авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Автоматический поверочный комплекс систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно–космической техники

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи    

ГУДКОВ Кирилл Владимирович 

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОВЕРОЧНЫЙ КОМПЛЕКС

СИСТЕМ КОНТРОЛЯ РАСХОДА КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА

В ТРУБОПРОВОДАХ ИЗДЕЛИЙ

РАКЕТНОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальности:

05.07.07 Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

05.07.06 Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2011

Работа выполнена в Пензенской государственной технологической академии на кафедре «Информационные технологии и системы».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Михеев Михаил Юрьевич

кандидат технических наук

Юрманов Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Данилюк Сергей Григорьевич

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Рогачев Геннадий Иванович

Ведущая организация: ОАО "НИИ физических измерений", г. Пенза.

Защита диссертации состоится « » 2011 года в « » часов на заседании диссертационного совета ДC403.003.01 при ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» по адресу: Московская обл. г.Юбилейный, ул. М.К. Тихонравова 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке __ «НИИ космических систем им.А.А. Максимова» филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».

Автореферат разослан « __ » ____________ 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Чаплинский В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из важнейших задач при проведении испытаний жидкостных ракетных двигателей является необходимость контроля точности соотношения компонентов смесей в магистралях подачи топлива. Аналогичные задачи возникают при создании соответствующих подсистем наземных комплексов, стартового оборудования и эксплуатации летательных аппаратов. При этом необходимо измерение массового расхода, плотности и температуры жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро- и неэлектропроводных. В настоящее время для решения указанных задач в составе стендовых магистралей подачи компонентов топлива получили широкое распространение измерительные преобразователи расхода жидких сред (расходомеры), входящие в состав измерительно-управляющих систем, обеспечивающих оптимальный режим протекания соответствующих технологических процессов. Повышение экономической эффективности работы наземных комплексов и систем летательных аппаратов вызвало потребность в проведении мероприятий по энергосбережению и обеспечению экологической безопасности стартов, что также выдвигает дополнительные требования к точности измерительных преобразователей расхода.



Из анализа потерь энергоресурсов в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя следует, что незначительное повышение точности измерения расхода обеспечивает значительное повышение эксплуатационных, экономических и экологических характеристик. Проведённый анализ патентной и научно-технической литературы показал, что главной косвенной причиной потерь тепловой энергии, которые составляют до 5% от тепловой нагрузки объекта потребления, является отсутствие метрологической базы для обслуживания применяемых приборов учёта объемного и массового расхода жидкостей. Актуальность мероприятий по экономии жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро- и неэлектропроводных, применяемых в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, все более дорожает в связи с их возрастающей себестоимостью. Поэтому одним из направлений мероприятий по учёту расхода жидких сред в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостных ракетных двигателей является контроль за точностью соотношения компонентов.

Вместе с тем, метрологическое обеспечение измерительных преобразователей расхода компонентов топлива находится на довольно низком уровне как в техническом, так и в нормативно-методическом отношении, а используемые в настоящее время измерительные преобразователи разнообразны по конструкции, физическому принципу действия, типоразмеру, времени выпуска и эксплуатации. Существующие поверочные установки, предназначенные для проведения периодических поверок для подтверждения их точностных характеристик, имеют низкий класс точности, невысокую производительность и не позволяют провести поверку приборов, предназначенных для использования в составе информационно-измерительных систем.

Для организации поверки систем измерения массового расхода, применяемых в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, состоящих из большого числа высокоточных расходомеров, необходимо полностью отказаться от демонтажа измерительного оборудования и вывода оборудования из эксплуатации, что непременно приведёт к сокращению нарушений непрерывного цикла работы трубопроводов ответственного назначения.

Для внедрения систем контроля расхода жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро- и неэлектропроводных, применяемых в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, необходимо современное автоматизированное поверочное оборудование.

В результате проведенного анализа факторов, влияющих на точность соотношения компонентов смесей в стендовых магистралях подачи топлива, выявлена необходимость минимизации влияния погрешностей приборов и систем измерения массового расхода, но для разработки и внедрения необходимы устройства их поверки и аттестации.

Сложилось противоречие между существующими методами поверки расходомеров, основанными на методе сличения показаний поверяемого преобразователя с показаниями образцовых расходомеров, имеющих известную градировочную характеристику, и требуемой погрешностью измерений, допустимым разбросом результатов измерений для повышения эксплуатационных, экономических и экологических характеристик систем контроля жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и систем дозирования компонентов топлива.

Целью данной работы является повышение точности поверки систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники при испытаниях ЖРД и в системах дозирования компонентов топлива.

