Стенд для испытаний камер пульсиртующего горения

(1 О) ( н 5)5 6 01 М 15/О ГОСУДАРСТВЕННЫИПО ИЗОБРЕТЕНИЯЛПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИ ЕТЕН 2 ко МЕР О ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРМ 666459, кл, 6 01 М 15/00, 1976., (54) СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ(57) Использование: при испытании камер пульсирующего горения в энергетике, химической и строительной отраслях промышленности. Сущность изобретения; стенд содержит дополнительную платформу 1, размещенную над подвижной платформой 3, установленную с воэможностью поперечного перемещения и имеющую дополнительный датчик 6 измерения реактивной силы, при этом датчики 4 и 6 выполнены пьезоэлектрическими, 5 ил,30 тивного двигателя (авт,св. М ббб 45940кл. 6 01 М 15/00, 1976Это устройство позволяет измерять реактивную силу с помощь 1 о динамометрической подвижной платформы, соединенной силопередающими тягами с неподвижной платформой.К особенностям работы КПГ относится: 1. Импульсы реактивных сил переменны во времени.2. Наличие двух импульсов: из аэродинамического клапана и резонансной трубы, которые в наиболее распространенных конструкциях направлены перпендикулярнодруг другу,Зти особенности определяют следующие,недостатки прототипа; невозможность измерения реактивных сил, действующих на аэродинамический клапан; невозможность измерения частотно-импульсных характеристик; невозможность разделения Изобретение относится к устройствам измерений частотно-импульсных характеристик и выхлопа газового потока и может найти широкое применение при испытаниях камер пульсирующего горения (КПГ), используемых в химической промышленности, и в других промышленных теплоиспользующих установках с пульсирующим горением, например в теплоэнергетике, строительной промышленности,. коммунальном хозяйстве, в сельскохозяйственном производстве,Известно устройство для измерения частоты и амплитуды давления газового потока Накоряков В,ЕБурдуков А.П., Болдырев А,МЧерняев П.Н. Тепло- и массообмен в звуковом поле. Новосибирск, 1970, с,239), в котором корпус из нержавеющей стали изготавливается разъемным с целью размещения на его внутренней поверхности датчиков давления, Недостатком устройства является измерение частотно- импульсных характеристик с помощью датчиков, расположенных только на внутренней поверхности корпуса КПГ, невозможность измерения реактивных сил, действующих на резонансную трубу и аэродинамический клапан, невозможность разделения колебательных импульсов из аэродинамического клапана и резонансной трубыи определения сдвига фаз в резонансной трубе и аэродинамическом клапане. К недостаткам этого устройства относится необходимость изготовления специального разъемного корпуса, а также невозможность измерения параметров, перечисленных выше.За прототип принято устройстводля из-. мерения реактивной сйлы тяги реак 5 10 15 20 25 колебательных импульсов из аэродинамического клапана. и резонансной трубы и сдвига фаз в резонансной трубе и аэродинамическом клапане, вследствие отсутствия платформы, имеющей степень подвижности поперек продольной оси установки, отсутствие датчиков для измерения частоты и амплитуды колебаний давления газа.Целью изобретения является такая конструкция стенда (устройства), которая расширяет функциональные возможности испытания КПГ и повышает информативность измерительных приборов.Поставленная цель достигается тем, что в стенде для определения частотно-импульсных характеристик и реактивных сил камер пульсирующего горения, включающем определение реактивной силы Ер в резонансной трубе с помощью неподвижной и подвижной платформы, согласно изобретению, используют дополнительную подвижную опору, обеспечивающую перемещение в направлении, перпендикулярном резонансной трубе, с помощью пьезометрических датчиков снимают осциллограммы и по ним определяют реактивную силу Рк в аэродинамическом клапане, частоты колебаний в резонансной трубе м р, и аэродинамическом клапане Р и амплитуды колебаний импульсов в трубе Арт и клапане Ак, сдвиг фаз между колебаниями импульсов в резонансной трубе и аэродинамическом клапане, измеряют частоту пульсации давления газа в камере сгорания путем измерения колебаний импульса газа из резонансной трубы и аэродинамического клапана, отношение ЕтрГк = я, характеризующее качество работы КПГ.