ОЦЕНКА  ПОГРЕШНОСТИ  ИЗМЕРЕНИЯ  РАСХОДА  ГАЗА  СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ  РАСХОДОМЕРАМИ,  С  ЦЕЛЬЮ  УЛУЧШЕНИЯ  ХАРАКТЕРИСТИК  УЗЛОВ  И  АГРЕГАТОВ  ЖРД

Кружаев  Константин  Владимирович

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

E-mail:  rd-vgtu@mail.ru

Цыганов  Александр  Александрович

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

E-mail:  rd-vgtu@mail.ru

Малетин  Андрей  Николаевич

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

E-mail: 

ESTIMATION  OF  MEASUREMENT  ACCURACY  OF  GAS  FLOW  SUPERCRITICAL  FLOW  METERS,  WITH  THE  AIM  OF  IMPROVING  THE  CHARACTERISTICS  OF  UNITS  AND  UNITS  OF  LIQUID  ROCKET  ENGINES

Kruzhaev  Konstantin  Vladimirovich

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

Tsyganov  Alexander  Aleksandrovich

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

Maletin  Andrey  Nikolaevich

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

АННОТАЦИЯ

Приведен  алгоритм  оценки  погрешности  определения  расхода  газа  сверхкритическими  расходомерами,  характеристика  которых  получена  на  установке  для  калибровки  газовых  расходомеров  весовым  способом.  Погрешность  определения  коэффициента  расхода  при  калибровке  критических  расходомеров  менее  ±0,25  %,  что  значительно  меньше  существующих.  Данное  обстоятельство  позволяет  достигать  погрешности  определения  расходных  характеристик  при  испытании  улов  и  агрегатов  жидкостных  ракетных  двигателей  (ЖРД)  равной  ~0,5  %.

ABSTRACT

An  algorithm  for  estimating  of  measurement  accuracy  in  determining  the  gas  flow  supercritical  flow  meters  ,  of  which  the  characteristics  obtained  at  the  facility  for  the  calibration  of  gas  flow  by  the  weight  method.  The  measurement  accuracy  in  determining  the  calibration  coefficient  of  the  critical  flow  meters  less  than  ±  0,25  %,  which  is  significantly  less  than  the  existing  ones.  This  allows  us  to  reach  error  in  determining  the  flow  characteristics  during  the  test  and  catch  liquid  rocket  engines  units  of  ~  0,5  %.

Ключевые  слова:  турбонасосный  агрегат;  расходомер;  расход;  газ;  коэффициент  расхода;  погрешность.

Keywords:  turbo-pump  unit;  flowmeter;  fuel;  gas;  flow  coefficient;  measurement  accuracy.

Актуальность  работы  вызвана  необходимостью  разработки  новых  прогрессивных  технологий  при  создании  (ЖРД).  Проблемой  при  их  создании  является  обеспечение  расходных  характеристик  форсунок,  клапанов,  трактов  охлаждения,  турбин  турбонасосного  агрегата  (ТНА)  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.

При  доводке  двигателей  повышение  точности  определения  характеристик  форсунок  позволяет  снизить  конструкторский  допуск  для  расходов  компонентов  топлива,  что  увеличивает  равномерность  работы  форсунок  в  камере  сгорания  (КС),  влияет  на  полноту  сгорания  в  КС  и,  следовательно,  на  повышение  удельного  импульса.  В  газогенераторе  данная  проблема  также  актуальна,  поскольку  неравномерная  работа  форсунок  вызывает  локальное  повышение  температуры,  что  сказывается  на  надёжности  турбины.

Повышение  точности  определения  расхода  воздуха  при  испытании  турбины  способствует  увеличению  точности  определения  КПД,  приведённого  расхода,  мощности  турбины,  что  положительно  влияет  на  настройку  номинального  режима  работы  двигателя.

Все  перечисленные  виды  работ  требуют  повышения  точности  при  измерении  расходов  воздуха  как  малых  (от  0,5  г/с),  так  и  увеличенных
(до  20  кг/с).

Как  средство  измерения  массового  расхода  газа  большое  распространение  получили  сверхкритические  расходомеры  [1,  4].  Чтобы  обеспечить  измерения  с  помощью  сверхкритических  расходомеров  необходима  калибровка,  основной  целью  которой  является  определение  коэффициента  расхода  .

Для  обеспечения  требуемой  точности  характеристик  сверхкритических  расходомеров  создана  установка  для  калибровки  газовых  расходомеров  весовым  способом  [3]  (рис.  1).

Рисунок  1.  Установка  для  калибровки  газовых  расходомеров  весовым  способом

Погрешность  получения  характеристик  на  установке  для  калибровки  газовых  расходомеров  весовым  способом  [3]  характеризуется  неисключённой  систематической  погрешностью  [2,  5].

