На правах рукописи

Гуськов Константин Викторович

Исследование и разработка системы измерения расхода

газообразного рабочего тела для испытательного стенда

электроракетного двигателя

Специальность 05. 07. 05. Тепловые, электроракетные двигатели

и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калининград – 2009 2

Работа выполнена в Российском государственном университете им.

И. Канта и в Федеральном государственном унитарном предприятии опытное конструкторское бюро “Факел”, г. Калининград

Научный руководитель: Румянцев Альберт Владимирович, кандидат физико-математических наук, доцент

Официальные оппоненты: Ким Владимир, доктор технических наук, главный научный сотрудник НИИ ПМЭ Московского авиационного института Семенкин Александр Вениаминович, кандидат технических наук, начальник отделения ЦНИИ машиностроения, г. Королев (МО)

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики, г. Москва

Защита состоится “_”_20 г. в на заседании диссертационного Совета Д212.125.08 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан “_” _ 20 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, Ученый Совет МАИ, Ученому секретарю диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного Совета Зуев Ю.В.

Д212. 125. 08, профессор, доктор техн. наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы Современные тенденции – увеличение длительности полетов космического аппарата (КА), повышение их энерговооруженности, существенное усложнение полетных программ, включающих в себя все бльшее число орбитальных маневров, в том числе, маршевых, требуют использования электроракетных двигателей малой тяги (ЭРД МТ), позволяющих обеспечить необходимые для этого суммарные импульсы тяги при относительно небольшом запасе рабочего тела (РТ).

После первых успешных летных испытаний, проведенных в 1972 году в составе ИСЗ “Метеор”, ЭРД МТ типа “стационарный плазменный двигатель” (СПД) разработки ОКБ “Факел”, стали регулярно использоваться в системах ориентации и управления движением космических аппаратов.

Штатная эксплуатация серийных холловских двигателей типа СПД начата в 1982 г., когда на борту геостационарного КА “Поток“ разработки НПО ПМ была установлена ЭРДУ на базе СПД-70. В период с 1982 по 2006 г. на орбиту выведено 15 геостационарных КА “Космос“ и “Луч“ разработки НПО ПМ с двигателями СПД-70. Эти двигатели также были установлены на геостационарном КА KazSat разработки ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, выведенном на орбиту в 2006 г. В настоящее время СПД разработки ОКБ “Факел” используются в составе ИСЗ, разрабатываемых НПО ПМ, РКК “Энергия”, ГКНПЦ имени М.В.Хруничева, НПО имени С.А. Лавочкина, а также в составе ряда зарубежных ИСЗ. В целом за период с 1982 по 2005 г. на орбиту выведены 28 геостационарных КА связи разработки НПО ПМ, в составе которых использовались и используются 164 СПД.

Востребованность СПД объясняется его существенно более высоким удельным импульсом тяги в сравнении с химическими двигателями (ЖРД, ТТРД). Кроме того, он обладает относительно простой конструкцией и достаточно высокой надежностью.

экспериментальной наземной отработки, включающей длительные (до 10 тыс.

часов) огневые испытания. При этом важнейшей задачей является обеспечение надежного измерения основных параметров двигателя: тяги, потребляемой мощности, расхода ксенона, определяющих его тяговую эффективность. С учетом малости величин тяги и расхода СПД, при его испытаниях используются специальные средства измерений. Среди этих средств наибольшие проблемы создают:

• система измерения тяги – вследствие того, что необходимо минимизировать сопротивление из-за “жесткости“ подводящих магистралей;

• система измерения малых расходов ксенона, главной проблемой которой является обеспечение независимости результатов измерений от внешних условий испытательного стенда во время испытаний.

Анализ состояния типовых систем измерения основных параметров двигателя показывает, что, если для систем измерения тяги найдены приемлемые решения, то системы измерения расхода рабочего тела остаются одним из “слабых“ звеньев, так как типовая система измерений расхода, применяемая в ОКБ “Факел”, – ведущем предприятии России в области разработки и производства летных образцов СПД, а также в ряде других организаций России, не обеспечивает паспортной узости нормальной области значений влияющих физических величин, и, как следствие, приемлемой воспроизводимости результатов измерений. Недостатки стендовой системы подачи ксенона (ССПК) обусловлены наиболее часто используемым в ней средством измерения – тепловым расходомером типа РРГ-3,6,9,10 (или расходомером фирмы “MKS Instruments“).

Это расходомеры: не вакуумного исполнения, поэтому они: размещаются вне вакуумной камеры стенда; не имеют системы термокомпенсации; не определяют температуры газового потока и внешней среды до и во время измерений. Поэтому испытание одного и того же двигателя на разных стендах приводит к разным результатам: если по тяге отличия лежат в диапазоне (– 1,1)(+1,9)%, то по суммарному расходу диапазон значительно шире: (–4,4)(– 15)%. При измерениях малых катодных расходов различия в результатах могут охватывать диапазон (–17)(+17)%.

При дросселировании газа в стендовой системе подачи его температура изменяется, однако определить эти изменения с помощью РРГ для внесения температурных поправок в силу указанных выше причин невозможно. Влияние температурных условий особенно заметно сказывается при проведении ресурсных испытаний, длительностью в месяцы. Неустранимое влияние температурных условий на показания расходомера снижает воспроизводимость результатов измерений параметров двигателя.

