CC BY
74
УДК 621.534
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКИХ ЗОНДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ
© 2012 В. П. Шорин1, А. Г. Гимадиев1, Н. Д. Быстров1,
С. А. Ильинский”, Т. Г. Александрова”
'Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
2 Открытое акционерное общество «КУЗНЕЦОВ», г. Самара
Приведены результаты разработки и экспериментальных исследований акустических зондов с корректирующими элементами в виде длинного трубопровода и последовательного соединения резинового патрубка и металлической трубки. В результате проведённых испытаний получены частотные характеристики акустических зондов в диапазоне частот до 800 Гц при давлении воздуха до 8,0 кгс/см2. Даны рекомендации по применению исследованных акустических зондов для измерения пульсаций давления в проточном тракте газогенера-
Газогенератор, пульсации давления, измерение, акустический зонд, волноводный канал, корректирующий элемент, разработка, стендовое оборудование, испытание, обработка, анализ результатов, рекомендации.
Важной проблемой при оценке эффективности и надёжности газогенератора является измерение динамических процессов, протекающих по газодинамическому тракту газогенератора в условиях повышенных температур и вибраций. Особый интерес представляют пульсации давления газа на входе в вентилятор, на выходе из компрессора высокого давления и за сопловым аппаратом турбины. Ввиду невозможности установки датчиков пульсаций давления в точках измерений применяют подводящие каналы в составе акустических зондов с пъезокерамиче-скими датчиками пульсаций давления, обладающими широким диапазоном частот измерения по сравнению с индуктивными датчиками пульсаций давления типа ДМИ.
Для измерения пульсаций давления в диапазоне частот до 800 Гц разработан единый акустический зонд с возможностью установки во всех трёх сечениях газогенератора. В зонде использован датчик пульсаций давления PS-2001 разработки ООО «Глобал-тест». Датчик помещён в охлаждаемый проточным воздухом контейнер. Датчик акустически подключается к волноводному каналу, сообщающемуся с точкой измерения пульсаций давления на объекте контроля. Для устранения резонансных явлений, приводящих к существенным динамическим искажениям, предусмотрена акустическая нагрузка, подключаемая к корпусу зонда (рис. 1).
Конструктивная реализация зонда для измерения пульсаций давления за компрессором высокого давления в газогенераторе представлена на рис. 2.
5 -4 3
Рис. 2. Внешний вид акустического зонда: 1- датчик пульсаций давления; 2 - кожух охлаждения датчика; 3 - акустическая нагрузка в виде трубопровода, заглушенного на выходе; 4 - корпус зонда; 5 - подводящий канал
Проведены расчёты частотных характеристик зонда с использованием пакета программ и выбраны параметры аку-
стического корректирующего элемента.
Для проведения частотных испытаний акустических зондов использовалось стендовое оборудование СГАУ. Основным узлом
стенда для частотных испытаний пневматических измерительных средств является генератор колебания давления или пульсатор (рис. 3).
Основные характеристики генератора колебаний давления представлены в табл. 1.
Рис. 3. Общий вид пульсатора с испытательной камерой, датчиком, акустическим зондом с датчиком пульсаций давления РБ 2001: 1 -манометр 0-2,5 МПа; 2- датчик быстропеременных давлений; 3-испытательная камера пульсатора; 4- пульсатор; 5-электропривод А1Л-500; 6-монтажная плита; 7- буферная ёмкость; 8- вентиль; 9- подводящий патрубок акустического зонда
Таблица 1. Технические данные генератора колебаний давления
№ п/п Параметры Значения
1 Среднее давление воздуха, кгс/см2 до 10,0
2 Диапазон частот генерируемых колебаний, Гц до 1000 Гц
3 Диапазон амплитуд пульсаций давления, кгс/см 0,001.... 0,02
4 Потребляемая электрическая мощность, кВт 0,5
5 Габариты, ВхШхД 0,2x0,3 х0,7
Перед проведением испытаний осуществлялась опрессовка и настройка измерительных каналов с датчиками давления РБ-2001. На работающем экспериментальном оборудовании проводились испытания зондов П-1537.000 №1, П-1537.000 №2 при средних давлениях 4, 6, 8, 10 кгс/см2 и амплитудах колебаний давления до 0,02 кгс/см2 в диапазонах частот 5... 800 Гц.
Во время испытаний сигналы с зонда и контрольного датчика, размещённого в пульсаторе, передавались в аппаратуру М1С-026 и записывались в её память для хранения и последующей обработки. Для обработки информации с целью построения частотных характеристик зондов использовался программное обеспечение М1С-026.
