Метрологическое обеспечение эксплуатационных испытаний газотурбинных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

52

51

ВВЕДЕНИЕ

Проблема сжигания попутного нефтяного газа (ПНГ) является острой современной проблемой нефтегазового сектора по причинам экономических, экологических и социальных потерь и рисков, особенно в условиях общемировых тенденций по переходу экономики на низкоуглеродный и энергоэффективный путь развития. По данным Всемирного Банка Россия возглавляет список стран с самыми высокими объемами сжигания ПНГ на факелах, что делает эту проблему особенно актуальной для нашей страны как с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды, так и с точки зрения улучшения имиджа страны на международной арене.

Постановление Правительства РФ № 7 от 8 января 2009 г. устанавливает целевой показатель сжигания ПНГ на факелах не более 5% с 1 января 2012 года, что должно стимулировать нефтяные компании к разработке проектов по эффективному использованию ПНГ и искать возможности для их реализации. В этой связи со стороны компаний, правительства и общественности необходимо реализовывать комплекс мер, направленных на увеличение уровня использования ПНГ.

Политика рационального использования природных ресурсов декларируется уже несколько десятилетий. Внедрена практика платежей за их нерациональное использование, но проблема утилизации попутного нефтяного газа не решена до сих пор. По официальным данным, ежегодно в России добывается более 55 млрд. куб. м ПНГ. 14, 3 млрд. куб. м (27 %) направляется на переработку, 20, 7 млрд. куб. м. (38 %) списывается на технологические потери или используется на нужды промыслов и 20 млрд. куб. м (36 %) сжигается в факелах. Современные условия работы ведущих мировых нефтегазовых компаний и высокие экологические требования в западных странах позволили довести технологический уровень утилизации ПНГ до 97-99 %. В США и Норвегии существует прямой запрет на сжигание ПНГ.

Каким образом используется ПНГ? Сегодня известно большое количество способов утилизации попутного нефтяного газа. Основным являются сбор, компримирование (сжатие), транспортировка. Газ можно закачать обратно для поддержания давления в пласте и обеспечения нефтепритока (технология «газлифт»). Кроме этого, ПНГ используется для выработки электрической и тепловой энергии непосредственно на месторождении. Еще один вариант - попутный нефтяной газ собирается и по отдельному трубопроводу направляется на ГПЗ. Также применяется сжижение, физико-химическая переработка в жидкое топливо и глубокая химическая переработка. Все они перспективны, каждая компания в праве избрать выгодный для себя путь.

В настоящее время в России и странах СНГ эксплуатируется более 600 газотурбинных двигателей (ГТД) НК-16СТ, работающих на газотранспортных компрессорных станциях на природном газе и на газлифтных компрессорных станциях на попутном нефтяном газе. Их суммарная наработка составляет более 16 млн. часов. Назначенный и межремонтный ресурс двигателя, 80000 часов и 20000 часов соответственно, подтверждены эксплуатацией, за весь период которой двигатели НК-16СТ зарекомендовали себя надежными, обладающими большим жизненным циклом, простыми в эксплуатации и обслуживании.

Повышение ресурса и надежности газотурбинных двигателей одна из важных задач, решаемая, в частности, при проведении измерений со всем арсеналом приборов и технических средств, необходимых для контроля и испытаний двигателей. Эффективность этих приборов закладывается еще на стадии разработки двигателя, когда реализуются требования, обеспечивающие возможность оптимального контроля и измерений всех основных параметров двигателей с оптимальными затратами.

Из измерительных операций, удельный вес которых по мере автоматизации производства все более возрастает, состоят в значительной мере технологические процессы, испытания и сертификация двигателей. Так, для изготовления ГТД выполняется более ста тысяч различных операций, половина из них контрольные, связанные с теми или иными видами измерений, что налагает особые, более высокие требования к измеряемым системам, применяемым при испытаниях, доводке и эксплуатации этих типов двигателей, к их точности и надежности. Целью данной дипломной работы является анализ метрологического обеспечения эксплуатационных испытаний ГТД, рассматриваются виды измерений; давление, температура, сила, расходометрия, частота и скорость, а также преобразователи, регистрирующие приборы и токосъемные устройства. Это позволяет получать исходные данные для назначения методик выполнения измерений, автоматизированного выбора средств измерений, процедуры градуировки измерительных каналов, обработки результатов измерений, требования, предъявляемые к точностным характеристикам параметров ГТД, средств измерений. Данная работа выполняется по заказу ООО Белозерный ГПК.

1. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА ООО «БЕЛОЗЕРНЫЙ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЙ КОМПЛЕКС»

Метрологическая служба создана в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора за состоянием и применением средств измерений на предприятии.

Метрологическая служба ООО «Белозерный ГПК» в своей работе руководствуется:

- Положением о метрологической службе от 23.10.2006 г.;

- Законом РФ «Об обеспечении единства измерений»;

- ФЗ от 3 апреля 1996 г. №28 «Об энергосбережении»;

- ФЗ от 31 марта 1999 г. № 69 «О газоснабжении в Российской Федерации»;

- ФЗ РФ «О техническом регулировании» (от 27.12.2002 г. №184-ФЗ);

- нормативными документами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ);

- стандартами организации, правилами, инструкциями, рекомендациями;

- приказами и распоряжениями ООО «Белозерный ГПК».

