УЧЁТ  ПЕРЕХОДНЫХ  ПРОЦЕССОВ  ПРИ  ИСПЫТАНИИ  СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ  РАСХОДОМЕРОВ

Кружаев  Константин  Владимирович

аспирант  кафедры  ракетные  двигатели,  ФГБОУ  ВПО  Воронежского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Воронеж

E-mail: 

ACCOUNTING  FOR  TRANSIENT  TEST  SUPERCRITICAL  FLOWMETERS

Kruzhaev  Konstantin  Vladimirovich

postgraduate  of  chair  rocket  engines,  FGBOU  VPO  Voronezhsky  of  the  state  technical  university,  Russia  Voronezh

АННОТАЦИЯ

Приведено  решение  проблемы  обеспечения  стационарности  режима  определения  переходных  процессов  при  заполнении  газоприёмного  сосуда  при  калибровки  газовых  расходомеров  весовым  способом.  Заданные  граничные  условия  позволяют  снизить  погрешность  определения  коэффициента  расхода  при  калибровке  критических  расходомеров  до  ±0,25  %.

ABSTRACT

A  solution  of  the  problem  of  determining  the  stationary  mode  transient  when  filling  the  gas  inlet  vessel  with  gas  flow  calibration  weight  method.  Given  boundary  conditions  can  reduce  the  error  in  determining  the  calibration  coefficient  of  the  critical  flow  meters  to  ±  0,25  %.

Ключевые  слова:  жидкостный  ракетный  двигатель;  расходомер;  расход;  газ;  коэффициент  расхода;  временные  интервалы.

Keywords:  liquid  rocket  engine;  flowmeter;  flow;  gas;  flow  coefficient;  timeslots.

Актуальность  работы  вызвана  необходимостью  разработки  новых  прогрессивных  технологий  при  создании  жидкостных  ракетных  двигателей  (ЖРД).  Проблемой  при  их  освоении  является  обеспечение  расходных  характеристик  форсунок,  клапанов,  трактов  охлаждения,  турбин  турбонасосного  агрегата  с  высокой  точностью,  что  в  значительной  степени  определяется  используемой  системой  измерения  при  газодинамических  испытаниях.  Решение  данной  проблемы  требует  применения  нового  оборудования  и  высокоточных  систем  измерения,  позволяющих  определять  расход  газа  с  низкой  погрешностью,  в  частности  для  снижения  конструкторского  допуска  на  расходы.

Как  средство  измерения  массового  расхода  газа  большое  распространение  получили  сверхкритические  расходомеры  [1,  2].  Чтобы  обеспечить  измерения  с  помощью  сверхкритических  расходомеров  необходима  калибровка,  основной  целью  которой  является  определение  коэффициента  расхода  ,  который  представляет  собой  отношение  действительного  расхода    газа  к  теоретическому  ,  рассчитанному  по  формулам  газовой  динамики  для  изоэнтропического  течения  [4,  6],

,  (1)

где:  температура  газа  перед  расходомером;

газовая  постоянная;

площадь  критического  сечения  расходомера;

функция  критического  потока  совершенного  газа;

полное  давление  перед  расходомером.

Для  измерения  действительного  расхода  газа  в  основном  используем  весы,  необходимые  для  определения  массы  газоприёмного  сосуда  (ГПС),  в  который  перепускается  газ,  прошедший  через  контрольное  сечение  расходомера,  в  течение  времени  измерения  [3,  5].

Калибровочные  работы  начинаются  с  определения  массы  пустого  ГПС  ().  После  заполнения  ГПС  газом  проводится  повторное  определение  массы  сосуда  с  газом.

В  дальнейшем  по  времени  заполнения  газоприёмного  сосуда  ()  и  массе  газа  в  сосуде  рассчитывается  действительный  расход  газа:

  (2)

Из  формулы  (2)  видно,  что  для  получения  более  достоверного  значения  необходимо  с  высокой  точностью  измерить  массу  газа  и  время  заполнения.

При  настройке  и  выходе  на  режим  истечение  рабочего  тела  должно  происходить  в  атмосферу.  Для  переключения  тока  рабочего  тела  в  ГПС  и,  наоборот,  из  сосуда  в  атмосферу  используются  различные  устройства,  которые  не  в  состоянии,  с  необходимой  точностью,  обеспечить  независимость  расхода  газа  через  калибруемое  сопло  при  меняющихся  условиях  в  промежуточной  полости  используемых  устройств  в  момент  переключения  направления  тока  рабочего  тела.

Циклограмма  срабатывания  двухходового  устройства  представлена  на  рисунке  1.  Запись  на  осциллограмму  производится  с  помощью  информационно-измерительной  системы  с  периодичностью  0,1  с,  впоследствии  осциллограмма  расшифровывается  оператором.

Такой  сложный  механизм  заполнения  ГПС  делает  необходимым  измерения  наиболее  характерных  интервалов  времени  цикла  срабатывания  устройства  для  переключения  тока  рабочего  тела  .

