автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Автоматизация эксперимента при исследовании парокапельного потока в ступенях судовых турбин

санкт-петербургский государственный морской технический университет

ч

Сергей Яковлевич ^

ГАЛУШИН

УДК 621.165.002.5

На правах рукописи

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПАРОКАПЕЛЬНОГО ПОТОКА В СТУПЕНЯХ СУДОВЫХ. ТУРБИН

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Диссертационная работа выполнена на кафедре судовой автоматики и измерений Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Б. А. ПАВЛОВСКИИ

Научный консультант кандидат технических наук, доцент

Н. В. СЕМИДЕТНОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

в ауд. (<* на заседании специализированного совета Д 053.23.02 по присуждению ученых степеней доктора технических наук при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского морского технического университета.

Огзывы, 'заверенные печатью, просим направлять в адрес специализированного ученого совета.

В. Ф. СЫРОМЯТНИКОВ канд. техн. наук Л. А. ФЕЛЬДБЕРГ

Ведущая организация АО «Кировский завод».

Защита состоится

1994 г. в

ч.

Автореферат разослан

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор техн. наук, профессор Э. г. НАРЕЖНЫЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЁРЙСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Одной из основных народно-хозяйственных задач в области совершенствования судовых энергетических установок является увеличение ресурса их. работы. Применительно к главному судовому турбоагрегату одним из основных элементов, определяющих ресурс работы, являются рабочие лопатки, работающие в области влажного пара. Ресурс рабочих лопаток определяется их эрозийным износом под воздействием парокапельного потока в условиях высоких окружных скоростей. Для решения задачи прогнозирования эрозийного износа и, следовательно, гарантируемого ресурса работы, а также совершенствования конструкции влакнопаровой проточной части турбины, необходимо иметь возможность определения параметров парокапельного потока в различных сечениях по оси и радиусу проточной части:

- направления движения, скорости и пульсации скорости паровой среды, и водянной (капельной) среды для всего спектра размеров частиц;

- количественного соотношения между паровой и жидкостной' фазами;

- трансформации размера и скорости частиц жидкой фазы на протяжении пути в зазоре между неподвижными и вращающимися •рабочими аппаратами или влагоулавливавдими устройствами.

Изучение эрозийного износа для решения задачи установления ресурса работы лопаток турбин в настоящее время невозможно без привлечения экспериментальных методов исследования скорости и дисперсности потоков рабочей среды. Сложность и новизна экспериментального определения параметров двухфазного потока во влажнопаровой протонной части турбины не позволяет сразу ставить задачу охвата всех стадий исследования процесса, включая турбоагрегат в условиях эксплуатации. Поэтому представляется целесообразным проведение экспериментальных исследований в условиях специального моделирующего стенда, а затем уже переход на экспериментальную турбину и натурный турбоагрегат.

Традиционные методы и средства измерения скоростей и размеров движущихся частиц обладают существенными недостатками и

не позволяют, а в ряде случаев делают невозможным измерение скоростей и их пульсаций, размеров и концентрации движущихся частиц. Поэтому для, решения указанных задач представляется важным применение методов, основанных на ■ новых физических принципах, с частности на методах лазерной допплеровской и время - пролетной анемометрии, а также автоматизация экспериментальных исс следований.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы комплексного измерения скоростей, размеров и_концентрации частиц в двухфазных потоках.

Методы исследования. Основными методами исследования являются теоретические методы геометрической оптики и методы анализа случайных сигналов, а также экспериментальные, исследования с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработана методика измерения скоростей и размеров крупнодасперсных частиц применительно к время - пролетному анемометру;

- разработана методика идентификации время - пролетных' сигналов, несущих информацию о скорости и размерах частиц;

- .разработана методика определения энергетических вкладов пучков различных порядков;

Практическая ценность работы состоит в том, что разработка основных вопросов диссертации позволила:

- провести исследования взаимодействия сферических частиц с лазерным излучением;

создать экспериментальный стенд для комплексного измерения скоростей, размеров и концентрации частиц;

разработать программное обеспечение для расчета оптических характеристик исследуемой среды и функционирования автоматизированного . рабочего места исследования двухфазных потоков;

- разработать спецпроцессор время - пролетных сигналов;

- разработать генератор монодисперсных частиц;

- получить экспериментальные данные о распределении скоростей и размеров частиц в полидисперсной струе, воздействующей на исследуемый образец материала лопаток и в монодисперсной струе, создаваемой генератором частиц.