Из приведенного выше следует, что требование к точности измерений не является в данном случае определяющим, т.к. без знания уровней: утечек газа внутри камеры, влияния давления и температурных условий, высокая точность измерений не обеспечит и высокую их достоверность. Погрешность системы измерения расхода по оценкам ОКБ “Факел“ составляет ~ 34% (на стендах NASA – 2%). Статистическая обработка результатов испытаний по большим объемам выборки показала: для блоков газораспределения максимальный диапазон различий составляет (–10)(+8,3)%; для двигателей диапазон различий составляет: по тяге и расходу ~ ±3,5%, по удельному импульсу тяги ~ (– 5)(+7,5)%. Однако воспроизводимость результатов испытаний на разных стендах, как показано выше, неудовлетворительна. С расходом в двигатель связаны сила разрядного тока и разрядная мощность, тяга, удельный импульс тяги, запас рабочего тела (Мрт), поэтому достоверное определение расхода РТ в двигатель при его разработке, доработке, проведении огневых, параметрических, тепло-вауумных и приемо-сдаточных испытаний является одной из важнейших задач.

С учетом изложенного целью данной работы является разработка системы измерения расхода рабочего газа для наземной отработки ЭРД с исключенными или минимизированными погрешностями, обусловленными влиянием внешних факторов.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать метод, обеспечивающий возможность размещения расходомера в вакуумной камере стенда и независимость результата измерения от указанных выше влияющих факторов (т.е. высокую воспроизводимость) с сохранением приемлемых точности и чувствительности;

• провести анализ существующих средств измерения расхода газа, и определить их возможности и недостатки;

• провести анализ процессов теплообмена в тепловых расходомерах, наиболее пригодных для измерения малых расходов газа, а также анализ факторов, влияющих на показатели теплового расходомера, разработать способы их оптимизации;

• разработать принципы проектирования и создать действующие модели тепловых расходомеров новых схем с требуемыми характеристиками;

• разработать методику и экспериментально определить показатели созданных моделей расходомеров новых схем;

• разработать рекомендации по применению созданных расходомеров новых схем в практике испытаний ЭРД на стендах.

При решении сформулированных задач были разработаны физические модели тепловых систем расходомеров, проведены расчеты их параметров. Это позволило теоретически обосновать целесообразность применения выбранных физических принципов и конструкторских решений при разработке расходомеров новых схем, а также оптимизировать процессы теплообмена в них.

По результатам проведенных исследований изготовлены опытные экземпляры расходомеров, не имеющие аналогов по своим характеристикам;

проведены эксперименты, имитирующие условия (в том числе, работающий двигатель) работы расходомера в вакуумной камере стенда, подтвердившие работоспособность созданных расходомеров в таких условиях; разработаны рекомендации по применению расходомеров и реализации метода определения расхода в стендовой системе подачи ксенона.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод обеспечения температурной независимости расходомера, состоящий в термостабилизации газового потока на задаваемых и контролируемых уровнях, обеспечивающий высокую воспроизводимость результатов измерения расхода рабочих тел и возможность задания верхнего предела диапазона измерений расхода с обеспечением замкнутости метода;

• впервые предложено и обосновано осуществление термостабилизации теплоносителя в тепловом расходомере на задаваемых температурных уровнях переходом к пространственно распределенному теплообменнику управляемой мощности, и устранение ориентационной зависимости показаний расходомера подачей контролируемой среды в измерительные каналы в противоположных направлениях;

• впервые показана возможность оптимизации процесса конвективной теплоотдачи в тепловых расходомерах, позволяющей создать расходомер с характеристиками, не зависящими от теплофизических свойств текучей среды, и расходомер, обладающий наибольшей чувствительностью.

Практическая значимость работы определяется следующим:

• созданы модели расходомеров рабочих газов, показатели которых не имеют аналогов, и определены их расходные характеристики;

• разработаны методика и рекомендации по применению созданных моделей расходомеров в практике исследований и испытаний ЭРД.

Основные положения, выносимые на защиту:

• положение о возможности обеспечения температурной независимости тепловых расходомеров газа путем термостабилизации измеряемого газового потока на задаваемых и контролируемых уровнях;

• положение о возможности устранения ориентационной зависимости показаний теплового расходомера подачей контролируемой текучей среды в измерительные каналы в противоположных направлениях;

• методы оптимизации процессов конвективного теплообмена в тепловых расходомерах.

• результаты экспериментального исследования созданных моделей расходомеров новых схем.

Личный вклад автора заключался: в теоретическом обосновании предлагаемых подходов и решений, их конструкторской реализации и создании моделей расходомеров новых схем; создании лабораторного измерительного комплекса и проведение на его базе исследований созданных моделей расходомеров; анализе результатов экспериментов и формулировании выводов на их основе; разработке рекомендаций по использованию созданных расходомеров в практике испытаний ЭРД.

Апробация работы и публикации Результаты работы докладывались на: постоянно действующих в университете семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых (с 2004 по 2008-й г.); международной конференции “Инновации в науке и образовании” ( 2007 г.); научно-технических советах и семинарах ОКБ “Факел”. Основное содержание и результаты работы изложены в 10-ти печатных работах и в двух патентах РФ.

Объем и структура работы Работа представляет собой рукопись объемом 184 страниц печатного текста, включая 91 рисунков, 25 таблиц, а также список цитируемой литературы, насчитывающий 172 наименований. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и шести приложений.

Во Введении обоснована актуальность темы работы, ее цель и задачи.

В первой главе на конкретных примерах показана востребованность двигателей типа СПД разработки ОКБ “Факел”, способных решать не только задачи коррекции и стабилизации орбиты КА, но и новые полетные задачи, в том числе, маршевые. Развитие космической техники существенно повышает уровень требований к параметрам ЭРД, и, прежде всего, к величине удельного импульса тяги. По оценкам повышение удельного импульса тяги СПД до (25003000 с) обеспечит снижение запаса РТ на борту КА ~ на 100 кг, что позволит увеличить долю полезной нагрузки и довести срок активного существования таких КА до 1215 лет. Повышение энерговооруженности КА до 10 50 кВт позволит в ближайшем будущем решать с помощью ЭРДУ на базе СПД маршевые задачи.

