книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

—число NuK.T для продольно обтекаемой термо­

пары из цилиндрических термоэлектродов

223

Для выражения L в явном виде (АТк) ДОп последова­ тельно относится к корпусу приемника и к каждому тер­ моэлектроду, а также используется преобразование вида

In 2 (Гр-ГД

224

определяется численным образом

Если неравенства соблюдаются, а полученные длины меньше допустимой длины погружения, то (А7’к) Доп не будет превышена

8. Определяется количество экранов по приближен­ ному выражению Кинга [32]

Расчет уточняется экспериментальной проверкой ха­ рактеристик приемников в газовом потоке

3.6.ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ МАЛОЙ ПЛОТНОСТИ

Исследование приемников температуры при околозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростях позволило разработать ре­ комендации, выполнение которых способствует созданию прием­ ников с высокими и устойчивыми значениями коэффициента вос­ становления £т. Эти рекомендации направлены как на создание благоприятных условий теплообмена между чувствительным эле­ ментом и газом, так и на уменьшение потерь тепла чувствитель­ ным элементом из-за теплопроводности и радиации. Следова­ тельно, они способствуют уменьшению разницы между темпера­ турой, воспринимаемой приемником Тт, и температурой торможения 7V

Значительно возрастают трудности создания оптимальной конструкции приемника температуры для сверхзвуковых газовых потоков низкой плотности, поэтому в настоящее время еще раз­ рабатываются конструкции приемника температуры, имею­ щего удовлетворительные характеристики в широком диапазоне

225

значений скорости, температуры и плотности газового потока и удовлетворяющего по эксплуатационной надежности и габари­ там условиям большинства практически встречающихся задач. При использовании приемников температуры, разработанных для чисел М <4, в области больших чисел М оказалось, что реко­ мендации, по которым создавались эти приемники, обеспечивают удовлетворительные характеристики только до чисел М = 3 . . . 4 при статических давлениях в несколько десятков миллиметров ртутного столба. Однако в современных аэродинамических тру­ бах при числах М, близких или равных 10, и тем более в вакуум­ ных аэродинамических трубах, статическое давление в невозму­ щенном потоке составляет единицы и доли миллиметра ртутного столба. В этих условиях падает плотность газа и резко умень­ шается подвод тепла от газа к чувствительному элементу при­ емника. Потери тепла начинают преобладать над его поступ­ лением.

В работе [24] указано, что показания приемников темпера­ туры, удовлетворительно измерявших температуру газовых пото­ ков при числах М = 1 . . . 3, при М = 6 ... 7 и статических давле­ ниях 0,5 ... 1 мм рт. ст. начинают зависеть от скорости и тем­ пературы потока, что затрудняет их применение.

Для многих приемников коэффициент £т, выступающий как обобщенная характеристика, начинает зависеть от чисел М и Re набегающего потока [36]. Это обстоятельство является резуль­ татом относительного снижения интенсивности конвективного теплообмена между газом и чувствительным элементом прием­ ника по сравнению с интенсивностью радиационных и кондуктивных тепловых потерь чувствительного элемента.

Компенсировать недостаток поступающего к чувствительно­ му элементу тепла можно при помощи введения в приемник кон­ структивных особенностей, способствующих повышению коэффи­ циента теплопередачи от газа к чувствительному элементу. Од­ ной из них является увеличение поверхности чувствительного элемента.

Такое изменение конструкции чувствительного элемента про­ водилось и при дозвуковых скоростях. На рис. 3.40 изображен приемник температуры с чувствительным элементом в виде раз­ несенного трубчатого спая термопары [33]. Идея такого чувст­ вительного элемента была реализована в четырехэкранном при­ емнике для сверхзвуковых скоростей [20].

Увеличение поверхности чувствительного элемента перерас­ пределяет доли потерь, обусловленные теплопроводностью и из­ лучением. Последние возрастают пропорционально увеличению поверхности. Однако эффективность экранирования настолько велика, что при одном экране приемник (см. рис. 3.9) имеет до­ статочно высокий и стабильный коэффициент (см. рис. 3.11).

Следует подчеркнуть, что разнесенный трубчатый спай сам по себе закладывает в приемник температуры условие для повыше-

226

ния коэффициента восстановления. Для такого тела, как и для плоской пластины, коэффициент восстановления составляет

£ч.8 = 0.84 ...0,9.

дольно обтекаемой неэкранированной термопары со сферическим спаем коэффициент восстановления равен 0,84 ... 0,85.

Разнесенный спай выполняется в виде тонкостенной трубки, расположенной вдоль потока в камере торможения. Термоэлект­ родные провода привариваются в двух противоположных точках среднего сечения трубки. На рис. 3.41 и 3.42 изображены одно­ экранный и трехэкранный приемники с разнесенным спаем.

Р и с . 3 . 4 2 . Т р е х э к р а н н ы й п р и е м н и к с р а з н е с е н н ы м с п а е м :

/—трубчатый разнесенный спай; 2—экраны; 3—провода термопары

Втрехэкранном приемнике тепло, поступающее к спаю, воспри­ нимается цилиндрической трубкой длиной 40 мм, внешним диа­ метром 2,5 мм и толщиной стенки 0,15 мм. Камера торможения имеет параметр /(=1/6.

Водноэкранном приемнике тепло к спаю поставляет трубка длиной 16 мм, внешним диаметром 2,3 мм и толщиной 0,15 мм.

227

Камера торможения имеет параметр Л'=1. В этом приемнике для увеличения скорости в камере торможения, а следовательно, увеличения коэффициента теплопередачи от газа к спаю, К взято

стенки трубки обтекаются потоком с обеих сторон.

