Датчик отношения давлений газа Советский патент 1988 года по МПК G01L15/00 

со

00 4 СО

00

4

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к системам регулирования и управления газотурбинными двигателями (ГТД).

Целью изобретения является повышение точности и экономичности.

На фиг.1 представлена схема датчика отношения давлений; на фиг.2 - схема подключения датчика отношения давлений.

Датчик содержит два струйно-акус- тических генератора 1 и 2 колебаний давления, вьшолненных в виде вихревых генераторов, содержащих тангенциальные сопла 3 и 4, камеры 5 и 6 закручивания, цилиндрические диффузоры 7, 8 и щелевые диффузоры 9, 10 соответственно, пьезоэлектрические преобразователи 11 и 12 колебаний давления в электрические импульсы, а также счетно-решающее устройство 13. Выход из щелевого диффузора 9 первого генератора 1 соединен с входом тангенциального сопла 4 генератора 2. Пьезоэлектрические преобразователи 11 и 12 подключены к щелевым диффузорам 9 и 10 соответственно, а выходы пьезоэлектрических преобразователей 11 и 12 электрически соединены со счетно-решающим устройством 13. Высокое давление Pj подводится к соплу 3 питания, а низкое давление Р - к выходу из ще левого диффузора 10. Датчик предназначен для измерени отношения давлений, превышающих критическое отношение давлений (1771,9).

Датчик отношения давлений газа работает следующим образом.

Под действием перепада давлений через генераторы 1 и 2 протекает газ При этом -в горле сопла 4 устанавливается критическое течение, так как площадь его проходного сечения меньш площади проходного сечения сопла 3. В результате вьш1е по потоку (в проточной части генератора 1) устанавливается стабилизированное течение, т.е. распределение локальных приве

денных скоростей

где

локальная скорость; а р - критическая скорость звука, остается неизменным и не зависит от отношения давлений на устройстве в целом. Напротив, ниже по потоку, т.е. в генераторе 2 течение не стабилизированное (для этого выходное отверстие щелевого диффузора 10 должно быть сущест

венно больше проходного сопла 4, конкретные значения проходного сечения выходного отверстия определяются диапазоном измерений). Распределение приведенной скорости в генераторе 2 зависит от отношения давлений на устройстве в целом. При протекании газа в обоих генераторах возбуждаются колебания давлений. Экспериментально установлено, что амплитуда колебаний максимальна в периферийной части щелевых диффузоров. Вследствие стабилизации течения в генераторе 1 частота колебаний давления в нем - f , зависящая от скорости течения, отображает только температуру газа ( зависит от температуры газа). В то же время частота колебаний давления в генераторе 2 - fj, зависящая от

скорости течения, отображает не только температуру газа (через а . ), но

КР

и отношение давлений. Колебания давления преобразуются в электрические колебания преобразователями 11 и 12, которые в счетно-решающем устройстве 13 преобразуются в выходной сигнал. Счетно-решающее устройство выполняет операцию деления частоты f на часто- ту f, в результате чего выходной сигнал

х const Jl

const const (Ю

зависит только от отношения давлений . I

В динамике датчик работает аналогично, с той лишь разницей, что его показания запаздывают относительно действительного мгновенного значения отношения давлений на величину, равную времени изменения давлений в проточной части датчика. Характерное время установления определяется объемом полостей датчика и расходом газа через него. Так как суммарный объем генераторов датчика невелик 1 -Ю м , а объемный расход газа составляет (3-5)10 м /с, то характерное время пневматического запаздывания составляет л/(0,2-0,3) 10 с. Это исключительно малая величина по сравнению с характерным временем переходных процессов в двигателе. Имеется также особенность работы в динамике, связанная с температурными

возмущениями -.датчик показывает верные значения отношения давлений только при одинаковых темнературах газа, заполняющего генераторы 1 и 2. Одна- ко при последовательном протекании газа через генераторы температурное возмущение может приводить к различию температур газа в генераторах, что связано с теплообменом между га- Q зом и стенками генератора. С целью уменьшения динамической погрешности, действующей в течение времени, определяемого теплоемкостью стенок генератора и коэффициентами теплоотдачи )5 от газа к стенкам, питание датчика осуществляется через достаточно длинный трубопровод (см, схему на фиг.2). Стенки этого трубопровода выполняют роль фильтра низких частот, благода- jO ря чему температурные возмущения сглаживаются из-за теплообмена между газом и стенками трубопровода и к входу в датчик поступают сколь угодно ослабленными. В реальной конструкции 5 этот трубопровод достаточно сделать длиной 300 мм при диаметре трубопровода 8 мм и толщине стенки 1 мм. Этот трубопровод может быть использован также и для того, чтобы осу- JQ ествить питание датчика воздухом при измерении отношения давлений на турбине (фиг.2). Воздух от компрессора по трубопроводу подводится к датчику, а его излишки сбрасываются через выравнивающую трубку в область перед турбиной, благодаря этому давлеие перед датчиком практически не отичается от давления перед турбиной, в то время как датчик питается воз- Q ухом, а не газами высокой темперауры. С одной стороны, повышается надежность работы датчиков (исключается воздействие высокотемпературного газа на конструкцию датчика), а, с «г ругой стороны, это благоприятно сказывается на точности измерений, так ак исключается влияние состава газа через отношение теплоемкостей Ср/С на распределение приведенных скоростей Лив конечном итоге на частоты (коэффициент скорости А зависит не только от отношения давлеий, но, и, хотя и слабо, от К

35

С р/Су) .

