Турбінний вимірювальний перетворювач витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ПИСАРЕЦЬ Анна Валеріївна

УДК 681.121

ТУРБІННИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ВИТРАТ З ГІДРОДИНАМІЧНИМ ВРІВНОВАЖЕННЯМ ЧУТЛИВОГО ЕЛЕМЕНТА

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі приладобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

КОРОБКО Іван Васильович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри приладобудування; Директор науково-дослідного центру „Прилади і системи енергозбереження”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

КАРАЧУН Володимир Володимирович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри біотехніки та інженерії

кандидат технічних наук

КРУК Іван Степанович

Науково-аналітичний центр ДК Укртрансгаз, радник з питань нормативного забезпечення систем обліку газу

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Киричук Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З кожним роком в Україні все більш гостро постає нагальна проблема раціонального використання рідинних паливно-енергетичних ресурсів та води. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є створення ефективних систем обліку їх споживання шляхом впровадження високоточних та надійних вимірювальних приладів.

Для визначення кількісних показників потоків широкого застосування набули прилади та системи вимірювання витрат рідин з турбінними перетворювачами витрат (ТПВ), завдяки їх перевагам перед існуючими приладами інших класів аналогічного призначення.

Поєднання високої точності та надійності з простотою та дешевизною конструкції дозволяють ефективно застосовувати прилади, побудовані на ТПВ у житлово-комунальній, нафтохімічній, паливній, енергетичній, харчовій та в інших галузях промисловості.

До недоліків існуючих ТПВ можна віднести наступні: швидке зношування опор зумовлене тертям, складність вимірювальних систем малих витрат, вплив зміни в'язкості вимірюваної рідини на роботу перетворювачів витрат та інші менш суттєві чинники. Найбільш небезпечним тут постає тертя в опорах турбінки, що призводить до їх зношування, принципового погіршення метрологічних характеристик з наступним виходом приладів з ладу. гідродинамічний врівноваження турбінний перетворювач

Вивченню ступеня впливу зношення опор на метрологічні характеристики ТПВ були присвячені наукові дослідження відомих вчених Бошняка Л. Л., Бизова Л. М., Бобровникова Г. Н., Камишева Л. А. та інші. Узагальнюючи результати цих робіт, можна стверджувати, що найбільш ефективним засобом покращення метрологічних характеристик ТПВ є або розвантаження опор чутливого елементу, або його гідродинамічне врівноважування. Суттєвою вадою вказаних досліджень слід визнати намір одержання бажаного результату в основному емпіричним шляхом без створення відповідного наукового підґрунтя.

Відсутність перевіреної практикою наукової системи поглядів на проектування ТПВ як системи взаємодіючих рідиннофазних та абсолютно твердих складових, обумовлює коло прикладних задач, що охоплюють нагальну потребу створення математичної моделі взаємодії потоків рідинних енергоносіїв з чутливими елементами ТПВ та розробку алгоритмів їх оптимізації і відповідного програмного забезпечення, а у своїй сукупності окреслюють доцільність та актуальність дисертаційних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та експериментальні дослідження, результати яких покладено в основу дисертаційної роботи, проведені на кафедрі приладобудування НТУУ ”КПІ” з 2000 року при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт:

- „Розробка високочутливого лічильника витрат рідини” (№ держреєстрації 0100U002327), де здобувачем розроблена методика проведення комплексних випробувань лічильників рідин;

- „Розробка системи оптимального проектування засобів вимірювання витрат енергоносіїв” (№ держреєстрації 0103U000213), де здобувачем проведений аналіз сучасних методів, приладів та систем вимірювання витрат рідин; розроблено математичну модель ТПВ, алгоритми та програмне забезпечення для її реалізації; досліджено метрологічні характеристики ТПВ; визначено основні задачі експериментальних досліджень ТПВ; розроблено основи метрологічного забезпечення вимірювання витрат рідин; проведено експериментальні дослідження роботи ТПВ; виявлено ступінь адекватності розрахункових моделей та реальних ТПВ;

- “Розробка високочутливого турбінного лічильника рідин з розвантаженими опорами” (№ держреєстрації 0107U002330), де здобувачем проаналізовано основні шляхи подовження терміну експлуатації ТПВ; обґрунтовано необхідність розробки ТПВ з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу; проведено математичне моделювання роботи ТПВ; проведено оптимізацію параметрів ТПВ; розроблено схеми передачі інформації від ТПВ.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка та дослідження турбінних перетворювачів витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу.

Досягнення цієї мети передбачає розв'язання наступних задач:

– узагальнення і аналіз існуючих технічних рішень тахометричних перетворювачів витрат та оцінку перспектив гідродинамічного врівноваження чутливого елементу для створення ТПВ з високими метрологічними характеристиками;

– розробку математичної моделі ТПВ з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу із врахуванням епюри розподілу швидкостей вимірюваного середовища в кільцевому каналі;

– проведення математичного моделювання роботи ТПВ за різних режимів протікання потоків з метою оцінки можливостей ТПВ з гідродинамічним врівноваженням турбінки;

– практичне підтвердження створеної ідеології досліджень на випробувальних стендах;

– розробку комплексного алгоритму оптимізації конструктивних параметрів для отримання ТПВ з високими метрологічними характеристиками;

– створення необхідного програмного забезпечення для розв'язання сформульованих задач досліджень.

