автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Турбинные преобразователи расхода для технологических установок переработки природного газа

р и 0 ^ 5 0

Московский ордена Левина, ордена Октябрьской Револпда

в ощена Трудового Красного Знамени Государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

На правах рукописи

да 681.121

БОЙКО Андрей Владимирович

ТУРЕШШВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РАСХОДА для ТШОЮШЧЕСШ: УСТАНОВОК ПЕРЕРАБОТКИ ПРИЕ0ДШ10 ГАЗА

Специальность 05.13.05 - Элементы в устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации ва соискание ученой степени кавдвдата техннчэских ваух

■Москва 1990

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте теплоэнергетического приборостроения..

Научный руководитель: кавдвдат технических наук, доцент Камышев I.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Попов Д.Н., кандидат технических наук, доцент Архипов A.B.

Ведущая организация: Московское научно-производственное объединение "Нёфтеавтоматика"

Защита состоится " _199_г. в а уд. _____

в_час. мин, на заседании специализированного Совета

К 053.15.0в Московского ордена Левина, ордена Октябрьской Революции и одовна Трудового Красного Знамени Государственного технического университета им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005, г.Москва, 2-ая Балканская ул., д.5.

Отзывы по данной работе (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться к библиотеке университета.

Автореферат разослан " * 199_г.

л-15 г 05 ' ;

Подл.у печ. Z7.Oi.BOг Объем I п.л. Тир. 1Z0 акз. Зак. 360 Типогр. Ш*ГУ ИМ.Н.Э.Баумана

Ученый секретарь специализированного Совета вавдвдат технических наук, доцент

{ ^ ¿Актуальность. Рост потребностей страны в нефтепродуктах и ;Тд$рир||дном газе может быть удовлетворен только широыы рззвити-ерпау^рёоурсосберегавших технологий. Особенно высокая потребность в контрольно-измерительных приборах для работы в инЬормациоино-измзрительшх подсистемах систем управления технологическими процессами с использованием агрессивных сред. Это нашло отражение з директивных документах ЦК КПСС и С!,1 СССР по развитию пе$>-тяной н газовой пропиленное та в Западном Казахстане. Сло.тлюсть создания приборов для измерения расхода и количества попутного нефтяного газа обусловлена высокой агрессивностью газа, содержание сероводорода в котором до 25,», давление меняется в процессе измерения от 0,1 до 0,6 Ша, температура от 5 до 60°С.

Анализ различных методов измерения расхода показал, что наиболее полноьпредъявляемым требованиям удовлетворяют приборы турбинного тяла с опорами вращения в виде подпятников качения.

Несовершенство существующих турбинных преобразователей расхода (ТПР); отсутствие и экономическая нецелесообразность создания расходомерянх установок для агрессивных газов; отсутствие критериев, определянзих выбор геометрических параметров датчиков расхода СДР), вызвали необходимость развития теории ТПР газа и проведения научных исследований.

Цель таботч. Разработка ттаораэмерного ряда приборов измерения количества высокозгрессивяого попутного нефтяного газа и создание алгоритмов расчета их градукровочнше зависимостей в условиях эксплуатации.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось решть следующие научные задачи.

1. Разработать физическую я тагематкческую модели процесса измерения расхода газа турбинным методом.

2. Исследовать влияние различных, в том числа геометрических и технологических факторов на работу ЮТ газа.

3. Создать методику рационального выбора геометрических параметров новых приборов. .

4. Создать методику расчета градуировочкня зависимостей ТПР газа для широкого спектра эксплуатационных условий.

Методы исследования. В работе использовался математический аппарат регрессионного анализа, математической статистики, а также использовались положения метрология, аэро- и гидродинамики, в том число теории пограничного слоя.

Научная новизна. Разработана математическая модель гродуи-ровочной зависимости ТП? газа. Получено аналитическое выражение -измерительной-зависимости.

Определено влияние ка градуировочную зависимость различных геометрических параметров и технологических факторов, что позволило более точно оценивать их значимость.

Разработана методика расчета грздуировочшис зависимостей для условий эксплуатация, учитывающая единственную индивидуальную градуировочную зависимость конкретного прибора.

Разработана методика проверки адехазатности математической модели эг.еяерхг.-.знтадьным данным, обеспечивающая достоверность проверки при ограниченном числе макетных образцов.

Разработана методика проектного расчета.

Практическая ценность. На основании полученных в диссертационной работа результатов разработан ишоразмэркый ряд турбинных счетчиков попутного нефтяного газа СНГ. В 1988 году счетчики СНГ успешно прошли Государственные контрольные испытания, рекомендованы к серийяому производству и занесена в Государственные раестр средств измерений (й П810-89). Счетчики СНГ выпускаются йваио-Фракковскигл ПО "Прошрибор". Экономический эффект от внедрения счетчиков СПГ достигнут за счот повшзпзя точности измерения нефтяного попутного газа по сравнения со счетчиками АГАТ а составляет 3,9 тыс. руб. ка I изделие.