Внедрение результатов работы. Результата диссертации были использованы при исследовании эрозионной стойкости материалов турбинных лопаток в ПО "Кировский завод".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуящались на III Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" (Гродно, 1988г), на Всесоюзном семинаре "Оптические метода исследования потоков" (Новосибирск, Институт теплофизики СО АН СССР, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Применение лазеров в промышленности" (Ленинград, 1989 г.), на Всесоюзной конференции "Оптические метода измерений и способы обработки данных теплофизических и нейтронно-физических процессов в элементах 'энерготехники." (Севастополь, 1990 г.), на III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в науке и технике" (Иркутск, 1990 г.) _

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель исследования, описывается объект исследования, определяется необходимость экспериментального исследования размеров, скоростей и концентации частиц в двухфазных потоках,tа также автоматизация этого процесса.

В первой главе рассматриваются основные задачи и особенности исследования течений влажнопаровых и воздушных потоков в энергомашиностроении.

Особенность математического моделирования при исследовании процессов, происходящих в ступенях судовых влажнопаровых турбин, заключается в том, что в данном случае необходимо учитывать взаимодействие двух фаз рабочей среды, движущейся в каналах сложной формы. Кроме того, вследствие постепенного снижения

параметров пара происходит усиление процесса его конденсации и, следовательно, постоянное изменение соотношения жидкой и газообразной фаз. Поэтому, учитывая сложность и многомерность задачи, представляется целесообразным на первом этапе провести исследование упрощенной модели двухфазного потока.

Постановка экспериментальных исследований на вращающихся моделях опытных турбин или натурных установках требует проведения предварительных испытаний на статических установках. Объектом изучения на статических установках может быть любой элемент проточной части турбины.

Теоретические методы расчета дают возможность получить результаты только при ряде допущений и ограничений. Поэтому экспериментальные метода (физический эксперимент) при испытаниях турбомашш должны окончательно определить количественные и качественные характеристики проектируемых установок.

Такт образом, аэродинамический эксперимент в турбомашиносгроении направлен на решение следующих практических задач:

- оптимизация геометрии профиля турОинной решетки,

угла установки профиля в решетке, шага решетки;

- определение потерь ступени, а следовательно к.п.д.;

- уточнение модели вихревой структуры вторичных течений (вихревая нить на выходе из решетки, сход вихрей за кромкой лопатки);

- взаимодействие лопаточного .аппарата с рабочей средой (природа пограничного слоя у торцевой стенки, профиль пограничного слоя, области отрыва, уровни турбулентности в лопаточных каналах).

- изучение процесса возникновения и развития эрозии проточных частей турбин и способы снижения негативных воздействий влаги.

Как указывалось выше, одной из приоритетных задач является изучение процесса эрозии. Эрозия деталей паровых турбин представляет собой поверхностное изнашивание деталей под воздействием различных факторов, обусловленных механическим, химическим, электрическим, тепловым воздействием рабочего тела и его твердых и жидких включений.

Опыт эксплуатации паровых турбин показывает, что эрозийному

износу из элементов проточных частей турбин наиболее подвержены рабочие лопатки.

Основными процессами, приводящими к интенсивной эрозии деталей, омываемых паром, являются струйное изнашивание под воздействием струй и капельное изнашивание под действием удара капель. Процесс перехода паровой фазы в жидкую тесно связан с образованием поверхностей конденсации. Последними могут быть скопления молекул (зародыши), образующиеся в результате столкновения молекул пара при их хаотическом движении, а также капельки и посторонние частицы, находящиеся в потоке пара. В термодинамическом равновесии будут находится только те из них, которые имеют критический радиус г^. Капли с радиусом меньше критического будут окружены паром, который по отношению к ним не насыщен. Такие капли будут, естественно, испаряться. Капли -с радиусом больше критического будут находиться в среде перенасыщенного пара, и на их поверхности пар будет конденсироваться. Таким образом, капли ,с радиусом больше критического служат центрами конденсации, и растут, тогда как более мелкие капли исчезают. Число образующихся в единицу времени зародышевых капель определяется по формуле Я.И.Френкеля:

Г г Дтшг^Т „ р / <р" - <р'

I = п,» ехрГ--£Р1 * / ,1м-,

1 [ I зкТр кр ^

где г^ - число молекул в рассматриваемом количестве вещества; в* - число молекул в капле критического радиуса гкр; п^- масса молекулы; к - постоянная Больцмана; р и Тр - давление и температура пара; и Ф^ - химические потенциалы, отнесенные к одной молекуле паровой и жидкой фаз, <т - величина поверхностного натяжения.