Об'єктом дослідження є процес високоточних вимірювань витрат шляхом використання турбінного перетворювача з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу.

Предметом дослідження є патентнозахищене технічне рішення турбінного перетворювача витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу.

Методи дослідження: методи чисельного інтегрування диференціальних рівнянь для отримання статичної, динамічної характеристик перетворювача, його похибки, осьового переміщення чутливого елементу; рівняння Бернуллі для оцінки втрат тиску на перетворювачі; фізичного моделювання з використанням програмного комплексу Fluent для підтвердження рівноважного стану чутливого елементу; методи прямого пошуку при оптимізації параметрів перетворювача витрат; методи математичної статистики при обробці результатів стендових досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

– отримала подальший розвиток теорія гідродинамічного врівноваження чутливих елементів швидкісних ТПВ аксіального типу;

– вперше розроблено математичну модель ТПВ з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу на основі взаємозв'язку потоку вимірюваного середовища з ТПВ;

– створено систему наукових поглядів на принципи проектування швидкісних ТПВ з високими метрологічними характеристиками;

– розроблено комплексний алгоритм оптимізації конструктивних параметрів ТПВ.

Практичне значення отриманих результатів:

- відпрацьовано інженерну методику проектування швидкісних ТПВ з аксіальними гідродинамічно-врівноваженими турбінками за заданими критеріями оптимальності, яка дозволяє вдосконалити їх метрологічні показники в широкому діапазоні вимірювань;

- розроблено програмний продукт для проектування ТПВ з високими метрологічними характеристиками для жорстких умов експлуатаційного використання;

- створено дослідний патентнозахищений зразок ТПВ з аксіальним гідродинамічно врівноваженим чутливим елементом з більш досконалими метрологічними характеристиками порівняно з існуючими аналогами;

- результати роботи впроваджено на підприємствах „Sensus Metering Systems” (Словаччина), „Інвест-Премекс” (Україна) при розробці приладів обліку рідинних енергоносіїв, в навчальному процесі на кафедрі приладобудування Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” при підготовці фахівців за спеціальністю „Прилади точної механіки”.

Особистий внесок здобувача у розробку наукових результатів, які виносяться на захист, полягає у розвитку теорії гідродинамічного врівноваження чутливих елементів швидкісних ТПВ; у розробці математичного апарату, алгоритмів та програмного забезпечення для функціонування системи проектування ТПВ з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу; в теоретичних дослідженнях ТПВ з аксіальними гідродинамічно-врівноваженими турбінками.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати досліджень доповідалися і обговорювалися на: науково-практичних конференціях „Крок у майбутнє” (м. Київ, 2001 р.); „Гидромеханика в инженерной практике”, (м. Київ, 2002 р., 2004р.); „Прогресивна техніка і технології” (м. Київ, 2001 р., 2003 р., 2004 р.); науково-технічних конференціях „Приладобудування” (м. Київ, 2001-2010 р.); “Витратометрія 2003” (м. Івано-Франківськ, 2003 р.); науковій конференції „Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (м. Донецьк, 2002 р.); міжнародних науково-практичних конференціях „Людина і космос” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); “Екологія. Людина. Суспільство.” (м. Київ, 2002 р.); IV-й міжнародній конференції «Проблемы промышленной теплотехники» (м. Київ, 2005 р.), міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики машинобудівного і нафтогазового обладнання” (м. Івано-Франківськ, 2008 р.).

Крім цього, основні наукові положення дисертації обговорено на науково-методичних семінарах кафедри приладобудування протягом 2000 - 2010 років.

Публікації. Результати роботи опубліковано в 36 наукових працях, в тому числі в 11 статтях журналів, які затверджені ВАК України як фахові, та в матеріалах 22 конференцій, захищені 3 патентами України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та 4 додатків. Загальний обсяг дисертації 190 сторінок. Дисертація містить 105 рисунків, 24 таблиці. Перелік використаних джерел містить 118 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, сформульовані мета і задачі дослідження, визначені об'єкт і предмет дослідження, обґрунтовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі узагальнені наявні відомості про сучасний стан і рівень розвитку тахометричних методів та засобів вимірювання витрат і кількості рідин. Оцінено їх метрологічні характеристики та особливості експлуатаційного використання. Аналіз вимог, що висуваються до сучасних приладів вимірювання витрат рідин та їх технічних характеристик, довів, що найбільш повно цим вимогам відповідають прилади класу тахометричних турбінних перетворювачів.

Зосереджено увагу, що ТПВ притаманні виняткові індивідуальні властивості порівняно з іншими технічними реалізаціями тахометричних перетворювачів. Йдеться про малу інерційність, незначні гідравлічні втрати, простоту та технологічність конструкції, малі габарити та металоємність, можливість здійснення бажаної просторової орієнтації на трубопроводі і при різних напрямах потоку, можливість вимірювання витрат рідин з механічними домішками, безпосереднє отримання частотно-модульованого сигналу, високу точність. Однак їм притаманні певні недоліки, що обмежують галузі їх застосування: по-перше, порівняно швидке зношування від тертя опор та мала корозійна стійкість матеріалів, з яких вони виготовлені; по-друге, складність вимірювання з високою точністю малих витрат; по-третє, вплив в'язкості вимірюваної рідини на роботу перетворювача.