Алробажзд. Основные результата работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие системы метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ" (г.Кааань, БНИЙР, 1984), на семинаре в ВДЕТП (г.Москва, 1388), на НТС ШШтоплоприбора (1988), на научном семинаре кафедры "Автоматические установка" МГГУ иы.,Н, Э.Баумана (1990) и на семинарах в салонах "Приборы и вычислительная техника" городов Ленинграда (1986), Львова (1987), Таллина (1938). Автор за разработку счетчиков СНГ удостоен бронзовой медали ШХ СССР (К 6374Б, 1986).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 печатных изданиях.

Структура и объем работа. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, 5 приложений и содержит 130 страниц машинописного текста, 70 рисунков, Ю таблиц, 107 библяограЖических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрели различные метода измерения расхода газа и показано, что турбишнй метод измерения является на ¡ido-лее лерспективншл для применения в установках переработки нефтяного попутного газа. Турбигшыэ приборы характеризуются мало-габаритностью, високиш точностью и повторяемостью показаний, работоспособностью в uniper ч диапазоне температур.

В первом г-язлг-^е дастся обзор работ, посвященных ТПР. Отмечено, что наибольший вклад d развитие теории турбин них расходомеров внесла работа Бошняка Л.Л. и Бизова Л.Н., Бобровнзжова r.IÍ. и Камышей I.A., Томпсона я Грея. Ли я Карлби, ез исследований ТПР гзза наиболее значительны работа Ли и Ивонса.

Анализ проблем теории и практики конструирования ТПР газа показал, что до настоящего времени опорам вращения не уделялось достаточного вняг.аккя несмотря на то, что они влияют на линейность гравировочной завис®,гостя, ресурс работы и надежность в эксплуатации. Р&чиалымв шарикоподшипники тлеют малые моменты гронкя и предпочтительны для использования в ШР газа. Из модели усталостного разрушения подкйпшшзв следует, что наряду с предварительной приработкой в нормальных условиях и выбором марки смазки С X3 снижение осевой нагрузки существенно повышает долговечность опор вращения ТПР. Известные схекы компенсации осевых усилий не реализуют потенциальных воэиогшостей турбинного' метода измерения и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к счетчикам агрессивного нефтяного попутного газа. В работе предложена новая классификация схем компенсации осевых усилий на подшипники опор вращения С2]. -Для счетчиков СНГ била разработана новая конструктивная схема [3] (см.рио.1). В приведенной схеме поток газа действует как на измерительную 2, гак и на жестко связанные медцу собой компенсационную крыльчатку 4 и компрессорную турбпшеу 5. Брасаясь от компенсационной крыльчатки, компрессорная турбинка подает часть потока на глухой задний торец ступицы измерительной крнльчатки. Возникающее динамическое давление создает осевое уехшхе, направленное против действия основного потока газа. Тем самым обеспечивается компенсация осевого усилия на подпилники измерительной крыльчатки. Ресурс работы опор вращения увеличивается более чем в. 2 раза по сравнению о опорами вращения без компенсации. Компенсационная крыльчатка its искажает характера течения газа на измерительную крыльчатку,

I - корпус; 2 - измерительная крыльчатка; 3 - узел съека сигнала; 4 - компенсационная крыльчатка; 5 - компрессорная турбинка; б и 7 - подшипниковые узлы измерительной и компенсационной крыльчаток, соответственно.

* '-> I» —I-» I-I'ii .

о 200 400 £00 800 tO30 <200 МО 1603 1300 2000 £2£0

о° о) §П~ о? дуд

Рис.2. Зависимость градуировечного коэффициента ТПР газа , ■ (Дух250 им) от объемного расхода

.

что яоззсяяе? прагешяь для расчетов известные элементы теорял рзиходокароп и сравнивать результат» с исследованиями других авторов.

списакн фияяческэя я штематвческая модели турбинного ь'егояа пзшреикя расхода газа. Допущения, пра-нятна при построения .модели, следующие: I - газ однородный, 2 -тлчонио газа нл р^гетку лсппстей ососюслетрнчно, 3 - поток среди устатотаклийся, пульсации потока отсутствуют, 4 - лопасти крнльчаткг же ют ¿Оэрму влитовой поверхности, 0 - сопротивление !;р9небро;г.;2ло гало, поскольку лопасти крыльчатка откосятся :с тонкгм, гладким и удллненннм са,?,тетрггчш;м аэродинамическим профили. Рассмотрим правомочность принятых допущений.

Однородность - свойство большинства газов. Симметричность потока достигается установкой нередкого струена правляюцего аппарата. Установкам переработка попутного нефтяного газа па неф-тлшос мссторс.-здеж'лх свойственно шеозтл стабильность расхода. 3 роботе Г4] обоснованы приемлемость использования простиля в вэда топкой пластики с необработанными передним а задними врюяагге и правомерность лряаенэзга взштошх крыльчаток.