Учитывая сложность строгого теоретического описания поведения частиц влаги в двухфазном потоке, возникает необходимость в практическом моделировании и экспериментальном исследовании вышеуказанных процессов на специальных стендах.

Для того, чтобы произвести комплексное исследование параметров двухфазного потока, необходимо использование методов, позволяющих одновременно измерять скорость и размер капель.

Контактные методы измерений скоростей (термоанемометр,

трубки Пито и др.) не удовлетворяют требованиям измерения в ступенях. Наибольший интерес представляют метода лазерной допплеровской и время-пролетной, анемометрии. Преимуществом данных методов является бесконтактность измерения, то есть не нарушается структура потока; малые размеры измерительного объема, откуда извлекается информация (100*100*300 мкм); малая инерционность; небольшая погрешность измерения; большой динамический диапзон измерений ( от миллиметров в секунду до нескольких сотен метров в. секунду ); линейная .градуировочная характеристика; возможность сопряжения с электронной аппаратурой обработки результатов измерений, так как выходной сигнал, несущий информацию, является электрическим. ' - ч '

Существующие в нестоящее время мето'ды дисперсионного анализа можно разделить на две больше группы: прямые и косвенные. Методы прямого измерения основащ^на непосредственном измерении размера Частиц исследуемой или моделирующей жидкости; Основным из них является метод улавливания капель. Эти методы требуют аспирации исследуемой среда из потока, что не позволяет их использовать на реальных установках. Косвенные методы основаны на измерении других параметров, связанных с размером частицы определенным образом. К косвенным методам относится седаментометрический метод, ряд электрических и оптических методов. Седаментометрический метод и электрические метода достаточно сложны в использовании и дают значительные погрешности при измерении. Оптические методы разделяются на одночастичные и интегрально-оптические.

Общим недостатком интегрально-оптических методов является то, что погрешность решения обратной задачи, то есть нахождение закона распределения частиц по .размерам, существенно зависит от выбора ядра решения, что требует априорного знания функции распределения в общем виде.. Кроме того, разработанные применительно к этим методам способы выделения информации о концентрации частиц дают результат с существенной погрешностью.

Одночастичные. метода основаны на анализе результата взаимодействия светового штока с одиночной частицей, попадающей в ограниченный участок пространства, называемый измерительным объемом. При этом величина объема выбирается так, что вероятность попадания в него более одной частицы невелика.

Результаты проведенных ксследований, позволяют предложить новый способ комплексного изкер^яик скоростей и размеров частиц, в схеме ЛДА - по фазовому сдвигу сигнала на зыходах двух фотоприемников, а в схеме ВПА - по временной . задержке. Исследования выполненные за рубежом, показали, что нижняя граница размеров частиц для этого метода составляет 5 мкм, а погрешность измерения диаметра сферической частицы при выполнении ряда условий может быть доведена до 2-5%. Предварительный анализ показывает, что время-пролетная схема имеет преимущества при измерении частиц диаметром более 100 мкм, а ДНА - при размерах капель в диапазоне 5... 100 мкм. В то же время разработка аппаратуры, реализующей эти методы, требует точной зависимости фазы или задержек в функции размера, так и выбора оптимального метода обработки сигнала.

Вопросы повышения ресурса рабочих лопаток (РЛ) турбин, работающих на влажном паре, не могут быть решены без экспериментальной проверки предлагаемых технических решений. Экспериментальная проверка в натурных условиях на действующей турбине, давая исчерпывающую информацию о ресурсе тех или иных способов защиты РЛ. обладает существенными недостатками: большая длительность эксперимента; высокая трудоемкость и стоимость изготовления опытных образцов - натурных РЛ; высокая трудоемкость и стоимость' установки и 'снятия опытных РЛ, связанная с переоблопачиванием части венца РЛ на действующей турбине; ограниченные возможности по вариантам испытаний, связанные с необходимостью обеспечения высокой надежности опытных РЛ; невозможность изменять и измерять параметры каплеударного нагружения материала РЛ в процессе испытаний.