Метрологическая служба ООО «Белозерный ГПК» реализует требования ФЗ «Об обеспечении единства измерений» и метрологических правил и норм, установленных нормативными документами, в целях:

- снижения затрат на эксплуатацию промышленных объектов предприятия, в частности КС, узлов учета газа, а также отдельных технических устройств и оборудования, применяемые в процессе транспортировки природного газа;

- обеспечения единства, достоверности и требуемой точности измерений при транспортировке и поставке природного газа;

- получения достоверной информации о количестве топливного газа и приеме-передаче природного газа «потребителям»;

- контроля метрологического обеспечения испытаний ГТД.

На предприятии ведется постоянный учет СИ. Составлен перечень средств измерений, имеющихся на предприятии, утвержденный в установленном порядке руководителем предприятия и органом ГМС. Все средства измерений, находящиеся в эксплуатации, учтены в графиках поверки и калибровки, в том числе и эталоны. На средства измерений, прошедших поверку и калибровку с положительным результатом нанесен оттиск поверочного или калибровочного клейма и имеются свидетельства о поверке и сертификаты калибровки.

Персонал метрологической службы имеет специальную метрологическую подготовку. Специалисты, осуществляющие калибровку средств измерений, аттестованы в установленном порядке.

2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Метрологическое обеспечение (МО) имеет четыре основы:

- научная основа - метрология;

- организационная основа - метрологические службы;

- техническая основа - материальная база обеспечения единства измерений, которая включает в себя:

систему государственных эталонов;

систему передачи размера единиц физических величин от государственных эталонов подчиненным эталонам, от них к рабочим средствам;

систему испытаний и утверждения типа средств измерений (СИ);

- систему постановки на производстве и выпуске в обращение СИ;

- систему поверки средств измерений;

- систему стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

- систему стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

- нормативно-правовая основа - это совокупность документов, включающая в себя: Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений»; постановления Правительства РФ, принятые во исполнении этого закона; документы Государственной системы обеспечения единства измерения (ГСИ) - комплекс нормативных документов межрегионального и межведомственного уровня, устанавливающих нормы, требования, правила по обеспечению единства измерений в стране; применяемые в установленном порядке международные и региональные документы.

Метрологическое обеспечение испытаний это - становление и применение научных и организационных основ, технических средств, метрологических правил к норм, необходимых для получения достоверной измерительной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции и услуг, а также о значениях характеристик воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях, других условий испытаний.

В настоящее время метрологическое обеспечение принято понимать в широком и в узком смысле. В широком смысле оно включает:

- теорию и методы измерений и контроля, теорию и методы обеспечения точности и единства измерений;

- методы и средства обеспечения достоверного контроля параметров и характеристик технических устройств;

- средства измерений и контроля (рабочие, образцовые, эталоны);

- организационно-технические вопросы обеспечения единства и точности измерений, включая нормативно-технические документы (Государственные стандарты, методические указания, технические требования и условия), регламентирующие порядок и правила выполнения работ по обеспечению единства и точности измерений, а также обеспечение работоспособности и ремонта средств измерений и контроля.

В узком смысле под метрологическим обеспечением понимают:

- надзор за применением законодательно установленной системы единиц физических величин;

- обеспечение единства и точности измерений путем передачи размеров единиц физических величин от эталонов к образцовым средствам измерений и от образцовых к рабочим;

- разработку и надзор за функционированием государственных и ведомственных поверочных схем;

- разработку методов измерений наивысшей точности и создание на этой основе эталонов (образцовых средств измерений);

- надзор за состоянием средств измерений в министерствах и ведомствах.

Испытания - техническая операция, заключающаяся в определении одной или нескольких характеристик данной продукций, процесса или услуги в соответствии с установленной процедурой (ГОСТ Р 1.12-2004).

Цели и задачи метрологического обеспечения испытаний

1. Основная цель метрологического обеспечения испытаний - получение достоверной измерительной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции.

2. Основные задачи метрологического обеспечения испытаний:

- создание необходимых условий для получения достоверной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции при испытаниях;

- разработка методик испытаний, обеспечивающих получение результатов испытаний с погрешностью и воспроизводимостью, не выходящих за пределы установленных норм;

- разработка программ испытаний, обеспечивающих получение достоверной информации о знамениях показателей качества и безопасности продукции и их соответствие установленным требованиям;

- проведение метрологической экспертизы программ и методик испытаний;

- обеспечение поверки средств измерений, используемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора и применяемых дли контроля параметров испытуемой продукции, характеристик условий испытаний, условий и параметров безопасности труда и состояния окружающей среды;

- обеспечение аттестации испытательного оборудовании в соответствии с ГОСТ Р 8.568-97;

- обеспечение калибровки средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору;

- обеспечение аттестации методик выполнения измерений в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 и методик испытаний;

- подготовка персонала испытательных подразделений к выполнению измерений и испытаний, техническому обслуживанию и аттестации испытательного оборудования.

Основные требования к метрологическому обеспечению испытаний.

На предприятиях (в организациях), где проводят испытания для целей обязательной сертификации и в других сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, должна быть создана метрологическая служба или иная организационная структура по обеспечению единства измерений.

Типы средств измерений, применяемых при проведении испытаний для целей обязательной сертификации, должны быть утверждены Госстандартом России.

Экземпляры средств измерений, используемые при проведении испытаний для целей обязательной сертификации, в том числе при контроле характеристик испытуемой продукции, характеристик условий испытаний, контроле параметров опасных и вредных производственных факторов и состояния окружающей среды и при подтверждении соответствия принятием декларации о соответствии, должны быть поверены.