Согласно уравнению изменения кол;г-к;стт движения для крыль-чаткл, независимо от конструктивной схекн ТГС? Рйш/с^ = - !ЛС, где I - метепг инерции всех врадзшзпсся масс узла крыльчатки; <а - угловая скорость враденгл; - дгизудай мо-непт, дсСста^эдвй ¡а крыльчатку; Я - сумма моментов сопротивление вращению крыльчатки. Йпя установявшогося движения криль-чатяя о а урагаекке припишет ввд:

Моменты и ГЛС зависят от величины расхода, значений физических параметров средн и геометрических размеров. Уравнение (I) позволяет представить угловую скорость вращения хрнльчаттси и Ъулкцпа влйкрдзгос факторов. Определив каа-днй член, можно рассчитать грздуярозочпув завзкпмость пркбора. Момент Мд3 рассчлтыва-П7 до катоду "есдьоншх сил" п на основании уравнении 2йлора. В дврвем мотодо используется коэффициенты лотового сопротивления и подъемной силы, ¿зкглкгло от угла атак?.. Достоверное ана-леписсксо вырваенав эавксяуоста угла атаки от радяуса Ч полутать практически кевозггозно. Значения угла атакл всего несколько градусов к незначительные окябки в его определен:::! приводят к существенной погрьиности расчета 'Л .

Д1»

На основании уравнения Эйлера и с учетом реальной диаграммы скоростей газа в сечена! кольцевого канала перед крыльчаткой после интегрирования элементарного движущего момента по всему сечонпа крыльчатки получено выражение для М^:

где 6 - расход среды; J> - плотность среды; К - градуиро-вочный коэффициент ТПР; К^ - градировочный коэффициент вдеа-лизироваиного ТИР; lcv - коэффициент распределения скорости сродн по сечению кольцевого канала HIP; )£ - конструктивный коэффициент; f^ - коэффициент учета протечек среды через радиальный заЕор; р - площадь проходного сечения крыльчатки в относительном движении; Ен и R^ - наружный и втулочный радиусы крыльчатки. При числах Маха иен so 0,15 газ можно считать несжимаемым, т.е. плотность по всему проходному сечению крыльчатки . практически постоянна, включая и пограничный слой вблизи основания лопастей [5J. В уравнении (2) выведем плотность из-под знака интеграла и обозначил символом J{ интеграл тогда

Вычислить определенней интеграл Jj можно, зная функциональные зависимости kvCZj и п (?). Влияние коэффициента ц на интеграл Jl несравнило меньше, чем влияниэ коэффициента ку • Это позволяет в первом приближения приникать ^ = 0. Для определения kv необходило знать закон распределения скоростей в кольцевом канале В облег,i .случае зависит от геометрических размеров канала, режима течения и свойств измеряемой среды. Малейшая эксцентричность труб кольцевого канала заметно влияет на однородность профиля скорости, что лишает смысла попытке вычисления kv с еысокой точностью. Зависимости, применяемые для описания эпюры скоростей в трубе достаточно хорошо описывают эпюру скоростей в кольцевом канале TtIP, поскольку передний ой~ текатель не обеспечивает форлкрование эпюры скоростей, характерной для бесконечно протяженного кольцевого канала. В работе [б] показано, что использование формулы М.Д.Маллшшцикова позволяет упростить процедуру и повысить достоверность расчета kv. Получено аналитическое выражение коэффициента /д .

о

Известные методики расчета коэффициента kv но учитывают влияния втулки ТПР, поэтому они тем точнее, чем меньше втулочное отношение сСвт и.Я^/Ву. Для ТПР газа характерны большие значения этого параметра. В общем случае средняя скорость эквивалентного потока не совпадает со скоростью реального потока в кольцевом канале ТПР. Расход эквивалентного потока боль-

ше действительного расхода и на велглкну расхода идоз. приходящуюся на центральную часть сеченпд трубопровода, ограниченного втулкой ТОР, т.е. Q3KB = Q + Используя соотношение • для средней скорости среды в трубопроводе V = Qgkb/(JTK|) , получим V = Q(i-y)/№t^), тдв J = Q0K3/ Q - коо5:р:гциент влияния втулки ИГР. Опустив промежуточные вшгладки аналитического вывода, приведем коэффициент Г з окончательно:,! виде: у» (2,5*azct3C-3tnC) / {2,5-27aT-Q,5n|r)-Cf7|T

* атс%СС(1--гвт)]+о,5 (t^T-3) fnCc2 Ц-~сйГ)г +133-1. Здесь Чп = Bjj/Hjj, = Rgj/i^ - значения наружного и втулочного радиусов крульчатки в безразмерном ввде, а С - постоянная для конкретного прибора величина, зависящая от коэффициента гидравлического трения Л . Сравнительный расчет показал, что неучет втулка у счетчиков СПГ приводит к озибке но менее 3,31.