На примере “параметрического ряда” СПД показывается, как изменение основных параметров отражается на изменении удельных характеристик и критериях качества двигателя, в частности, по мощности и по суммарному импульсу тяги, непосредственно связанных с расходом рабочего тела, чем и определяется важность достоверного измерения расхода стендовой системой подачи при наземной отработке двигателя.

СПД, изготовленный ОКБ “Факел“, представляет собой штучное изделие.

Обеспечение выхода продукции только высокого качества достигается предварительными испытаниями как всех комплектующих, так и после их сборки в блоки и узлы на соответствие конструкторской документации (КД).

Статистическая обработка результатов испытаний блоков газораспределения (БГР) по обоим входам показала, что погрешность измерения малых катодных расходов Gki может составлять ±17%, а суммарных Gi ~ ±7,2%. Большая погрешность измерения расхода при испытаниях комплектующих и БГР на стенде приводит к увеличению объема испытаний и количества отбракованных комплектующих из-за их несоответствия требованиям КД.

Статистическая обработка результатов испытаний двигателей показала следующее (табл.1): усредненная погрешность измерения тяги и расхода составляет ~ ± 3%, а для рассчитываемого значения удельного импульса тяги ~ ± 6,3%; как видно на рис.1 – подчинение плотностей распределения по этим переменным нормальному закону с явно выраженной левосторонней асимметрией по расходу (Sk(G) = –1,1) и с правосторонней (Sk(Iуд) = 2,7) – по удельному импульсу тяги; слабость связи между экспериментальными значениями тяги и расхода – коэффициент связи r(F,G) 0,1. Разброс параметров большой: по тяге – 6,5%; по расходу – 9%; по удельному импульсу тяги – 13,2%.

f(G); f(F/16) Качественная измерительная система должна обеспечивать, прежде всего, воспроизводимость результатов измерений. Испытания одного и того же двигателя в разных режимах на трех стендах показали, что отличия по расходу от результатов, полученных на стендe 1, составляют: – 4,6% и –15% для стендов 2 и 3 в режиме “прожиг“; –6% и –9% в 1-м режиме; – 4% и – 6% во 2-м режиме.

Поправки на различие давлений в камерах стендов несколько снижают приведенные показатели, но все равно они остаются большими. Это означает, что воспроизводимость результатов измерений расхода на испытательных стендах недостаточна, и что расход на испытательном стенде измеряется с завышением – f(G) > f(F) во всем диапазоне (G;F), как это видно на рис.1, и Sk(G)< 0 – левосторонняя асимметрия, и по модулюSk(G)> 1.

В целях снижения затрат на испытания комплектующих элементов и БГР в сборе, в ОКБ проведена работа по замене ксенона на газы-имитаторы – азот и аргон (разница в цене в ~ 3000 раз), при установленном для них изменении давления при одинаковых массовых расходах по ксенону и газам-имитаторам.

Поэтому рабочими телами при исследовании показателей разрабатываемых расходомеров должны служить: ксенон, азот и аргон.

Далее рассмотрены основные недостатки типовой стендовой системы измерения расхода с расходомером типа РРГ, используемой в ОКБ “Факел ” и в других российских организациях, которые обусловлены следующим:

• расходомеры не допускают использования в вакуумной камере стенда, т.к.

газовый тракт и электронный блок не вакуумного исполнения размещены в едином корпусе (нулевое разнесение);

• расходомеры не имеют термокомпенсационных схем, не могут определить температуры газового потока и внешней среды с целью внесения поправок;

• датчик расхода находится вне вакуумной камеры и отделен от системы газораспределения арматурой с неопределенными в ней утечками газа.

Делается вывод, что метод определения расхода, базирующийся на РРГ, как средстве измерения, приводит к завышению результатов измерения расхода, не обеспечивает приемлемой их воспроизводимости, и поэтому необходима разработка метода, лишенного отмеченных недостатков.

Подробный анализ различных принципов измерения расхода показал, что в области малых расходов наиболее эффективным является тепловой. При этом одной из основных проблем является обеспечение температурной независимости средств измерения расхода. В основе бльшей части известных решений, направленных на ее обеспечение, лежат мостовые схемы, в которых измерительный и компенсационный термоприемники включены в смежные плечи электрического моста. Известны также способы, состоящие в поддержании постоянства температуры измерительного термоприемника или разности температур измерительного и термокомпенсационного приемников.

Общим недостатком применяемых способов термокомпенсации является пассивный характер этих систем. Во многих промышленно освоенных тепловых расходомерах система термокомпенсации вообще отсутствует.

В расходомерах типа РРГ или “MKS Instruments” марки М10МВ, на сенсорной трубке размещаются термопреобразователи с металлической проводимостью, включенные в плечи моста. В отсутствие расхода мост сбалансирован и выходной сигнал равен нулю. При подаче расхода в диагонали моста возникает напряжение рассогласования, составляющее микровольты.

Поэтому электронная схема усиления сигнала и его линеаризации располагается рядом с сенсорной трубкой, что требует совмещения газового тракта и электронного блока не вакуумного исполнения в единой корпус, – “нулевое” разнесение, что исключает использование этих расходомеров в камере стенда.

Сопоставление современных тепловых расходомеров по погрешности позволило определить ее средние значения: по основной погрешности 2,6%, по дополнительной погрешности 1,5%.