В стенде для испытания КПГ, содержащем неподвижну,о и подвижную в продольном направлении платформы с датчиками реактивной силы Грт из резонансной трубы на устройстве, согласно изобретению, дополнительно размещены подвижная платформа, обеспечивающая возможность поперечного перемещения и дополнительный датчик, закрепленный на этой платформе для измерения реактивной силы Р из аэродинамического клапана, причем датчики выполнены пьезометрическими и подключены для регистрации сигнала к осциллографу.При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с совокупностью отличительных признаков заявляемого,На фиг, 1 изобракен стенд для испытания камер пульсирующего горения; на фиг.2 - вид Б на фиг, 1 схема присоединения1774210 5 10 Арт = СртОрт,15 20 А= СО,25 30 35 40 Ерт = бпс/рт,пьезометрических датчиков 4 и 6 к осциллографу 14 марки С 1-64 А); на фиг, 3 - вид А на фиг. 1; на фиг, 4 - схема камеры пульсирующего горения и основных действующих сил.Предлагаемый стенд включает дополнительную подвижную платформу 1 (по оси аэродинамического клапана), вертикальную ось 2 вращения дополнительной подвижной платформы, среднюю подвижную платформу 3 (по оси резонансной трубы), датчик 4,воспринимающий усилия вдоль оси х(место установки), нижнбю неподвижную платформу 5, датчик 6,воспринимающий усилия вдоль оси у (место установки), упругую пластину 7, неподвижную опору 8 для восприятия усилий по оси х (соединена с нижней платформой), опору 9, соединенную с дополнительной подвижной платформой для передачи усилий вдоль оси у (т,е, реактивной силы газового потока иэ клапана); собственноо камеру 10 пульсирующего сгорания (топку), которая содержит аэродинамический клапан 11, камеру 12 пульсирующего сгорания (топку) и резонансную трубу 13,Стенд работает следующим образом.При определении частотно-импульсных характеристик и реактивных сил камеры 10 пульсирующего горения, включающей собственно камеру 12 пульсирующего сгорания(топку), измеряют реактивную силу Ерт в резонансной трубе 13 с. помощью неподвижной 5 и подвижной 3 платформ. Используют дополнительную подвижную платформу 1, которая перемещается по оси аэродинамического клапана 11 (имеющую вертикальную подвижную ось 2 вращения). Дополнительная подвижная платформа 1 обеспечивает перемещение в направлении, перпендикулярном резонансной трубе(вдоль оси у на фиг. 4), Для передачи усилия вдоль оси у, т,е. реактивной силы газового потока из аэродинамического клапана 11 смонтирована опора 9, соединенная с дополнительной подвижной платформой Усилия вдоль оси у воспринимаются пьезометрическим датчиком 6. Усилия от реактивной силы, возникающие вдоль резонансной трубы 13 (вдоль оси х на фиг. 4),воспринимаются с помощью пьезометрического датчика 4, закрепленного на платформе 3. Для 50 фиксации усилий вдоль оси х смонтирована неподвижная опора 8, соединенная с нижней неподвижной платформой 5. Подвижность дополните, ьной платформы 1 иплатформы 3 обеспечивается за счет упру гих пластин 7, Электрические импульсы от пьезометрических датчиков регистрируются двухлучевым осциллографом 14.Амплитуда колебаний давления газов в резонансной трубе Ар определяется зкспериментально по осциллограммам записиразности потенциалов на гранях пьезокристалла. воспринимающего усилия вдоль осих: где Арт - амплитуда колебаний давления газов в резонансной трубе, Н/м;Орт- осрпдненное значение из и опытов максимальной разности потенциалов на гранях пьезокристалла, установленного для измерения амплитуды колебаний в резонансной трубе (вдоль оси х), В;Срт - коэффициент пропорциональности, Н/м В.Амплитуда колебаний давления газов в аэродинамическом клапане А определяется экспериментально по осциллограммам записи разности потенциала на гранях пьезокристалла, воспринимающего усилие вдоль оси у: где А - амплитуда колебания давления газов в аэродинамическом клапане, Н/м;О - осредненное значение из п опытовмаксимальной разности потенциалов награнях пьезокристалла, установленного дляизмерения амплитуды колебаний в аэродинамическом клапане (вдоль оси у), В;С - коэффициент пропорциональности, Н/мВ,Сдвиг фаз колебательных импульсовмежду резонансной трубой и клапаном определяется путем сравнения осциллограмм,характеризующих их работу.