Акустические методы и средства измерения пульсаций давления

Когда сердце во время систолы перекачивает кровь в аорту, в первый момент растягивается только начальная часть аорты, т.к. инерция крови, находящейся в аорте, предупреждает немедленный отток крови на периферию. Однако возросшее давление в начальной части аорты преодолевает инерцию, и фронт волны, растягивающей стенку сосуда, распространяется дальше вдоль аорты. Это явление называют распространением пульсовой волны в артериях.

Скорость распространения пульсовой волны в аорте в норме составляет от 3 до 5 м/сек, в крупных артериальных ветвях — от 7 до 10 м/сек, а в мелких артериях — от 15 до 35 м/сек. В целом, чем больше емкость того или иного участка сосудистой системы, тем меньше скорость распространения пульсовой волны, поэтому скорость распространения пульсовой волны в аорте гораздо ниже, чем в дистальных отделах артериальной системы, где мелкие артерии отличаются меньшей податливостью сосудистой стенки и меньшей резервной емкостью. В аорте скорость распространения пульсовой волны в 15 раз меньше, чем скорость кровотока, т.к. распространение пульсовой волны представляет собой особый процесс, лишь незначительно влияющий на продвижение всей массы крови вдоль сосуда.

Сглаживание пульсовых колебаний давления в мелких артериях, артериолах и капиллярах. На рисунке показаны типичные изменения рисунка пульсового колебания по мере того, как пульсовая волна проходит по периферическим сосудам. Особое внимание следует обратить на три нижние кривые, где интенсивность пульсаций становится все меньше в мелких артериях, артериолах и, наконец, в капиллярах. В действительности, пульсовые колебания стенки капилляров наблюдаются, если резко увеличены пульсации в аорте или предельно расслаблены артериолы.

Снижение амплитуды пульсаций в периферических сосудах называют сглаживанием (или демпфированием) пульсовых колебаний. К этому приводят две основные причины: (1) сосудистое сопротивление кровотоку; (2) податливость сосудистой стенки. Сосудистое сопротивление способствует сглаживанию пульсовых колебаний стенки сосудов, потому что все меньший объем крови продвигается вслед за фронтом пульсовой волны. Чем больше сосудистое сопротивление, тем больше препятствий для объемного кровотока (и меньше его величина). Податливость сосудистой стенки также способствует сглаживанию пульсовых колебаний: чем больше резервная емкость сосуда, тем больший объем крови необходим, чтобы вызвать пульсацию во время прохождения фронта пульсовой волны. Таким образом, можно сказать, что степень сглаживания пульсовых колебаний прямо пропорциональна произведению сопротивления сосуда на его резервную емкость (или податливость сосудистой стенки).

Аускультативный метод измерения давления

Совсем не обязательно вводить иглу в артерию пациента для измерения артериального давления при обычном клиническом обследовании, хотя в ряде случаев применяют прямые методы измерения давления. Вместо этого используют непрямые методы, чаще всего аускультативный метод определения величины систолического и диастолического давления.

Аускультативный метод. На рисунке представлен аускультативный метод определения величины систолического и диастолического давления. Стетоскоп располагается в области локтевого сгиба над лучевой артерией. На плечо накладывается резиновая манжетка для нагнетания воздуха. Все время, пока давление в манжетке остается ниже, чем в плечевой артерии, стетоскоп не улавливает никаких звуков. Однако когда давление в манжетке увеличивается до уровня, достаточного для перекрытия кровотока в плечевой артерии, но только во время диастолического снижения давления в ней, можно услышать звуки, сопровождающие каждую пульсацию. Эти звуки известны как тоны Короткова.

Истинную причину тонов Короткова все еще обсуждают, однако главной причиной их появления, бесспорно, является то, что отдельным порциям крови приходится прорываться через частично перекрытый сосуд. При этом в сосуде, расположенном ниже места наложения манжетки, ток крови становится турбулентным и вызывает вибрацию, что является причиной появления звуков, слышимых при помощи стетоскопа.

Для измерения артериального давления аускультативным методом давление в манжетке сначала поднимают выше уровня систолического давления. Плечевая артерия при этом пережата таким образом, что кровоток в ней полностью отсутствует и тоны Короткова не слышны. Затем давление в манжетке постепенно понижают. Как только давление в манжетке становится ниже систолического уровня, кровь начинает прорываться через сдавленный участок артерии во время систолического подъема давления. В это время в стетоскопе слышны звуки, похожие на стук, возникающие синхронно с сердцебиениями. Давление в манжетке во время появления первого звука принято считать равным систолическому давлению в артерии.

