Результат интеллектуальной деятельности: СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙНОГО АППАРАТА

Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому для оценки качества работы гидравлических машин, в частности, к испытательным стендам струйных аппаратов.

Важнейшими показателями качества работы различного типа струйных аппаратов являются расход рабочего тела через сопло инжектора и суммарный расход жидкости (среды) на выходе из струйного аппарата, а также перепады давлений в его сопле, камере смешения и на выходе по отношению к базовому давлению во всасываемой среде перед входом в аппарат.

Известен экспериментальный стенд для исследования водовоздушных эжекторов (см. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.), содержащий измерительное сопло струйного аппарата, измерительную диафрагму и трубчатые манометры установившегося давления. Данный стенд позволяет измерять суммарный расход жидкости (среды) на выходе из струйного аппарата, а также перепады давлений в его сопле, камере смешения и на выходе только в установившемся режиме работы струйного аппарата с помощью приборов для измерения давления и расхода.

Известен «Стенд для ускоренных ресурсных испытаний струйных аппаратов» по Патенту РФ №2338096, МПК F04F 5/00, G01M 15/00, 2008 г., принятый за прототип. Стенд содержит герметичную емкость для жидкости, соединенную с входом насоса, снабженную вентилем, первым расходомером и первым манометром напорную магистраль, гидравлически связанную с соплом струйного аппарата, содержащего также всасывающую и смесительную камеры. Стенд также дополнительно содержит емкость для пассивной среды, гидравлически связанную с патрубком всасывающей и смесительной камер струйного аппарата. При этом выход смесительной камеры соединен с входом диффузора струйного аппарата, а выход диффузора соединен с магистралью отвода смеси сред с запорным вентилем, вторым расходомером и вторым манометром. Стенд снабжен также емкостью для абразива и смесителем, гидравлически связанным с подводящей магистралью с вентилем и третьим расходомером. Подводящая магистраль гидравлически связанна с первым входом дополнительной емкости пассивной среды, второй вход которой соединен посредством крана с напорной магистралью, а выход дополнительной емкости пассивной среды соединен с патрубком всасывающей и смесительной камер струйного аппарата. Смеситель имеет самотечный подвод с краном, соединенным с герметичной емкостью для жидкости.

К недостаткам описанного в книге стенда и прототипа следует отнести:

- использование расходомеров жидкости (газа), предназначенных для измерения только установившихся расходов, предполагающих включение струйных аппаратов в соответствующим образом спроектированную гидравлическую систему, обеспечивающую предварительную подготовку потока рабочего тела и выравнивание эпюры расхода среды на выходе из струйного аппарата;

- невозможность формирования по желанию испытателя частоты и энергодинамических показателей поступающего в струйный аппарат рабочего тела;

- применение для измерения давлений и расходов жидкости в гидравлическом тракте струйного аппарата средств измерения, исключающей измерение и регистрацию быстротекущих пульсаций давлений.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в целенаправленном исключении отмеченных недостатков в исследовательских стендах, создании конструкции стенда, позволяющей проводить экспериментальные испытания струйных аппаратов с импульсными генераторами рабочего тела, под давлением поступающего в сопла аппаратов.

Указанный результат достигается тем, что известный стенд, содержащий струйный аппарат, состоящий из сопла, всасывающей и смесительной камер, а также диффузора, при этом стенд содержит емкость, выполненную с возможностью заполнения ее жидкостью и соединенную с соплом струйного аппарата через напорную магистраль, гидравлически связанную с соплом струйного аппарата, и магистраль отвода жидкости, гидравлически связанную с диффузором струйного аппарата, дополнительно сдержит средство создания импульсного давления газа в напорной магистрали и систему контроля и регистрации, а в емкости размещены струйный аппарат и напорная магистраль с заглушкой с одного конца, соединенная со средством создания импульсного давления газа в ней и внутри ее размещен блок измерения перемещения уровня жидкости, при этом магистраль отвода среды соединена с приемным резервуаром, оснащенным измерителем объема жидкости, поступающей в приемный резервуар, а система контроля и регистрации включает по крайней мере один датчик импульсных давлений в напорной магистрали, по крайней мере один датчик импульсных давлений во всасывающей и смесительной камерах струйного аппарата, а также блок синхронизации начала отсчета данных и блок регистрации данных, при этом первый вход блока регистрации соединен с выходом датчика в напорной магистрали, второй вход блока регистрации соединен с выходом датчика во всасывающей и смесительной камерах, третий вход блока регистрации соединен с выходом измерителя объема жидкости, поступающей в приемный резервуар, четвертый вход блока регистрации соединен с выходом блока измерения перемещения уровня жидкости в напорной магистрали, а пятый вход соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета данных.