Импульс реактивной силы истечения Ер,продуктов сгорания из резонансной трубыопределяется экспериментально на основеформулы где Ррт - импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания иэ резонансной трубы, Н;Опс - расход продуктов сгорания через резонансную трубу в выходном сечении, кг/с;Чрт - средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы в выходном сечении, м/с.Средняя скорость Чрт продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы определяется экспериментально с помощью трубки Пито-Прандтля по формулеЧр = ф(2 Ь Р ) р пс.где Чрт - средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, м/с;р - тарировочный коэффициент трубки Пито, р= ОЯ 5,Л Р - средний из и измерений перепад давлений на микроманометр, Па;р,; - плотность продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, кг/м,Величина плотности газов р пс вычисляется по уравнению состояния идеального газарпс = Р/(В Тпс),где Р - среднее давление в резонансной трубе, Па, принято приближенно Р = 1,013 10 Па;Й - удельная газовая постоянная, принято приближенно В = 287 Дж/(кгК);Тпс - температура продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, К(величина Тпс определяется экспериментально с помощью термопары).Расход продуктов сгорания бпс на выходе из резонансной трубы определяется по формулеОпс = Чрт р всрт,где рт - площадь поперечного сечения резонансной трубы,м (1 рт вычисляется после2измерения внутреннего диаметра резонансной трубы).После экспериментального определения и вычисления исходных данных отыскиваем импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания Ерт из резонансной трубы по формуле (1).Импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания из аэродинамического клапана вычисляется следующим образом. Поскольку через аэродинамический клапан чередуется проход воздуха из атмосферы и выброс продуктов сгорания из камеры в противоположном направлении за счет колебательных движений в камере сгорания с частотой примерно 50 Герц, то прямое определение скорости потока газов в клапане затруднено. Поэтому импульс реактивной силы истечения продуктов сгорания из клапана определяется по формулегде Ек - среднее значение реактивной силы, действующей на аэродинамический клапан (вдоль оси у), Н,Ок - среднее значение из и опытов раз ности потенциалов на гранях пьезокристалла, воспринимающего усилие вдоль оси у, В; Ок - определяется по осциллограмме;К - пьезометрический модуль, Н/В;, Пьезометрический модуль К находим на 10 основе адекватности пьезоэлектрическихдатчиков в резонансной трубе и аэродинамическом клапане и на экспериментально установленной ранее величине реактивной силы, действующей на резонансную трубу, 15 т.е. исходя из формулы Грт = Орт К,откуда20 К = Ерт/Орт, (3)(4) с = Ерт/Ек45 где Ерт, Ек - импульсы реактивной силы истечения газов из резонансной трубы и клапана, Н,соответственно.50 Величины Ерт и Е, определяются по формулам (1) и (2), Из отношения (4) следует, что чем больше е, тем большая часть энергии газов проходит через резонансную трубу и тем меньше энергии уходит бесполезно в55 аэродинамический клапан. В предельном случае, при использовании механического клапана, когда Чх = О, а значит и Ех = О, величина я -+ со,где Ерт - среднее значение реактивной силы, действующей на резонансную трубу 25 (вдоль оси х), Н;Орт - осредненное значение из и опытовразности потенциалов на гранях пьезокристалла, воспринимающего усилия вдоль оси х,В,30 После экспериментального определения Ок и вычисления К по (3) вычисляем Ех по формуле (2).Определение коэффициента а, характеризующего качество работы конструкции 35 аэродинамического клапана, выполняетсяна основе следующих предпосылок, Эффективность оаботы аэродинамического клапана (так называемый "вентильный эффект") зависит от отношения энергии потока и га зов, проходящих через резонансную трубу кэнергии потока газов, проходящих через клапан, т,е,:Для проверки работоспособности предлагаемого стенда приведем следующиепримеры;Выполнена серия экспериментов с камерой пульсирующего горения, оснащенную резонансной трубой диаметром брт =0,125 м и длиной 1 = 2,5 м, аэродинамическим клапаном с диаметром бк = 0,062 м идлиной к = 0,4 м,П р и м е р 1. Эксперименты выполнялись при давлении дизельного топлива перед форсункой Рф = 0,2 МПа,1. С помощью трубки Пито-Прандтля определяем среднюю скорость продуктов сгорания из резонансной трубы 15.