С учетом формулы М.Д.Удялнонщккова получаем:

(8C3)v(C2-DirH-rbTJ/'C-3J+C<5C',-10C£+l)/(BCs)] int(Cs(i-r„iz*

+U/(c2(f-г5Т }2 н)]- И/(ес)Л^Сл1сга-гн)^ i tnlсг а -

-Ги)2+13М(С5 +зс}44Сг-4)/ <4С4 iDia-cctj (с(1-гА} ]-axctj [СО-

Для решения уравнения (3) остается определить ;ЛС. Его основные составляющие: - момент трения в опорах вращения; :.!д-момект сил вязкостного трент среды о торцеbug поверхности крыльчатки; М и - моменты сил сопротивления, в радиальных зазорах мелду крыльчаткой и внутренней поверхностью корпуса, мазду цилиндрическими выступами крыльчатки п проточками направляющих аппаратов, соответственно; М^ - момент спя вязкостного трения о поверхность лопастей в меядопастных каналах. Исследования трения з опзрлх вращений ТПР газа приведены в работе [7]. Для ТШ? гладкости, так и для "ГОР газа граничные значения чисел Рейнолвдса, соответствующие смогам режимов течоизд, сутас.ьолно отличаются от граничных значений для ТЕ? кщкостей. Анализ экспериментальных градуировочных зависимостей ДР (jL. - 25 - 250г.:.:)

показал, что малая плотность газов, вкссхая степень уурЗуянза-цки потока вращащойся решеткой лопаоче:!, большое скодьжвяио крыльчатки относительно потока приводят к значительно меньиим значениям кри'хичешси чисел Рейяольдса, соответствующих концу ламинарного к началу турбулентного ретив точения на лопастях крыльчатки. По данным Ли к Карлбк эти значения составляет 5-Ю3 к 5-I05. Для TÍIP газа получены значения (1-2)-Ю4 я (2-5)-104 [8]. При числах РеЫольдса (5,5-8).10'^, а ото обычно имеет мосто при расходах Q >0KiX, кзблвдавгса уяэдызсиив грзду-ировочного коэффициента, что очевидно вызвано проявлением вэро-ховагости лопастей. При í¡e¿> хорсоее совпадение дает

формула [CfJKp*2eZÍ4,89 « 4,£2ty(f/Aá)-*Sj , где 0,06-0,18 - коэффициент влияния лопастей, Z - число лопастей,- Í - длина хорды лопасти, R¡¡ - эквивалентная песочная сероховатссть.

Влияние моментов сопротивления врааснаэ крыльчатки на гра-дуировочную зависимость ТПР представлено через ска8ьгепие чатки относительно потока 5}:. ПарамзтрЗк приставляем собой количественную оценку разницы ыахду реальной (£0) и идеальной

a 2Jifü0/(TF))скоростями вракгнаи крыльчатки Sк а (ü)u¡r&. где Т - винтовой каг гашльчаткк, i-ли

5k= (Kmíá-\D'mlmhh (4)

Из уравнения (3) с учетом зависимостей (I) и (4) следует

$к = Me/mtycfJih/nFZ)). (5)

Уравнений (5) позволяет исследовать алгашио каждой составляющей !í0 на грздуировочнуи зависимость ТПР, выявлять причшш нелинейности градуаровочной зависимости и намечать пути юс устранения. Скольжение представлено как суглп составляющих от иомад-тов сопротявдонля Sk s Sj;¿ оу' Анаихз показывает, что в области нашх расходов (до наибольшее влияние ка граду-ировочную зависимость оказывает трение в опорах враиания и в лабиринтных уплотнениях. В области расходов более пре-обладащее влияние оказывает трение о поверхности лопастей в межлопастшх каналах. Окончательное выражение градуировочиой зависимости: . К = • (6)

Особенностью ТПР газа является проявляющееся через трений в опорах вращения влияние давления р и тешературы ТК на граду-ировочную зависимость, которая представлена в ыхце ' ^

к* ií~$i?mmfA - Mn}s>o'(zvRz) (тя0/тю(р/рс)а

где Sk - cyvj.ia скольжений от трения в опорах вращения, J - ко-8'

о<]фэдкснт сжжоепоста г^аза, f0 - плотность газа при условиях градуяровки, m - мзссовкй расход газа, [I - средний радиус ло-гпста. Для условий градуировки

К0)= <i-£kZ)Umf& - Unjp0/fíZR2)(l/mZj. Веаачипз ófc п ярактячесхя ракш иегду собой в ездоком диапазоне давлений. и тсмтератур. Ириведешшо уравнения позьоляют с высокой точностьа рассчнтшть градуцролочнио зависимости для xr>1i;x значений р и TIC, сели известил хотя Си одна экспериментальная зависимость, например, для условий градуировки.

ТратеВ пз-щел посвявдэн экспериментальному ::сслодсва!п:л '1ПР i'ana. Исследования условно разделен« на три часта: I - првдва-рзтвльные исследования для обоснования выбранного катода измерения и ярякятих допутоияй; 2 - исследования p-ttlsjîph на грэдуа-ровочнуо завяепкость конструктивных s технологическое 'акторов, fí;i33'iecicDC параметров измеряемой среди; 3 - эксперименты, под-таврядащге адекгатнозть тсоретзческой модвяа.