Научная задача – разработка методики поверки систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники и технических решений, обеспечивающих устранение методической погрешности, возникающей вследствие влияния грубоискаженных результатов измерений на точность поверки.

В результате решения поставленной научной задачи получены следующие научные результаты, вынесенные на защиту:

1. Методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива с использованием имитационных математических моделей.

2. Имитационные математические модели прямотрубных кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов в среде Matlab / Simulink(SimMechanics).

3. Методика определения массового расхода и техническое решение кориолисова расходомера, основанные на измерении инерционных сил.

4. Методика поверки кориолисовых расходомеров и техническое решение поверочного комплекса с использованием кориолисова расходомера с минимизированным влиянием помех и шумов на точность измерения параметров расхода.

Методы исследования При решении поставленных задач использовались методы теоретической механики, сопротивления материалов, теории измерений, численного моделирования аналоговых систем. Программный комплекс для ПЭВМ реализован в среде математического моделирования Matlab / Simulink(SimMechanics).

Новизна научных результатов работы

1. Методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива отличается использованием имитационных математических моделей соединительных элементов гибких тел. Методика позволила разработать математические модели прямотрубных кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов измерительных преобразователей расхода компонентов топлива.

Имитационные математические модели, представляющие с необходимой точностью механические системы, обеспечивают определение показателей массового расхода с требуемой точностью, а так же оценку эффективности элементов поверочных комплексов с учётом эксплуатационных факторов, воздействия среды и эксплуатационных свойств измеряемой среды.

2. Методика определения массового расхода и техническое решение кориолисова расходомера отличаются измерением инерционных сил датчиками усилия, что позволяет исключить косвенные методы снятия, и повысить чувствительность расходомера.

3. Методика поверки кориолисовых расходомеров и техническое решение поверочного комплекса отличаются использованием независимой полиномиальной картины шумов, что позволяет определить динамические поправочные коэффициенты кориолисовых расходомеров.

Практическая значимость работы

1. Методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива позволяет создать математические модели, описывающие прямотрубные кориолисовы расходомеры с требуемой точностью.

2. Имитационные математические модели прямотрубных кориолисовых расходомеров, входящих в состав поверочных комплексов систем контроля расхода компонентов топлива, позволяют провести адекватное моделирование внешнего шумового воздействия.

3. Техническое решение кориолисова расходомера с измерением инерционных сил датчиками усилия позволяет минимизировать влияние помех и шумов на точность измерения параметров расхода.

4. Техническое решение поверочного комплекса с определением динамических поправочных коэффициентов кориолисовых расходомеров позволяет устранить влияние грубоискаженных результатов вычислений.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены на следующих научно-технических конференциях: Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г.Пенза, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» ( г.Пенза 2005 г. – 2011 г.); XXIV технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (г.Пенза, 2009 г.), IV международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве» (Серпухов 2010 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе статья в журнале из перечня ВАК и патенты: РФ №2380660 «Способ повышения точности проверки расходомера», РФ №2396570 «Способ интегрирующего преобразования сигналов низкого уровня в разность интервалов времени».

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, списка сокращений, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 127 страниц основного текста, включая 70 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ развития систем поверки расходомеров как составного элемента поверочных комплексов, и намечены цели разработки и совершенствования теоретических методов анализа, синтеза, моделирования структур поверочных комплексов.





Определён качественнообразцовый преобразователь, обладающий значительными потенциальными возможностями для автоматической коррекции погрешности посредством анализа существующих теоретических подходов к разработке методов и средств поверки измерительных преобразователей расхода компонентов топлива. А также проведен анализ современного состояния исследований в области поверки систем измерения массового расхода.

Особенностью работы поверочных комплексов на базе кориолисовых расходомеров является то, что структура помех и количество описывающих их параметров априорно не известны.

Проанализированы современные образцы измерительной техники и проведена их классификация. Установлено, что большинство методов измерения расхода не удовлетворяют современным требованиям по точности и надёжности измерения массового расхода, плотности и температуре жидких сред в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях ЖРД и их агрегатов.

Отмечено, что среди существующих методов измерения расхода использование кориолисова расходомера (КР) имеет наибольшие преимущества по сравнению с остальными, в частности по точности измерений, структуре измеряемой жидкости, возможности работы в сложных условиях. Сформулированы основные принципы развития кориолисовых расходомеров и подробно описаны пределы, ограничивающие точность измерения рабочей жидкости.