По мере того, как давление в манжетке продолжает снижаться, характер тонов Короткова меняется: они становятся более грубыми и громкими. Наконец, когда давление в манжетке падает до уровня диастолического, артерия под манжеткой во время диастолы остается непережатой. Условия, необходимые для формирования звуков (прорыв отдельных порций крови через суженную артерию), исчезают. В связи с этим звуки внезапно становятся приглушенными, и после снижения давления в манжетке еще на 5-10 мм рт. ст. полностью прекращаются. Давление в манжетке во время изменения характера звука принято считать равным диастоличе-скому давлению в артерии. Аускультативный метод измерения систолического и диастолического давления не является абсолютно точным. Ошибка может составить 10% по сравнению с прямым измерением давления в артерии с помощью катетера.

Нормальный уровень артериального давления, измеренный аускультативным методом. На рисунке показаны нормальные уровни систолического и диастолического артериального давления в зависимости от возраста. Постепенное увеличение давления с возрастом объясняют возрастными изменениями регуляторных механизмов, контролирующих кровяное давление. В первую очередь почки ответственны за долговременную регуляцию артериального давления. Как известно, функция почек заметно меняется с возрастом, особенно у людей старше 50 лет.

Заметное повышение систолического давления происходит у людей старше 60 лет. Дело в том, что артерии к этому времени становятся жесткими в результате развития атеросклероза. Кроме того, повышение систолического давления при атеросклерозе сочетается с увеличением пульсового давления, как объяснялось ранее.

Источник

Об измерении пульсаций давления в проточной части газотурбинных двигателей Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Шорин В. П., Гимадиев А. Г., Быстров Н. Д., Ильинский С. А.

Надежная оценка запасов устойчивости компрессора обеспечивается при измерении пульсаций давления в диапазоне частот от нескольких Гц до нескольких кГц. Поскольку датчики пульсаций давления часто не могут располагаться в точках измерения, их подключают к точкам измерения с помощью подводящих каналов. При этом формируется устройство под названием акустический зонд. Предложено применять научно обоснованные методики для расчета их частотных характеристик. Разработаны программные средства, позволяющие осуществлять расчеты частотных характеристик вновь проектируемых акустических зондов с элементами коррекции их частотных характеристик, а также обрабатывать получаемую во время испытаний двигателей с помощью акустических зондов информацию о пульсационном состоянии объектов контроля. Для проведения динамических испытаний с целью экспериментальной отработки зондов для измерения пульсаций на предмет соответствия их частотных характеристик расчетным на кафедре АСЭУ СГАУ создано стендовое оборудование и измерительно-регистрационный комплекс.

ABOUT THE PROBES FOR MEASURING PULSATIONS OF PRESSURE IN THE FLOWING PART GAS TURBINE ENGINES

Evaluation of the stability of GTE compressor is provided in the measurement of pressure fluctuations in the frequency range from several Hz to several kHz. Because the sensors of the pressure fluctuations can not be located at the measurement points due to excessive heat, vibration and limited space for their installation used the lead-in channels acoustic probes. Proposed science-based methodology for calculating the frequency characteristics of the probes with corrective elements on which the developed software tools to select their parameters. The developed software can process the information derived using acoustic probes during engine tests. To verify the validity of computational models of probes at the Department of SNPP SGAU established test facilities and measurement and registration set in place to test their frequency.

Текст научной работы на тему «Об измерении пульсаций давления в проточной части газотурбинных двигателей»

ОБ ИЗМЕРЕНИИ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

(национальный исследовательский университет)

2ОАО «КУЗНЕЦОВ» (ОАО СНТК имени Н.Д. Кузнецова), г. Самара

Проточный тракт ГТД, пульсации давления, зонды для измерения пульсаций давления, программные средства для расчета и проектирования зондов, динамические испытания зондов, стенд для частотных испытаний зондов.

При разработке и доводке газотурбинных двигателей контроль пульсаций давления в проточной части является весьма важным. При превышении допустимого уровня пульсаций давления включаются защитные системы двигателя, изменяющие режим работы двигателя и предотвращающие выход из строя компрессора и двигателя в целом.

При доводке двухконтурных двигателей на расчетные параметры контролируются пульсации давления потока как в первом, так и во втором контурах двигателя. Особенно тщательно изучается влияние неравномерности потока на входе в двигатель, что требует значительного числа точек контроля пульсаций полного давления. Оцениваются пульсации давления за компрессорами низкого и высокого давления (КНД и КВД), контролируются пульсации в камере сгорания, а в отдельных случаях для форсированных двигателей- в форсажной камере сгорания.

В связи с использованием альтернативных источников энергии (например, природный сжиженный газ) в авиации и для двигателей наземного применения появилась проблема вибрационного горения топ-

лива в камере сгорания, которая не может быть решена без измерения пульсаций давления. Вибрационное горение топлива в КС само по себе является чрезвычайно опасным режимом, поскольку энергия колебаний потока может стать настолько высокой, что вызовет появление возбуждающих сил, способных в ряде случаев вызвать разрушение элементов двигателя.

Данные по требуемой точности контроля и измерения пульсаций давления на отечественных испытательных стендах ГТД приводятся в ОСТ 1.01-021-93 и составляют ± 10 % по амплитуде. Достигнутый к настоящему времени уровень точности при измерении пульсаций давления составляет около ± 20 %.