При этом блок создания импульсного давления газа в напорной магистрали содержит газовый баллон высокого давления, манометр, а также первый и второй нормально закрытые электромагнитные клапаны, при этом выход газового баллона и манометр соединены первым входом первого электромагнитного клапана, выход которого соединен с входом второго электромагнитного клапана и выходом блока создания импульсного давления газа, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго нормально закрытых электромагнитных клапанов.

Блок измерения перемещения уровня жидкости в напорной магистрали и измеритель объема поступающей жидкости в приемный резервуар выполнены в виде поршней, связанных с блоками измерения их линейного перемещения.

Применение в качестве интегральных измерителей расходов рабочего тела и жидкости (среды) поршней с датчиками их перемещения, а также использование быстродействующих датчиков для регистрации переменных (импульсных) давлений в тракте напорной магистрали и струйного аппарата позволяет произвести реальную оценку важнейших характеристик струйного аппарата при задаваемом и контролируемом изменении импульсного развития гидравлических физических явлений, происходящих в тракте исследуемого струйного аппарата.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема стенда, на фиг. 2 - вариант реализации блоков измерения перемещений поршня в блоке измерения перемещения уровня жидкости в напорной магистрали и измерителе объема жидкости, поступающей в приемный резервуар.

На фиг. 1 отмечены: 1 - емкость, 2 - струйный аппарат, содержащий 3 - сопло, 4 - всасывающая и 5 - смесительная камеры, а также 6 - диффузор. Сопло 3 соединено с напорной магистралью 7, содержащей блок 9 измерения перемещения уровня жидкости. Блок 9 содержит поршень 10, связанный с ферромагнитным стержнем 11, который входит в блок 12 измерения перемещений поршня 10 с возможностью свободного перемещения стержня 11 в блоке 12. Блок 12 с помощью косынки 13 закреплен на боковой поверхности внутри напорной магистрали 7, которая соединена с выходом 14 блока 15 создания импульсного давления газа в магистрали 7. Диффузор 6 струйного аппарата 2 соединен с входом 16 магистрали 17 отвода жидкости, выход 18 которой соединен с приемным резервуаром 19, оснащенным измерителем 20 объема жидкости 21, поступающей в приемный резервуар 19.

Блок 15 создания импульсного давления газа в напорной магистрали 7 содержит газовый баллон 22 высокого давления, манометр 23, а также первый 24 и второй 25 нормально закрытые электромагнитные клапаны, при этом выход газового баллона 22 через редуктор 26 газового давления соединен с манометром 23 и первым входом 27 первого 24 электромагнитного клапана, выход 28 которого соединен с входом 29 второго 25 электромагнитного клапана и выходом 14 блока 15 создания импульсного давления газа, первый 30 и второй 31 входы которого соединены соответственно с вторыми 32, 33 входами первого 24 и второго 25 нормально закрытых электромагнитных клапанов.

Измеритель 20 объема жидкости 21, поступающей в приемный резервуар 19, конструктивно выполнен подобно блоку 9 и содержит поршень 34, стержень 35 из ферромагнитного материала, жестко связанный с поршнем 34, а также блок 36 измерения перемещений поршня 34.

Выходами сигналов перемещения поршня 10 или 34 являются выходы 37, 38 блоков 9 или 36 соответственно.

В напорной магистрали 7 расположен по крайней мере один датчик 39 импульсных давлений, а во всасывающей 4 и смесительной 5 камерах струйного аппарата 1 - по крайней мере один датчик 40 импульсных давлений. Выходы 41 и 42 соответственно датчиков 39, 40 соединены соответственно с входами 43, 44 блока 45 регистрации данных, входы 46, 47, 48 которого соединены соответственно с выходом 37 блока 28, с выходом 38 блока 36 и с выходом 49 блока 50 синхронизации, выходы 51 и 52 которого соединены соответственно с входами 32, 33 блока 15 создания импульсного давления газа в магистрали 7.

Блоки 28 и 36 измерения.перемещений поршня 10, 34 соответственно выполнены одинаково на основе дифференциального индуктивного датчика трансформаторного типа. Схема блоков 28, 36 приведена на фиг. 2 и содержит трансформатор Тр с подвижным сердечником, функции которого выполняет стержень 11 или 35 из ферромагнитного материала, жестко связанный с поршнем 10 или 34. Трансформатор Тр содержит первичную обмотку L1 и две вторичных обмотки L2 и L3, включенные встречно по отношению друг к другу. В состав блоков 28 и 36 входят генератор переменного напряжения 51 и дифференциальный усилитель 52 разности напряжений вторичных обмоток L2 и L3 (см. фиг. 2). Перемещения поршней 10 и 34 приводят к перемещениям стержней 11 и 34 (сердечников трансформаторов Тр), что вызывает изменения потокосцепления между первичными L1 и вторичными L2, L3 обмотками трансформаторов (фиг. 2). Поскольку амплитуда сигнала во вторичных обмотках L2, L3 зависит от потокосцепления, то по величине разности амплитуд переменного напряжения на вторичных обмотках L2, L3 можно судить о величине перемещения поршня 10 или 34. Далее разность амплитуд переменного напряжения на вторичных обмотках L2, L3 усиливается дифференциальным усилителем 52 и с выхода 37 или 38 предается на входы 46 или 47 соответственно блока 45 регистрации данных (см. фиг. 1).