Каплеударный стенд для проведения ускоренных -ресурсных испытаний позволяет по сравнению с условиями турбины получить существенный выигрыш во времени и в результате дает ряд лопаточных материалов и защитных покрытий, расположенных в зависимости от эрозионной стойкости. Поэтому на первом этапе исследования целесообразно использование каплеударного стенда, с целью проверки методов измерений и отработки аппаратуры. Полученный опыт позволит в будущем перейти ко 2-му этапу, т.е. перенести исследования на реальный объект - паровую экспериментальную и натурную'судовую турбину.

Во второй главе производится анализ структуры двухфазного потока, рассматриваются особенности расчета характеристик излучения, рассеянного большими частицами, а также дается анализ сигнала и показываются способы выделения информации о скорости и размере частицы.

Распад жидкой струи, движущейся в газовой среде (двухфазный поток), на отдельные частицы определяется многими факторами. При малых относительных скоростях движения распад струи происходит главным образом под действием капилярных сил, которые вызывают внутри ее возмущения. Рост и затухание колебаний обусловлены физическими свойствами струи, окружающей среды и режимными условиями вытекания жидкости из соплового отверстия. При возрастании колебаний амплитуда волн увеличивается, при этом устойчивость движения струи нарушается и она распадается на отдельные части.

Если скорость движения струи относительно воздуха значительно увеличить, то картина ее распада сильно изменяется. Вместо распада струи на сравнительно немногочисленные крупные капли наступает дробление ее на многочисленные мелкие частицы, размеры которых меняются в довольно широких пределах.

Теоретический анализ процесса распада струи в этом случае, основанный на работах Лышевского , позволил установить, что наиболее оптимальные условия распада струи будут тогда, когда отношение длины волны колебаня 1опт к диаметру струи й равно:

ОПТ ■ = /1~'тс /йх/и~' " -

йс Р1й с0"

где к = 3,14; ц и рл- соответственно динамический коэффициент вязкости и плотность струи; <г - коэффициент поверхностного натяжения; У - числовой-коэффициент, равный I для маловязких жидкостей (М<0,25), а для сильно вязких жидкостей (Ы>0,125) равен 3, - диаметр струи.

Согласно теории Релея, наибольшая неустойчивость, а, следовательно, и распад струи будут при максимальном значении частоты:

О) = —:-.

[1 + ЛГ ]

2

при с

опт /

/1 +

/Т /1 + /и"

где о - частота колебаний; с = к. 4/2; к - волновое число, связанное с длиной волны колебания 1 соотношением к = 2п/1.

Размеры капель, получающихся при таком распаде, можно определить, если считать, что капли образуются из части струи, .заключенной в объеме длины волны, соответствующей максимальной неустойчивости. Это предположение дает следующую формулу для определения максимального размера капель

к VI-* /¡Г

Расчет характеристик излучения, рассеянного большими частицами ( 1 » х, т.е. диаметр частицы существенно больше длины волны лазера ) можно реализовать на основании теории рассеяния Ми для частиц любых размеров. Но используя законы геометрической оптики для "больших" частщ, можно получить, достаточно точные количественные результаты, практически мало отличающиеся от расчетов по теории Ми,; при этом алгоритм вычислений оказывается существенно проще и экономичнее.

Рассмотрим асимптотические выражения для факторов эффективности поглощения и рассеяния. Полную энергию Ирас, рассеянную большим шаром, можно с хорошей точностью представить в виде суммы трех компонент - дифракционной, отраженной и Еышедшей (прошедшей сквозь частицу):

*рас= "даф + *отр + "пр 1

причем вышедшую энергию ' И^ можно в свою очередь разделить на сразу вышедаую компоненту, компоненту, вышедшую после одного внутреннего отражения и т.д.