На основании анализа современных средств измерения расхода и требований пользователей сделан вывод о необходимости разработки расходомера, обладающего следующими показателями:

• пригодность для работы в вакуумной камере стенда (Р~ 10-5 мм. рт. ст.);

• температурная независимость в диапазоне температур: контролируемой текучей среды – 284304 К, внешней среды – 268323 К;

• контролируемая текучая среда – ксенон, аргон, азот;

• длина разнесения преобразователя расхода и электронного блока – не лимитируется (до ~ 20-ти м);

• диапазон расхода газа – изменяемый в пределах 0100 мг/с;

• возможность определения температур текучей и внешней сред;

• выходной сигнал – не требующий усиления, природа сигнала – любая, допускающая дискретную или непрерывную регистрацию;

• номинальная погрешность – не более 2%;

• чувствительность не хуже 0,5 В/(мг·с-1);

• высокая помехозащищенность;

• проектный ресурс – не менее 5000 часов;

• ориентационная независимость;

• многопараметричность расходомера, обеспечивающая замкнутость метода;

• серийность используемых элементов электроники и термоприемника.

Во второй главе путем решения сопряженных задач внутреннего теплообмена с граничными условиями 1-го, 2-го, 3-го родов и смешанных, анализируются тепловые процессы как в не теплоизолированном, так и в теплоизолированном газовом тракте расходомера. Показано, что в первом случае выходной сигнал расходомера становится параметрическим по двум произвольно меняющимся и не связанным друг с другом параметрам:

температуре входящего потока Тг.вх. и температуре внешней среды Тс. Во втором случае выходной сигнал расходомера остается параметрическим по одному произвольно меняющемуся параметру – Тг.вх. Для обеспечения температурной независимости расходомера с участием автора предложен принципиально новый метод, состоящий в термостабилизации газового потока на задаваемых и контролируемых температурных уровнях Тп.

Реализация метода потребовала:

• разделения газодинамического тракта расходомера на два канала измерительный и термостабилизирующий каналы, объединяемых в единую газотепловую систему газораспределительной камерой (ГРК);

• размещения на входе в ГРК теплообменника с нагревательным элементом для нагрева газового потока перед его подачей в ГРК.

Далее обосновываются выбор типа термопреобразователей (термисторы СТ1-27 и СТ1-18, обладающие на порядок бльшим ТКС в сравнении с металлическими термоприемниками), принципов и средств обеспечения нормального функционирования системы термостабилизации (СТРт) в автоматическом режиме.

Принцип работы СТРт функциональная схема которой показана на рис. 2, базируется на существовании в системе отрицательной обратной связи между температурой термистора (ТЧЭт) и его омическим сопротивлением. Термистор используется в качестве следяще-управляющего элемента блока управления, поскольку производная dR(T)/dT отрицательна. Он включается в схему резистивного деления напряжения с U0=const и снимаемое с него напряжение, пропорциональное его сопротивлению R(Tг) при температуре газового потока Тг, подается в блок управления мощностью (БУМ) нагревательного элемента (НЭ) теплообменника (ТО). При отклонении уровня Тг от задаваемого Тп, сигнал рассогласования Utr ~ Rtr(TпTг), поступает в БУМ, вырабатывающий подводимую к НЭ дополнительную мощность W ~ Utr(Tп,Tг), сводящую Rtr к нулю. Уровень Тп задается с помощью переменных резисторов.

G ТО ГРК

Рис. 2 Функциональная схема системы термостабилизации расходомера Нагретый до уровня Тп газовый поток из ТО поступает в ГРК и из нее – в каналы с термисторами. Анализ тепловых процессов в газодинамическом тракте (половина длин ГРК и канала) показал, что при наличии СТРт температура потока будет колебаться в пределах Т = Тп ± (Тгрк+ Ткан.). Амплитуда колебаний температуры, найденная путем решения сопряженной задачи внутреннего конвективного теплообмена при обобщенных граничных условиях 1-го и 3-го родов, составляет ± 4 К, что недопустимо много. С целью исключения колебаний температуры газового потока осуществляется управляемый подогрев стенок каналов с теплочувствительными элементами (ТЧЭ) для компенсации разницы температур Т=[ТпТ(0,5Lкан.)]. Для оценки величины удельной мощности qc, которую необходимо подвести к стенкам каналов, решается сопряженная задача внутреннего теплообмена с обобщенными граничными условиями 2-го и 3-го родов. Решение связывает температуры в сечениях элементов тракта с величиной qс.

Величина qc некритична при условии, что она не меньше расчетных значений.

Таким образом, переход к пространственно распределенному теплообменнику управляемой мощности позволяет:

• осуществить температурную независимость показаний расходомера в широком температурном диапазоне;

• обеспечить применимость расходомера при разных температурных условиях благодаря активному характеру работы СТРт. Оценка ее чувствительности показала, что отклонение температуры потока от задаваемого уровня Тп составляет ~ ± 0,05 К. Постоянная времени системы СТРт ~ 0,3 с.

В третьей главе рассматриваются тепловые процессы в измерительной системе с позиции их оптимизации; оцениваются ее динамические параметры и анализируется влияние помехосоздающих факторов.

Различные условия эксплуатации расходомера могут приводить к изменению ориентации его оси в пространстве, что дополнительно повлияет на его точность, т.к. в области малых чисел Рейнольдса (Re) становится заметным влияние термогравитационного компонента конвекции.

Для исключения ориентационной зависимости показаний расходомера и контроля качества работы СТРт, двухканальная схема газодинамического тракта дополняется еще двумя каналами так, чтобы газовый поток поступал в каналы с измерительными термисторами в противоположных направлениях.