Г -тЧр =РУ(2 ЛР У,30 Р пс = Р/(Й Гпс),где Р - среднее значение в резонансной трубе, Па; принято приближенно Р = 1,013 х х 10 Па; 35й - удельная газовая постоянная; приближенно й = 287 Дж/кгК;Ттс - температура продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, К.Для условий данного эксперимента пол учено: р пс = 0,3457 кг/м; Ь Р = 1064,8 Па;1 пс = 750 С. Отсюда= 66,714245 Чрт= 0,85м/с. 2. Определяем расход продуктов егорания через резонансную трубу;.0 = Чрт Р пс тртгде Опс - расход продуктов сгорания через 50резонансную трубу, кг/с;1 рт - площадь поперечного сечения резонансной трубы м,1 рт = ( Ю брт )/4 =(3,1416 0,125)/4 = =0,01227 м 2; 55Опс = 66,7142 0,3457 0,01227 = 0,2530кг/с. где Чрт - средняя скорость продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, м/с; 20у) - тарировочный коэффициент трубки Пито, р = 0,85;р пс - плотность продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, кг/м; .3,Л Р - перепад давлений на микромано метре, Па.Величина плотности газов р пс вычисляется по уравнению состояния идеального газа 3, Вычисляем импульс реактивной силы истечения поодуктов сгорания из резонансной трубыРрт = Опс Чрт = 0,283 66,7142 = 18,880 Н.4, Определяем экспериментально амплитуду колебаний импульса реактивной силы из резонансной трубы по осциллограммеОрт =(Орт)/и,где Орт - осредненное значение из и опытов разности потенциалов на гранях пьезокристалла;установленного для измерения амплитуды колебаний импульсов сил резонансной трубы, В;(Орт) - текущее значение разности потенциалов на гранях пьезокристалла, пропорциональное мгновенной реактивной силе, В.В опытах получено Орт = 22 В,5. На основе формулы Ррт = Орт К, определяющей мгновенное значение реактивной силы, с помощью пьезоэлектрических датчиков получаем для пьезоэлектрического модуляК = Ерт/Орт = 18,88/22 = 0,85818 Н/В.б. Снимаем осциллограмму импульса силы из клапана, Для записи осциллограммы используется датчик, адекватный датчику импульса резонансной трубы. По осциллограмме определяем максимальную амплитуду импульса силы из клапана, выраженную через разность потенциаловОк=9 В7. Исходя из адекватности пьезоэлектрических датчиков импульсов трубы и клапана, а также из вычисленного по данным резонансной трубы пьезометрического модуля К, находим импульс силы из клапанаРк = К Ок = 0,85818 9 = 7,7236 Н8, Вычисляем коэффициент эффективности работы конструкции аэродинамического клапанаЯ =- Ерт/Рк = 18,88/7,7236 = 2.4444,П р и м е р ы 2, 3, 4. Результаты экспериментов для конструкции КПГ, указанной в примере 1, но при других исходных данных и результаты их обработки, представлены в таблице, где приняты следующие дополнительные обозначения:брт - расход дизельного топлива, кг/с;бд - действительный расход воздуха,кг/с;и рт - частота колебаний импульса резонансной трубы. 1/с.П р и м е р 5, В серии опытов с камеройпульсирующего горения, снабженной резонансной трубой брт = 0,106 м, длиной рт =2,85 м с аэродинамическим клапаном диаметром б = 0,096 м и длиной 1 к = 0,4 мполучено среднее соотношение Ррт/Р =1,23.П р и м е р 6. В серии опытов с КПГ,имеющей те же исходные данные, что и впримере 5, но с удлиненной резонанснойтрубой (путем. присоединения насадки длиной 0,5 м и внутренним диаметром 0,098 м)получено среднее отношение Ррт/Р = 2,5.П р и м е р 7, В серии опытов с КПГ,оснащенной резонансной трубой брт=0,125м, 1 рт = 2,5 м, с клапаном д = 0,096 м идлиной к = 0,4 м, получено среднее отношение Ррт/Р = 1,32.П р и м е р 8, В серии опытов с теми жеисходными данными, что и в примере 7, носо ступенчатым клапаном б = 0,096/0,08 м,получено среднее значение Ррт/Р = 2,96,П р и м е р 9. Была использована, крометого, работа клапана особой конструкции,на котором получено соотношение грт/т. =3,266.