Экземпляры средств измерений, используемые при проведении испытаний для целей добровольной сертификации, в сферах, на которые не распространяются государственный метрологический контроль и надзор, сертифицируют и калибруют.

Испытательное оборудование должно быть аттестовано в соответствии с ГОСТ Р 8.568-97 с учетом требований нормативных документов на методы испытаний.

Технологическое, лабораторное, вспомогательное и т. п. оборудование, не относящееся к испытательному, подвергают периодической проверке технического состояния в соответствии с указаниями, содержащимися в инструкциях по эксплуатации этого оборудования или в паспортах на них.

Методики выполнения измерений, применяемые при испытаниях для целей подтверждения соответствия, должны быть аттестованы или стандартизованы в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.563-2009.

Результаты измерений при испытаниях должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации (ГОСТ 8.417-2002).

Характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выражены в единицах, установленных заказчиком, или в условных единицах, установленных в стандартах и других нормативных документах для определенных групп однородной продукции. Результаты испытаний выражают в соответствующих единицах. Методики испытаний разрабатывают на основе положений нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений и нормативных документов на продукцию и методы ее испытаний, при этом должны быть выполнены следующие требования:

- установлены нормы показателей точности и воспроизводимости результатов испытаний;

- предусмотрены процедуры оценивания характеристик погрешности и воспроизводимости результатов испытаний;

- при оценивании погрешности результатов испытаний учтены погрешность измерений параметров продукции и влияние на эти параметры отклонений фактических условий испытаний от условий испытаний, установленных в нормативном документе на методы испытаний продукции;

- проведены измерения для контроля условий безопасности труда и состояния окружающей среды.

В последние годы уделяется все больше внимания изменению и анализу быстропеременных процессов, происходящих в газовоздушном тракте и механических конструкциях. Обработка большого объема получаемой информации осуществляется автоматизированными измерительно- вычислительными комплексами и устройствами.

При осуществлении анализа методов и средств, применяемых при испытаниях ГТД, далее будут рассмотрены такие виды измерений, как давление, температура, сила, расходометрия, частота и скорость, а также преобразователи, регистрирующие приборы и токосъемные устройства, приборы неразрушающего контроля и технической диагностики, что позволяет получить исходные данные для назначения методик выполнения измерений, автоматизированного выбора средств измерений, процедуры градуировки измерительных каналов, обработки результатов измерений. Анализ требований, предъявляемых к точностным характеристикам параметров ГТД, средств измерений, позволяет получить алгоритм поиска оптимальных решений по выбору состава средств измерений с учетом требований, предъявляемых к испытаниям. Результатом общей оценки технического и метрологического уровня средств измерений, применяемых при испытаниях, является оценка допустимой погрешности измерений с учетом норм точности на параметры ГТД.

Это позволяет: 1) оснащать технологические процессы испытания средствами измерений в условиях ресурсосберегающих технологий (поддержание оборонного потенциала, усложнение технологических процессов, повышение качества и надежности двигателей, уточнение критериев оценки, ужесточение ресурсных ограничений, уменьшение входного контроля; 2) рассматривать развитие средств и методов измерений, применяемых при испытаниях ГТД, с учетом экономической эффективности, улучшения метрологических характеристик, повышения технического уровня, минимизации затрат и дефицита ресурсов.

3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

Применяемые при испытаниях ГТД средства измерений могут быть как простыми (однозвенными), так и достаточно сложными, включающими целый ряд преобразователей, в том числе элементы, осуществляющие вычислительные операции (микропроцессоры). Различные или однотипные средства измерений могут объединяться в информационно-измерительные системы для автоматизации измерений и обработки экспериментальных данных. Отдельные элементы измерительной системы имеют свое назначение. Так, первичный измерительный преобразователь, воспринимающий действие измеряемой физической величины и преобразующий это действие в некоторый унифицированный сигнал, называют датчиком. Для усиления и нормализации сигналов разнородных датчиков используют усилители-нормализаторы. Выходными элементами, накапливающими измерительную информацию, являются различного рода регистрирующие приборы (самописцы, магнитографы, цифропечатающие устройства). При выборе измерительной схемы обращается особое внимание на измерительный преобразователь, поскольку его точность и надежность во многом определяют результат измерений в целом.

Аналоговые и дискретные измерения.

Процесс измерений может быть трактован как процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине с целью получения количественной информации в нужной форме. В связи с развитием вычислительной техники, средств связи и математических методов обработки информации открылись новые возможности в кодировании информации и ее передачи на большие расстояния без потерь. Методы кодирования и дискретизации информации успешно применяются не только в телеметрических, но и в локальных системах измерения, в пределах одного предприятия и даже одного испытательного стенда. Широко используются индивидуальные измерительные приборы: цифровые вольтметры, частотомеры, хронометры и пр.

Методы измерений могут быть различными: метод непосредственной оценки, дифференциальный, компенсационный(нулевой), совпадения (стробоскопический).

Рассмотрим кратко на примерах сущность этих методов.

Метод непосредственной оценки подразумевает прямое преобразование измеряемой величины и получение результата. Примером может служить пружинный динамометр, к которому прикладывается измеряемое усилие Р, растягивающее пружину. Измеряемое значение может быть отсчитано по стрелке, закрепленной на пружине, и шкале, расположенной вблизи этой стрелки. Важно отметить, что для точного получения результата измерений пружина должна быть предварительно аттестована путем приложения к ней образцовых грузов.

Дифференциальный метод подразумевает использование разности двух сигналов, получаемых от измеряемого сигнала и некоторого постоянного опорного источника. Используется как одно из средств повышения точности и расширения диапазона измерения.