Мотрэлогичсеета испытания ТПР, в том числа макетных, якс-пврягеитазодос к промыялеишх образцов счеэткков СНГ проводилась на расходошзршсс установках: ОДУ-ЗЗОО (ПО "Бряпскоблгаз", г.Брянск), ЕСДУ-0,4-4 (ПО "Лрошргбор", г.Ивако-Франкопск), РУГ-0,8 (ШЯтеллопрябор, г.Москва), образцовой установке $ярмй Гом-бах-Рокуэлл (МЦСГ1 Госстандарта, г.!*сагсва), воздушной вентмяци-спиой установка (СЗ "Нс^тогазавтоматиха", г.Бутулкда).

"сслодсваниякл подтверкцояа возможность обеспечат* при турбинном штоде Узкэре.чия погрешность в диапазоне 1:10 ра-дговал&зш выбором гешетричесгах яарзкагров крыльчатки.

Одним из сояозншс гешстртаесювс параметров, влияхг52с па градуировочную зависимость, является шг Т = 2TtXtßf, где J? -угол установки лопасти на радиусе "I , причем J3 л хрцль-

'лтгдм с переменным шагом относятся крыльчатки с пдосгака лояа-стяш, установленкшя! под углои к набегающему потоку. Сравют-телх-ниэ эксперименты [4] с крыльчатками,, ииеицщла различные законы изменения шага Т Т(ч), показали, что предпочтительная! являются крыльчатка с винтовыми и плоскими лопастями. причем крульчаткл с плоскими лопастяии могут успекно конкурировать с винтовыми. Диапазон измерена* у приборов с косили лопастята при нелинейности ¿0,5* оказался дало йольае (1:9 с виктое:лл1, 1:10 с плоскими лопастями). Таким образом для 'Ш? технелогиче-ских установок переработки природного газа наиболее предпочтя-

тельными являются крыльчатки с винтовыми лопастями.

В экспериментах по определению влияния формы кромок лопастей на метрологические характеристики приборов [41 испытывались лоиасти, полученные методом фрезерования (необработанные кромки) , со скругленными входными кромками, со скругленными входными и выходными кромкам;! и с заостренными входными кромками. Нелинейность градуировочной зависимости у крыльчаток с винтовыми лопастями в диапазоне 1:7 £= +(0,45-0,99)^. У крыльчаток с' плоскими лопасгяш в диапазоне 1:8 составила 5"= +(0,32-0,67)£. Дричем, минимальная нелинейность - у крыльчаток с необработанными кромками, а шксималыия - у крыльчаток со скруглешшми входными и выходными кромками. Аналогичные результаты получены у крыльчаток с переменным по радиусу ыагом.

Известные исследования показывают, что с увеличением радиального зазора градуировочкый коэффициент повышается. Анализ градуировочной зависимости дает прямо противоположный результат. Это связано с тем, что увеличение радиального вазох« получено авторам! (в частности Бсбровниковым Г.Н. и Камышевым Л.А., Тэном и Факухоа) за счет уменьшения высоты лопасти, что приводит к уменьшению площади "живого" сечения крыльчатки Г к других конструктивных параметров. Для исключения связанных с этим искажений были проведены экспериментальные исследования. Различит величины зазора создавались изменением проходного сечения корпуса, при этом узел крыльчатки оставался неразбираемым. Полученные зависимости имеют эквидистантный вид. Существенных расхождений расчетных и экспериментальных данных мет.

Использование высокопроизводительных технологически процессов, таких как литье, требует расширенных допусков на изготовление. Эксперименты показали, что эксцентриситет установки крыльчатки в корпусе ТИР, который кроме уменьшения ресурса вследствие неравномерности нагружения опор врааения влияет на градуировочную зависимость, особенно в области малых расходов {0/.0,4йтх). Это отражается на диапазоне измерения.

Исследование влияния неуравновешенности узла крыльчатки на метрологические характеристики "ГОР газа (Ду = 100 мм) показало, что увеличение дисбаланса снижает ресурс работы прпбора-и увеличивает нелинейность градуировочной зависимости. Б экспериментах линейность градуировочной зависшости в диапазона 1:10 при снижении величины дисбаланса с 0,93, Ю-4 до 0,05- Ю-4 Н«м увеличилась с +2,365 до +1,851. 10

Исследования сопротивлений вращению в подшипниковых узлах [?] показали, что для расчета грэдуировочных зависимостей с высокой точностью момент ГЛ^ целесообразно определять экспериментально для каждой пари подшипников. Для вывода эмпирической зависимости М^ от значений влияющих факторов испытывали': ь узлы с различным сочетанием типоразмеров шарикоподшипников. Варьировались угловая скорость вращения (Ю (рад/с) и осевое усилие М (Н). Обработка экспериментальных да шок методами регрессионного анализа дает зависимость = 2,43-10~2Д^'®р ?Г,3"''(£)0'22, где \ Ср - среднеарифметическое значение наружных диаметров подшипников, м. Максимальное расхождение расчетных значений моментов треши с экспериментальными не превыпает 22,3.