Если отношение давлений 1Г Р /Р, увеличивается, например, за счет по- вьщ1ения , увеличивается перепад давлений на датчике. Вследствие ста

Q )5 jO 5 JQ Q «г

35

5

билизации течения в генераторе 1 частота колебаний f давления в нем не зависит от отношения давлений на датчике, т.е. f const (при Т const). Частота колебаний давления в генераторе 2 зависит от отношения давлений на датчике. Увеличение перепада давлений приводит к увеличению частоты колебаний давления в генераторе 2, т.е. f., увеличивается. Отношение частот fj/f,, отображающее отношение давлений 11 Р /Р, , увеличивается. При уменьшении отношения давлё ний , , например за счет понижения Р, датчик работает аналогично, но противоположным образом.

Поставленные цели в предлагаемом устройстве достигаются следующим образом.

Повьш1ение точности обеспечивается использованием двух однотипных (вихревых) генераторов. Основным источником погрешности в датчиках отношения давлений на основе струйно- акустических генераторов, к которым относятся прототип и предлагаемое устройство, является изменение числа Рейнольдса Re, оценивающего влияние вязкости на рабочий процесс. В предлагаемом устройстве проточные части генераторов (камеры закручивания, цилиндрические и щелевые диффузоры) имеют идентичные размеры. Благодаря этому при последовательном включении генераторов, когда массовые расходы через них оказываются равными, значения чисел Re оказываются идентичными, влияние чисел Re на частоты f, и fn оказываются одинаковыми и при

образовании выходного X const ;f 1 полностью исключаются.

Действительно, из уравнения неразрывности имеем ,F , где

р, , PJ - плотности в сходственных сечениях генераторов 1 и 2; W , i скорости в сходственных сечениях генераторов 1 и 2; F, Fj - площади в сходственных сечениях генераторов 1 и 2. Вследствие идентичности генераторов F Fj , следовательно f, W, fiWj. Плотности тока, p W входят в

Pwd выражение числа Re , где d характерный размер; - коэффициент вязкости.

С учетом изложенного, .а также того- что lU, /U i вследствие равенства температур и d dj (сходственные размеры идентичны) имеем

Re

Re.

Таким образом, достижение точности в предлагаемом устройстве является следствием использования двух однотипных (вихревых) генераторов, работающих в гидродинамически подобных режимах (по числу Re) и имеющих одинаковую чувствительность к изменению параметров состояния (уровня абсолютных температур и давлений) и теплофизических свойств рабочего тела.

Установка второго струйно-акусти- ческого преобразователя и подключение его последовательно с первым струйно-акустическим преобразователе приводит к снижению расхода через датчик отношения давлений и, следовательно, повышает его экономичность.

Изобретение может найти применени в системах управления газотурбинными двигателями ГТД в системах регулиро- вания и управления механизацией компрессора, форсажной камерой, соплом, турбиной, а также в автоматах разгона, противоположных устройствах и т.п.

Формула изобретения

Датчик отношения давлений газа, содержащий первый струйно-акустический преобразователь давления, сопло питания которого соединено каналом с источником высокого давления, два пьезоэлектрических преобразователя колебаний давления и источник низкого давления, отличающий- с я тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и экономичности, он снабжен вторым струйно-акустическим преобр-азователем давления и вычислительным блоком, при этом оба струйно- акустических преобразователя давления выполнены в виде вихревых генераторов колебаний давления с тангенциальными соплами питания, камерами закручивания, цилиндрическими и щелевыми диффузорами, которые вьшолне- ны идентичными в обоих генераторах, выход из щелевого диффузора первого генератора соединен каналом с соплом питания второго генератора, а выход из щелевого диффузора второго генератора соединен каналом с источником низкого давления, причем пьезоэлектрические преобразователи установлены в периферийной части щелевых диффузоров генераторов и подключены к вычислительному блоку, при этом диаметры критических сечений сопл питания генераторов удовлетворяют соотношению Dt/-D,1, где D, и D j- диаметры критического сечения сопла питания соответственно первого и второго генераторов.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и экономичности. Для этого в устройстве используются два вихревых генератора, работающих в гидродинамически подобных режимах и имею1цих одинаковую чувствительность к изменению уровня абсолютных температур и давлений и теплофизических свойств тела. Установка второго струйно-акустического преобразователя и подключение его последовательно с первым приводят к снижению расхода через датчик отношения давлений и повыпают его экономичность. 2 ил. (Л

ф Х const-т- f

От компрессора высокого давления

Турбин

Фиг. 2