Дальнейшим развитием дифференциального метода является компенсационный метод, его также иногда называют нулевым или балансным. При компенсационном методе также используется два сигнала, причем один из них, компенсационный, регулируется вручную или автоматически до тех пор, пока разность между сигналами не станет равной нулю, т. е. до тех пор, пока в измерительной цепи не будет достигнут баланс. Измеряемое значение, которое заранее точно отградуировано, будет определяться по величине компенсационного сигнала. Этот метод измерения считается наиболее точным.

Метод совпадения может быть проиллюстрирован на примере измерения частоты вращения с помощью стробоскопа. В данном случае на измеряемый объект, например, вал двигателя, снабженный механически нанесенными метками, направляется свет стробоскопической лампочки, питаемой от звукового генератора. При совпадении частот вращения и частоты мигания лампочки метки рассматриваются как неподвижные, и в этот момент фиксируется нужная частота. Однако этот метод не пригоден для изучения динамических процессов, хотя на установившихся режимах дает точный результат.

Измерительные преобразователи.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические делятся на параметрические и генераторные. Рассмотрим параметрические преобразователи, основанные на изменении параметров электрической цепи.

Преобразователи, основанные на измерении активного электрического сопротивления, называют резисторными преобразователями или преобразователями сопротивления. Они могут быть контактными, выполненными в виде миниатюрного реостата (потенциометра), и бесконтактными (рис. 1).

Рис.1 Классификационная схема преобразователей средств измерений ГТД

Резистивные потенциометрические преобразователи преобразуют линейное или угловое перемещение в электрические сигналы (рис. 2).

Преобразователь состоит из каркаса, снабженного необходимой изоляцией, на который наматывается тонкая проволока из температуростабильного и износостойкого материала. По виткам такого преобразователя скользит легкая металлическая щетка-контакт, с помощью которой производится преобразование и съем электрического сигнала. Для намотки обычно используются сплавы из благородных и других металлов, например, сплав манганин или сплавы платины с иридием (90% Pt + 10% Ir). Диаметр проволоки от 0,03 до 0,1 мм и больше. Соединяя щетку преобразователя через передаточный механизм с чувствительным элементом (мембраной, упругой пружиной), мы тем самым получаем возможность

Рис.2 Классификационная схема преобразователей средств измерений температуры

ГТД преобразовывать усилие или давление в электрический сигнал. Следует отметить, что поскольку потенциометрический преобразователь обладает дискретностью, при переходе щетки с одного витка на другой происходит скачок напряжения, т. е. имеет место погрешность дискретности д_д :

где n - число витков обмотки потенциометра.

К бесконтактным относятся тензометрические (тензорезисторные) преобразователи (см. рис. 1,2), основанные на изменении сопротивления под действием его деформации от внешней силы - например, проволочный тензорезистивный преобразователь, который представляет собой тонкую проволочку, обычно из сплава константана, уложенную петлями на тонкие основания (бумагу, пленку или какой-либо другой материал). В качестве связующего вещества используются различные клеи, цементы. Сопротивление такой проволоки обычно от 30 до 500 Ом при токе 10--100 мА. Диаметр проволоки от 0,02 до 0,05 мм.

Если такой преобразователь закрепить на деформируемое основание и создать, например, растягивающее усилие, то начальное сопротивление проволоки R_Q изменится на величину ?R. Сопротивление будет меняться как за счет удлинения проволоки ?l, так и за счет сопротивления + ?R. Такой преобразователь чувствителен и к сжатию. В этом случае сопротивление уменьшится на величину ?R.

Чувствительность проволоки к деформации оценивается коэффициентом тензочувствительности

Для константана К = 2.

Кроме проволоки тензометры изготавливают также из тонкой фольги (4-12 мкм), напыляют в виде пленок из металлических сплавов, применяют полупроводниковые материалы. Тензочувствительность полупроводниковых материалов в десятки и даже сотни раз выше, чем у металлов, однако они более чувствительны к температуре окружающей среды, что вызывает дополнительные трудности-,

Наиболее широкое применение тензорезисторы получили при исследовании деформаций различных конструкций, а также в приборах для измерений давлений и усилий (рис. 1,3). Тензорезисторы обычно включаются в мостовую измерительную схему, используя при этом одно, два или все четыре активных плеча. В зависимости от применяемой аппаратуры мостовая схема питается напряжением U_ПИТ постоянного или переменного тока, но чаще используется постоянный ток. Первоначальная балансировка моста может осуществляться дополнительными сопротивлениями, так чтобы выполнялось равенство R₁ R₄ = R₂ R₃ .

При этом в измерительной диагонали СД выходной сигнал будет равен нулю. При появлении деформации, создающей изменение сопротивлений, между точками СД появится выходное напряжение U_вых

Рис.3 Принципиальная схема термоэлектрических термопар

Если необходимо воспользоваться активным сопротивлением для измерения температуры, в качестве исходного материала применяют обычно медь или платину (рис. 4), пользуясь известным соотношением

где R_t -- сопротивление при температуре Т; R₀ -- начальное сопротивление при температуре градуировки; б-температурный коэффициент сопротивления.

В качестве резистивных преобразователей температуры используются и полупроводники (рис.2). Индуктивные преобразователи основаны на изменении индуктивности (рис. 5).

Рассмотрим наиболее простой индуктивный преобразователь, состоящий из магнитопровода с обмотками W, якоря и электрической цепи, питаемой переменным током.