В настоящее время перед конструкторами ставится ряд ответственных задач по созданию конкурентоспособных газотурбинных двигателей как авиационного, так и наземного применения. Одной из проблем, вытекающей из названной задачи, является измерение и контроль пульсаций давления потока воздуха или рабочего тела в отдельных сечениях двигателя.

Сбор информации о пульсационном состоянии потока на входе в двигатель позволяет получать энергетические спектры пульсаций давления, среднеквадратичные значения пульсационной составляющей давления и их автокорреляционные функции. В ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова при доводке двигателя НК-32 получены энергетические спектры пульсаций давления и силового отклика в узлах крепления двигателя на ЛА в условиях различного уровня возмущений на входе в двигатель. Указанные энергетические спектры весьма типичны для ГТД, но при этом они в случае, рассмотренном в работе [1], отражают специфику крупноразмерного двигателя, т.е. сосредоточение энергии колебаний воздушного потока в низкочастотной области.

Оценка запасов устойчивости компрессора двигателя на испытательных станциях и открытых стендах проводится измерением пульсаций давления в диапазоне частот от нескольких Гц до нескольких кГц. Измерение пульсаций давления проводится в некоторых случаях и при более высоких частотах, например при оценке формирования вредных выбросов в основных и форсажных камерах сгорания ГТД [1].

Поскольку условия работы первичных преобразователей пульсаций давления в точках измерения на объектах контроля зачастую не соответствуют допустимым из-за высоких температур, высокого уровня вибраций, наличия взвешенных частиц в про -дуктах сгорания и т.п., а также в связи с тем, что в ряде случаев первичный преобразователь конструктивно не может быть установлен непосредственно в точке измерения, производится подключение датчика к точке измерения при помощи подводящего канала с датчиком или акустического зонда (рис. 1).

Наличие подводящего канала приводит к значительному искажению передаваемой к датчику информации о переменной составляющей давления. Поэтому при создании акустических зондов предложено применять научно обоснованные методики расчета их частотных характеристик [2].

На основе предложенных методик разработаны программные средства, позволяющие осуществлять расчеты частотных характеристик вновь проектируемых аку-

стических зондов с элементами коррекции частотных характеристик, а также обрабатывать получаемую с их помощью информацию о пульсационном состоянии испытываемых двигателей.

Рис.1. Внешний вид акустических зондов

К таким программам относятся: «Расчет устройств для измерения пульсаций» (РУДИП) и «Программа обработки и восстановления сигналов» (ПОВС) (рис.2).

Рис. 2. Основная форма программы ПОВС

Программа позволяет осуществлять расчеты частотных характеристик акустических зондов, обрабатывать измеренные с по -мощью зондов временные реализации пульсаций давления, вносить корректировку в полученные временные реализации. Про -граммный комплекс позволяет рассчитывать частотные характеристики акустических зондов как с датчиками абсолютного давления, так и для зондов с дифференциальными датчиками. Характерной особенностью про -граммного комплекса является возможность осуществления расчетных действий в случае

применения так называемых неоднородных трубопроводов, подводящих к датчику сигнал давления. Причем предусмотрены случаи неоднородности как по температуре, так и по геометрии. В качестве примера на рис. 3 представлена исходная форма генерации расчетного задания в программном комплексе.

Рис. 3. Исходная форма для формирования расчетного задания в случае неоднородности подводящего трубопровода проектируемого или эксплуатируемого акустического зонда

Для корректировки амплитудно-

частотных характеристик акустических зондов предложен ряд схем корректирующих элементов. В качестве примера на рис. 4 представлено одно из окон программного комплекса для расчета АЧХ акустического зонда с применением корректирующего элемента в виде длинной линии.

О Байпасный дроссель с ёмкостью у датчика

О Капиллярные каналы

С Дроссель посередине волновода

О Дроссель на входе в волновод

О Два дросселя и канал у датчика

О Байпасный дроссель с ёмкостью посередине волновода

Результаты расчетов выводятся в виде графиков (рис. 5) или таблиц.

Рис. 5. А ЧХ акустического зонда с корректирующими элементами.

Исходные расчетные данные приводятся в верхней части графика.

Для обработки записанных временных реализаций пульсаций давления в результате испытаний объектов, в рамках программного комплекса, предусмотрена специальная

Для проверки адекватности разработанных математических моделей акустических зондов и эффективности их корректирующих элементов проводятся стендовые частотные испытания, максимально приближенные к натурным. Такие же испытания зондов проводятся и перед непосредственным применением на ГТД при его доводке в стендовых условиях. Для этого на кафедре АСЭУ СГАУ создано стендовое оборудование и измерительно-регистрационный комплекс, позволяющие проводить частотные испытания зондов при значениях средних давлений, характерных для ГТД.

Источник

Акустические методы и средства измерения пульсаций давления