Одним з можливих шляхів вдосконалення метрологічних характеристик приладів з ТПВ є розвантаження опор чутливого елементу (ЧЕ) або його гідродинамічне врівноважування шляхом зважування у вимірюваному потоці.

За результатами проведеного аналізу сформульовано і обґрунтовано напрям і задачі досліджень. Запропоновано конструкцію ТПВ для дослідження принципів гідродинамічного врівноваження ЧЕ.

Потоком вимірюваного середовища ЧЕ, що знаходиться у корпусі 1, приводиться до руху (рис. 1). ЧЕ складається з турбінки 2 та вихідного обтікача 3. Центрування ЧЕ в корпусі 1 ТПВ відбувається гідродинамічним способом. Статична рівновага осьового положення ЧЕ забезпечується штучною нерівномірністю поля статичного тиску. Зниження тиску перед ЧЕ досягається встановленням обтікача 4, що перетворює частину потенціальної енергії потоку в кінетичну енергію обертального руху рідини.

Задане профілювання втулки ЧЕ підвищує статичний тиск практично до початкової величини.

Рис. 1. Схема запропонованої вимірювальної камери ТПВ:

v - швидкість потоку

В другому розділі створено математичну модель швидкісних ТПВ аксіального типу з гідродинамічно-врівноваженим ЧЕ із врахуванням розподілу швидкості вимірюваного середовища в кільцевому каналі між втулкою турбінки та внутрішньою поверхнею корпусу. Проведене математичне моделювання роботи перетворювача за різних режимів протікання потоку вимірюваного середовища. Здійснено гідравлічний розрахунок запропонованої конструкції.

Математична модель швидкісного ТПВ з гідродинамічним врівноваженням ЧЕ уявляється системою диференціальних рівнянь обертального та поступально-повздовжнього рухів ЧЕ:

(1)

де n(t) - частота обертання ЧЕ; J - момент інерції ЧЕ; М_Р - рушійний момент; М_О - моменти опору обертанню ЧЕ; m - маса ЧЕ; x - повздовжнє переміщення ЧЕ; F_i - головний вектор сил, прикладених до ЧЕ.

Визначення складових. Рушійний момент, що діє на ЧЕ первинного перетворювача з боку потоку вимірюваної рідини в загальному випадку має вигляд:

, (2)

де _П - густина вимірюваної рідини, r_m - радіус, відповідний максимальному значенню швидкості, l_Л - довжина хорди профілю лопаті, z - кількість лопатей, v(r) - швидкість, r_BT - радіус поверхні втулки, r_Н - радіус зовнішньої поверхні лопатей.

Повздовжнє переміщення ЧЕ впливає на значення середньої швидкості потоку

, (3)

де Q - витрата, S_Ж - площа живого перерізу, - кут встановлення лопатей.

Робота ТПВ залежить від режиму течії вимірюваного середовища в момент взаємодії з ЧЕ, тобто від розподілу швидкостей. Враховуючи (3) та закон зміни швидкості в перерізі кільцевого трубопроводу за ламінарного режиму руху рідини, вираз (2) для ламінарної течії вимірюваного середовища набуває виду:

, (4)

де r - поточний радіус, r_K - радіус внутрішньої поверхні корпусу, k₁ - коефіцієнт, що враховує розбіжність напрямку вектора швидкості потоку у відносному русі з кутом нахилу лопаті до вісі турбінки.

Відповідно для турбулентного руху рідини в кільцевому каналі з урахуванням (3) маємо:

, (5)

де k - коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу швидкостей, m - показник ступеню, що залежить від числа Рейнольдса.

Момент інерції ЧЕ складається з моментів інерції турбінки, обтікача та приєднаних до ЧЕ мас:

, (6)

де _ЧЕ - густина матеріалу ЧЕ, r₁ - радіус обтікача, lo - осьова довжина обтікача, s - осьова довжина турбінки, h - товщина лопаті, _z - коефіцієнт приєднаної маси прямокутного перерізу.

Моментами опору обертанню ЧЕ є: момент сил в'язкого тертя між турбінкою та потоком вимірюваного середовища (М_ВТ), момент сил тертя в опорах турбінки (М_П), момент реакції вторинного перетворювача (М_ВП).

Момент сил в'язкого тертя між турбінкою та потоком можна поділити на декілька складових: моменти сил в'язкого тертя рідини о поверхню елементів обертання турбінки (момент тертя о дискову (М_Д) та циліндричну (М_Ц) частини турбінки); моменти опору, що виникають в радіальному зазорі між турбінкою та внутрішньою поверхнею корпуса ТПВ (М_З); моменти сил в'язкого тертя рідини о поверхню лопатей в міжлопатевих каналах турбінки (М_Ж).

Момент тертя о дискову частину втулки турбінки. Тертя рідини о дискову частину втулки відбувається в осьовому зазорі між турбінкою та, відповідно, вхідним і вихідним обтікачами. Відповідний момент опору визначається за умови, що радіус диску r завеликий у порівнянні з товщиною шару рідини, що захоплюється ним:

, (7)

де - кінематична в'язкість вимірюваної рідини;

Момент тертя о циліндричну частину турбінки. До циліндричної поверхні турбінки, що обертається в рідині, відносяться: поверхня втулки та поверхня лопатей в радіальному зазорі.

Момент сил опору обертанню циліндра радіусом r_ВТ і довжиною s для ламінарної течії вимірюваної рідини визначається за виразом:

, (8)

де - динамічний коефіцієнт в'язкості вимірюваної рідини.

