обезвреживания металлической залежной ртути можно
применять 20%-ный водный раствор хлорного железа (FeCl3).
При перемешивании металлической ртути с водным раствором
хлорного железа (кистью, щеткой) капельки ртути превращаются
а мелкий серый порошок (ртутную чернь), который может быть
легко смыт струей воды или удален щеткой.
248
в) Особенности обслуживания емкостей, содержащих газы под
большим давлением или глубоким вакуумом
Все сосуды емкостью более 25 л, произведение емкости которых
(в литрах)'на рабочее давление (в атмосферах) более 200, должны
устанавливаться, обслуживаться и регистрироваться согласно
«Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, рабо-
тающих под давлением», утвержденным Госгортехнадзором СССР
17/XII—1956 г.
Такими сосудами являются установки, на которых испыты-
вается двигатель при повышенных давлениях воздуха на входе,
стационарные баллоны для сжатого воздуха на баллонных стан-
циях, обслуживающих аэродинамические трубы, и другие уста-
новки, теплообменники, трубопроводы большого диаметра, перенос-
ные баллоны под аммиак, кислород, сжатый воздух, углекислоту
и другие газы, находящие применение при испытании ВРД.
Перечисленные емкости до пуска в работу или после ремонта,
а также периодически, в установленные сроки подвергаются техни-
ческому освидетельствованию (внутреннему осмотру и гидравличе-
ским испытаниям) представителем Госгортехнадзора. После уста-
новки и регистрации сосуда на нем или па прикрепленной к нему
картонке, форматом не менее 200x150 мм наносят краской реги-
страционный помер, разрешенное давление и дату (месяц и год)
следующего освидетельствования.
Сосуды устанавливаются так, чтобы к ним был обеспечен сво-
бодный доступ для наружного и внутреннего осмотра. Запрещается
во время действия сосуда ремонтировать его или производить
какие-либо работы на его элементах, находящихся под давлением,
Работа сосуда должна быть прекращена, если истск срок очеред-
ного освидетельствования или выявлены дефекты, угрожающие
надежной и безопасной работе.
Термобарокамеры располагают на первых эгажах зданий
на расстоянии не менее 1 .и от стен. Они должны иметь люк аварий-
ного сброса давления, корпус и крепление люков рассчитываются
не только на абсолютный вакуум, но и на избыточное давление
не менее 3 ати с учетом температурных напряжений стенок термо-
барокамеры. Корпус обязательно заземляется. Расстояние между
стенками термобарокамеры и помещенным в ней стендом должно
быть не менее 0,8 щ.
Термобарокаморы, в которых при установке объекта испытания
могут находиться люди, оборудуются на видных местах световым
табло с кнопкой аварийной сирены, люком, открывающимся сна-
ружи и изнутри, а также приточно-вытяжной вентиляцией. Если
при испытании выделяются вредные и ядовитые газы, в конструк-
ции камеры должны быть предусмотрены специальные устройства
для определения их концентрации внутри камеры. Во время испы-
тания должен выдерживаться принцип парной работы: один из ра-
249
бочих производит испытания внутри камеры, а другой находится
вне камеры, наблюдая за его работой на случай оказания помощи.
г) Эксплуатация грузоподъемных механизмов и транспортных
устройств
На испытательную станцию двигатель и его агрегаты достав-
ляются на тележках, снабженных специальными ложементами.
Элементы конструкции тележки рассчитывают, исходя из трехкрат-
ного запаса прочности. Передние колеса тележки должны быть
управляемыми, платформа, рама и ложемент — иметь приспособ-
ления для закрепления груза. При перевозке двигателя или агре-
гатов рабочие размещаются сбоку или сзади тележки. Ширина
проездов Должна быть такой, чтобы с обеих сторон груза, установ-
ленного на тележке, оставалось расстояние не менее 400 мм.
Поднимают, перемещают и опускают двигатель и его агрегаты
при монтаже с помощью электротельфера. Электротельфер должен
быть испытан и иметь техническую документацию в соответствии
с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъем-
ных кранов», -утвержденными Госгортехнадзором СССР. Канаты,
тросы, цепи и стропы, а также вспомогательные приспособления
при них (серьги, скобы, крюки) испытываются двойной нагрузкой
не реже 2 раз п год.
Грузоподъемные механизмы должны быть оборудованы ограни-
чителем подъема груза и тормозным устройством, обеспечивающим
удержание груза в подвешенном состоянии на любой высоте.