Газодинамический тракт должен теперь иметь четыре идентичных канала. В измерительных каналах ТЧЭG, электрически соединенные последовательно, омываются противоположно направленными потоками, что обеспечивает ориентационную независимость. В любом другом из оставшихся каналов размещается ТЧЭт, включенный в качестве управляющего элемента в СТРт. В последнем канале размещается ТЧЭТп, который принимает температуру газового потока Тп и по его сопротивлению R(Tп) контролируется качество работы системы СТРт.

Разделение потоков на четыре одинаковых по температуре (Тп) и расходу осуществляется ГРК, герметично соединенной с каналами. При такой схеме все каналы являются газодинамически подобными, т.к. обеспечиваются тепловое, геометрическое, кинематическое и динамическое подобия. Для замыкания газовой сети потоки из каналов объединяются герметичным корпусом, с выходным штуцером. Входным штуцером обладает теплообменник. Показанная на рис. 3а схема газодинамического тракта была предложена (с участием автора) впервые. Функциональная схема расходомера представлена на рис. 3б. Ее структура предопределена схемой газодинамического тракта.

Рис. 3 Модель газодинамического тракта (а) и функциональная схема расходомера (б) Математическая модель измерительной системы при упрощающих предположениях, обусловленных малостью линейных размеров ТЧЭ, и учете только конвективного механизма теплообмена, описывается уравнением теплового баланса:

где (G ) = T(G)–Tп–температурный напор; С–теплоемкость ТЧЭ; W(G)– мощность источника энергии W(G) = q(G)·S, которая в общем случае может быть функцией расхода; (G) – коэффициент теплоотдачи; ± W мощность неинформативных потоков (при этом W 0, a dUR/dUп < 0;

• рабочая область напряжений лежит в пределах U0/2 Utr (Utr)max.

Разный характер зависимости напряжений на элементах схемы деления позволяет формировать выходной сигнал как разность этих напряжений – U=Utr–UR, поскольку он растет от нуля до (Utr–UR)max, что обеспечивает:

• растущую с ростом расхода расходную характеристику (выходного сигнала);

• большую величину выходного сигнала (не нужно усиление);

• высокую чувствительность.

N2 Ui(Uп, Тп), В Рис. 4 Распределение напряжения по элементам схемы резистивного деления и выходной сигнал как разность падения напряжения на термисторе и на постоянном резисторе Из рисунков видно, что амплитуда напряжений и, как следствие, сигналов Utr и UR зависит от рода газа и от уровня температуры термостабилизации Тп. С ростом последней острота экстремумов сглаживается, поэтому уровень Тп нужно устанавливать в зависимости от условий проведения измерений с целью получения максимальной величины выходного сигнала.

Математическая модель расходомера переменной мощности при ранее сделанных предположениях описывается уравнением теплового баланса:

а его решение для стационарного состояния имеет вид:

Расчет чувствительности по расходу показал, что она превосходит чувствительность известных тепловых расходомеров, и, что особенно важно, – в области малых расходов. Организация теплового режима, когда Q(G) и W(G) разнонаправленны, является наиболее эффективной.

Параметр неравномерности распределения температурного поля в термисторах = 0,99940,9987 на границах диапазона расхода. Оценка их тепловой инерции дает значения: ст1-27 = 2,32,9 с и ст1-18 = 0,40,9 с.

Анализ влияния помехосоздающих факторов и нестабильности не информативных тепловых потоков (теплоотвод по креплениям-токоподводам, нестабильность: уровня Тп и напряжения питания электронных схем, наличие схемного тока и т.д.) дает величину 0,3 %, что значительно лучше, чем у большинства современных расходомеров. Так как расходомеры калибруются, то их расходные характеристики относятся ко всему расходу поступающего в него газа, а не к расходу через канал (каналы) с измерительным термистором.

Поэтому неизбежные неточность деления ГРК газового потока на потоки расходом G/4 каждый, несоосность потока и измерительных термисторов, шероховатость стенок каналов и неодинаковость их диаметров не будут играть никакой роли, т.е. технологическая погрешность расходомера сведена к нулю.

В четвертой главе приводятся: описание элементов конструкций моделей расходомеров по детально и в сборе, схема лабораторного комплекса для исследования моделей расходомеров.

Корпус расходомера представляет собой цилиндрическую камеру, с которой герметично соединяется фланец. С фланцем герметично соединен корпус теплообменника с нагревательным элементом. С корпусом ТО осуществляется уплотненное фторопластовой лентой резьбовое соединение ГРК, с которой так же соединяются каналы. Теплообменник и ГРК с каналами расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Все внутренние поверхности корпуса теплоизолированы фторопластовыми пластинами и лентой (многослойной). Фланцы с закрепленными на них элементами 2-х и 4-х канального расходомеров представлены на рис. 5.

На рис. 6 приведена схема лабораторного комплекса, созданного автором для исследования расходомеров. Методика проведения экспериментов на его базе описана в пятой главе.

Рис. 5 Фланцы с элементами 2-x и 4-x канального расходомеров (с СТ1-27 и с СТ1-18) В пятой главе приводятся результаты экспериментального определения показателей разработанных моделей расходомеров; оцениваются: качество работы систем обеспечения и объективность результатов по разработанной методике; приводятся результаты экспериментов, имитирующих условия работы расходомера в вакуумной камере стенда, в том числе, при работающем двигателе; формулируется предложение по использованию моделей расходомеров в практике испытаний ЭРД на стенде и описывается методика работы с расходомером.

Рис. 6 Лабораторный комплекс для тарировки и исследования расходомеров 1-баллон с газом; 2-регулятор давления РДМ-1; 3-реверсивный бак; 4-манометр; 5пневмосопротивление; 6-вакуумная камера; 7-расходомер; 8-запорный клапан; 9калибровочное устройство; 10 - фильтр Проверка температурной автономности расходомеров показала отсутствие зависимости показаний расходомеров от внешних условий проведения эксперимента при широком их варьировании независимо от задаваемого уровня Тп (при условии Тп > Тг вх., Тс ).