Методика обработки экспериментальных данных зондов основана на сравнении зарегистрированных показаний датчика зонда и контрольного датчика, установленного в рабочей камере пульсатора. Сигналы с датчика пульсаций давления акустического зонда и контрольного датчика поступали на вход платы MIC-201 измерительновычислительного комплекса MIC-026 и с помощью программы Recorder записывались на жёсткий диск компьютера.
Запись сигналов осуществлялась в формате записи данных МЕРА, который является расширением формата УСМЛ (расширение «*.usm»). При этом программа создаёт четыре файла с разными расширениями, определяющими тип данных. В файле с расширением «*.шега» находится информация
об испытании и список параметров, в файле с расширением «*.с1а1:» содержатся введённые двоичные данные параметра, в файле с расширением «*Лхо» содержатся коэффициенты полинома либо узлы интерполяции, в файле с расширением хранится кон-
фигурация регистратора.
Диапазон входного сигнала во всех экспериментах устанавливался равным ±0,2 В.
Экспериментальные данные записывались с частотой опроса, позволяющей достоверно расшифровать пульсации давления в диапазоне частот до 5 кГц. Запись осциллограмм осуществлялась в течение 60 секунд с частотой опроса 57,6 кГц на первый и второй каналы ИВК М1С-026 соответственно контрольного датчика и зонда.
Перед проведением эксперимента осуществлялась настройка измерительных каналов, вводились паспортные данные калибровки датчиков динамического давления РБ 2001 (файлы с расширением «*Лхо»),
Для обработки осциллограмм использовалась программа ХУтРов НПО «Мера». Для получения АЧХ осуществлялся расчёт отношения амплитуды выходного (с датчика зонда) и входного (с контрольного датчика) сигналов в диапазоне частот от 0 до 1 кГц.
Процедура обработки следующая: вызывается программа \У1пРо8, открывается окно программы. Загружается файл с записями колебаний давления датчика зонда и контрольного датчика. При открытии файла строятся два графика осциллограмм в одних и тех же осях координат. Затем производится расчёт частотных характеристик, для чего запускается опция «Передаточная функция», по которой рассчитывается АЧХ или модуль частотной функции зонда.
На рис. 4 и 5 представлены теоретические и экспериментальные амплитудно-частотные характеристики зонда, предназначенного для измерения пульсаций давления на выходе из компрессора газогенератора.
Частота, Гц
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика зонда с волноводом Буб длиной 0,79 м с объёмом полости
датчика 100 мм без корректирующего элемента при давлении 8 кгс/слГ : 1-эксперимент, 2-расчет
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика зонда с волноводом Буб длиной 0,79 м с объёмом полости датчика 100 мм3 и корректирующим элементом при давлении 8 кгс/слг : 1-эксперимент, 2-расчет
Для удобства подключения к соответствующим измерительным точкам на газогенераторе в условиях испытательного стенда были проведены испытания зондов с согласующей линией, представляющей набор из гибкого резинового шланга определённой длины и медной 40-метровой линии.
В результате проведённых испытаний получены частотные характеристики акусти-
ческих зондов с элементами коррекции в виде последовательно соединённых резинового шланга и металлической трубки при давлении воздуха до 8,0 кгс/см2.
На рис. 6 и 7 представлены частотные характеристики зондов с комбинированными согласующими линиями.
Частота, Гц
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика акустического зонда №2 с параметрами: среднее давление 8 кгс/смг, волновод Иф длиной 0,79 м, приведённый объём полости датчика давления 100 мм3, корректирующий элемент в виде последовательно соединённых гибких шлангов Д,<5 с длинами 1,8 м и 10 м
Частота, Гц
-- среднее давление 4 кгс/кв.см--------------среднее давление 8 кгс/кв.см
Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика акустического зонда №2 с параметрами: волновод Бф длиной 0,79 м, приведённый объём полости датчика давления 100 мм3, корректирующий элемент в виде последовательно соединённых гибкого шланга Д,<5 длиной 1,8 м и металлической трубки Д,<5 длиной 40 м при различных средних давлениях
Таким образом, на основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации по применению акустических зондов для измерения пульсаций давления в проточном тракте газогенератора.
1. Экспериментальные данные адекватно отражают математическую модель зондов, причём численно - для зондов с корректирующим элементом и качественно - для зондов без корректирующего элемента.
2. Амплитудно-частотная характеристика акустического зонда слабо зависит от уровня среднего давления при давлениях свыше 4 кгс/см2. Чем больше среднее давление, тем меньше динамическая погрешность акустического зонда.
3. Для экспериментальных исследований пульсаций давления в газогенераторе рекомендуется применять зонды с волноводом и корректирующим элементом в виде трубки Бу-6 длиной 40 м, при которых погрешность измерения пульсаций давления не превышает (10... 15)% в диапазоне частот (5...800) Гц.