= У 1Г™ ,

пр и пр, 3-Л=1

Отраженная нзруху энергия равна

"ПЗ

ТС/2

„г

"отр = ^яа2 | к<«±> С03 вШ й(}±'

где 11 - интенсивность падающего излучения; а - радиус шара; И -отражательная способность; у - угол падения пучка. Сечение отражения естественно определить соотношением

Согр = "отр / 11' поэтому фактор эффективности отражения равен

к/г

3отр = 2 | й(ы1) сов в1п е± йе^

о

Весь свет, проникающий в поглощающий шар достаточно большого размера (а« » I), должен поглотиться, таким образом, распространяться могут только отраженная и дифракционная компоненты. Дифракционное сечение рассеяния большого шара равно па2, поэтому можно ожидать, что предельное значение фактора эффективности рассеяния будет равно

Ига = 1 +

рас отр

если только И' О.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что:

11га епогл= 1 7 Остр .

х-»- «в

Физический смысл формулы прост: весь свет, падающий на шар и не отражающийся от него наружу, проникает внутрь и в конечном счете поглощается при условии, конечно, что мнимая часть показателя, преломления не равна нулю. Если существует поглощение (хотя бы и очень слабое), то в шаре достаточно большого радиуса а будет поглощен весь проникший в него свет.

При расчетах' пространственного распределения рассеяного излучения индикагриссу характеризуют коэффициентом передачи 6(7,

(у - поляризация, р - угол выхода луча из частицы), который показывает во сколько раз. интенсивность в данном направлении отличается от интенсивности изотропного рассеяния.

о

При практических расчетах определение G(>, обычно

осуществляется суммированием частных коэффициентов передачи производных пучков G(k)(7 , р±) для О < К < 10.

Расчеты вкладов для пучков различного порядка были выполнены на ЭВМ по специально разработанной программе. Анализировалось излучение, рассеянное частицами воды (показатель преломления ш = 1,33) в функции угла рассекия р при различной ориентации плоскости поляризации для частиц различного диаметра. Размер частиц в теории рассеяния принято характеризовать относительной величиной р = nd/л, где d - диаметр частицы, \ -длина волны излучения. На рис.1 приведены зависимости' доли энергии (энергетические вклады) рассеянной частицами воды в функции угла рассеяния для пучка первого порядка, вычисленные в соответствии с соотношением

G(k)

qk = -то- ЮО

lGoo

k=1

Из приведенных графиков следует, что при освещении частицы с р > 200 линейно' поляризованной волной, плоскость поляризации которой перпендикулярна плоскости рассеяния и наблюдения рассеянного излучения в направлении ¡з = 90...100° более 90% энегии вносится пучком первого порядка, то есть излучением отраженным частицей. Следовательно, с погрешностью 10% угловая плотность потока в точке наблюдения может быть вычислена в соответствии с формулой 2

i = i, —V- °п)

s i д Р2

где R - расстояние до точки наблюдения.

На рис.2 приведены аналогичные зависимости для пучка второго порядка. Как видно, в этом случае при плоскости поляризации, совпадающей с плоскостью падения лучей, этот эффект выражен наиболее ярко. Здесь уже начиная с р = 40 при р = 30...60° с такой же погрешностью имеем

т Т 42 G <2>

Энергетический вклад пучка 1-го порядка

q.% 100 80 60 40

20

Энергетический вклад пучка 2-го порядка

q,%;ioo

80 60

40

20

о 60 120 180 'JJ

РИС. 2

Г fl 1 1

...i » * !

» 1 If

1 I а б

q,%ioo 80 60 40 20

60

120

Y*

180'JÍ

РИС. 1

Л "ч щ

Я 1 f w ( "'V

** * I к'*

ьо

120

<S-¡f- 90*

180 У

О

г

(у' С к,

\ \

-Í-0- — -у=90* \ i

Из графиков также следует, что мощность сигнала на фотоприемнике в большей степени зависит от угла наблюдения и максимальна для малых р. В то же время пространственное разрешение ЛДА при прочих равных условиях максимально для р = 90°. Поэтому конкретное значение р должно выбираться на основании компромисса между мощностью и простанственным разрешением, но обязательно так, чтобы глубина модуляции была максимальна и для данного диапазона размеров частиц нигде не обращалась в нуль.

Учитывая, что 88Ж падающего излучения выходят из частицы, испытав одно преломление, 6% - отражается, то при построении измерительной системы представляется целесообразным, с точки зрения мощности оптического сигнала, работать на однократно преломленном излучении. При невозможности реализовать установку, использующую принцип приема сигнала при "рассеянии вперед", применяя существенно более мощный лазер можно работать на отраженном частицей излучении. Кроме того, последняя. схема приема рассеянного излучения имеет свои преимущества, так как в данном случае необходим доступ к месту измерений только с одной строны.