Индуктивность цепи, содержащей сердечник с железом и воздушный зазор, будет равна

где R_M-полное сопротивление магнитной цепи; R_м.ст-магнитное сопротивление сердечника с железом; д-зазор; м₀-магнитная проницаемость воздуха.

Для упрощения задачи можно считать, что

Поэтому

Таким образом, если зазор д равен нулю, то индуктивность L велика, а ток в измерительной цепи, протекающий через сопротивление R, близок нулю.

Если якорь перемещать, увеличивая зазор д, сопротивление магнитной цепи растет, индуктивность L при этом падает, а выходной сигнал увеличивается. Однако такой упрощенный преобразователь имеет ряд недостатков и применяется редко. Поэтому чаще используют дифференциальную схему. Преобразователь состоит из двух секций с обмотками W₁ и W₂ , и, когда якорь находится в среднем положении и зазоры равны, дифференциальная схема симметрична и уравновешена, т.е. точки Jj и J₂ равны и противоположны по направлению. Если якорь переместить, симметрия схемы нарушается и в выходной цепи появляется напряжение, характеризующее перемещение якоря. Дифференциальная схема дает более линейную характеристику.

Рис.4 Диапазоны использования средств измерений температуры

Действие конденсаторных (емкостных) преобразователей основано на изменении электрической емкости конденсатора С с подвижной пластиной и зазором д (рис. 5).

где е - диэлектрическая проницаемость; S - площадь между пластинами.

При перемещении одной из пластин изменится зазор д и емкость конденсатора С. Для питания конденсаторных преобразователей используются электронные схемы, работающие на повышенных частотах, с тем чтобы эффективно использовать небольшие по величине значения емкостей (порядка нескольких десятков пикофарад). Могут использоваться дифференциальные схемы и схемы, управляемые по частоте, когда конденсаторный преобразователь включается непосредственно в колебательный контур генератора, создавая на выходе сигнал, изменяемый по частоте. Применение конденсаторных преобразователей ограничивается наличием паразитных емкостей, искажающих результат измерений, хотя существуют способы снижения влияния этот фактора.



Рис. 5 Классификационная схема средств измерений усилия тяги ГТД

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

Измерение давлений по газовоздушному тракту двигателя характеризуется большим числом точек измерений, широким диапазоном измерений величин и требованиями высокой точности . Значительная часть измерений является промежуточным этапом для определения и расчета расхода воздуха. Кроме измерений давления воздуха и газа, измеряется давление топлива и масла. Для исследования газодинамической устойчивости измеряется пульсирующее давление в широком диапазоне частот.

В общем случае различают абсолютное, избыточное и дифференциальное давление. Дифференциальное давление или перепад давлений измеряют как разность двух давлений, где одно давление измеряют относительно другого. Давление по отношению к вакууму представляет собой барометрическое давление В₀ . Связь между абсолютным давлением Р_абс , избыточным

Р_изб и барометрическим устанавливается формулой

Если измерение давлений производится в движущемся потоке, что имеет место при испытании двигателей, вводится понятие полного р* и статического р давлений. Под полным давлением понимают давление адиабатически заторможенного потока, т. е. давление, которое испытывает плоское тело, поставленное перпендикулярно вектору скорости.

Статическое давление определяется по воздействию на неподвижный плоский элемент, расположенный параллельно вектору скорости. Связь между этими величинами устанавливается формулой

где тV - скоростной напор; V - скорость; т - плотность среды.

Применяемые средства измерений давлений весьма разнообразны:

1) пружинные (механические)манометры;

2) жидкостные пьезометры;

3) электромеханические (электрические и параметрические преобразователи потенциометричеcкого, тензометрического, индуктивного и емкостного типов);

4) вибрационно-частотные;

5) с силовой компенсацией.

Этот перечень далеко не полный и отражает только основные типы средств измерений, применяемых при испытаниях ГТД.

На рис.1 приведены схемы классификации и основные погрешности преобразователей давлений и перепадов давлений, используемых при испытаниях ГТД. В основу системы классификации положен принцип действия и схема преобразований давлений.

Наиболее распространенными являются пружинные и жидкостные манометры. В пружинных манометрах в качестве чувствительного элемента, воспринимающего давление, используют различного вида мембраны, сильфоны, трубки Бурдона, соединенные с передаточным механизмом и отсчетным устройством, выполненным обычно в виде стрелки и шкалы. Точность их невысока (хотя существуют и образцовые манометры более высокого класса), но они чувствительны к вибрациям. Из жидкостных манометров наиболее известны водяные пьезометры, набираемые в батареи из нескольких трубок для измерения перепадов давлений. Они обладают высокой точностью, но громоздки и неудобны в эксплуатации. Эти приборы были заменены более совершенными и удобными в эксплуатации электрическими средствами измерений давления с тензометрическими и индуктивными преобразователями. Емкостные преобразователи не нашли широкого применения.

Измерение давлений и перепада давлений производится манометрами и дифманометрами, которые устанавливаются на щите вблизи агрегата или по месту.

Для измерения перепада давления на сетке датчика образования льда используется сильфонный дифманометр типа ДСП-778-Н. Принцип действия сильфонного блока основан на зависимости между измеряемым перепадом давления и упругой деформацией винтовых цилиндрических пружин сильфона. Датчик образования льда представляет собой сетку, встроенную в инжектор. Инжектор установлен на наружной стороне камеры воздухоочистительного устройства после пылеулавливающих сеток. К инжектору подводится сжатый воздух из осевого компрессора, который, расширяясь, подсасывает воздух из камеры фильтров. При условиях, благоприятствующих образованию льда на лопатках входного направляющего аппарата осевого компрессора, на сетке датчика образуется лед, что сопровождается увеличением перепада давлений на сетке, который фиксируется дифманометром. Подается предупредительный сигнал, что необходимо включить систему обогрева.