Запрещается поднимать груз рывками, стоять под грузом,
оставлять его в подвешенном состоянии, подтаскивать грузы крю-
ком подъемного механизма при натяжепии троса под углом.
д) Требования противопожарной безопасности
На экспериментальных установках испытательных станций
и вблизи от них запрещается хранить топливо и масло в бочках,
бидонах и другой таре. Хранилища топлива располагаются не
ближе чем в 100 м от испытательной станции и не со стороны вы-
хлопа. Не разрешается сливать топливо и масло в канализацион-
ную систему, так как накопившиеся пары могут привести к взрыву
от случайного источника огня. Расходные топливные баки распола-
гаются вне станции в изолированном огнестойком помещении. За-
порные краны топливных магистралей размешаются внутри кабины
в доступном месте. На них наносят стрелки, отчетливо указываю-
щие положение «Закрыто», «Открыто» и направление движения
топлива. Предусматривается аварийный слив топлива из расход-
ных баков в подземные баки достаточной емкости, расположенные
не ближе чем в 5 м от здания. Около крана аварийного слива
делается надпись: «Открыть при аварии или пожаре».
250
Обтирочный материал собирают в металлические ящики с плот-
ными крышками и регулярно удаляют с установок, не допуская
большого его скопления.
Чтобы уменьшить температуру выхлопных газов, выбрасывае-
мых в атмосферу, в системе выхлопа обеспечивается достаточное
разбавление горячих газов холодным воздухом, подсасываемым
из помещения бокса или специальной шахты.
На стендах и в других производственных помещениях станции
должны быть установлены на видных местах сигнальные устрой-
ства для вызова пожарной команды и оборудованы противопожар-
ные посты со средствами пожаротушения: пенными или углекис-
лотными огнетушителями, сухим песком в ящиках, кошмой. На ра-
бочих местах вывешиваются противопожарные инструкции и
расписание действий членов испытательной бригады во время
пожара.
На территории испытательной станции рабочим и служащим-
запрешается:
— курить вне отведенных мест;
— работать с открытым огнем;
— производить сварку без специального разрешения;
— применять в работе инструменты, могущие дать искрение;
— пользоваться неисправной электропроводкой.
Эффективным средством пожаротушения являются углекислот-
ные и пеногопные установки, которыми оборудуются боксы. Очаги
небольшого пожара ликвидируются с помощью песка или кошмы,
которые набрасывают на источник огня, прекращая доступ воздуха
к очагу горения.
е) Защита от осколков вращающихся частей двигателя,
входной и реактивной струи газа
Для защиты персонала от попадания осколков вращающихся
частей двигателя в случае их разрыва кабины наблюдения жела-
тельно располагать спереди двигателя, а не сбоку. Если это
по каким-то причинам невозможно, то смотровое окно кабины рас-
полагают не в плоскости вращения турбины и компрессора и закры-
вают бронещитом, Стены бокса делают достаточно толстыми, чтобы
они могли защитить от осколков во время аварии.
Во избежание попадания людей во всасывающий трубопровод
и реактивную струю персоналу запрещается находиться у двига-
теля во время испытания, на всасывающий трубопровод двигателя
надевается предохранительная сетка, а зона около реактивного
сопла ограждается цепями, решеткой или предохранительной
сеткой.
251
ж) Мероприятия по технике безопасности, связанные
с обслуживанием двигателя на установке
Двигатель может транспортироваться на испытательную стан-
цию в упакованном виде или без упаковки. Если он упакован
в ящик, то на ящике должно быть указано, с какой стороны его
можно распаковывать и за какие элементы поднимать двигатель.
Монтаж двигателя на станке производится только исправным
инструментом в последовательности, указанной в технологической
документации предстоящего испытания. После монтажа весь
инструмент убирают, а смонтированный двигатель предъявляют
представителю ОТК.
Перед запуском двигателя механик установки производит тща-
тельный внешний осмотр двигателя и бокса и проверяет:
1) крепление двигателя к раме станка, крепление агрегатов
и датчиков приборов к двигателю;
2) герметичность топливо- и маслопроводов;
3) отсутствие в боксе посторонних предметов, могущих попасть
во всасывающий трубопровод;
4) наличие ограждений перед диффузором и у сопла двигателя
и покрытий на траншеях установки;
й) исправность противопожарных средств;
6) правильность положения тумблеров на пульте, наличие тра-
фареток, поясняющих их назначение, исправность рычагов и тяг
управления двигателем;
7) открытие жалюзи и заслонок входной и выходной шахт.