Применение консистентной смазки в приборах с Д^ менее 150 мм противопоказано ввиду больших моментов сопротивления. 7 макета ДР Д^ = 100 мл со смазкой ВНИИ Ш-282 нелинейность грэдуировочнои зависимости в диапазоне измерения 1:5 не лучше ±10$, а с лздкек маслом НШ Ш-50-1—4ф не превышает +Г'.

Учет влияния количества смазки ка градулровочнуз зависимость нецелесообразен. Б экспериментах получено, что избыток смазки не приводит к заметному увеличения скольжения крыльчатка. В опоры вращения, смазанные ВШИ ИТ-50-1-45, прибора (Ду= 100 мм), отрабогаглего 50 -»асов, была введена новая порция масла в количестве 3,5»10~е кг/шарик. Погрешность измерения в диапазоне 1:4 увеличилась незначительно с ¿0,54 до ¿3,62.1.

11а точность измерения расхода турбинным прибором оказывает влияние кинематический коэффициент вязкости среды. Отсутствие расходемерных стевдов с возможность» варьирования коэффициента в диапазона от 5-Ю-6 до 15- КГ6 ь?/с (от 5 до 15 сСт) затрудняет возможность определения влияния вязкости ка метрологические характеристики счетчзкоз СНГ. Для проведения испытаний была разработки установка. В качестве поверочных средств измерения использовались сопла Витошинского, Программа и методика испытаний опытных образцов счетчиков. СНГ утвер?.-дена БКИИВасходометрии (г.Казань). Испытания заключались а следующем. В трубопровод последовательно со «счетчиком СГЕГ устанавливалось сопло Витошшсхого, отградуированное на образцовой колокольной установке класса 0,3. Сличением показаний при различных давлениях газа (0,05-0,40 МПа, дискретность 0,05 МПа) определялись поправочные коэффициенты к показаниям счетчжов СНГ.

Лсгш'ганпл при различных значениях давлэнкя и температур.;, сбеснбчввахдлх варьирование кинематического коэффициента гж-kqotk в диапазоне 3,88-IO-6-27,78-IO~e м2/с, показали, что его влияние на градуировочную зависимость меньше (+1,5'С) чал паспортизованный класс точности счетчиков СПГ (+2,5"'). Это позволяет не нормировать дополнительные погрешности измерений. В четвертом разделе показано, что подтвердить адекватность i.«-тематической модели можно, сравнив результаты расчетов с достаточно большой выборкой градировочных коэ-.й-идкектов. Статистическая обработка выборок грацуирогючных коэффициентов es- . рг.йно выпускаемых приборов показала ta], что совокупность гра-дуяровочшзх коэ|ф1щкептов подчиняется закону нормального распределена. Величина коэТфшкента вариадки типоразмерного ряда кзняется незначительно. Например, для обработанных виборсп коэффициент вариации пргашал значе.ткя от 1,94.10"" до 2,35.Зто позволило необходимое количество составить лз шкетов разных типоразмеров. Проверка адекгатюст;: ьатематачо-скеа ьэделя результатам оки.-брамеятальжх исслодовапгй била проведена на шкетних образцах счетчиков СПГ.

Пересчет'значений градукрозочнше козйнциентов Кц относительно иатошткчесхого ожвданшг '•'■.(¡"'(д.) на значеняз K^j. относительно M0(KQ|) проводился по формуле KQj = MQ(I + (К^ -¿)/.'.'i), где La j. - регистрационные номера типоразмера н макетного образца соответственно; о - принятый для сравнения базовый вариант. Проверка показала, что расхозденсе тзоретхле-ских и экспериментальных градуировочнцх зависимостей статистически незначимо и предложенная штегптическая модель HI? газа удовлетворительна для практического использования.

Для суаения области поиска рациональных сочетаний геометрических параметров предложены критерии проектирования. Кд -критерий нелинейности градупровочно:5 зависимости ÍI0j и Е -критерий влияния вязкости среды ка градуироьочную зависимость ТПР [83. Вид закшсгоств коэффициента сопротивления враа-лши диска от числа Рег.нольдса С,. = f (Евд) идентичен зависимости С > = fCRe¿) для пластины. Чтобы еащна режимов течения на торцевой поверхности крыльчатки к на ее лопастях по совпадала, ко долж-кн^имсть место одновременно значения К0д=З.Ю5 и Eag-O.IS-•I0U. Раскрав содержание критериев, получаем, что безраьморноо Eiipav:eiu:e Кл= Н^ должно отличаться от 20.гаачошш

критических чисел Ra^ и Нед ^для различных приборов достаточно "размыты", поэтому желательно, чтобы Кл отличался от приведенного значения на порядок. Таким образом, примените критерия Кл позволяет на стадии проектирования исключить из макетирования нерациональные сочетания геометрических параметров.