Відповідно для турбулентної течії вимірюваної рідини маємо:

, (9)

де - коефіцієнт гідравлічного тертя.

Момент опору, що виникає в радіальному зазорі між турбінкою та внутрішньою поверхнею корпуса визначається наступним чином:

, (10)

де _Н - кут встановлення лопатей на зовнішньому радіусі турбінки, V₀ - об'єм міжлопатевого простору турбінки, (r_K-r_Н) - радіальний зазор.

Момент в'язкого тертя рідини о поверхню лопатей в міжлопатевих каналах турбінки на середньому радіусі визначається за виразом:

, (11)

де С_х - коефіцієнт лобового опору решітки лопатей.

В якості вторинного застосовано індуктивний перетворювач з вбудованим мікроконтролером, що не впливає на частоту обертання ЧЕ, тому момент реакції вторинного перетворювача прийнято рівним нулю М_ВП=0.

З урахуванням сил, що діють на ЧЕ при його поступальному русі, друге рівняння системи (1) набуває виду:

, (12)

де F_ОС - осьове зусилля; F_ВР - сила, що врівноважує ЧЕ; F_РЕГ - регулююче зусилля.

Маса ЧЕ визначається сумою мас турбінки та обтікача:

. (13)

Осьове зусилля, що діє на ЧЕ, визначається як сума гідродинамічного тиску потоку, що сприймається лопатями та поверхнею втулки турбінки, і в'язкого тертя, що діє по поверхні турбінки:

, (14)

де А_ОС коефіцієнт, що враховує конструктивні параметри перетворювача та коефіцієнти лобового опору відповідних елементів.

Сила, що врівноважує ЧЕ, утворюється завдяки різниці тисків (рис. 1), яка виражається у долях швидкісного напору :

, (15)

де S₄, S₃ - площі обтікання у відповідних перерізах ТПВ, v_CP - середня швидкість потоку.

Регулююче зусилля. Сила F_РЕГ, що утворюється регулятором осьового положення ЧЕ, спрямована назустріч врівноважуючій силі F_ВР. Вона виникає в результаті підвищення тиску у порівнянні з Р₂:

, (16)

де S_xmax - максимальне значення регулюючої площі; (х) - функція, яка враховує залежність регулюючого тиску та площі від координати х.

Умови динамічної рівноваги ЧЕ. Рівноважний стан ЧЕ характеризується величиною ступеня зниження тиску перед ним:

.

Граничні значення величини визначаються з умов існування регулюючого зусилля. При зміщенні ЧЕ в межове за потоком положення . Для збереження робочого стану перетворювача в цьому положенні, рівнодіюча сил, прикладених до нього, повинна відрізнятися від нуля і бути спрямованою назустріч потоку, а ступінь зниження тиску перед ЧЕ повинен задовольняти умові:

. (17)

Інше граничне положення виникає, коли . В цьому випадку необхідно, щоб рівнодіюча сил, прикладених до ЧЕ, відрізнялась від нуля та була спрямована за потоком:

. (18)

Умови динамічної рівноваги ЧЕ (17) (18) визначають діапазон вимірювань перетворювача і повинні виконуватись на всіх режимах його роботи.

Враховуючи, що робота ТПВ відбувається за турбулентної течії вимірюваної рідини, та рівняння (2) - (16), система рівнянь (1) набуває виду:

.

В третьому розділі проведено теоретичні дослідження метрологічних характеристик ТПВ з гідродинамічним врівноваженням ЧЕ, за результатами яких одержано аналітичні залежності для визначення осьового переміщення ЧЕ, умов його динамічної рівноваги, статичної характеристики перетворювача, похибки вимірювання та втрат тиску.

Розроблено алгоритм і програмний продукт (ПП) реалізації математичної моделі досліджуваного ТПВ, за допомогою якого оцінено вплив параметрів вимірюваного середовища (кінематичної в'язкості та густини) та параметрів ТПВ (товщини лопатей, радіального зазору, втулочного відношення, кількості лопатей, кута встановлення лопатей, осьової довжини турбінки) на осьове переміщення ЧЕ (рис. 2), його рівноважний стан (рис. 3), статичну характеристику ТПВ), досліджено залежність сталої часу від зміни параметрів ТПВ. Проведено теоретичні дослідження впливу параметрів перетворювача та фізичних властивостей вимірюваного середовища на похибку вимірювання (рис. 4) та втрати тиску (рис. 5).

Рис. 2. Вплив радіального зазору на осьове переміщення ЧЕ	Рис. 3. Вплив зміни осьової довжини турбінки на рівноважний стан ЧЕ
Рис. 4. Вплив кількості лопатей турбінки z на похибку вимірювання ТПВ	Рис. 5. Вплив втулочного відношення на втрати тиску

Проведено моделювання роботи ТПВ із застосуванням програми FLUENT (рис. 6), що дозволило уточнити особливості роботи перетворювача в окремих точках діапазону вимірювань. В результаті визначення моделі розрахунку, параметрів вимірюваного середовища (температура, густина, кінематична в'язкість), частоти обертання ЧЕ, умов протікання рідини на вході приладу (швидкість потоку, гідравлічний діаметр, турбулентна інтенсивність) отримано розподіл тиску (рис. 7) і картини розподілу швидкостей у ТПВ за мінімальної, номінальної та максимальної витрат. Це підтвердило ефект врівноваження ЧЕ, який полягає у наявності зон підвищеного тиску, розташованих перед ЧЕ і за ним, що не дозволяють ЧЕ зміщуватися вперед під впливом набігаючого потоку, а утримують його у зваженому стані.