Оценка постоянства задаваемых параметров – силы тока Iк.н. косвенного нагрева и напряжения питания U0 показала, что наибольшее их отклонение от среднего по диапазону расхода составляет: 0,15% по току и 0,12% по напряжению.

При экспериментальных исследованиях в качестве контролируемой среды использовались газы: N2, Ar. Результаты исследования расходомера с W0=const в разных диапазонах расхода представлены на рис. 7. Видно, что повышение уровня Тп приводит к существенному уменьшению как выходного сигнала, так и диапазона его изменения (отношение Rmax/Rmin у N2 составляет 3,83 и 2,74, у Ar ~ 3,35 и 2,35 при разных Тп). Чувствительность падает как с ростом расхода, таки уровня Тп: у N2 она составляет ~ 470 и 300 Ом/(мг·с-1 ), у Ar ~ 320 и Ом/(мг·с-1). Доступный измерению диапазон расхода равен: у N2 ~ до 100 мг/с, у Ar ~ до 120-ти мг/с.

Усредненные расходные характеристики расходомеров с постоянным напором и с задаваемой чувствительностью (Тп=308 К) представлены на рис. 8.

Видна их линейность: отклонение составляет: у N2 ~ 1,3%, у Ar ~ 0,6%. Кривые на рис. 8 б) описываются линейными аппроксимирующими функциями:

U(5,7)N2 = (0,89G+76,9) B; U(7,5)N2 = (1,42G+97,7) B; (12) U(7,5)Ar = (0,93G+86,1) B; U(13,2)Xe = (0,96G +107,8) B.

Характеристики N2 снимались при двух значениях сопротивлений Rн = 5,7 кОм и 7,5 кОм. На рис. 8 а) видно, что они при разных Rн ~ одинаковы.

Особого внимания заслуживает тот факт, что расходная характеристика UXe(13,2к) лежит выше характеристик и Ar U(7,5кОм) и N2 U(7,5кОм). Это говорит о том, что подбором Rн можно задавать чувствительность и уровень выходного сигнала расходомера независимо от теплофизических свойств газа.

При исследовании расходомера переменной мощности показана экспериментально вдвое лучшая эффективность по уровню сигнала и чувствительности схемы резистивного деления напряжения в сравнении с мостовой. На рис. 9 приведены характеристики 4-х канального расходомера.

Доступный диапазон до ~ 60-ти мг/с у N2 и до ~ 70-ти мг/с у Ar;

чувствительность в В/(мг·с-1) на разных его участках составляет: у N2 4 и Рис. 7 Расходные характеристики расходомера с W0=const в разных диапазонах в омической и в частотной формах выходного сигнала Рис. 8 Расходные характеристики расходомера: а) – с постоянным температурным 1,7, а у Ar 2,2 и 1,2. На среднем рисунке даны характеристики при разных диаметрах каналов (D1=10, D2,3=5) и их количестве (n1,2 =4, n3 = 2). Видно, что диафрагмирование каналов и изменение их количества позволяет задать Gmax = 16 и 12 мг/с, и повысить чувствительность с 1,8 до 6,4 В/(мг·с-1).

Чувствительность расходомера с двумя термисторами представлена на крайнем рисунке. Видна ее неравномерность по диапазону расхода, но диапазон ее изменения весьма широк – от 2 В/(мг·с-1) при Gmax до 12,8 В/(мг·с-1) в диапазоне 34 мг/с. Усредненная по диапазону 050 мг/с чувствительность Рис. 9 Расходные характеристики расходомера переменной мощности составляет ~ 2,3 В/(мг·с-1). Реальная чувствительность термисторов в два раза выше, чем у расходомера, т.к. она относится не ко всему расходу, а лишь к расходу через канал, в котором находится термистор.

Исследование ориентационной зависимости с расходомером переменной мощности, обладающим высокой чувствительностью, показали, что она наблюдается лишь в области расхода до ~ 5-ти мг/с.

Для иллюстрации эффективности предложенного способа избавления от ориентационной зависимости – переход к 4-х канальной конструкции газодинамического тракта, в таблице 2 приведены значения полусуммы выходных сигналов от каждого из последовательно соединенных термисторов [U(+90)+U(90)]/2, и измеренного суммарного. Сравнение данных по столбцам таблицы показывает отсутствие систематического ухода, а отклонение полусуммы сигналов от измеренного суммарного не превосходит ~ 1%.

Примерно такие же в количественном отношении результаты получены (c участием автора) с помощью двухкамерного инфракрасного расходомера.

Зависимость от угла выходного сигнала расходомера переменной мощности [U(+90+-90)]/2, В Методики проведения эксперимента и обработки его результатов обеспечивают замкнутый характер предложенного метода определения расхода газа. Знание мощности внутреннего тепловыделения, температуры термистора и омывающего его потока позволяют найти: (G)=q(G) / (G), числа Re и Gr, следовательно, и Nu. Это позволяет: – сопоставлять расходные характеристики, имеющие разную форму выходного сигнала (например, Ом, мА, В); – оценить объективность экспериментальных данных путем сравнения чисел Нуссельта (или (G)), найденных по результатам эксперимента: Nu(G)Э=Nu(0)· 0 / (G);

Nu(G)Э=Nu(0)·[U(G)/U0]2, и по известным критериальным соотношениям.