Для дистанционного измерения перепада давлений газа на конфузоре нагнетателя, преобразования его в электрический сигнал и передачи сигнала на вторичный прибор используется дифманометр мембранный типа ДМ.

Для контроля перепада давлений газа на кране 1, “масло-газ” в системе уплотнения нагнетателя, масла на фильтрах тонкой очистки и воздуха на фильтрах в системе регулирования используется реле давления дифференциальное типа РДД-1. Основная задача реле - выдать электрический сигнал при достижении установленного значения. Пределы настройки разности давлений, при которой срабатывает реле, от 0,03 до 0,63 МПа. Статическое давление рабочей среды не более 8,8 МПа.

Степень разрежения перед осевым компрессором определяется с помощью датчика тяги ДТ-250, принцип действия которого основан на уравновешивании силы, создаваемой разрежением контролируемой среды на чувствительный элемент (мембрану), силами упругих деформаций винтовой пружины. Датчик изготавливается с зоной нечувствительности, направленной в сторону повышения (относительно уставки) разрежения контролируемой среды. Установка производится по шкале датчика или по контрольному манометру при прямом срабатывании микропереключателя.

Защита по осевому сдвигу осуществляется с помощью двух электроконтактных манометров (осевой сдвиг ТНД - одним манометром), нормально разомкнутые контакты, которых запараллелены и замыкаются в зависимости от направления смещения. Смещение вала и увеличение давления при уменьшении зазора более заметны, чем уменьшение давления при увеличении зазора.

Для непрерывного преобразования давлений газа на входе и выходе нагнетателя в пропорциональный электрический сигнал используются взрывозащищенные манометры типа МП с выходным электрическим аналоговым сигналом 0-20 мА постоянного тока. Датчики построены на принципе электрической силовой компенсации и состоят из трех унифицированных блоков: измерительного блока, электросилового преобразователя и полупроводникового усилителя.

Для непрерывной выдачи информации о давлении масла смазки в виде унифицированного сигнала - взаимной индуктивности 010 мГ - используется манометр типа МЭД. Принцип действия датчика основан на деформации манометрической пружины при наличии избыточного давления.

Для контроля давления и перепадов давления используются также преобразователи тензорезисторные взрывозащищенные типа “Сапфир”. Они обеспечивают непрерывное преобразование давления (избыточного или абсолютного) и разности давлений в унифицированный выходной сигнал 0-20 мА. Преобразователи состоят из двух функциональных устройств: первичного преобразователя, блока питания и защиты.

Принцип действия преобразователя основан на использовании тензоэффекта в полупроводниках. Воздействие измеряемого параметра вызывает изменение сопротивления тензорезисторов, нанесенных на чувствительный элемент тензомодуля, который размещен внутри измерительного блока первичного преобразователя. Это изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется с помощью встроенного электронного устройства в пропорциональный токовый выходной сигнал первичного преобразователя. Указанный выходной сигнал преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0-20 мА.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температурные измерения на ГТД охватывают широкий диапазон и включают в себя измерение температуры газа, жидкости (топливо, масло), а также температуры поверхностей (рабочих и сопловых лопаток, стенок камеры сгорания и др.). Применяемые средства измерений температуры можно классифицировать как по принципу действия (рис. 2), так и по области применения (рис.4 ). Наибольшее применение в практике испытаний ГТД получили: термометры сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары), фотоэлектрические и оптические пирометры, тормоиндикаторы. Измерения температуры ГТД имеют свои особенности. Если измерение осуществляется путем внесения термометра в среду, то температурное поле этой среды искажается и показания термометра могут отличаться от действительного значения. Эти отличия, или методические погрешности, зависят от ряда факторов, в том числе от формы и материала термометра, свойств среды, условий теплопередачи. При измерении температуры газов, движущихся с большой скоростью, необходимо учитывать эффект торможения потока помещенным в поток преобразователем. Его температура будет меньше температуры заторможенного потока и больше температуры статической, которая была бы измерена прибором, движущимся вместе с потоком. Неполнота торможения оценивается коэффициентом торможения.

где R - коэффициент торможения; Т -- температура чувствительного элемента преобразователя; Т_с -- статическая температура; Т_t -- температура заторможенного потока.

Методические погрешности могут возникать также при измерении температуры неподвижного газа или жидкости. Так, например, поскольку термометр не может быть полностью погружен в измеряемую среду из-за того, что необходимо обеспечить крепление преобразователя, часть теплоты, получаемой от среды, будет оттекать от термометра через его непогруженную поверхность и температура будет понижаться. Поэтому при измерении температуры жидкостей и газов нагрев термометра за счет конвекции будет приближать его температуру к температуре окружающей среды, куда он погружен. Однако лучеиспускание и теплопроводность будут в этом случае нежелательными факторами, искажающими результаты измерения.

Иное дело при измерении температуры поверхности. В этом случае тепловая энергия подводится к чувствительному элементу за счет теплопроводности. Установка преобразователя на поверхности искажает температурное поле, поэтому надо стремиться к уменьшению размеров чувствительного элемента и подбору коэффициента теплопроводности его материала близким к коэффициенту теплопроводности материала поверхности.