Рис. 6. Сітка моделі гідравлічного каналу ТПВ

Рис. 7. Розподіл статичного тиску вздовж гідравлічного каналу за номінальної витрати

З іншого боку, ефект врівноваження ЧЕ підтверджено силовим аналізом, який показав, що сили, діючі у площинах перед ЧЕ і за ним, практично рівні між собою.

В четвертому розділі проведено стендові дослідження осьового переміщення ЧЕ та метрологічних характеристик ТПВ з метою перевірки адекватності результатів математичного моделювання експериментальним даним, аналізу реальних похибок ТПВ та їх структури.

Стендові випробування проводилися над п'ятьма дослідними зразками ТПВ наступних модифікацій: з циліндричною вимірювальною камерою із сталими геометричними параметрами, з профільованою вимірювальною камерою та оптимізованої конструкції за розробленою методикою.

Для оцінки осьового переміщення ЧЕ та його частоти обертання використано індуктивний перетворювач з вбудованим мікроконтроллером, що дозволяє визначити вказані параметри за зміною часу затухання сигналу у коливальному контурі.

За результатами експериментальних досліджень серії дослідних зразків перетворювачів, що проводились на сертифікованій Укрметртестстандартом калібрувальній установці METROST-112-100/160 (свідоцтво № 24.102.09 від 14.04.2009), основна похибка якої становить 0,03 %, отримано їх градуювальні характеристики, визначено ступінь адекватності результатів математичного моделювання експериментальним даним за статистичними критеріями Фішера та Ст'юдента. З рівнем значущості 5 % підтверджена життєспроможність розробленої ідеології.

Аналіз структури похибок досліджуваних ТПВ показав, що:

- мінімальне значення інструментальної похибки (4,233·10^-5 %) має ТПВ, геометричні характеристики якого отримано в результаті оптимізації за мінімальною відносною похибкою;

- найменшою є складова інструментальної відносної похибки від неточності виконання профілю лопаті; складові інструментальної похибки від інших геометричних параметрів (зовнішній радіус турбінки, радіус втулки, осьова довжина турбінки) рівнозначні;

- значення методичних похибок, що можуть виникнути при відхиленні вісі обертання ЧЕ від горизонтальної, не перевищує 1,412·10^-4 %, а для оптимізованої конструкції 1,054·10^-4 %;

- величина температурної складової відносної похибки в межах зміни температури вимірюваного середовища від 5 до 50 С за абсолютним значенням не перевищує 0,043 %, а для оптимізованої конструкції становить 1,018·10^-3 %.

В п'ятому розділі сформульовано комплексний критерій оптимізації ТПВ, визначено цільові функції, обрано проектні параметри, обґрунтовано їх початкові та граничні значення. Проаналізовано існуючі методи оптимізації. Розроблено алгоритм оптимізації параметрів ТПВ з гідродинамічним врівноваженням ЧЕ та програмний продукт, що реалізує розроблений алгоритм.

Оптимізацію проведено за комплексним критерієм, який дозволив оцінити роботу ТПВ у динамічному режимі, що характеризується мінімальними значеннями відносної

та середньоінтегральної відносної похибок

на всьому діапазоні вимірювань за умов рівноваги ЧЕ, що визначаються за виразами (17) (18), де n_i значення частоти обертання ЧЕ в і-й точці діапазону вимірювань (Q_i), n_{ід і} «ідеальна» частота обертання ЧЕ в і-й точці діапазону вимірювань (Q_i), r_H0, r_BT0, ₀, h₀, l_Л0, z₀ початкові значення проектних параметрів, Р_і ваговий коефіцієнт для і-ї витрати, .

За результатами вивчення впливу конструктивних параметрів ТПВ на його метрологічні характеристики виявлено ті, що суттєво впливають на роботу перетворювача, та прийнято їх в якості проектних, а саме: товщину профілю лопатей, радіальний зазор, втулочне відношення, кількість лопатей, кут встановлення лопатей, осьову довжину турбінки.

Граничні значення проектних параметрів означені з наступних міркувань:

- товщина профілю лопатей h повинна бути мінімальною, наскільки це можливо за технологічними та конструктивними міркуваннями; її значення визначається з розрахунку лопаті на міцність;

- величина радіального зазору визначається граничними значеннями співвідношення : ;

- значення втулочного відношення (r_BT/r_H) з одного боку обмежується ускладненнями конструктивного характеру, з іншого шкідливим впливом вторинних течій, пов'язаних з нерівномірністю поля відцентрових сил, непостійністю кутів атаки за висотою лопаті і т. ін., тому

;

- кількість лопатей z визначається з умови досягнення рівномірності за поперечним перерізом розвороту потоку та попередження відривів пограничного шару: z_min=4, z_max=30;

- кут встановлення лопатей змінюється в межах від 30 до 60, щоб обертове зусилля на лопатях турбінки створював весь потік рідини;

- мінімальне значення осьової довжини турбінки повинно бути таким, щоб потік цілком заповнював міжлопатевий канал

,

максимальне значення цього параметру визначається, виходячи з припущення, що довжина лопаті не повинна бути більшою за довжину одного повного витка гвинтової лінії

.