Выходной сигнал расходомера постоянной мощности имеет омическую форму (кОм), а с постоянным температурным напором – токовую (мА) и вольтовую (В), а переменной мощности – вольтовую (В). Сопоставление их расходных характеристик путем сравнения чисел Нуссельта представлено на рис. 10 (для N2 и Ar). Видно хорошее согласие между Nu(I), Nu(R), Nu(U) и Nu(теор.), что является свидетельством объективности экспериментально полученных расходных характеристик расходомеров, работающих в разных режимах. При этом важно, что экспериментальные данные получены с термисторами, диаметры которых d1 = 1 и d2 = 0,5. Различие между Nu(d1) и Nu(d2) в среднем составляет ~ 3%, что можно считать вполне удовлетворительным результатом.

Перед проведением имитационных экспериментов, было оценено влияние температурных условий – температуры внешней среды tс и температуры газового потока tг на показания расходомера РРГ-3-50-С. В первом случае расходомер обдувался газовым потоком задаваемой температуры. Во втором Рис. 10 Сопоставление чисел Nu при разных формах выходного сигнала (I,R,U) температура газового потока задавалась созданным расходомером, после чего газ подавался в РРГ. Измеренные РРГ расходы сведены в таблицу 3.

В первом случае tг = 220 С, во втором tс = 23,20 С. Нормальными условиями для РРГ являются t = 200 C и давление 1 атм. Из сопоставления первых двух строк видно, что изменение температуры среды на 110 С отнюдь не сводится к поправке расходной характеристики на 1% различие в величинах расходов значительно больше. Примерно такая же картина наблюдается при изменении температуры входящего в расходомер газового tс С Расход, найденный по выходному сигналу G(tс,U), мг/с tг0С Расход, найденный по выходному сигналу G(tг,U), мг/с потока. Как и следовало ожидать, повышение температур среды или потока приводит к занижению расхода контролируемой текучей среды, а понижение – к завышению расхода.

Первый имитационный эксперимент состоял в помещении созданного нами расходомера в вакуумную камеру, в которой обеспечивался вакуум ~ 5·10- мм.рт.ст. Результаты экспериментов при естественной и смешанной конвекциях представлены на рисунках 11 и 12. Видно хорошее согласие по коэффициентам Рис. 11 Коэффициент теплоотдачи Рис. 12 Расходные характеристики N2 и Ar шара при естественной конвекции в условиях вакуумной камеры (*) и вне нее теплоотдачи и по выходным сигналам расходомера с W0 = const, чем подтверждена работоспособность созданных расходомеров и в вакуумной камеры стенда. Температура водоохлаждаемой стенки камеры 210 С, внешней среды 260 С, теплоносителя 350 С.

В следующем эксперименте оценке влияния помехи при работающем двигателе, расходомер помещался в вакуумную камеру напылительной установки, в схеме которой имелись два ускорителя плазмы – импульсного и непрерывного действия. В качестве импульсного ускорителя был выбран импульсный генератор углеродной плазмы с графитовым катодом. Источником плазмы непрерывного действия служил источник ионов азотной плазмы мощностью 1,5 кВт. Расходомер помещался в тени ионных пучков генераторов плазмы. Контролируемая среда – аргон высокой чистоты, расход которого был мг/с. Частота следования импульсов – в диапазоне 135 Гц. Проведенные эксперименты показали следующее: максимальная амплитуда помехи составила ~ 5 мВ на частоте следования 1 Гц, при этом форма сигнала близка к трапецеидальной. По мере увеличения частоты сигнал помехи уменьшался. При частоте выше 22-х Гц наблюдалось практически полное вырождение гармонического сигнала в непрерывный. При работе с непрерывным азотным источником помехи не обнаружено. Если учесть, что величины выходных сигналов расходомеров составляют десятки вольт, помеха в 5 мВ не может повлиять на их показания.

Расходные характеристики ксенона получены на калибровочном стенде ОКБ “Факел”. Исследуемый расходомер располагался между РРГ-3 и УИРГ (бюреткой). Температура среды Тс = 294,3 К, а температура Xe, измеренная по сопротивлению измерительного термистора, составляла ~ 296,6 К. Результаты экспериментов представлены на рис. 13 а), б). Расходная характеристика расходомера с задаваемой SU (рис.11б)) описывается линейным полиномом:

Особо отметим, что характеристики ксенона получены при входном давлении 2,5 кг/см. От рассчитанных при нормальном давлении они отличаются ~ в 1,5 раза в сторону увеличения. Объясняется столь сильная зависимость от давления в случае Хе тем, что его газовая постоянная R=64, Дж/кг·К, т.е. ~ в 4,6 раза меньше, чем у N2. Коэффициенты теплоотдачи, найденные по выходным сигналам разной формы (кОм и В), практически совпадают см. рис. 13 в).

Рис. 13 Расходные характеристики расходомеров: а) – постоянной мощности; б) – с задаваемой чувствительностью; в) – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по данным эксперимента, и его теоретическое значение, найденное с учетом давления В стендовой системе подачи давление газа на выходе ресивера поддерживается на заданном уровне в пределах ± 5%, что не может не сказаться на показаниях расходомера в случае ксенона. Оценка влияния непостоянства давления на показания расходомеров переменной мощности и с задаваемой чувствительностью показала: в первом случае систематическая погрешность составляет 0,06% и 0,03% (2 и 4 канала) и ее можно не учитывать; во втором она равна ~ 0,38% и 0,32% (2 и 4 канала), и ее учитывать нужно, хотя она и много меньше погрешности, вносимой калибратором.

Предложение по использованию на стенде разработанных моделей расходомеров состоит в следующем. Расходомеры переменной мощности или с задаваемой чувствительностью размещаются вне камеры и в камере стенда перед блоком газораспределения. Производится продувка ксеноном, после чего подача газа прекращается запиранием клапанов на выходе БГР. Таким образом газодинамический тракт заполняется рабочим газом. С помощью регулировок системы термостабилизации настраиваются на выбранный уровень Тп, а температура измерительных термисторов доводится до Т0 = 348 К.