В результате анализа тенденций совершенствования систем измерения массового расхода, плотности и температуры жидких сред сформулированы и намечены цели разработки и совершенствования теоретических методов анализа, синтеза, моделирования структур поверочных комплексов и устранения грубоискаженных результатов измерений.

Во второй главе разработана методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива с использованием имитационных математических моделей, позволяющая разработать перспективные математические модели кориолисовых расходомеров, обеспечивающих определение показателей массового расхода с требуемой точностью, а также рассмотрен синтез имитационных математических моделей прямотрубных кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов.

  Методика структурного синтеза-0

Рисунок 1 – Методика структурного синтеза механических систем

Наиболее предпочтительной методикой поверки расходомеров является методика поверки расходомера на месте его эксплуатации. В ходе структурного анализа определено, что наибольшее негативное влияние на точность измерения оказывают методические и инструментальные погрешности самого расходомера. Проведенный сравнительный анализ внешних влияющих факторов выявил наиболее негативный фактор – вибрационное воздействие со стороны трубопровода.

Синтез обобщенной математической модели классического прямотрубного КР описывает процесс сигналообразования. Синтез имитационной модели позволяет провести анализ вибрационного воздействия со стороны трубопровода. Моделирование воздействия внешних влияющих факторов показало невозможность устранения влияния вибрационного воздействия на частоте, близкой к рабочей частоте расходомера.

Синтезированная модель КР с гибкими участками (ГУ) показала недостаточную чувствительность для поверочного комплекса, и её реализация вызывает большие технологические затруднения при изготовлении и эксплуатации. Синтез модели КР инерционного типа (ИТ) позволил повысить чувствительность расходомера и уменьшить степень влияния внешних факторов. Синтез методики поверки КР на месте их эксплуатации позволил выявить влияние активных участников технологического процесса на поверяемый расходомер в ходе всего технологического процесса.

Синтез имитационного моделирования основан на приближенном отображении гибкого тела последовательностью твердых тел и шарниров, соединённых между собой пружинящими и амортизирующими элементами. Жесткость пружин и коэффициенты демпфирования амортизаторов описываются функциями материальных свойств и геометрией гибких элементов, а степени свободы движения шарниров заданы аналитическим путем на основании данных реально выпускаемых расходомеров фирмы Micro Motion.

Процедуру моделирования целесообразно разбить на пять этапов:

1. Труба наделяется на дискретные элементы, и определяются степени свободы каждого элемента.

2. Степени свободы задаются посредством соединений в середине каждого элемента вдоль нейтральной оси.

3. Согласно теории гибкого тела определяются эффективные константы геометрии пружины, материальные свойства и граничные условия.

4. Задаются демпфирующие свойства каждого соединения.

5. Полученные элементарные отрезки соединяются между собою.

Рассмотрим подробнее имитационный модельный эксперимент с учетом известных типовых условий работы предприятий, таких как наличие шумов близких по частоте с резонансной частотой работы расходомера (рис. 2) и рабочих параметров классического однотрубного кориолисова расходомера.

  Спектр сигналов расходомера,-1

  Спектр сигналов расходомера,-2

Рисунок 2 – Спектр сигналов расходомера, где Р – пороговый уровень, fp – резонансная частота, fп–шум

При этом было установлено, что наличие грубоискаженных результатов измерений достигло 30% от общего числа измерений (рис. 3), что привело к недопустимому искажению значений параметров массового расхода.

Устранение данного искажения не возможно ввиду близости частот и, следовательно, не возможности использования фильтров. Данная погрешность обусловлена конструкцией расходомера и принципом определения плотности измеряемого вещества. Устранение данной погрешности позволит повысить точность расходомера и поверочного комплекса в целом.

  Показания расходомера при-3

Рисунок 3 – Показания расходомера при отсутствии и наличии помех, где Vж – показания скорости жидкости, N – количество измерений, 1 – результаты первого эксперимента, 2 – результаты второго эксперимента

Проведенное математическое моделирование в среде математического моделирования Matlab / Simulink(SimMechanics) показало, что кориолисовы расходомеры, обладающие высокой точностью и быстродействием, подвержены возникновению ошибок при совпадении внешней и рабочей частот, что негативно сказывается на точность измерений, и недопустимо при проведении поверочных работ ввиду наличия на одном трубопроводе нескольких расходомеров, работающих на близких (кратных) частотах. Также выявлена низкая чувствительность кориолисовых расходомеров и, как следствие, высокие требования к расходомерной трубке и датчиковой аппаратуре.

В третьей главе разработана методика определения массового расхода, основанная на измерении инерционных сил.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.