Результат интеллектуальной деятельности: Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания

Изобретение относится к измерительным системам для определения физических свойств двухфазных потоков, а именно, к измерительным системам для определения истинного объемного газосодержания потока масловоз душной эмульсии в трубопроводе. Изобретение может быть использовано в системах смазки авиационного газотурбинного двигателя, а также в стационарных газотурбинных установках и других энергетических объектах. Также измерительная система может быть использована для определения содержания газа в других двухфазных газовых эмульсиях для управления различными технологическими процессами.

Величина объемного содержания газа в масловоздушной эмульсии необходима для расчета ее плотности, используемой при решении задач, касающихся определения параметров газожидкостных сред. Как правило, требуется долговременное непрерывное измерение в реальном времени значения истинного объемного газосодержания двухфазного потока на различных режимах работы оборудования.

Работа измерительных систем для определения содержания газа в потоке газовой эмульсии основана на различных физических принципах. Измерительные системы позволяют определить истинное газосодержание в сечении трубопровода, в локальной пробе или в объеме участка трубопровода.

Известна измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока газовой эмульсии, включающая генератор, возбуждающий акустические колебания в газожидкостной среде (RU 2115116, 1998). Недостатком данной измерительной системы является изменение гидродинамического режима потока и сложность ее реализации в трубопроводах маленького диаметра, например, в топливной или масляной системе двигателей.

Известна система для измерения истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода, содержащая источник и детектор ионизирующего излучения (SU 1022002, 1983), однако ее использование ограничено требованиями техники безопасности. Данная система может применяться только в отношении газовых эмульсий, не содержащих не чувствительные к инфракрасному излучению азот, кислород, гелий, аргон, криптон, ксенон.

Известна измерительная система для определения объемного газосодержания в газожидкостной среде в трубопроводе, включающая измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, датчики температуры, давления и скорости потока между двумя сечениями участка и электронный вычислительный блок, выполненный с возможностью расчета объемного газосодержания по уравнению состояния идеального газа, принимая двухфазную газожидкостную систему как смесь идеального сжимаемого газа и несжимаемой жидкости (US 6847898, 2005). Недостатком известного технического решения является низкая точность определения термодинамических характеристик эмульсии, таких как скорость звука, показатель адиабаты и др. В частности, расчет скорости звука в водовоздушной эмульсии без учета сжимаемости жидкой фазы составляет 330 м/с, а с учетом сжимаемости - 25 м/с, что подтверждается экспериментальным ее измерением.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе (RU 152854, 2015), включающая измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено средство измерения давления и температуры масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок, электрически подключенный к средству измерения давления и температуры.

Недостатком известного технического решения является необходимость использования метода последовательных приближений при решении двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными для расчета объемного газосодержания. Указанный метод требует существенных затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания и может не обеспечить получения достоверного результата.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в сокращении затрат времени на определение истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в определении величины истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.

Технический результат достигается за счет того, что измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено средство измерения давления Р_эм и температуры Т_эм масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок, электрически подключенный к средству измерения давления Р_эм и температуры Т_эм, причем измерительная система дополнительно включает устройство для измерения объемного расхода, установленное на входе измерительного участка, и датчик перепада давления, установленный между входом и выходом измерительного участка, при этом электрические выходы устройства для измерения объемного расхода и датчика перепада давления подключены к электронному вычислительному блоку, а электронный вычислительный блок выполнен с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по следующему соотношению:

α_эм=(ρ_ж-К_т.трΔР_изм/Q²_изм)/(ρ_ж-ρ_г),

где:

α_эм - истинное объемное газосодержание;

ρ_ж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм;

К_т.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м⁴;

ΔР_изм - измеренный перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка;

Q_изм - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;

ρ_г - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм,

причем:

где:

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;

λ_тp - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;

l_тp - длина измерительного участка трубопровода;

d_тp - диаметр измерительного участка трубопровода;

ζ_м - суммарный коэффициент местных потерь давления на измерительном участке трубопровода.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как дополнение измерительной системы устройством для измерения объемного расхода, установленным на входе измерительного участка, подключенным электрическим выходом к электронному вычислительному блоку, и датчиком перепада давления, установленным между входом и выходом измерительного участка, также подключенным электрическим выходом к электронному вычислительному блоку, и выполнение электронного вычислительного блока с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по определенному соотношению позволяет определять величину истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием измерительной системы для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе со ссылкой на фигуру, где показана схема измерительной системы.

Измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок 1 трубопровода, на входе 2 которого установлено средство 3 измерения давления Р_эм и температуры Т_эм масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок 4 для расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии, а также плотности масла и воздуха, электрически подключенный к средству 3 измерения давления Р_эм и температуры Т_эм. Измерительная система дополнительно включает устройство 5 для измерения объемного расхода, установленное на входе 2 измерительного участка 1, и датчик 6 перепада давления, установленный между входом 2 и выходом 7 измерительного участка 1. Электрические выходы устройства 5 для измерения объемного расхода и датчика 6 перепада давления подключены к электронному вычислительному блоку 4, а электронный вычислительный блок 4 выполнен с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по следующему соотношению:

где:

α_эм - истинное объемное газосодержание;

ρ_ж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм;

К_т.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м⁴;

ΔР_изм - измеренный перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка;

Q_изм - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;

ρ_г - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм,

причем:

где:

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;

λ_тp - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;

l_тp - длина измерительного участка трубопровода;

d_тp - диаметр измерительного участка трубопровода;

ζ_м - суммарный коэффициент местных потерь давления на измерительном участке трубопровода.

Средство 3 измерения давления Р_эм и температуры Т_эм масловоздушной эмульсии может быть выполнено в виде отдельных датчиков давления и температуры или в виде комбинированного датчика давления и температуры.

Устройство 5 для измерения объемного расхода установлено на входе 2 измерительного участка 1. Датчик 6 перепада давления входами подключен к входу 2 и выходу 7 измерительного участка 1. Средство 3 измерения давления и температуры установлено на входе 2 измерительного участка 1, в сечении, в котором определяют истинное объемное газосодержание потока двухфазной масловоздушной эмульсии. Течение масловоздушной эмульсии в трубопроводе обеспечивает источник 8 давления, который не является элементом измерительной системы.

Средство 3 измерения давления Р_эм и температуры Т_эм, устройство 5 для измерения объемного расхода и датчик 6 перепада давления могут быть смонтированы с помощью штуцеров на внутренней поверхности измерительного участка 1 трубопровода с целью минимизации влияния их положения на течение потока в трубопроводе.

В качестве устройства 5 для измерения объемного расхода может быть использован известный из уровня техники датчик объемного расхода или электроприводной насос-измеритель объемного расхода (RU 2540204, 2015), в контроллере которого содержится алгоритм определения объемного расхода по предварительно полученной экспериментальной зависимости объемного расхода через насос от частоты вращения насоса и перепада давления на нем.

В частности, длина измерительного участка 1 может составлять не менее семи размеров его диаметра. Для повышения точности измерения перепада давлений длину участка 1 целесообразно выбирать максимально возможной.

Устройство 5 для измерения объемного расхода и датчики 3, 6 выполнены с возможностью формирования электрических измерительных сигналов, соответствующих параметрам потока двухфазной масловоздушной эмульсии, а электронный вычислительный блок 4 может включать алгоритмы обработки результатов измерений, например, алгоритмы осреднения значения параметра на заданном интервале и компенсации инерционности каналов измерения в виде известного уравнения:

Х_кор=Х_изм+τ_измdХ_изм/dt,

где:

Х_кор - скорректированное значение параметра;

Х_изм - измеренное значение параметра;

τ_изм ^- постоянная времени средства измерения;

dХ_изм/dt - величина производной измеряемого параметра.

В память вычислительного блока 4 вводятся характеристики измерительного участка 1 трубопровода: длина l_тp, диаметр d_тp, коэффициент λ_тp потерь на трение, суммарный коэффициент ζ_м местных потерь давления, а также коэффициенты аналитических выражений или двумерные таблицы зависимостей плотности ρ_ж масла и плотности ρ_г воздуха от давления Р_эм и температуры Т_эм в масловоздушной эмульсии для получения вычисленных текущих значений этих величин:

ρ_ж=f₁(Р_эм,Т_эм);

ρ_г=f₂(Р_эм,Т_эм),

где:

f₁(Р_эм,Т_эм) - функция, выражающая зависимость ρ_ж от Р_эм и Т_эм;

f₂(Р_эм,Т_эм) - функция, выражающая зависимость ρ_г от Р_эм и Т_эм.