Очевидно, что если сформировать измерительный объем из двух плоских параллельных пучков и принимать рассеянный свет двумя разнесенными фотоприемниками, причем направления регистрации должны быть выбраны так, чтобы в образование •сигняхэ каждого фотоприемника основной вклад вносил один прсгзюдлнЗ тугск, то при движении частицы через эти лучи на выходах фзтодетекторов появятся пары импульсов, время между хстсриса обратно пропорционально скорости данной частацы, Проекция скорости будет равна

V = д / V •

где д . - расстояние мевду пучкаяа; * - время проката мезяу зондирующими лучами.

Тогда диаметр частицы получим из внражения:

а = д к

где X - задержка в приеме сигналов двумя фвтопршшвкяма.

1 /тт

Т4

сов __с С05 1р

г

В1и Г}р СОВ (Рр / 1 - si.il Т)р СОБ (р^

где С и С2 - коэффициенты, величина которых зависит от цорядка производного пучка; и «р^- углы между плоскостью

распространения пучков и плоскостью, в которой расположены фотоприемники; ^ и - углы наклона фотоприемников к

измерительному объему.

Обычно в экспериментальных исследованиях для удобства -измерений принимают = а = 77^.

В третьей главе рассматриваются принципы практической реализации анализаторов потока. Описывается состав установки для ЛДА и ВПА. Приводятся формулы для расчета оптических параметров излучающего и приемного модулей. Рассматриваются особенности фильтрации и идентификации сигналов ДЦА. и ВПА.

В настоящее время существует несколько методов проверки "качества" сигналов. Одним из первых критериев было сравнение удвоенной длины первых четырех периодов сигнала с восмью периодами. Сигнал признается информативным, если эти два значения соответствует друг другу в пределах определенной погрешности (обычно 10-20%). Но наиболее жестким методом идентификации является сравнения . длины каждого последующего периода с каждым предыдущим. Причем, зная количество интерференционных полос, и, подсчитывая сравниваемые периоды, можно определить место пролета частицы в измерительном объеме, и тем самым, с целью локализации области измерений, использовать информацию только от тех частиц,' которые пролетели через центр объема. Если-такой необходимости нет, то сравнивают первые 15-20 периодов, так как вероятность появления шумового сигнала с такой регулярной структурой составляет около Ю~б. Данный метод досточно просто реализуется-аппаратно, что позволяет производить обработку сигналов в реальном времени.

Для обработки время-пролетных сигналов наиболее целесообразным является использование взаимной корреляционной функции двух сигналов. Однако ее применение требует значительных затрат времени при вычислении искомых

параметров. Этого можно избежать, ■ уменьшая ..разряд обрабатываемого слова информации до I бита. При этом будем учитывать не конкретное значение сигналов в данных точках, а только их знаки. Назовем такую функцию знаковой. Выражение знаковой корреляционной функции может, быть записано в .следующей . форме " -

' t " ■ Р^т) = | sign X(t) sl®i I(t - г) dt; a - -

Использование Знаковой корреляционной функции значительно сокращает время обработки- результатов, измерений при практически одинаковой точности. t

Для реализации измерений выбранными методами необходимо выполнение - одночастичйого режима работы. Одночастичный режим -режим, при котором' в измерительном объеме одновременно находится только- одна- частица.' Обеспечение одночастачного режима заключается в правильном' подборе концентрации неоднородностей в потоке и размеров измерительного объема. В данной главе даны рекомендации для Ешолненая этого условия.

В четвертой-главе описывается ашгаратно -программное обеспечение автоматизированного рабочего

места (АРМ). АРМ включает в себя объект исследования, комплекс измерительной аппаратуры, комплекс электронных устройств обработки полученных сигналов, устройство связи с объектом (УСО), компьютер и программное обеспечение. Структурная схема АРМ комплексного исследования двухфазных потоков представлена на рис. 3. Рассмотрены различные, реализации средств автоматизации эксперимента. В качестве стандартного устройства связи с объектом (УСО) выбран КАМАК.