За результатами аналізу прямих та непрямих методів, що використовуються для багатомірної оптимізації, застосовано стратегію прямого пошуку, оскільки: це не вимагає визначення цільової функції у явному вигляді; дозволяє врахувати як обмеження, що накладаються на окремі проектні параметри, так і складні обмеження, що накладаються на область пошуку.

При оптимізації за критерієм мінімальної відносної похибки на всьому діапазоні вимірювань отримано значення проектних параметрів, за яких відносна похибка перетворювача не перевищує 0,25 %, тоді як до оптимізації максимальна похибка в цьому діапазоні становила 2,0 %. При оптимізації за найменшою середньоінтегральною відносною похибкою тих же перетворювачів отримано її значення 0,24 %. Достовірність результатів оптимізації перевірена на експериментальному зразку.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Проведені в дисертаційній роботі наукові та експериментальні дослідження дозволяють поглибити уявлення про природу виникнення градієнта тиску потоку рідини в турбінних перетворювачах витрат як головного чинника подальшого вдосконалення їх метрологічних характеристик, розкрити закономірності виникнення додаткових моментів опору та встановити ступінь впливу їх на відповідність метрологічних характеристик вихідним.

Головний зміст отриманих результатів може бути окресленим наступним.

1. Узагальнені наявні відомості про сучасний стан та проблеми функціонування в жорстких умовах експлуатаційного використання тахометричних перетворювачів витрат, означені шляхи вдосконалення їх метрологічних характеристик та сформульовані науково обґрунтовані принципи проектування турбінних перетворювачів витрат високої точності шляхом використання гідродинамічного врівноваження чутливого елементу.

2. Вперше створено розрахункову модель турбінного перетворювача витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу на основі наявних особливостей розподілу швидкостей вимірюваного середовища в кільцевому каналі. Сформульовано умови динамічної рівноваги чутливого елементу на підґрунті динамічних особливостей елементної бази перетворювача.

3. На базі відпрацьованого аналітичного апарату відтворено програмне забезпечення процесу моделювання вивчаємого явища і проведено теоретичні дослідження впливу геометричних параметрів турбінного перетворювача витрат та фізичних властивостей вимірюваної рідини на його статичну і динамічну характеристики, похибку вимірювання витрат, величину осьового переміщення чутливого елементу, його рівноважний стан та втрати тиску.

4. На сертифікованій калібрувальній метрологічній установці METROST-112-100/160 (свідоцтво № 24.102.09 від 14.04.2009) проведено експериментальне вивчення серії дослідних зразків перетворювачів наступних модифікацій: з циліндричною вимірювальною камерою із сталими геометричними параметрами, з профільованою вимірювальною камерою та оптимізованої конструкції на визначення ступеня адекватності результатів математичного моделювання експериментальним даним. З рівнем значущості 5 % підтверджена життєспроможність розробленої ідеології.

5. Розв'язано задачу оптимізації конструкції турбінного перетворювача із використанням стратегії прямого пошуку за комплексним критерієм, який дозволив оцінити роботу ТПВ у динамічному режимі, що характеризується мінімальними значеннями відносної та середньоінтегральної відносної похибок, з урахуванням початкових та граничних умов проектних параметрів при обов'язковій рівновазі чутливого елементу в широкому діапазоні вимірювань. В результаті оптимізації за критерієм найменшої середньоінтегральної відносної похибки отримані значення проектних параметрів, за яких вона не перевищує 0,24 %. На підґрунті результатів оптимізації за мінімальною відносною похибкою створено дослідний зразок перетворювача, де відносна похибка не перевищує 0,25 % на всьому діапазоні вимірювань, порівняно з 2 % похибки відомих турбінних перетворювачів. Втрата тиску на первинному перетворювачі зменшилась на 55 % у порівнянні з промисловими зразками турбінних перетворювачів витрат.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коробко І.В., Писарець А.В. Дослідження рівняння руху первинного перетворювача швидкісних засобів вимірювання витрат енергоносіїв //Вестник НТУУ “КПИ”. Серия машиностроение. 2002. Вып. 42, Т. 2. С. 42 - 45.

В статті розглянуто рівняння руху чутливого елемента первинного перетворювача витрат швидкісного типу, проведено дослідження найбільш важливих його складових: рушійного моменту від потоку вимірюваного середовища та моменту інерції чутливого елемента, проаналізовано їх взаємозв'язок з параметрами вимірюваного середовища.

2. Коробко І.В., Писарець А.В. Сучасні методи вимірювання кількості газу //Технологические системы. Серия: научные разработки и результаты исследований. 2002. № 2 (13). Вып. 1. С. 118 - 123.

У статті наведено сучасні методи вимірювання кількості газу, розглянуто їх недоліки та переваги.

3. Коробко І.В., Писарець А.В. Тахометричні засоби вимірювання витрат енергетичних ресурсів //Вісник НТУУ “КПІ”. Серія приладобудування. 2002. Вип. 24. С. 5 - 10.

В статті розглянуто класифікацію тахометричних первинних перетворювачів витрат та проведений їх порівнювальний аналіз.

4. Коробко І.В., Писарець А.В. Дослідження роботи швидкісних засобів вимірювання витрат рідин з розвантаженим ротором //Вісник НТУУ “КПІ”. Серія приладобудування. 2003. Вип. 25. С. 89 - 94.