Термоэлектрические термометры

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на возникновении термо-ЭДС электрического тока в замкнутом контуре цепи, состоящей из двух разнородных проводников с горячим и холодным спаем при наличии разности температур этих сплавов.

Термоиндикаторы

Для получения картины распределения температур по поверхности деталей двигателя внедряются различные термоиндикаторы из лаков и краски. Верхней границей рабочей температуры известных термоиндикаторов можно считать 1500°С. Различают одно- и многопереходные термоиндикаторы. Однопереходный индикатор изменяет свой цвет при превышении только одной предельной температуры. Поэтому для измерений в некоторой заданной области температур необходим набор термоиндикаторов на различные предельные температуры переходов.

Термометры сопротивления

Действие электрических термометров сопротивления основано на изменении проводниками и полупроводниками своего электрического сопротивления при нагревании. Большинство металлов при нагревании увеличивают свое сопротивление. Использование этого типа термометров сводится к изменению сопротивления. Для преобразователей, изготовленных из меди, никеля и многих других чистых металлов, зависимость сопротивления от температуры линейна.

Пирометры излучения

Принцип работы пирометров излучения основан на изменении излучения нагретых тел. Достоинством пирометров излучения является то, что сам прибор не входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой и не искажает ее температурное поле. Диапазон измерений их составляет от 400 до 1500 ?С, но может быть значительно расширен.

Для измерения температуры продуктов сгорания в агрегате ГПА-Ц-16 применяются малоинерционные хромель-алюмелевые термопары ТХА-280М. Они измеряют температуру продуктов сгорания после ТНД. Для получения температуры перед ТВД производится пересчет в специальном вычислительном устройстве. В выхлопном патрубке ГТУ установлено равномерно по окружности восемь сдвоенных термопар.

Для измерения температуры воздуха до и после регенератора применяются термопары ТХА-0806. Эти термопары обладают большей инерцией, что в данном месте не имеет значения, зато отличаются надежностью и долговечностью.

Для автоматического двухпозиционного регулирования температуры путем замыкания и размыкания контактов электрической цепи при изменении температуры контролируемой среды выше или ниже заданных настройкой пределов используются датчики-реле температуры ТР-ОМ5. Для измерения температуры масла применяется термометр манометрический, показывающий, сигнализирующий, электроконтактный - типа ТПП-СК.

ИЗМЕРЕНИЕ СИЛОВЫХ И РАСХОДОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Измерение усилия тяги

Измерение усилия тяги затрагивает не только измерительные приборы, но и оснащение испытательного стенда, конструкцию динамоплатформы, градуировочного устройства и прочие элементы. Дело в том, что на точность измерения тяги влияет температура, влажность воздуха, и другие факторы. Изменение температуры может приводить к смещению динамоплатформы вследствие так называемого маятникового эффекта. Поэтому в конструкции динамоплатформы предусматриваются специальные компенсаторы. Поскольку на стендах проводятся испытания двигателей разного типа, необходим широкий диапазон измерений тяги, что приводит к использованию многодиапазонных систем с дистанционно управляемыми градуировочными устройствами и нагружателями.

Наибольшее распространение получили следующие тягоизмерительные устройства(рис 5): рычажно-механические; гидрокомпенсационные, вибрационно-частотные, тензометрические.

Простейшие рычажно-механические устройства представляют собой рычажно-пружииные или маятниковые весы. Эти достаточно примитивные и устаревшие устройства могут использоватьея в основном для ориентировочной оценки режима работы двигателя.

Гидрокомпенсационные тягоизмерительные системы, обладая необходимой точностью измерения, в то же время имеют существенный недостаток, а именно низкое быстродействие, и поэтому их применение для измерений на неустановившихся переходных режимах практически невозможно.

Измерение расхода топлива

Рис. 6 Классификационная схема методов и средств измерений расхода топлива ГТД

Удельный расход топлива т.е. расход топлива, отнесенный к тяге, является одним из важнейших параметров, характеризующих экономичность двигателя. Для измерений расхода топлива существуют следующие методы и средства измерений (рис. 6): объемный, весовой, скоростной (турбинный и крыльчатый), обтекания. До недавнего времени наиболее широко использовался объемный и весовой методы измерений. В последнее время получают развитие и применение скоростные турбинные расходомеры.

Объемный метод основан на измерении времени истечения заданного объема жидкости с помощью мерного бака. Для правильной работы расходомерного устройства, обеспечивающей бесперебойную подачу топлива двигателю, необходимо соблюдение условий: Vк>Vm и Vк > V. Расход топлива определяется по формуле



где VK - компенсационный объем; Vm - мерный объем; г - плотность жидкости; ф - время расходования мерного объема.

К крупным недостаткам объемного метода измерения относятся большая длительность измерения (обычно от 60 до 2000 с), невозможность измерения на переходных режимах. Кроме того, необходим контроль температуры топлива.

Весовой метод измерения считается более точным, чем объемный, так как не требуется измерять плотность топлива. Суть этого метода заключается в измерении истечения установленный массы топлива:

где М - масса истекающего топлива; ф - время истечения.

Весовой измеритель расхода топлива представляет собой мерный бак, установленный на автоматические весы, которые фиксируют момент начала истечения топлива и момент расходования заданной массы. Основные трудности при реализации этого метода связаны с устранением влияния подводящих и отводящих трубопроводов для топлива, которые могут создать дополнительную нагрузку и вызвать погрешность измерений.