Аппаратура обработки сигналов может быть реализована на базе программно - аппаратных и аппаратных методов идентификации и определения параметров, несущих информацию о скорости и размере частицы. В качестве программно - аппаратных средств можно предложить стандартные модули КАМАК - аналого - цифровой преобразователь ФК4225 и модуль запоминающего устройства (МЗУ).. Система, состоит из двух комплектов АЩ1-МЗУ, -находящихся в одном крейте и соединяется с компьютером при помощи контроллера КАМАК. Она является достаточно дешевой и простой в эксплуатации.

1- лазер; 2,5 - линзы; 3 - амплитудный делителе пучка; 4 - измерительный объем; 6 - приемные оптические модули; 7 - световоды; БФП - блок фотоприемников; 6Е - электронный блок обработки сигнала.

Рис.3

Другой реализацией этого метода может- служить система на базе цифрового запоминающего осциллографа С9-8. Он состоит из двух синхронных АВД с буфером объемом 2 КОайта и имеет интерфейс "канал общего пользования" (КОП). Преимуществом данной реализации является возможность предварительно оценить параметры измеряемого сигнала как в амплитудной, так и во временной областях на экране монитора, где он представлен в цифровой форме. С помощью двигающегося маркера можно попасть в любую точку сигнала, причем на дисплее будут индицироваться значения текущих амплитуды и времени. Используя интерфейс КОП, цифровой осциллограф соединяется с регистром КАМАК модуль 350 и далее через контроллер крейга с компьютером.

Перечисленные выше системы являются гибкими и универсальными при реализации аппаратуры обработки сигнала, но в то же время достаточно медленными, вследствие программной идентификации и определения параметров сигнала. Они пригодны для предварительной оценки сигналов и измерения медленно текущих процессов.

Для потоков, имеющих высокие динамические характеристики, разработан спецпроцессор время-пролетных сигналов. Он аппаратно. производит идентификацию, определение задержки и времени пролета частицы между зондирующими пучками. Алгоритм идентификации позволяет исключить ложные отсчеты.

Для функционирования этих комплексов обрабатывающей аппаратуры создано программное обеспечение, которое включает драйверы для обмена информацией между компьютером с одной стороны и АЦП ФК4225, цифровым осциллографом С9-8 и спецпроцессором с другой стороны, программу управления экспериментом и интерактивным интерфейсом, а также набор сервисных программ для статистической обработки данных, для графического представления полученной информации на цветном мониторе и графопостроителе и принтере.

В пятой главе производится' анализ экспериментальных исследований скоростей и размеров частиц в струе, создаваемой генератором частиц и на каплеударном стенде--Для экспериментальной проверки метода измерений был проведен анализ существующих генераторов частиц и на его основе разработан генератор монодасмрсных частиц с "вибрирующим

л.

щцшшром". Принцш действия этого устройства заключается в том, что капиляр,- совершая гармонические колебания в вертикальной плоскости с постоянной частотой и амплитудой, приводит к ' принудительному распаду струи на отдельные капли примерно одинакового диаметра. Данный процесс напоминает как бы "стряхивание" частиц воды с конца капиляра. Экспериментальные исследования, проведенные на таком генераторе, позволили опытным путем определить несколько режимов, при которых наблюдается устойчивая монодасперсная струя. Причем с повышением частоты колебаний при одновременном уменьшении амплитуд средний диаметр . частиц уменьшается на 10«. При этом среднее квадратичное отклонение не превышает 9 мкм при средних диаметрах 503...567 мкм.

Перед началом исследований была проведена градуировка прибора. Первоначально она производилась на сферических частицах, получаемых из волокна световодов. , Перед экспериментом форма частицы контролировалась с помощью микроскопа, а затем ее диаметр определялся микрометром. В ходе измерений при известном ■размере частицы при выборке 250...500 значений определялась средняя задержка в приеме сигналов и затем вычислялся коэффициент диаметра для данных параметров излучающей и приемной оптики.

Для следующих измерений размер частицы определялся из

г,

формулы :

<1 = К

* V

где й - диаметр частицы; К4 ■- коэффициент диаметра; ^ -задержка в приеме сигнала двумя фотоприемниками; ^ - время гфолета частицы между зондирующими пучками. Скорость вычислялась из выражения :

7"V" • .

где 7 - скорость частицы; Д - расстояние между пучками.