4. Для экспериментальных исследований частотных характеристик зондов в большем диапазоне частот (до 2000 Гц и более) необходимо усовершенствовать конструкцию пульсатора и его привода, а также рассмотреть возможность использования струйно-акустических методов возбуждения колебаний давления.
5. Необходимо рассмотреть возможность разработки зондов с другим датчиком пульсаций давления, обладающим меньшими габаритами и большей чувствительностью.
6. Для случая измерения пульсаций давления в газогенераторе в узком диапазоне изменения среднего давления (в пределах отклонения ±15%) необходимо рассмотреть возможность применения зондов с компактными корректирующими элементами в виде байпасного, относительно датчика, акустического ЛС-фильтра.
7. Из анализа результатов проведённых экспериментальных исследований акустических зондов П-1537.000 №1 и №2 с волноводом Бу6 длиной 0,79 м и корректирующим элементом в виде последовательно соединённых гибкого шланга Бу6 длиной 1,8 м и
медной трубки длиной 40 м следует, что применение гибкого шланга в составе корректирующего элемента зонда, во-первых, облегчает монтаж и эксплуатацию зонда на газогенераторе, во-вторых, позволяет применять в качестве корректирующей трубки имеющиеся на стенде свободные линии подвода давления от газогенератора до измерительного щитка.
8. Амплитудно-частотные характеристики акустических зондов №1 и №2, отличающихся мероприятиями по снижению приведенного объёма полости датчика в пределах 100 мм , одинаковы, то есть можно оставить вариант с более технологичным исполнением.
Библиографический список
1. Акустические методы и средства измерения пульсаций давления / В.П. Шо-рин, Е.В. Шахматов, А.Г. Гимадиев [и др.]. -Самара: Изд-во Самар, гос. аэрокосм, ун-та, 2007. - 132 с.
2. Каталог продукции и измерительных средств. - Саров: ООО «ГлобалТест», 2011. -58 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010 г.
ON ГП1 DEVELOPMENT OF PROBES FOR MEASURING PRESSURE PULSATIONS IN THE GAS-DYNAMIC CHANNEL GAS GENERATOR
© 2012 V. P. Shorin1, A. G. Gimadiyev1, N. D. Bystrov1, S. A. Ilyinsky2, T. G. Alexandrova2
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
(National Research University)
2OS "KUZNETSOV", Samara
The results of development and experimental studies of acoustic probes with corrective elements in the fonn of a long line and a serial connection of rubber tube and a metal tube. As a result of the tests obtained the frequency characteristics of acoustic probes in the frequency range of 800 Hz at an air pressure of up to 8.0 kg/cm2. Ana's recommendations for the use of the investigated acoustic probes for measuring pressure fluctuations in the flow path of gas generator.
Gas generators, acoustic probes, pressure pulsations, sensors, waveguide channel, dynamic error, correcting elements, stand equipment, registration and measurement system, testing, test analysis.
Информация об авторах
Шорин Владимир Павлович, академик РАН, доктор технических наук, профессор кафедры автоматических систем энергетических установок, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: разработка конструкционных методов управления динамическими свойствами гидрогазовых систем.
Гимадиев Асгат Гатьятович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматических систем энергетических установок, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: динамика систем управления и контроля параметров технологических и энергетических установок.
Быстров Николай Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматических систем энергетических установок, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский универси-
273
тет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: коррекция динамических характеристик систем измерения давления при испытаниях ГТД.
Ильинский Станислав Алексеевич, начальник отдела Открытого акционерного общества «КУЗНЕЦОВ», г. Самара. Область научных интересов: коррекция динамических характеристик систем измерения давления при испытаниях ГТД.
Александрова Татьяна Геннадьевна, ведущий инженер Открытого акционерного общества «КУЗНЕЦОВ», г. Самара. Область научных интересов: измерение и обработка параметров динамических процессов при испытаниях ГТД.
Shorin Vladimir Pavlovich, academician, doctor of technical sciences, the professor of faculty ASEU of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: development construction management dynamic properties of the of hydro and gas systems.
Gimadiev Asgat Gatjatovich, the professor of faculty ASEU of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: correction of dynamic characteristics of systems of measurement of pressure at tests GTD.
Bystrov Nikolay Dmitrievich, the professor of faculty ASEU of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: correction of dynamic characteristics of systems of measurement of pressure at tests GTD.
Ilinsky Stanislav Alekseevich, Head of Department of OS «KUZNETSOV», Samara. E-mail: [email protected]. Area of research: correction of dynamic characteristics of systems of measurement of pressure at tests GTD.
Alexandrova Tatyina Gennadjevna, Leading Engineer of OS «KUZNETSOV», Samara. E-mail: [email protected]. Area of research: correction of dynamic characteristics of systems of measurement of pressure at tests GTD.