В статті розглянуто основи побудови математичної моделі швидкісних турбінних засобів вимірювання витрат енергоносіїв з розвантаженим ротором.

5. Коробко І.В., Писарець А.В., Кузьменко П.К., Воропаєва Н.В. Стан і перспективи застосування приладів комерційного обліку енергетичних ресурсів //Вісник НТУУ “КПІ”. Серія приладобудування. 2003. Вип. 26. С. 53 - 59.

У статті розглядається проблема перевитрат і економічного використання енергетичних ресурсів. Виходячи з досвіду експлуатації, розкрито труднощі застосування існуючих методів та приладів, запропоновані ідеї щодо їх усунення або зменшення.

6. Коробко І.В., Писарець А.В. Дослідження моменту в'язкого тертя в швидкісних турбінних перетворювачах витрат //Вестник НТУУ “КПИ”. Серия машиностроение. 2003. Вып. 44. С. 233 - 235.

В статті розглянуто методику визначення моменту в'язкого тертя, що діє на чутливий елемент турбінного первинного перетворювача витрат.

7. Писарець А.В., Коробко І.В. Визначення врівноважуючої сили турбінного витратоміра із гідродинамічним врівноваженням ротора // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2004. № 4. С. 115-120.

В статті розглянуто методику визначення сил, що врівноважують чутливий елемент турбінного первинного перетворювача витрат з гідродинамічним врівноваженням ротора.

8. Писарець А.В., Коробко І.В. Визначення осьового зусилля в турбінному первинному перетворювачі витрат з гідродинамічним врівноваженням ротора //Вібрації в техніці та технологіях. 2005. № 2 (40). С. 67 - 70.

В статті розглянуто методику визначення осьового зусилля, що діє на чутливий елемент турбінного первинного перетворювача витрат з гідродинамічним врівноваженням ротора.

9. Писарець А.В. Аналіз сучасного стану вихрових засобів вимірювання кількості речовини. Сб. тр. международной научно-техн. конф. «Приборостроение 2001», Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. 2001. С. 53 - 56.

В статті наведено класифікацію вихрових витратомірів та принцип дії кожної групи, аналізуються їх переваги. Розглядаються перспективи подальшого розвитку вихрових вимірювальних приладів.

10. Коробко І.В., Писарець А.В. Турбинные преобразователи расхода с уравновешенным ротором // Промышленная теплотехника. 2006. №4. С. 84 89.

В статті розглянуто особливості побудови математичної моделі турбінних перетворювачів витрат енергоносіїв з врівноваженим ротором.

11. Коробко І.В., Писарець А.В. Визначення критеріїв оптимізації та проектних параметрів турбінних перетворювачів витрат // Вісник ЖДТУ/ Технічні науки. 2006. №2 (37). С. 99 104.

В статті обґрунтовано необхідність оптимізації параметрів турбінних перетворювачів витрат рідин для отримання приладів з підвищеною точністю, сформульовано критерії оптимізації, визначено граничні значення проектних параметрів.

12. Пат. на корисну модель № 3416 Україна, МПК (2004) G 01 F 1/10. Турбінний витратомір / І.В. Коробко, А.В. Писарець, П.К. Кузьменко. - u2004021392. Заявл. 26.02.04. Опубл. 15.11.2004. Бюл. № 11. - 3 с.

13. Пат. на корисну модель № 9257 Україна, МПК (2005) G 01 F 1/10. Лічильник рідини / І.В. Коробко, А.В. Писарець, П.К. Кузьменко. - u20050197. Заявл. 03.03.05. Опубл. 15.09.2005. Бюл. № 9. - 3 с.

14. Пат. на корисну модель № 10378 Україна, МПК (2005) G 01 D 4/00. Лічильник тарифний / І.В. Коробко, А.В. Писарець, П.К. Кузьменко. - u200503733. Заявл. 19.04.05. Опубл. 15.11.2005. Бюл. № 11. - 3 с.

15. Писарець А.В. Проектування тахометричних вимірювальних перетворювачів витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу // VІІ Міжнар. наук.-техн. конф. ”Приладобудування 2008: стан і перспективи”, Київ, 22 23 квітня 2008 р. Київ, 2008. С. 251.

16. Писарець А.В. Нові можливості турбінних перетворювачів витрат паливно-енергетичних ресурсів та води // V Міжнар. наук.- техн. конф. Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики машинобудівного і нафтогазового обладнання”, Івано-Франківськ, 2 - 5 грудня 2008 р. Івано-Франківськ, 2008. С. 167 169.

17. Писарець А.В. Дослідження впливу форми чутливого елементу на динамічні характеристики турбінного перетворювача витрат // ІХ Міжнар. наук.-техн. конф. ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи, Київ, 27 28 квітня 2010 р. Київ, 2010. С. 263.

АНОТАЦІЇ

Писарець А.В. Турбінний вимірювальний перетворювач витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин. - Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”, Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню метрологічних та експлуатаційних характеристик швидкісних турбінних перетворювачів витрат шляхом гідродинамічного врівноваження їх чутливого елементу, розвитку теорії гідродинамічного врівноваження, а також створенню системи проектування швидкісних приладів вимірювання витрат рідин з аксіальною турбінкою з високими метрологічними характеристиками.