Ранее было показано, что одним из путей снижения тепловых потерь от спая является увеличение параметра а. На рис. 3.43 изображен приемник температуры * с чувствительным элементом в виде спиральной термопары,

рукцией приемника с термопарой, имеющей сферический спай (см. рис. 3.9), полученные при числах М = 5, 8 ... 7,85, статических давлениях р = 0,35... 0,7 мм рт. ст. и температурах торможения Го= 400 ... 770 К, приведены на рис. 3. 44. При этом числа Re, вы­ численные по параметрам невозмущенного потока и по диаметру приемника, изменялись в пределах от 2-103 до 8-103. В указан­ ных диапазонах чисел М и температуры торможения каждый из описанных приемников имеет постоянный коэффициент восста­ новления, погрешность определения которого характеризуется отклонением экспериментальных точек от истинного значения, за которое принята среднеарифметическая величина из предельных экспериментальных значений £т.

Приемники имеют следующие характеристики:

— трехэкранный приемник (cf=10 мм; К=Чв) с разнесенным цилиндрическим спаем (см. рис. 3.42):

£т= 0,985+0,015;

* Конструкция приемника предложена Ю. Ю. Колочинским.

228

S)

(б) приемников температуры с разнесенным трубчатым спаем, приемников со спиральным (в) и сферическим (г) спаем

— одноэкранный приемник (d=5 мм, /С=1) с разнесенным цилиндрическим спаем (см. рис. 3.41):

£т= 0,965+0,025;

—одноэкранный приемник (d=5 мм, К = 1/е) со спиральным спаем (см. рис. 3.43):

=0,945+0,02;

—одноэкранный приемник (d = 5 мм, К= 1) со сферическим спаем (см. рис. 3.9):

£т= 0,965+0,025.

Предельные случайные погрешности ±А£Т при М = 6 и Г0 = = 750 К вносят в определение температуры торможения погреш­ ность ~2% .

Этой же величиной определяется разница в систематических погрешностях определения температуры торможения за счет раз­ ницы в коэффициентах восстановления трехэкранного и однозкранного приемников.

Каждый из описанных приемников имеет достаточно высо­ кий коэффициент восстановления и может применяться для из­ мерения температуры при М = 8 и статических давлениях невоз­ мущенного потока порядка 0,3 ... 0,4 мм рт. ст.

В результате анализа данных, приведенных на рис. 3.44, мож­ но отметить тенденцию к уменьшению коэффициента восстанов­ ления приемников температуры с ростом скорости и температу­ ры, т. е. с уменьшением плотности потока и увеличением кондуктивных потерь тепла чувствительным элементом. Это обстоятель­ ство заставляет при М = 8 ограничить диапазон температуры, для которой справедливы приведенные значения £т, температу­ рой 750 К. Если же рассматривать числа М <8, то для каждой термопары можно установить более высокое значение коэффи­ циента ^т. Так, для трехэкранной термопары с разнесенным спа­ ем (см. рис. 3.42) можно принять:

При числах М <8, статических давлениях 0 ,5 ... 1,0 мм рт. ст. и температурах 750 ... 800 К преимущества разнесенного спая еще не успевают проявиться полностью. По-видимому, они будут более очевидными при числах М >8, при дальнейшем уменьше­ нии статического давления и росте температуры потока.

Для того чтобы замедлить процесс снижения коэффициента восстановления и сдвинуть его начало в область больших чисел М, меньших плотностей газа, а следовательно, меньших чисел Re, необходимо интенсифицировать конвективный теплообмен между газом и чувствительным элементом.

230

На рис. 3.45 приведена конструкция термопары [21], в кото­ рой для этой цели разнесенный спай выполнен в виде безударно­ го обратного «сопла Лаваля». Необходимый подвод тепла к спаю обеспечивается за счет увеличенных размеров спая и за счет

Рис. 3.45. Приемник температуры со спаем в виде рас­ ходного обратного «сопла Лаваля»:

/ -насадка из жаропрочного теплоизолятора; 2—перфорирован-

ные стенки; 3—‘разнесенный спай в виде сопла; -/—экран; •>- ме­ ста приварки проводов термопары; 5—корпус; 7—двухканальиая керамика; 8—державка

увеличения коэффициента теплоотдачи от газа к спаю. Для по­ вышения теплоотдачи спай — сопло профилируется по условиям безотрывного внутреннего течения и имеет перфорированные стенки. Перепуск газа через стенки затягивает запирание сопла, прямой скачок уплотнения садится не перед приемником, а внут-

М=0,5:

/—трехэкранная термопара с разнесенным спаем; 2—одноэкранная термо­ пара с точечным сферическим спаем; 3—одноэкранная термопара с разне­

сенным спаем; 4—одноэкранная термопара со спиральным спаем

ри обратного сопла Лаваля при числах Мс в сопле, меньших числа М набегающего потока. Это подтверждается данными оп­ тических исследований.

За скачком дозвуковой поток вновь разгоняется и в критиче­ ском сечении может достигнуть скорости звука, при которой ко­

231

эффициент теплоотдачи имеет максимальную величину. В описан­ ном приемнике площадь выходных отверстий должна превышать

Рис. 3.48. Инерционные характеристики T0= f ( t ) приемников при М =1,5

7—‘трехэкранная термопара с разнесенным спаем; 2—одноэкранная термопара с точечным сферическим спаем; 3—одноэкранная термо­ пара с разнесенным спаем; 4—одноэкранная термопара со спираль­ ным спаем

232