Замкнутая математическая модель грздуирсвочной эавислмос-ги позволяет осуществить выбор геометрических параметров ТПР, наиболее полно отвечающих конкретным эксплуатационным услови-тм. Для этсго можно пользоваться критерием Б"* - K$fn)/

/(К(пах+ K^CnJ. где надстрочный иадекс показывает продельное значение вязкости, а подстрочный - предельное значение градуи-зовочного коэффициента. Значения геометрически параметров ТИР ?аза, выбранные с применением Е*, обеспечивают минимальное из-iemazG градуировочного коэффвдиента при изменении вязкости [змэряемой среди. Для однозначности вычислений вместо критерия J" можно использовать критерий Е = (Km«- К£Й)/(КЙ«+ [ри этом кЩах вычисляется при расходе, соответствующем ко'щу адашарной зоны j-), а К %$ вычисляется в турбулентной

¡оке мсаду Re f кр>2= 12-5). 104 и Ве?кр|3= (5,5~8).104.

Адекватность математической модели градуировочной зависи-юсти ТПР подтворгздается статистическим сравнением расчетных и жсперишнтальных градуировочных коэффициентов и идентичностью характера кривых. Зависшости, рассчитанные по предложенной методика, значительно близко я экспериментальным данным, чем рас-Iчитанные по модели Бобровнихова Г.Н. иКамшева Л.А., разрабо-'аяной для ТПР адкости (рис.2). Индивидуальные значения гео-1етр1песких размеров конкретного ТПР в большей степени влияют а среднее значение градуировочкого коэффициента, а не на ха-актер зависшости. После учета индивидуального геокетрическо-'0 фактора отличив расчетной и экспериментальной градуировоч-ня зависимостей в-диапазоне измерения (0,1-1,0)Фя?ах не прощает ±1?. Это хорошо согласуется с теоретической оценкой порешает? расчета, поскольку при пересчете градуировочных зави-имостей с условий градуировки на условна эксплуатации сиотем-ическая ошибка в значительной степени учитывается.

Таким образом, математическая модель ТПР газа статистиче-iiii адекватна' экспериментальным данным, а расчета по этой моде-и являются наиболее точными из известных.

ПятыА раздел посвящен разработке методик и программ расче-

тов градуировочной зависимости ТПР газа, геометрических параметров ДР и компрессорной турбинки. Разброс значений градуиро-вояных коэффициентов в контрольной партии серийно выпускаемых расходомеров составил ¿7,59>. Отсвда - наиболее приемлем расчет с учетом особенностей конкретного ТПР, после подтверждения статистической назначяшсти расхождений расчеишх в экспериментальных данных. Б програшо расчета ввод исходных данных осуществляется в диалоговом режиме, на экран дисплея выводится графическое изображение ТПР с обозначением размеров. Программа предназначена для эксплуатации на ЗВМ С'.5-4.

Алгоритм проектного расчета основан на отборе сочетаний геометрических параметров, обеспечивающих минимальное изменение градуировочной зависимости во всем спектре иксплуатацкон-ных условий с использованием критериев Кл и Б.

Предложенный расчет геометрических параметров компрессорной турбинки обеспечивает теоретически максимальную разгрузку опор вращения измерительной кральчатки счотчикое СПГ.

Б разделе рассмотрены пути совершенствования ТПР -газа [ИЗ. Для повшиеиия метрологических и надежностных характеристик приборов йредложен новий способ контроля их работоспособности [12]. Выведенные соотношения меаяу измерительными спгка-лами двухроторного ТПР позволяют судить о стабильности и линейности градуированной зависимости непосредственно в эксплуатации. Для расширения области применения TD? в составе шссо-вых преобразователей расхода газа предложены новые конструктивные схемы [13,14], позволяющее повысить точность измерений.

Б приложениях к диссертации приведены текст разработанной ФОРТРАН-программы расчета градуировочных зависимостей ТПР газа, расчет экономической эффективности внедрения счетчиков СПГ, дополнительнее материалы по изобретениям, акты внедрения.

ОСНОЕЗЫЕ РЕЗУЛЬТАТ!! И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель градуировочной зависимости ТПР газа. Установлены значения критических чисел Рей-нолвдоа, имеющие место при сменах режимов обтекания газом лопастей крильчатки. Введен коэффициент влияния втулки ТПР.

2. Определено влияние на градупровочную зависимость reew. метричоеккх параметров и технологических факторов: формы кромок лопастей, радиального зазора между корпусом и наружной пс верхностью крыльчатки, несоосности установки и дисбаланса уз;

Крыльчатки, что позволило оценивать их влияние и значимость.

3. Экспериментальные исследования позволили получить аналитическую зависимость для определения моментов сопротивления • пары подшипников качения.