Анализ проведенных примеров показывает, что с помощью предлагаемого стендаможно получить информацию о совершенстве конструкции исследуемых КПГ. Существующие устройства определенияпараметров работы КПГ не позволяют получить подобную информацию,Исследования с помощью заявляемогоустройства позволили выявить неизвестныеранее факторы в работе КПГ. Частоты импульса газа из резонансной трубыи клапанамогут не совпадать. Так, например, в опытахк экспериментальной КПГ, имеющей резонансную трубу дрт = 0,106 м и рт = 2 85 м ипри клапане б = 0,096 м,= 0,4 м придавлении перед топливной форсункой Рф =0,5 УПа, частота пульсации импульса газаиз резонансной трубы ирт= 50 Гц, а изклапана - и = 110 Гц, При увеличении расхода топлива, т.е, при Рф = 0,6 МПа, получено урт= 200 Гц и у = бб,б ГцС помощью предлагаемого стенда былподтвержден теоретически известный факт,показывающий, что наиболее устойчиваяработа КПГ в резонансном режиме будетнаблюдаться в том случае, если пульсацииподвода топлива и воздуха находятся в противофазе с колебаниями давления в камересгорания, 30 35 40 45 50 5 1015 2025 Выполненные авторами эксперименты показали, что при брт = 0,125 м, 1 рт = 2,5 м, б = 0,096 м и 1 = 0,4 м наблюдается устойчивая работа КПГ в широком. диапазоне изменения расхода топлива (Рф = 0,20.6 МПа и выше),При этих условиях частота колебаний импульса газа из трубы и клапана во всех случаях одинакова ( м= 66,662,5 Гц), а колебания реактивного импульса из камерыи трубы находятся в противофазе с небольшим сдвигом,Для примера в таблице приводятся более подробные данные по исследованию работы КПГ на заявляемом устройстве с резонансной трубой брт = 0 125 м рт = 2,5 м и аэродинамическим клапаном б = 0,062 м.Предлагаемый стенд по сравнению с прототипом (базовым стендом) имеет следующие преимущества: значительное расширение функциональных возможностейи информативности имеющихся приборов, выражающихся в определении коэффициента е, характеризующего эффективность работы КПГ без использования специалького прибора, определении реактивной силы в аэродинамическом клапане, частоты колебаний и амплитуды колебаний в резонансной трубе и аэродинамическом клапане без нарушения целостности последних, сдвига фаэ между колебаниями импульса из резонансной трубы и аэродинамического клапана.Кроме того, обработка результатов эксперимента на заявленном устройстве позволила также обнаружить явления в работе КПГ, которые не отмечались ранее в опубликованной литературе. В частности, было установлено, что при работе КПГ можно отметить следующие режимы:а) частота импульсов из клапана и резонансной трубы одинакова и колебания происходят в противофазе;б) частота импульсов из клапана может быть в два и более раз больше, чем из резонансной трубы;в) частота импульсов газа из резонансной трубы может быть в два и более раз выше, чем из клапана;г) частота импульсов из резонансной трубы и клапана одинакова и колебания совпадают по фазе. Анализ различных условий работы КПГ на основе предлагаемого устройства позво ляет сделать следующий важный для зксплуатации установки вывод: из всех указанных режимов наиболее неблагоприятным является режим "г", так как при нем наблюдается внезапное прекращение горения; к наиболее1774210 Результаты исследования КПГ с помощью предлагаемого стендаПродолжение т а б л и ц ы. эффективным относится режим "а", ибо при его достижении наблюдается устойчивое горение в большом диапазоне изменения расхода топлива,Таким образом, предлагаемый стенд для 5 испытания камер пульсирующего горения значительно информативнее известных и позволяет с помощью наибольшего числа измерительных приборов определить большое число параметров, характеризующих работу 10 камеры пульсирующего горения, что свидетельствует о достижении поставленной цели. Формула изобретения Стенд дя испытаний камер пульсирующего горения, содержащий неподвижную платформу и установленную над ней подвижную В продольном направлении платформу с датчиком измерения реактивной силы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с целью расширения функциональных возможностей, стенд содержит дополнительную платформу, размещенную над подвижной платформой, установленную с возможностью поперечного перемещения и имеющую дополнительный датчик измерения реактивной силы, при этом датчики выполнены пьезоэлектрическими.1774210 Вид А10Составитель В.Быченокедактор Техред ММоргентал Корректор Заказ 3921 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,