Сопоставление показаний расходомеров при подаче расхода позволяет оценить качество с точки зрения утечек арматурной части стендовой системы подачи ксенона. За расход в двигатель принимаются показания расходомера, находящегося в вакуумной камере стенда.

В Заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Разработан и экспериментально обоснован новый метод измерения расхода инертных газов, базирующийся на тепловом принципе измерения и на расходомерах новых схем, как средстве измерения, и обеспечивающий:

• возможность проведения измерений в вакуумной камере стенда;

• независимость показаний расходомера от температур входящего газового потока и внешней среды с помощью пространственно распределенного теплообменника автоматически управляемой мощности;

• ориентационную независимость путем использования многоканального расходомера с направлением потока в измерительные каналы в противоположных направлениях;

• возможность определения температур газового потока и внешней среды;

• многопараметричность расходомеров, обусловливающая замкнутость метода измерения.

2. Созданы и экспериментально исследованы не имеющие аналогов модели расходомеров для систем измерения расхода, используемых при наземной отработке современных ЭРД, с точностью измерения расхода инертных газов не хуже 2 %. При этом показано, что модели обеспечивают:

• реализуемость разработанных эффективных методов оптимизации тепловых процессов в системе, заключающихся в организации работы тепловой системы в режимах с постоянным температурным напором и переменной мощности внутреннего тепловыделения;

• высокую чувствительность расходомера с постоянным температурным напором, постоянную по диапазону расхода на задаваемом уровне 22,8 В/(мг·си не зависящую от рода контролируемой текучей среды, а средняя чувствительность расходомера переменной мощности в исследованном диапазоне расхода составляет ~ 2,36,4 В/(мг·с-1);

• большую величину (без схем усиления) выходного сигнала – у расходомера с 0 =const ~ 75135 В, у расходомера переменной мощности ~ 120180 В и 12060 В, что обусловливает высокую точность измерения расхода, помехозащищенность и надежность расходомеров;

• высокую сходимость результатов измерений – не хуже 0,2%;

• значительную величину доступного измерению диапазона расхода – до мг/с, верхняя граница диапазона может понижаться диафрагмированием проходного сечения каналов, изменением их количества, уменьшением температурного напора. При этом номинальная погрешность созданных моделей расходомеров определяется погрешностью калибратора.

3. Разработаны рекомендации по применению созданных расходомеров в практике испытаний ЭРД и предложена методика измерения расхода в двигатель с помощью этих расходомеров, встроенных в стендовую систему подачи рабочего тела.

В Приложениях приведены: расходные характеристики азота, аргона и ксенона; результаты расчета теплоотвода по креплениям-токоподводам;

методика расчета параметров расходомеров; оценка погрешности;

принципиальные схемы электронных блоков моделей расходомеров; оценка постоянной времени расходомера в целом (с учетом всей его массы).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Тепловой высокотемпературный микрорасходомер газа: сб. тез. и докл. ежегодной конф. молодых ученых РГУ. Вып. 2: Физ.-мат.науки. Калининград: Изд-во РГУ, 2005. С. 14.

2. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Высокотемпературный микрорасходомер газа // Вестник РГУ. 2006. № 4. С. 70-76.

3*. Румянцев А.В., Шевченко П.Р., Гуськов К.В. Инфракрасный расходомер газа // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 3. С.150-154.

4*. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Тепловой микрорасходомер газа переменной мощности // Измерительная техника. 2007. № 8. С. 37-41.

5. Гуськов К.В. Универсальные тепловые расходомеры газа в диапазоне расхода 0100 мг/с: материалы международной конференции “Инновации в науке и образовании”. Калининград: Изд-во КГТУ, 2007. С.16-17.

6. Гуськов К.В., Румянцев А.В. Метод автономизации тепловых термисторных микрорасходомеров газа //Вестник РГУ. Вып. 3: Сер. физ-мат.

науки. Калининград: Изд-во РГУ, 2007. С. 78-86.

7*. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Микрорасходомер газа с задаваемым значением чувствительности прибора // Приборы и техника эксперимента.

2008. № 1. С. 149-154.

8. Гуськов К.В., Румянцев А.В. Процессы в газовом тракте теплового расходомера // Вестник РГУ. Вып. 4 : Сер. физ-мат. науки. Калининград: Изд-во РГУ, 2008. С. 7177.

9. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Тепловые микрорасходомеры газа.

Материалы 1-й международной Казахстанско-Российско-Японской научной конференции и VI Российско-Японского семинара. М: Изд-во МГИУ, 2008. С.

500 – 506.

10*. Гуськов К.В., Хартов С.А. Система измерения расхода газообразного рабочего тела для испытаний электроракетных двигателей // Вестник МАИ. 2009. Т. 16, № 3. С.41-48. М.: Изд-во МАИ, 2009.

11* Румянцев А.В., Гуськов К.В. Тепловой переменной мощности микрорасходомер газа. Патент RU, № 2321830. 2008. БИ №10 от 10.04.2008.

12*. Румянцев А.В., Гуськов К.В. Микрорасходомер газа с задаваемым значением чувствительности. Патент RU, № 2362124. 2009. БИ № 20 от 20.07. _ * отмечены российские журналы из списка ВАК и патенты РФ.

Исследование и разработка системы измерения расхода газообразного рабочего тела для испытательного стенда

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени Бумага для множительных аппаратов. Формат. 60х90. 1/16. Ризограф.

Гарнитура «Таймс». Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л.1,2. Тираж 100. Заказ 180.

Издательство Российского государственного университета им. И. Канта 236041, г. Калининград, ул. А. Невского,