Рисунок  1.  Циклограмма  срабатывания  устройства  переключения  тока  рабочего  тела

В  связи  с  несинхронностью  работы  устройств  переключения  тока  рабочего  тела,  процесс  заполнения  сосуда  не  стационарен.

Таким  образом,  в  течение  промежутка  времени,  принятого  в  качестве  времени  заполнения  ГПС  (),  на  участке  «0—3»  часть  газа,  протекающего  через  испытуемый  расходомер,  истекала  не  в  сосуд,  а  в  атмосферу.  В  конце  цикла  срабатывания  двухходового  устройства,  когда  прекращался  отсчёт  времени  заполнения  сосуда,  газ  продолжал  истекать  в  сосуд.

Повышение  давления  в  промежуточной  полости  устройства  переключения  тока  рабочего  тела  ()  по  кривой  «0—1»  и  кривой  «2—3»  характеризует  различные  процессы.  Если  повышение  давления  по  кривой  «0—1»  вызывает  увеличение  плотности  тока  (),  увеличивая  тем  самым  количество  газа,  истекающего  в  сосуд,  то  понижение  давления  по  кривой  «2—3»  приводит  к  увеличению  расхода  в  атмосферу.  Истечение  происходит  в  ГПС,  и  количество  газа,  поступающего  в  ГПС,  зависит  от  того,  насколько  интенсивен  процесс  нарастания  давления.

Мгновенно  повысить  давление  в  точке  «0»  до  максимального  невозможно.  В  связи  с  этим  на  отрезке  времени    создаётся  дефицит  массы  —  в  сосуд  не  поступает  определённое  количество  газа.

Это  количество  газа  можно  выразить  соотношением:

,  (3)

где:  максимально  возможное  значение  давления  в  промежуточной  полости  устройства  при  данном  режиме  калибровки;

температура  газа  в  промежуточной  полости  устройства;

время  соответствующее  точкам  «0»,  «1»  и  «2»,  «3»;

закон  изменения  давления  на  отрезке  времени  ;

закон  изменения  давления  на  отрезке  времени  .

Как  видно  из  соотношения  (3),  величина  ,  а  следовательно,  и  погрешность  определения  характеристик  расходомера  зависит  от  закона  изменения  давления    от  времени.  При  мгновенном  возрастании  давления  в  точке  «0»  до  максимального  интеграла  от  функции    (для  фиксированных  )  равен  ,  а  .

Для  уменьшения  влияния  на  погрешность  определения  массового  расхода  газа  необходимо  с  высокой  точностью  определять  временные  интервалы  переходных  процессов,  следовательно,  необходимо  с  высокой  точностью  решать  систему  (3).

Для  решения  данной  системы  необходимо  задать  ряд  универсальных  граничных  условий  определения  временных  интервалов,  которые  зависят  от  изменения  давления.  При  этом  необходимо  обеспечивать  независимость  расхода  газа  через  калибруемое  сопло  при  меняющихся  условиях  в  промежуточной  полости  двухходового  устройства  в  момент  переключения  направления  тока  рабочего  тела  с  помощью  критических  шайб.

Шайбы  предназначаются  для  обеспечения  независимости  расхода  газа  через  калибруемое  сопло  при  меняющихся  условиях  в  промежуточной  полости  двухходового  устройства  (между  шайбами  и  калибруемым  соплом)  в  момент  переключения  направления  тока  рабочего  тела.

Заданные  граничные  условия  позволяют  снизить  погрешность  определения  коэффициента  расхода  при  калибровке  критических  расходомеров  до  ±0,25  %,  за  счёт  снижения  погрешности  определения  временных  интервалов  и  массы  газа  которая  поступает  в  ГПС  в  промежутки  времени.

Существующие  в  настоящее  время  методы  не  в  состоянии  обеспечить  определение  характеристик  калибруемого  устройства  с  погрешностью  менее  0,3  %.

Список  литературы:

1.            Абрамович  Г.Н.  Прикладная  газовая  динамика.  Ч.  1  М.:  Наука,  1991  —  600  с.

2.            ГОСТ  8.381-2009  ГСИ.  Эталоны.  Способы  выражения  точности.  М.:  Стандартинформ,  2011  —  18  с.

3.            Кружаев  К.В.,  Ермошкина  Л.Г.,  Качанов  Г.К.  «Повышение  точности  измерения  массового  расхода  газа  с  использованием  критических  газовых  расходомеров».  РКТТ  2011.  —  с.  133—140.

4.            Пирумов  У.Г.,  Росляков  Г.С.  Газовая  динамика  сопел.  М.:  Наука,  1990  —  368  с.

5.            РД  50-213-80.  Правила  измерения  расхода  газов  и  жидкостей  стандартными  сужающими  устройствами.  М.:  Издательствово  стандартов,  1982  —  319  с.

6.            «Основы  газовой  динамики».  Редактор  Г.  Эммонс.  М.:  Издательство  иностранной  литературы,  1963  —  704  с.