Испытание может быть начато только при наличии соответ-
ствующей инструкции, в которой указано, как должен вести себя
обслуживающий персонал при пожаре и угрожающих параметрах
двигателя.
Перед запуском дается звуковой сигнал, а перед входом на уста-
новку зажигается световое табло «Вход запрещен».
Запуск разрешается только при отсутствии людей около дви-
гателя.
При работе двигателя вход в бокс запрещается. Небольшие
неполадки устранять на работающем двигателе можно только
с разрешения ведущего испытания. При этом двигатель должен
работать на малом газе и на неизменном режиме. Запрещается
входить в плоскость вращения винтов ТВД.
Двигатель должен быть немедленно остановлен в процессе
испытания, если:
— упадет давление масла на входе в двигатель ниже допусти-
мого предела;
— обнаружатся течи в топливных или масляных магистралях;
• — резко упадут обороты двигателя;
— повысится давление в разгрузочной полости двигателя сверх
допустимого;
252
— перегрузки двигателя от вибраций превзойдут допустимый
предел;
— прекратится подача воды п гидротормоз при гидротормозных
испытаниях ТВД.
По окончании испытаний краны топливной, масляной и водяной
магистралей должны быть перекрыты, жалюзи и заслонки входной
и выходной шахт закрыты, тумблеры приведены в исходное поло-
жение. Запрещается покидать и опечатывать установку до полного
охлаждения двигателя и горячих трубопроводов.
Если в конпе испытаний предусматривается консервация дви-
гателя., то она осуществляется в соответствии с инструкцией по кон-
сервации реактивных двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, ГИТТЛ, 1951,
2. Акимов В. М., Некоторые вопросы испытания ВРД, изд. МАИ, 1964.
3. Арутюнов Э. О., Расчет и конструирование электроизмерительных при-
боров, Госэиергоиздат, 1956.
4. Бурьянов Б. П., Магнитоэлектрический осциллограф, Госэиергоиздат,
1952.
5. Герман Р„ Сверхзвуковые входные диффузоры, Физматгнз, 1960.
6. Горлин С. М., С лез нигер И. И. Аэромеханические измерения и при-
боры, изд. «Наука», 1964.
7. Г утер Р. С., О в ч и н с к и й Б. В., Элементы численного анализа и мате-
матической обработки результатов опытов. Физматгиз, 1962.
8. Г у х м а и А. А., Илюхин Н. В., Основы учения о теплообмене при тече-
нии газа с большой скоростью, Машгиз, 1951.
9. Дорофеев В. М„ Левин В Я., Испытания воздушно-реактивных дви-
гателей. Оборонгиз, 1961.
10. Евангулов Л. Б., Гидротормозной динамометр МАИ, Организация
контроля качества продукции, вып. 7, изд. ЦИТЭИНа, 1961.
11. Кац С. М, Балансирные динамометры для измерения вращающего
момента, Госэнсргоиздат, 1962.
12. Кондратьев Г. М., Тепловые измерения, Машгиз; 1957.
13, Малкин О. А., Трушин Ю. М., Термомагнитный индикатор кисло-
рода для экспресс-анализа продуктов сгорания, Оборонгиз, 1958.
14. Марков Н. И., Бакулев В. И., Расчет высотно-скоростных характе-
ристик турбореактивных двигателей, Оборонгиз, 1960.
15. Михайлов А. И.. Горбунов Г. М., Борисов В. В., К в а с ни-
ков Л. А., Марков Н. И., Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотур-
бинных двигателей, Оборонгиз, 1959.
16. Попов С, Г., Измерение воздушных потоков, ГИТТЛ, 1947.
17. Пешсхонов Н. Ф., Приборы для измерения давлений, температур и на-
правления потока в компрессорах, Оборонгиз, 1962.
18. Приборы для измерения температуры и их проверка, Инструктивные
материалы, Машгиз, 1960.
19. Преображенский В. П., Теплотехнические измерения и приборы,
Госэиергоиздат, 1953.
20. «Промышленная аэродинамика», № 12, Вентиляторы и воздуховоды,
Оборонпиз, 1959.
21. «Промышленная аэродинамика», № 14, Шумоглушение, Оборонгиз, 1959,
22. «Промышленная аэродинамика», № 19, Измерение воздушных потоков,
Оборонгиз, 1960,
23. Реактивные двигатели, под ред, Лавкастера О. Е., Воениздат, 1962.