Следует признать, что весовые расходомеры являются сложными, громоздкими устройствами, которые, как и объемные, имеют общий недостаток, связанный с большой длительностью измерений.

Скоростные турбинные расходомеры более компактны и удобны в эксплуатации. Поскольку они имеют недостаточную кратность отношения минимально измеряемого значения к максимальному (порядка 1:10), то для измерений в широком диапазоне приходится использовать несколько преобразователей на различные предметы измерений. Погрешность подобной системы составляет (0,5--1,0)%. Необходимо отметить, что в подаче топлива всегда имеют место пульсации. Поэтому измерительное устройство обычно выполняется на основе электронно-счетного усредняющего принципа, что дает показания, усредненные во времени: (1--10) с.

Получают развитие расходомеры обтекания на основе турбинки с противодействующей пружиной.

Измерение радиальных зазоров

В проблеме экономичности ГТД значительное место занимает изучение потерь в газово-воздушном тракте двигателя и, в частности, измерение и регулирование радиальных зазоров между концами лопаток и корпусом. Изменение тепловых и механических нагрузок приводит к тому, что зазоры в процессе работы изменяются, в то время как желательно сохранить их расчетное значение. На практике применяются методы измерений радиальных зазоров: механические, электрические, оптические и оптико-телевизионные (рис. 7). Наиболее простой и доступный механический способ заключается в измерении истирания запрессованных в корпус двигателя штифтов при их касании с рабочими лопатками. Для того чтобы не было повреждения лопаток, штифты изготавливаются из тонких металлических трубок, собираемых в пакет. Диаметр пакета (5--6) мм, а диаметр трубки ~ 1 мм с толщиной стенки (0,05--0,1) мм.

Рис. 7 Классификационная схема методов измерений радиальных зазоров в ГТД

Величина среза штифта определяется фотографированием его выступающей части до начала работы и после остановки двигателя. Фотосъемка проводится, через оптический смотровой прибор - эндоскоп который устанавливается: при фотографировании в смотровые лючок или окно в корпусе двигателя. Такой метод недостаточно совершенен и не пригоден для измерений непосредственно в процессе работы двигателя. Оснащение эндоскопа телевизионной камерой при использовании оптико-телевизионного метода уже позволяет наблюдать дистанциионно за измерением зазора в процессе работы. При этом должны быть приняты меры для охлаждения оптики эндоскопа от перегрева и устранения влияния вибрации на работу телекамеры. Изображение контролируемой части двигателя (концевая часть лопатки, зазор, корпус) можно наблюдать на экране вндео-контрольного участка в увеличенном масштабе. Зная расстояние от конца эндоскопа до передней кромки лопатки, с помощью мерной линейки можно легко установить масштаб полученного изображения. Для устранения перегрева эндоскоп имеет охлажденный воздухом корпус. Очевидно, что при работе двигателя мы измеряем по телеэкрану средний зазор для всех лопаток данной ступени в данном месте установки прибора. Поскольку у лопаток могут несколько различаться длина границы светлых деталей и длина более темного зазора, на телеэкране границы темного и светлого будут размыты.

Более совершенный лазерно-оптический метод позволяет измерять зазор для каждой лопатки ступени и выдает необходимую информацию на экране дисплея в графической и цифровой форме с погрешностью 0,05 мм при диапазоне в несколько миллиметров.

Более простым, но достаточно эффективным является устройство с емкостным преобразователем. На корпусе двигателя против рабочих лопаток исследуемой ступени устанавливаются два емкостных преобразователя: один опорный, другой имеет заглубление центрального воспринимающего электрода на заданную величину б.

Зазор между лопатками и корпусом д определяется из отношения амплитуд электрических напряжений U1 и U2, возбуждаемых в преобразователях при вращении ротора двигателя:

Определение зазора по приведенной формуле может осуществляться простейшими аналоговыми преобразователями или раздельным измерением U1 и U2 цифровым вольтметром, поочередно подключаемым то к одному, то к другому преобразователю. При этом мы получаем усредненное значение радиального зазора по лопаткам. В принципе этот метод может быть использован и для поочередного измерения зазоров всех лопаток; он также может существенно исключить погрешности измерения, связанные с влиянием газовой среды, изменением частоты вращения, напряжения, питающего преобразователи.

ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, ЧАСТОТНЫХ И СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Измерение скорости воздушного потока

Рис. 8 Измерение скорости воздушного потока

Скорость воздушного потока измеряется достаточно простыми приемниками воздушного давления, а также термоанемометрическими и лазерными преобразователями (рис. 8). При проведении исследовательских работ, связанных с проблемами газодинамической устойчивости, прочности, экономичности, возникает задача измерения распределения скоростей потока в каком-либо сечении двигателя. Задача не ограничивается измерениями постоянных или медленно изменяющихся составляющих скорости. Бывает необходимо измерять пульсации скорости потока при частотах до нескольких килогерц. Для этого применяются термоанемометры. Малая инерционность термоанемометров позволяет принимать быстрые колебания скорости потока. Однако, как и всякое контактное устройство, термоанемометр может искажать течение и его применение для снятия распределения скоростей затруднительно.

Развитие лазерной техники и электроники создало предпосылки для развития быстрых контактных лазерно-оптических средств измерений параметров потока, в том числе скорости потока на основе эффекта Доплера. Известно, что если движущийся объект осветить пучком света с длиной волны л , то отраженный от объекта луч света будет иметь составляющую, соответствующую доплеровскому сдвигу частицы, пропорциональную скорости объекта.