После того как была опробована измерительная часть время -пролетного анемометра, а также отлажены аппаратура обработки сигнала и программное обеспечение, проводились измерения на каплеударном стенде (КУС). Определялись размеры и скорости

4 капель полидисперсной струи, воздействующей на испытуемый образец материала турбинной лопатки. Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе исследовались параметры струи без вакуума в камере КУС. Во втором - при наличии нескольких значений разрежения. Полученные данные показывают, что в серии из пяти экспериментов по 500 измерений в кавдом при разрежении 735 мм.рт.ст., среднее значение диаметра капель составило 0.935, 0.944, 0.958, 0.958, 0.966. Расхождение между максимальным и минимальным ' •значениями математического ожидания диаметра составило 3.2Я, что является хорошей повторяемостью. При этом коэффициент вариации диаметра в кавдом эксперименте составил 20-21%, что говорит о большом разбросе измеримых диаметров капель. В среднем, в ходе экспериментов минимальный измеренный диаметр составил около 500 мкм, а максимальный - около 1500 мкм, средняя скорость составила около 5 м/с при коэффициенте вариации 9...1356. Некоторые графики представлены на рис.4 и 5. По результатам экспериментов проведены исследования соответствия полученных данных' законам распределения, даны рекомендации по дальнейшим исследованиям ' эрозионной стойкости материалов ' турбинных лопаток. .

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы. В приложении представлены некоторые листинги программ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика измерения скоростей и размеров крупнодисперсных частиц применительно к время - пролетному анемометру.

2. Разработана методика идентификации время - пролетных сигналов, несущих информацию о скорости и размерах частиц.

3. Разработана методика определения энергетических вкладов пучков различных порядков.

4.. Проведены исследования взаимодействия сферических частиц с лазерным излучением.

5. Создан экспериментальный стенд для комплексного измерения скоростей, размеров и концентрации частиц. ■

6. Разработано программное обеспечение для расчета оптических характеристик исследуемой среды и функционирования автоматизированного рабочего места исследования двухфазных

Распределение размеров и скоростей частиц в полидасперсной струе при разрекении 15 мм рт. ст.

16 Э

Рис.4

Распределение размеров и скоростей частиц в полидасперсной струе при давлении воды I кгс/смг

N ¿10

2Ю

4*0

70

ОМ

о

0.7

1.0 Рис.Б

¿.3

? V

м/с

потоков.

7. Разработан генератор монодисперсных частиц.

8. Разработан спецпроцессор время -'пролетных сигналов.

9. Получены экспериментальные данные о распределении скоростей и размеров частиц в полидисперсной • струе, воздействующей т исследуемый образец материала лопаток' на каплеударном стенде, и в монодисперсной струе, создаваемой генератором частиц. , .

Основные положения диссертации отражены в следующих работах.

Х.Галушин С.Я.,'Семидетнов Н.В., Заманский В.И., Юрас С.Ф. Особенности обработки сигналов при определении размеров движущихся сферических, частиц оптическим методам // Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных'полей и процессов: Тезисы докладов III • Всесоюзной конф. -Гродно, 1988. -С.

2.Галушш С.Я., Семидетнов Н.В. Пути решения проблемы комплексного"измерения скоростей, размеров и концентраций частиц применительно к задачам исследования потоков в энергетическом машиностроении // Оптические методы исследования потоков: Тезисы докладов всесоюзного семинара. -Новосибирск, Институт • теплофизики СО АН СССР.' 1989. -С.

3.Галушин С.Я., Павловский Б.А. Измерение скорости и размеров движущихся частиц оптической 'системой на базе двухфокусного анемометра // Применение лазеров в промышленности: Тезисы докладов всесоюзного семинара. -Л., "Знание", 1989. -С.

4.Галушин С.Я., Семидетнов Н.В., Заманский В.И. Измерение параметров двухфазного потока с помощью лазерного анализатора скорости и _ размеров частиц //-Оптические методы измерений и способы обработки данных теплофизических и нейтронно-физических процессов в элементах энерготехники: Тезисы докладов всесоюзной конференции. -Севастополь, 1990. -С.

б.Галушин „С.Я., Семидетнов Н.В., Заманский В.И., Юрэс С.Ф. Комплексное измерения скоростей и размеров неоднородностей в двухфазных потоках // Применение лазеров в науке и технике: Тезисы докладов III всесоюзной конференции. -Иркутск, ОАТФ ИНЦ СО АН СССР, 1990. -С.

■Тип. СПб.ПГО Зак.202.Тир.50.