В роботі наведено математичну модель швидкісного турбінного перетворювача витрат рідин з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу, що досягається створенням нерівномірного полю статичного тиску вздовж внутрішньої поверхні корпусу перетворювача.

Проведено теоретичні та стендові дослідження впливу геометричних параметрів чутливого елементу турбінного перетворювача витрат на його метрологічні характеристики. За статистичними критеріями Фішера та Ст'юдента оцінено адекватність результатів математичного моделювання експериментальним даним. Проведено оптимізацію геометричних параметрів вимірювальної камери первинного перетворювача з метою вдосконалення метрологічних характеристик.

Створено алгоритм та програмний продукт для дослідження метрологічних характеристик приладу та оптимізації параметрів турбінного перетворювача витрат з гідродинамічним врівноваженням чутливого елементу.

Ключові слова: турбінний перетворювач витрат, гідродинамічне врівноваження чутливого елементу, математична модель, система оптимального проектування.

Писарец А.В. Турбинный измерительный преобразователь расхода с гидродинамически уравновешенным чувствительным элементом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена улучшению метрологических и эксплуатационных характеристик скоростных турбинных преобразователей расхода путем гидродинамического уравновешивания их чувствительного элемента, развитию теории гидродинамического уравновешивания, а также созданию системы проектирования скоростных приборов измерения расхода жидкостей с аксиальной турбинкой с высокими метрологическими характеристиками.

В работе приведена математическая модель скоростного турбинного преобразователя расхода жидкости с гидродинамическим уравновешиванием чувствительного элемента, которое достигается созданием неравномерного поля статического давления вдоль измерительной камеры преобразователя. Кроме геометрических характеристик внутренней поверхности преобразователя математическая модель учитывает распределение скорости потока измеряемой среды и его физические свойства.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических параметров чувствительного элемента турбинного преобразователя расхода на его метрологические характеристики. По статистическим критериям Фишера и Стьюдента оценена адекватность результатов математического моделирования экспериментальным данным.

Решена задача оптимизации геометрических параметров измерительной камеры первичного преобразователя расхода с целью улучшения его метрологических характеристик по стратегии прямого поиска с помощью комплексного критерия, позволившего оценить работу преобразователя в динамическом режиме, характеризующемся минимальными значениями относительной и среднеинтегральной относительной погрешностей, с учетом начальных и граничных условий проектных параметров при обязательном равновесии чувствительного элемента в широком диапазоне расходов.

В качестве проектных параметров выбраны: толщина профиля лопасти, радиальный зазор, втулочное отношение, количество лопастей, угол установки лопастей, осевая длина турбинки.

На основании результатов оптимизации по минимальной основной погрешности создан опытный образец преобразователя, с относительной погрешностью, не превышающей 0,25 % на всем диапазоне измерений, по сравнению с 2 % погрешности известных турбинных преобразователей. При оптимизации по наименьшей среднеинтегральной относительной погрешности тех же измерительных преобразователей получено ее значение 0,24%.

Разработаны алгоритм и программный продукт для исследования метрологических характеристик прибора и оптимизации параметров турбинного первичного преобразователя расхода с гидродинамическим уравновешиванием чувствительного элемента. Программный продукт позволяет: оценить величину осевого перемещения чувствительного элемента, условия его динамического равновесия, исследовать статическую характеристику преобразователя расхода, построить эпюру распределения статического давления вдоль его измерительной камеры, кривую погрешности измерения расхода, определить перепад давления на преобразователе для заданных условий эксплуатации, исследовать влияние геометрических параметров измерительной камеры преобразователя и физических свойств потока измеряемой жидкости на перечисленные характеристики, а также выбирать проектные параметры, строить графические зависимости метрологических характеристик преобразователя расхода, сравнивать его метрологические характеристики до и после оптимизации.

Ключевые слова: турбинный преобразователь расхода, гидродинамическое уравновешивание чувствительного элемента, математическая модель, система проектирования.

Pisarets A.V. The turbine type flow rate measuring transducer with hydrodynamic balancing sensitive element. - The manuscript.

Dissertation on getting of scientific degree of candidate of engineering sciences on specialty 05.11.01 - Devices and methods of measurement of mechanical quantities. - National Technical University of Ukraine “Kiev Politechnical Institute”, Kyiv, 2010.

The dissertation work is devoted to metrological and operating characteristics improvement of velocity turbine flow rate transducers by hydrodynamic balancing of their sensors, hydrodynamic balancing theory evolution and system creation for optimal designing of velocity flow rate measuring devices with axial sensitive element and high metrological characteristics.

At work the mathematic model of velocity turbine flow rate transducer with hydrodynamic balancing sensitive element by means of irregular static pressure field creation along the internal body surface of initial flow transducer is shown.

Theoretical and experimental investigations were realized to determine influence of sensor's geometric parameters of turbine initial flow transducer on the device metrological characteristics. The adequacy of mathematic model and experimental data was appreciated by statistical criteria of Fisher and Student. Geometrical parameters of measuring chamber primary transducer were optimized to improve the metrological characteristics.

The algorithm and software to investigate the metrological characteristics of the device and optimize parameters of the turbine initial flow rate transducer with hydrodynamic balancing sensitive element were created.

Keywords: turbine type flowrate transducer, sensitive element with hydrodynamic balancing, mathematical model, optimal development system.

Размещено на Allbest.ru