МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова": Геннадий Афанасьев, инженер 1 категории
Владимир Маслов, начальник сектора
Борис Минеев, начальник отдела, к.т.н.
Марк Шехтман, ведущий инженер

 

Для повышения точности и достоверности данных, получаемых в натурном эксперименте, приходится применять все более сложные и дорогостоящие методы измерений. Иначе не получается добывать информацию, которая была бы сопоставима с теоретическими построениями и результатом экспериментов компьютерных. Методы, разработанные ЦИАМ, с успехом применимы как на предприятиях авиадвигателестроения, так и в смежных отраслях.

Традиционный вид измерения при испытаниях авиационных двигателей и их узлов - контактная термометрия. В ЦИАМ принято вести исследования с помощью высокоточных и стабильных термопар. Каждый такой измерительный прибор индивидуально градуируется в печи, и его характеристика аппроксимируется в зависимость, используемую при машинном сборе и обработке информации. При этом для измерений температур до 1900 К применяются специальные термозонды с охлаждаемым корпусом, несущие термопары типа ТПР (ПР30/6), а термопары из сплавов Ir-Ir/Rh могут применяться до температур 2400 К. Это практически перекрывает весь существующий в ГТД диапазон температур.

На базе миниатюрных термометров сопротивления из вольфрама созданы термозонды для высокоточных измерений невысоких температур -50...150 °С. При проведении индивидуальных градуировок инструментальная погрешность датчиков не превышает 0,04...0,06 °С.

Измерение переходных процессов в диапазоне 50...400 °C производится с помощью малоинерционных хромель-копелевых термопар с достаточно высоким временным разрешением. Термометрирование миниатюрных деталей осуществляется кабельными термопарами.

С целью определения температурных полей на поверхности деталей сложной конфигурации в ЦИАМ разработаны многопереходные термоиндикаторные краски, применяемые в диапазоне температур от 140 до 1520 °С с погрешностью 6 °С на изотерме.

Для бесконтактного измерения температуры в ЦИАМ используются тепловизоры и пирометры разных типов. Пирометр спектрального отношения разработан для измерения температуры газового потока в диапазоне 1500…2500 К по излучению паров воды в близкой ИК-области спектра. Погрешность измерений - менее 4 % на уровне 2000 К. Для высокочастотного (500 кГц) измерения полей температур поверхностей рабочих лопаток турбины применяется оптический многоканальный пирометр. Диапазон измеряемых температур прибора 700...1100 °C, погрешность ~6 °C. Для повышения точности измерения температуры поверхности оптическим пирометром проводятся измерения излучательной способности реальных лопаток турбины с использованием оригинального метода калибровки образцового пирометра по реперной точке плавления чистого серебра. Используется также комплект градуировочной аппаратуры, включающий образцовый пирометр и различные модели абсолютно черного тела.

Еще один наиболее часто встречающийся вид измерений - измерения давлений. Особенную сложность всегда представляли измерения переменных давлений. Для дистанционного измерения переменного давления (например, в высокотемпературных средах) используются зонды переменного давления специальной конструкции, обеспечивающие малую неравномерность амплитудно-частотной характеристики измерительного канала в заданном частотном диапазоне.

Для отработки математических моделей, облегчения понимания физического механизма того или иного явления в сложных трехмерных турбулентных течениях в ЦИАМ применяются различные виды визуализации течения. Модификации традиционной визуализации с помощью лазерного ножа (визуализация потока в сечении световой плоскости) позволяют просто и надежно получать интересные результаты.

Лазерный нож может использоваться и для визуализации фронта пламени при исследовании течений в модельных камерах сгорания.

Цифровая регистрация визуализационных картин позволяет ввести изображение в компьютер и получить количественную информацию, обработав картинку по специализированной программе.

Для изучения турбулентных течений активно используются такие методы как термоанемометрия и лазерная доплеровская анемометрия. Принцип действия термоанемометра основан на зависимости сопротивления проволочного или пленочного чувствительного элемента от его температуры, которая в свою очередь зависит от скорости, температуры и плотности обтекающего датчик потока. В основе лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) лежит измерение скорости специально подмешиваемых в исследуемый поток частиц, имеющих те же мгновенные скорости, что и газовая среда.
В ЦИАМ ЛДИС нашел применение в основном для измерений характеристик струй, параметров течения внутри вращающихся рабочих колес лопаточных машин и при исследовании высокотурбулентных, закрученных потоков: за пылезащитными и шумоглушащими устройствами, фронтовыми устройствами камер сгорания.

ЛДИС оказался незаменимым инструментом при исследовании механизмов развития неустойчивости горения.
Применение лазерного анемометра для измерения скорости в аэродинамической трубе сделало возможным детальное изучение особенностей обтекания решеток профилей различных конфигураций, и сравнение их по величинам потерь, а также позволило решить задачу построения решетки, парирующей возмущение, распространяющееся вверх по потоку.

При исследованиях процессов распыливания и испарения жидкого топлива в камерах сгорания необходимо знать средний размер капель топлива, их концентрацию, а также функцию распределения плотности вероятности по размерам в различных областях потока. Кроме того, полезно иметь информацию о скорости капель отдельных размерных групп (величина скорости, усредненная по всем измеренным частицам данного размера). Наиболее удобен для этих целей фазо-доплеровский метод измерения скорости и размеров частиц (Phase Doppler Particle Analyzer, PDPA). Метод позволяет проводить высокоточные, локальные измерения распределений частиц по размеру в диапазоне от 0,5 мкм до нескольких миллиметров без градуировки оборудования. В ЦИАМ этот метод применялся для исследования характеристик распыла топливных форсунок камер сгорания.
Для измерения размеров частиц в ЦИАМ используются методы и аппаратура собственной разработки. Ранние разработки основаны на особенностях малоуглового рассеяния света, что позволяет измерять средний заутеровский диаметр частиц и усредненную вдоль луча концентрацию частиц. В последние годы нами разработан планарный моноимпульсный метод измерения мгновенных распределений размеров и концентраций частиц на основе одновременного измерения рассеянного на частичках лазерного излучения и флуоресцентного излучения красителя, предварительно подмешанного к распыливаемой жидкости.