На электромагнитном клапане 25 установлен штуцер 53 для отвода газов из напорной магистрали 7 при ее заполнении жидкостью.

Стенд работает следующим образом.

Вначале редуктором 26 давления газа по манометру 23 устанавливают на входе 27 электромагнитного клапана 24 заданную величину давления газа, например, Р₀. Затем сигналом с выхода 52 блока 50 синхронизации открывают электромагнитный клапан- 25. Далее емкость 1 заливают жидкость 21, например водой, до уровня около 2/3 объема емкости 1. Открытие клапана 25 позволяет выпустить остаточный газ и герметичной напорной магистрали 7 при ее заполнении жидкостью. О заполнении напорной магистрали 7, магистрали 17 и приемного резервуара 19 судят по данным блока 45 регистрации. Далее сигналом с выхода 52 блока «50 синхронизации электромагнитный клапан 25 закрывают, а также одновременно с выхода 49 блока 50 синхронизации на вход 48 блока 45 подают сигнал о регистрации исходного положения h₁ и h₂ поршней 10, 34 по данным с блоков 28 и 36 измерения перемещений поршней 10, 34 соответственно.

После этого сигналом с выхода 51 блока 50 синхронизации открывают электромагнитный клапан 24 и одновременно с выхода 49 блока 50 синхронизации на вход 48 блока 45 подают сигнал о регистрации текущего положения h_н(t)) и h_п(t) поршней 10, 34 по данным с блоков 28 и 36 измерения перемещений поршней 10, 34 соответственно, а также регистрации текущих величин давления P_н(t)) жидкости в напорной магистрали 7 и P_п(t) во всасывающей 4 и смесительной 5 камерах по данным с датчиков 39 и 40 соответственно.

Импульс давления газа Р₀, возникающий в напорной магистрали 7 при отрывании электромагнитного клапана 25, передается жидкости в напорной магистрали 7 и далее в сопло 3 струйного аппарата 2. Под действием этого импульса струя жидкости 21 проходит во всасывающую 4 камеру и за счет эффекта эжекции засасывает дополнительный объем V_Д жидкости из емкости 1. Далее объем V_С жидкости, поступивший из сопла 3 во всасывающую камеру 4, и дополнительный объем V_Д жидкости смешиваются в смесительной камере 5 и затем поступают в диффузор 6, а из него в магистраль 17 отвода жидкости 21 и далее в приемный резервуар 19. Это приводит к импульсному увеличению объема жидкости 21 в приемном резервуаре 19 и, соответственно, импульсному перемещению поршня 34. Импульсные, начинающиеся с исходных значений h₁ и h₂, текущие перемещения h_н (t) и h_п (t) поршней 10 и 34 регистрируются соответственно блоками 28 и 36, сигналы с которых поступают на входы 46 и 47 блока 45 регистрации данных. Одновременно датчики 39 и 40 регистрируют импульсные давления Р_н (t), Р_в (t), возникающие соответственно в напорной магистрали 7 и сопле 3, а также во всасывающей камере 4. С момента времени открытия электромагнитного клапана 25 по данным блока 45 регистрации данных рассчитываются следующие текущие характеристики импульсного процесса протока жидкости через струйный аппарат 2:

P_н (t) - импульсное давление (показания датчика 41), возникающее в напорной магистрали 7;

Р_в (t) - импульсное давление (показания датчика 42), возникающее во всасывающей камере 4;

V_н(t) - импульсный объем жидкости, нагнетаемый в сопло 3;

V_п(t) - импульсный объем жидкости, нагнетаемый в приемный резервуар 19;

V_д(t) - импульсный дополнительный объем жидкости = V_н(t)-V_п(t).

Импульсные объемы жидкости, нагнетаемые в сопло 3 и в приемный резервуар 19, рассчитывались по соотношениям:

- для напорной магистрали 7

- для приемного резервуара 19

где - S_н и S_п - площадь поршня 10 и 34 соответственно, м²;

h_н (t) и h_п (t) - текущая величина перемещения поршня 10 и 34 соответственно, м.

Таким образом, предлагаемая конструкция стенда позволяет получить информацию о нестационарных физических процессах в гидротракте струйного аппарата, необходимую и достаточную для составления расчетных математических моделей, используемых при проектировании струйных аппаратов.