×
23.02.2019
219.016.c5cf

Результат интеллектуальной деятельности: Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002680417
Дата охранного документа
21.02.2019
Аннотация: Изобретение относится к измерительным системам для определения физических свойств двухфазных потоков, а именно к измерительным системам для определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе. Измерительная система включает горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено средство измерения давления и температуры масловоздушной эмульсии, электронный вычислительный блок, устройство для измерения объемного расхода и датчик перепада давления, причем электронный вычислительный блок выполнен с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по определенному соотношению, которое позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания прямым вычислением. Технический результат - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени. 1 ил.

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 Рэм и температуры Тэм масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок, электрически подключенный к средству измерения давления Рэм и температуры Тэм, 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:

αэм=(ρжт.трΔРизм/Q2изм)/(ρжг),

где:

αэм - истинное объемное газосодержание;

ρж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм;

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

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

Qизм - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;

ρг - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм,

причем:

где:

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;

λтp - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;

lтp - длина измерительного участка трубопровода;

dтp - диаметр измерительного участка трубопровода;

ζм - 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 Рэм и температуры Тэм 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 Рэм и температуры Тэм. 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:

αэм - истинное объемное газосодержание;

ρж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм;

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

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

Qизм - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;

ρг - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм,

причем:

где:

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;

λтp - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;

lтp - длина измерительного участка трубопровода;

dтp - диаметр измерительного участка трубопровода;

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

Средство 3 измерения давления Рэм и температуры Тэм 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 Рэм и температуры Тэм, 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:

Хкоризмизмизм/dt,

где:

Хкор - скорректированное значение параметра;

Хизм - измеренное значение параметра;

τизм - постоянная времени средства измерения;

изм/dt - величина производной измеряемого параметра.

В память вычислительного блока 4 вводятся характеристики измерительного участка 1 трубопровода: длина lтp, диаметр dтp, коэффициент λтp потерь на трение, суммарный коэффициент ζм местных потерь давления, а также коэффициенты аналитических выражений или двумерные таблицы зависимостей плотности ρж масла и плотности ρг воздуха от давления Рэм и температуры Тэм в масловоздушной эмульсии для получения вычисленных текущих значений этих величин:

ρж=f1эмэм);

ρг=f2эмэм),

где:

f1эмэм) - функция, выражающая зависимость ρж от Рэм и Тэм;

f2эмэм) - функция, выражающая зависимость ρг от Рэм и Тэм.

Величины коэффициентов λтp и ζм 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 λтp может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:

λтp=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 αэм 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 αэм.

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:

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

Gтp - величина массового расхода;

ρэм - плотность эмульсии на входе в участок 1 трубопровода;

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

Fтр=πd2тp/4.

Соотношение (2) показывает, что величина Gтp может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔРизм 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 Gтp может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Qизм и плотности ρэм 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 ΔРизм давления и объемного расхода Qизм.

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

ρэм=(1-αэмжэмρг,

получим соотношение:

ρжт.трΔРизм/Qизмэмжг),

из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:

αэм=(ρж- Кт.трΔРизм/Q2изм)/(ρжг).

Таким образом, используя измеренные объемный расход Qизм эмульсии и перепад ΔРизм давления в участке 1 трубопровода длиной lтр и диаметром dтр, а также рассчитанные текущие значения плотности ρж масла и плотности ρг воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания αэм потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).

Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания αэм 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 αэм, 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.


Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания
Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания
Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 61-70 из 204.
25.08.2017
№217.015.b7a6

Способ удаления льда и/или снега с искусственных и грунтовых покрытий

Изобретение относится к способам удаления льда и/или снега с искусственных и грунтовых покрытий и может быть использовано для очистки аэродромных и любых дорожных покрытий от льда, снега, щебня, гравия и другого смета. Способ заключается в том, что над очищаемой поверхностью размещают вихревую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614816
Дата охранного документа: 29.03.2017
25.08.2017
№217.015.c623

Стенд для моделирования процессов теплообмена в охлаждаемых лопатках

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, турбостроения, а именно к стендам для моделирования процессов теплообмена в охлаждаемых лопатках, и может найти применение при проектировании и оптимизации систем охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин. Сущность изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618479
Дата охранного документа: 03.05.2017
25.08.2017
№217.015.c958

Система смазки подшипников опор роторов газотурбинного двигателя

Изобретение относится к системе смазки подшипников опор роторов газотурбинного двигателя и обеспечивает отказоустойчивость насосов с регулируемыми электроприводами системы смазки с числом откачивающих насосов более двух при отказе одного из насосов или их электроприводов как в тракте нагнетания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002619519
Дата охранного документа: 16.05.2017
25.08.2017
№217.015.c9f4

Система подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к системе подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Система снабжена обратным клапаном, установленным на выходе насоса высокого давления в магистраль топливоподачи перед подключением выхода обводного канала, и датчиком температуры топлива, установленным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002619518
Дата охранного документа: 16.05.2017
26.08.2017
№217.015.d563

Интегральный прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем

Изобретение может быть использовано в качестве двигательной установки летательных аппаратов. Двигатель содержит воздухозаборное устройство (ВЗУ) с каналами подачи и перепуска воздуха, камеру сгорания (КС) с размещенным в передней части канальным зарядом твердого горючего маршевой ступени,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002623134
Дата охранного документа: 22.06.2017
26.08.2017
№217.015.ebb2

Установка для испытания образцов на термоусталость

Изобретение относится к установкам для испытания образцов на термоусталость и может быть использовано для определения долговечности сплавов, применяемых в авиакосмической технике в условиях совместного действия термомеханических и вибрационных нагрузок. Установка содержит установленную на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002628308
Дата охранного документа: 15.08.2017
26.08.2017
№217.015.ed08

Реверсивная турбинная установка судового типа

Изобретение относится к судостроению, в частности к реверсивным турбинным установкам судового типа. Реверсивная турбинная установка судового типа включает установленный в корпусе силовой агрегат с противоположно вращающимися роторами, валы которых соединены с коаксиально расположенными входными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002628634
Дата охранного документа: 21.08.2017
29.12.2017
№217.015.f3d1

Способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя

Способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой заключается в том, что сжатый воздух из адаптивного вентилятора разделяют на три потока. Поток первого контура подают в газогенератор, выхлопные газы из которого подают в турбину низкого давления, а от нее через...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637153
Дата охранного документа: 30.11.2017
29.12.2017
№217.015.f4b4

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания содержит гильзу (1) цилиндра и установленный в ней поршень (2) с отверстием (3) под поршневой палец, ось которого перпендикулярна оси цилиндра. Гильза (1) и поршень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637794
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f5b4

Способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления

Изобретение относится к криогенной технике. Способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления заключается в нагнетании насосом по перекрываемому трубопроводу жидкого водорода из резервуара в накопитель-газификатор, выполненный в виде емкости полного объема V, где с повышением...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637155
Дата охранного документа: 30.11.2017
Показаны записи 11-12 из 12.
17.08.2019
№219.017.c110

Электродвигатель с внешним ротором и системой охлаждения статора

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к охлаждению статора обращенной машины. Технический результат - повышение надежности и КПД. Электродвигатель с внешним ротором и системой охлаждения статора включает статический вал, установленный в подшипниковой опоре, концентрично...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697511
Дата охранного документа: 15.08.2019
23.05.2023
№223.018.6c67

Система топливопитания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к системам топливопитания и может быть использовано для питания топливом авиационных газотурбинных двигателей. Система содержит насос подачи топлива с электроприводом, вычислительный модуль, регулятор частоты вращения насоса, систему управления высшего уровня, датчик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002739658
Дата охранного документа: 28.12.2020
+ добавить свой РИД