Величины коэффициентов λ_тp и ζ_м могут определяться по известным соотношениям (см., например, И.Е. Идельчик, «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», 3-е издание, Москва, «Машиностроение», 1992, с. 10-11, 29-32). В частности, коэффициент λ_тp может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:

λ_тp=64/Re.

Измерительная система для определения истинного объемного газосодержания работает следующим образом.

Вычислительный блок 4 считывает информацию с устройства 5 для измерения объемного расхода, средства 3 измерения давления и температуры, и датчика 6 перепада давления. Производится обработка полученной информации, например, в части компенсации инерционности средств измерения и осреднения результатов на заданном интервале времени, рассчитываются величины плотности масла и воздуха по заложенным в память электронного вычислительного блока 4 данным, и определяется значение истинного объемного газосодержания α_эм по соотношению (1).

Далее с устройства 5 для измерения объемного расхода, средства 3 измерения давления и температуры, и датчика 6 перепада давления считываются новые значения параметров, и определяется новое значение α_эм.

Как известно, характер течения в трубопроводах микропузырьковых газожидкостных сред, к которым относится и двухфазная масловоздушная эмульсия, ничем не отличается от характера течения однофазной жидкости (см., например, статью Б.В. Бошенятова «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6, с. 160). Следовательно, величина массового расхода может быть определена из формулы Дарси-Вейсбаха для расчета потерь давления из-за трения эмульсии о стенки трубопровода, которая после перехода от объемного расхода к массовому и учета потерь давления на местных сопротивлениях в трубопроводе имеет следующий вид:

где:

Р_эм.н и Р_эм.к - величина давления соответственно на входе 2 и выходе 7 измерительного участка 1;

G_тp - величина массового расхода;

ρ_эм - плотность эмульсии на входе в участок 1 трубопровода;

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка 1 трубопровода, равная:

F_тр=πd²_тp/4.

Соотношение (2) показывает, что величина G_тp может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔР_изм давления в участке 1 трубопровода, равной разности величин давлений на его входе 2 и выходе 7, и характеристикам измерительного участка 1 (геометрическим данным и коэффициентам потерь).

Величина G_тp может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Q_изм и плотности ρ_эм эмульсии по соотношению:

Так как величина массового расхода одинакова для потока эмульсии в трубопроводе, то подставляя соотношение (3) в соотношение (2) получим следующее равенство:

откуда соотношение для расчета плотности эмульсии имеет вид:

причем

В соотношение (4) входят только известные характеристики трубопровода и измеренные значения перепада ΔР_изм давления и объемного расхода Q_изм.

Подставляя в соотношение (4) известное выражение для плотности эмульсии:

ρ_эм=(1-α_эм)ρ_ж+α_эмρ_г,

получим соотношение:

ρ_ж-К_т.трΔР_изм/Q_изм=α_эм(ρ_ж-ρ_г),

из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:

α_эм=(ρ_ж- К_т.трΔР_изм/Q²_изм)/(ρ_ж-ρ_г).

Таким образом, используя измеренные объемный расход Q_изм эмульсии и перепад ΔР_изм давления в участке 1 трубопровода длиной l_тр и диаметром d_тр, а также рассчитанные текущие значения плотности ρ_ж масла и плотности ρ_г воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания α_эм потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).

Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания α_эм прямым вычислением, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

Решение проблемы определения объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии особенно актуально для систем смазки газотурбинных двигателей (ГТД). В опорах ГТД образуется устойчивая масловоздушная эмульсия, которая откачивается насосами в маслобак (Гулиенко А.И. и др. Особенности рабочего процесса в масляной полости опор ротора газотурбинного двигателя // VI Международная НТК «Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня». Сборник избранных докладов. - М.: «Граница», 2016, - с. 38-46). Информация о содержании воздуха в масловоздушной эмульсии позволяет достоверно рассчитать потери давления в тракте откачки, величину гидравлической мощности откачивающих насосов и другие параметры, на основании которых определяются диаметр трубопроводов, мощность электропривода для вращения насосов и др.

Предложенная измерительная система позволяет определять текущее мгновенное значение истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной эмульсии из опор роторов ГТД.

В качестве дополнительного технического результата при осуществлении заявленной измерительной системы также повышается точность и достоверность определения величины истинного объемного газосодержания α_эм, поскольку прямое вычисление с учетом потерь давления на трение в отличие от метода последовательных вычислений гарантирует сходимость процесса расчета, например, при скачках давления в трубопроводе.