24. Т у р и ч и н А. М., Электрические измерения иеэлектрических величин,
Госэнсргоиздат, 1959.
25. Тютюнов В. А., Испытания турбореактивных авиационных двигателей,
Оборонгиз, 1956.
26. Утямышев Р. И., Техника измерения скоростей вращения, Госэнерго-
издат, 1961.
27, Тиутов К. В., Хромотография, изд, АН СССР, 1962.
28. Яковлев К П., Математическая обработка результатов измерений,
ГИТТЛ, 1953.
254
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие . ,...................................................... 3
Глава I. Виды и назначение испытаний воздушно-реактивных двигателей 5
§ 1. Режимы, характеристики ВРД и классификация испытаний ... 5
§ 2. Исследовательские испытания............................... 7
§ 3. Доводочные испытания опытных образцов ВРД............... . 9
§ 4. Государственные испытания...................................,12
§ 5. Заводские испытания серийных ВРД............................ 13
§ 6. Методы установления ресурса и критерии эксплуатационной на-
дежности авиационных двигателей...........;...................22
Глава И. Испытательные станции и установки для испытания полнораз-
мерпых ВРД.......................................................... 25
§ I. Испытательные станции для заводских испытаний ГТД .... 25
§ 2. Испытательные станции для доводочных и специальных испы-
таний ГТД..........................................................35
§ 3. Наземные станции и стенды для испытания ВРД в высотных
условиях и оборудование для создания высотных условий ... 42
§ 4. Летающие лаборатории................................... . 48
§ 5. Испытательные станции Для доводочных и заводских испыта-
ний ТВД.......................................................50
§ 6. Испытательные станции для испытания ПВРД.....................54
Глава HI, Установки и стенды для испытания узлов я агрегатов ВРД . . 61
§ 1. Стенды и методы испытания компрессоров и турбин ТРД .... 61
§ 2. Стенды для продупкн дозвуковых и сверхзвуковых входных
устройств двигателей........................................ 73
§ 3. Стенды для испытания и некоторые вопросы методики исследова-
ния камер сгорания..............................................79
§ 4. Стенды для испытания сопел ВРД...............................91
Глава IV. Приборы и измерительная аппаратура испытательных станций
и стендов ............................................... . . . ; 96
§ 1. Общие сведения об измерениях и приборах......................96
§ 2, Измерение температуры.........................................ПО
§ 3. Измерение давления........................................135
§ 4. Измерение чисел М, X и вектора скорости......................154
§ 5. Методы и приборы для измерения расходов жидкости и газа 162
§ 6. Измерение скоростей и расходов газа при испытаниях ВРД . . . 172
§ 7, Измерение числа оборотов....................................178
§ 8. Измерение сил............................................182
§ 9. Измерение крутящего момента.................................188
§ 10, Регистрация быстроменяющихся величии.................... . 195
§11. Специальные методы и измерения . .......................... 200
§ 12. Осреднение параметров потоков . ,...........................215
255
Стр.
Глава V. Обработка экспериментальных данных.....................225
§ 1. Ошибки вычислений, связанные с действиями над приближенными
числами......................................................225
§ 2. Применение теории случайных явлений к случайным ошибкам
измерения. Показатели точности измерения.................233
§ 3, Вероятные ошибки косвенных измерений ..................236
§ 4. Общие замечания по регистрации и обработке результатов экс-
перимента ...................................................241
Приложение. Основные мероприятия по охране труда и промышленной
санитарии на установках для испытания узлов, агрегатов
и полноразмерных ВРД ...................................... , , 245
Литература......................................................254
Георгий Михайлович Горбунов
Энгель Леонтьевич Солохин
ИСПЫТАНИИ АВИАЦИОННЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Редактор Н. П. Колосова Техн, редактор В. И. Орешкина
Художник В. И. Семячкин Корректор В. Е, Влохина
Т--О2451 Сдано в набор 25/Г 1967 г. Подписано в печать 31/V 1967 Г-
Формат бумаги бОХЭОЧч^Печ. л. 16,0 Уч.-изд, л. 15,56
Бум. л. 8,0 Бумага № 1 Тираж 7000 экз. Заказ 217/1929
Цена 73 коп, Тем. план 1S67 г. Ns 5
Издательство «Машиностроение'. Москва. Б-66. 1-6 Басманный пер., 3
Типография № 8 Глявполнграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Хохловский пер.. 7