4. Разработаны методика расчета традуировочной зависимости ТИР газа, учитывающая индивидуальную, полученную при выпуске из производства градуировочную зависимость, и методика проверки адекватности математической модели ¡экспериментальным данным, которая подтвердила статистическую незначпмость расхождений медяу расчетными и экспериментальными зависимостями.

5. Предложена методика проектного расчета, испольэувдля критерии линейности традуировочной зависимости и влияния вязкости измеряемой среды. Методика позволяет вкбиратъ значения геометрических параметров, рациональные для конкретных эксплуатационных условий. Эффективность предложенной методики проектного расчета подтверждена высокими метрологическими характеристиками счатчяков СПГ, для которых изменение физических параметров среды от градуировочных значений ие приводит к дополнительным погрешностям, выходящим за класс точности прибора.

6. Предложены новый способ контроля работоспособности ТПР в эксплуатации, новые конструктивные схемы приборов для трубопроводов больших диаметров, приборов с компенсацией осевых усилий на подшипники измерительной крыльчатки, массовых преобразователей расхода, применяющих в своем составе ТИР.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Бойко A.B., Камыпев I.A., Янбухтид И.Р. Особенности математического моделирования градуировочного коэффициента турбинных счотчяков газа / Перспективы развития методов и средств измерения расхода: Сб.науч.тр. ШШтеплоцрибора, - М., 1985. -3.68-72.

2. Турбинные счетчики попутного нефтяного газа СПГ /AJi.Eo.1-50, И.Р.Янбухтин, В.Д.Кокорев, 5J.A.Новая // Измерение расхода

i уровня в автоматизированных системах управления: Сб.науч.тр. .ШИтеплоприбора, - ?<!., 1988. - С. 10-18.

3. A.c. I3I2392 СССР, Ш SO ИТ/10. Турбинный расходомер 'И. Р.Янбухтлн, A.B.Бойко (СССР) // Открытия. Изобретения.-1937. - ff 19.

4. Бойко A.B., Янбухтин И. Р. К вопросу о алиятии геомот-зии лопастей на статическую характеристику газового расхсдомо-

ра // Перспективы развития методов и средств измерения расхода: Сб. науч. тр. НИИгешюдрибора. - М., 1985. - С.72-79.

5. Бойко A.B. Элементы математической модели градуировоч-яой характеристика турбинного расходомера газа // Два. рук. ВИНИТИ. - 1989. № <1648-np-S9, - 22 с.

6. БоЕко A.B., Крикунов В.В. Повышение точности расчета грэдуироаочних характеристик турбинных расходомеров газовых сред // Промышленные методы измерения расхода едкости и газа: Сб.науч.гр. КШтеплоприбора. - М., 1988. - С.45-50.

7. EoiKO A.B., Каныдев В.В, Исследование влияния опор вращения на градуировочнке характеристики турбинных расходомеров газообразных сред // Измерение расхода и уровня в автоматизированных системах управления: Сб.науч.тр. ЮШтеплоприбора.

!,!., I98S. - С. 30-39.

3. Камшлев JI.A,, Бойко A.B. Пути улучшения метрологпче-ских характеристик турбинных расходомеров газовых сред / U.et-рологическое обеспечение средств измерения расхода, уровня, давления ка стадии разработки, выпуска и эксплуатации: Сб.науч. тр. ГОПтеплоприбора. - М., 1937. - С.24-34.

9. Боёко-А.В. , Янбухтнн И. Р. Новые-тахомотрическке приборы учета количества агрессивных газов // Приборы и системы управления. - 1988. - 13 6. - С.22-26.

10. Бойко A.B., Янбухтин И.Р. Тенденции развития турбинных расходомеров // Автоматизация контроля загрязнения окружающей среды: Уатериалн семинара ЭДЕПП, - М., 1983. - С.43-47.

11. A.c. I52750I СССР, ЖИ SOIPI/IO. Турбинный расходомер газа // А.В.Бойко, И.Р.Янбухтин (СССР) // Открытия. Изобретения.' - 1989. - 1." 45.

12. Положительное реиеняе на выдачу а,с»; СССР от 25.12.89, ЫКП 60IFI/I0, Способ контроля работоспособности двухроторного • турбинного расходомера / А.В.Бойко, С.А.Золотаревский,И.Р.Янбухтин (СССР). - Л- 44924481-10(102726). Заявл. 01.07.88.

13. Положительное решение на выдачу а.с. СССР от 12.12.87, Ш1 60Ш/00, Массовый расходомер / С.А.Золотаревскяй, И.Р.Ян-г бухтин, А.В.Бойко (СССР).- Л 4123336/24-0?. Заявл. 08.10,86.

14. Положительное решение ка выдачу а.с. СССР от 27.10.89, ЬКИ eoin/io. ;йссовнй расходомер / А.В.Бойко, С.А.Золотарев-сккй, В.Л.Кокорев.'А.А.Ихуран, И.Р.Янбухтин (СССР). -

X 4674597/24-10 (049466). Заявл. 06.04.89.