Неисключённые  систематические  погрешности  рассчитываются  исходя  из  формул  расчёта  анализируемых  параметров,  приведённых  ниже:

·     расход  воздуха  через  калибруемый  расходомер  по  формулам  [1,  3]:

  (1)

  (2)

  (3)

где:  масса  воздуха  в  газоприёмном  сосуде,  кг;

масса  заполненного  газоприёмного  сосуда,  кг;

масса  неучтённого  газа,  кг;

объём  невзвешиваемой  части  газа,  м³;

давление  в  объёме  невзвешиваемой  части  газа,  МПа;

температура  невзвешиваемой  части  газа,  К;

массовый  расход  газа  через  калибруемое  устройство,  ;

время  заполнения  газоприёмного  сосуда,  с;

суммарное  время  заполнения  газоприемный  сосуд  (ГПС),  с;

время  заполнения  ГПС  на  установившемся  режиме,  с;

поправка  на  время  заполнения  ГПС  за  счёт  переходных  процессов  при  переключении  клапанов,  с;

приведённое  время  выхода  на  режим,  с;

приведённое  время  останова,  с;

·     коэффициент  расхода  калибруемого  расходомера  [1,  2]:

  (4)

где:  газодинамический  коэффициент  расхода  расходомера;

температура  на  входе  в  калибруемое  устройство,  К;

площадь  критического  сечения  расходомера,  м²;

диаметр  критического  сечения  сужающего  устройства,  м;

термодинамический  коэффициент  расхода,    [5];

показатель  изоэнтропы;

  газовая  постоянная,  .

Погрешность  результата  прямого  измерения  массы:

  ,  (5)

где:  погрешность  образцовых  гирь,  %;

погрешность  доли  массы,  измеренной  весами,  %;

абсолютная  погрешность  показания  весов.

Погрешность  определения  невзвешиваемой  части  газа:

,  (6)

где:  погрешность  измерения  объёма  невзвешиваемой  части  газа;

погрешность  измерения  объёма  ГПС.

Погрешность  измерения  массы  газа:

,  (7)

Погрешность  измерения  массового  расхода  газа:

,  (8)

где:  коэффициент,  определяемый  принятой  доверительной  вероятностью  (в  нашем  случае  доверительная  вероятность  Р=0,95);

погрешность  интервала  времени  усреднения.

Относительную  систематическую  погрешность  определения  коэффициента  расхода  газового  расходомера  при  калибровке  на  исследуемой  установке  [3]:

,  (9)

где:  погрешность  системы  непрерывной  записи  данных  на  ЭВМ;

погрешность  определения  термодинамического  коэффициента  расхода,  %;

  половина  разряда  последней  значащей  цифры;

погрешность  определения  площади  расходомера,  %;

абсолютная  погрешность  прибора  для  измерения  диаметра  сужающего  устройства  расходомера;

погрешность  определения  газовой  постоянной,  %;

половина  разряда  последней  значащей  цифры  в  числе,  выражающем  значение  R;

погрешность  определения  функции  критического  расхода  совершенного  газа  (в  нашем  случае  С_*=0,6847),  %;

половина  разряда  последней  значащей  цифры  в  числе,  выражающем  значение  С_*;

предел  относительной  систематической  погрешности  измерения  давления  перед  расходомером,  %;

класс  точности  прибора  (погрешность  прибора,  отнесённая  к  верхнему  пределу  измерений),  %;

абсолютная  погрешность  прибора  измерения,  мм.  рт.  ст;

барометрическое  давление,  ;

барометрическое  давление,  мм.рт.ст;

относительная  погрешность  обработки  и  регистрации  измерительного  канала  датчика  давления,  %;

верхний  предел  измерения  датчика  давления,  МПа;

показание  датчика  в  процессе  измерения  давления,  МПа;

предел  относительной  систематической  погрешности  измерения  температуры,  %;

температура  газа  перед  сужающим  устройством  расходомера,  К;

абсолютная  погрешность  прибора  измерения  температуры,  ⁰С;

сопротивление  датчика  температуры,  Ом;

абсолютная  погрешность  обработки  и  регистрации  измерительного  канала  датчика  температуры,  К.

Произведённый  по  алгоритму  расчёт  сведён  в  таблицу  1  для  расходомеров  трёх  типоразмеров:

Таблица  1.

Результат  расчёта  погрешности

Разработанный  принцип  сбора  и  обработки  информации  с  программой  для  автоматизации  проведения  испытаний  газовых  расходомеров  позволяют  получить  погрешность  определения  коэффициента  расхода  при  калибровке  критических  расходомеров  менее  ±0,25  %,  что  значительно  меньше  существующих.  Данное  обстоятельство  позволяет  достигать  погрешности  определения  расходных  характеристик  при  испытании  улов  и  агрегатов  ЖРД  равной  ~0,5  %

Произведено  сравнение  полученной  характеристики  на  экспериментальной  установке  и  характеристики  полученной  методом  сличения  с  образцовым  расходомером.  Необходимо  отметить,  что  получена  удовлетворительная  сходимость  результатов  несмотря  на  то,  что  среднеквадратическое  отклонение  коэффициента  расхода  получаемого  методом  сличения  превышает  среднеквадратическое  отклонение  коэффициента  расхода  полученного  на  экспериментальной  установке  на  65  %—85  %.

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.