Способ определения истинного объёмного газосодержания

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Способ заключается в том, что в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок, характеризующийся диаметром, длиной, коэффициентом потерь на трение и суммарным коэффициентом местных потерь давления, измеряют объемный расход, температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание по измеренным параметрам. Технический результат - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

 

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно, к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Изобретение может быть использовано для определения содержания газа в других двухфазных газовых эмульсиях для управления различными технологическими процессами.

Величина объемного содержания газа в масловоздушной эмульсии необходима для расчета ее плотности, используемой при решении задач, касающихся определения параметров газожидкостных сред. Как правило, требуется долговременное непрерывное измерение в реальном времени значения истинного объемного газосодержания двухфазного потока на различных режимах работы оборудования.

Способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии основаны на различных физических принципах и направлены на измерение истинного газосодержания в сечении трубопровода, в локальной пробе или в объеме участка трубопровода.

Известны способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии, связанные с отбором проб газовой эмульсии и их анализом (газохроматографический, десорбционно-термокондуктометрический, манометрический и др.), однако эти способы требуют специального оборудования, времени для анализа, то есть не обеспечивают получение оперативной информации, и часто имеют низкую точность измерений.

Известен способ определения истинного объемного газосодержания потока газовой эмульсии, в котором возбуждают акустические колебания в газожидкостной среде (RU 2115116, 1998). Недостатком данного способа является изменение гидродинамического режима потока и сложность его реализации в трубопроводах маленького диаметра, например, в топливной или масляной системе двигателей.

Известен способ измерения истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода по ослаблению ионизирующего излучения (SU 1022002, 1983). Использование указанного способа ограничено требованиями техники безопасности и его применение возможно только в отношении газовых эмульсий, не содержащих нечувствительные к инфракрасному излучению азот, кислород, гелий, аргон, криптон, ксенон.

Известен способ определения объемного газосодержания в газожидкостной среде в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру, давление и скорость потока между двумя сечениями участка и рассчитывают объемное газосодержание по уравнению состояния идеального газа, принимая двухфазную газожидкостную систему как смесь идеального сжимаемого газа и несжимаемой жидкости (US 6847898, 2005). Недостатком известного технического решения является низкая точность определения термодинамических характеристик эмульсии, таких как скорость звука, показатель адиабаты и др. В частности, расчет скорости звука в водовоздушной эмульсии без учета сжимаемости жидкой фазы составляет 330 м/с, а с учетом сжимаемости - 25 м/с, что подтверждается ее экспериментальным измерением.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является техническое решение (RU 152854, 2015), направленное на определение истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок и определяют истинное объемное газосодержание в сечении на входе в измерительный участок.

Недостатком известного технического решения является необходимость использования метода последовательных приближений при решении двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными для расчета объемного газосодержания. Указанный метод требует существенных затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания и может не обеспечить получения достоверного результата.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в сокращении затрат времени на определение истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в определении величины истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.

Технический результат достигается за счет того, что в способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d_тр, длиной l_тр, коэффициентом λ_тр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ_м местных потерь давления, измеряют объемный расход Q_изм, температуру Т_эм и давление Р_эм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔР_изм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание α_эм в сечении на входе в измерительный участок по следующему соотношению:

где:

ρ_ж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм;

К_т.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м⁴;

ρ_г - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм, причем:

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность признаков, характеризующая изобретение, позволяет определять величину истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени на основе измерения гидродинамических характеристик потока - давления, перепада давления, температуры и объемного расхода газовой эмульсии и применения соотношения учитывающего геометрические характеристики трубопровода и характеристики потока газовой эмульсии.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе.

Способ измерения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии основан на законе сохранения массы, согласно которому при течении газовой эмульсии в трубопроводе массовый расход и массовое газосодержание не изменяются по его длине.

В способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d_тp, длиной l_тр, коэффициентом λ_тр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ_м местных потерь давления, измеряют объемный расход Q_изм, температуру Т_эм и давление Р_эм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔР_изм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание α_эм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению:

где:

ρ_ж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм;

К_т,тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м⁴;

ρ_г - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм, причем:

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.

На первом этапе заявленного способа выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d_тp, длиной l_тр, коэффициентом λ_тр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ_м местных потерь давления.

В частности, длина участка может составлять не менее семи размеров его диаметра. Для повышения точности измерения перепада давлений длину участка целесообразно выбирать максимально возможной.

Величины коэффициентов λ_тр и ζ_м могут определяться по известным соотношениям (см., например, И.Е. Идельчик, «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», 3-е издание, Москва, «Машиностроение», 1992, с. 10-11, 29-32). В частности, коэффициент λ_тр может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:

λ_тр=64/Re.

Местные потери давления возникают, в частности, из-за сужения потока на входе в трубопровод и расширения на выходе из него, а также поворотов трубопровода.

На втором этапе измеряют объемный расход Q_изм, температуру Т_эм и давление Р_эм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, и перепад ΔР_изм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка.

Значения плотности ρ_ж масла и плотности ρ_г воздуха могут быть определены по одномерным или двумерным табличным данным или известным аналитическим выражениям:

ρ_ж=f₁(Р_эм, Т_эм),

ρ_г=f₂ (Р_э, Т_эм),

где:

f₁ (Р_эм, Т_эм) - функция, выражающая зависимость ρ_ж от Р_эм и Т_эм;

f₂ (Р_эм, Т_эм) - функция, выражающая зависимость ρ_г от Р_эм и Т_эм.

На третьем этапе определяют истинное объемное газосодержание α_эм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению (1).

Как известно, характер течения в трубопроводах микропузырьковых газожидкостных сред, к которым относится и двухфазная масловоздушная эмульсия, ничем не отличается от характера течения однофазной жидкости (см., например, статью Б.В. Бошенятова «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6, с. 160). Следовательно, величина массового расхода может быть определена из формулы Дарси - Вейсбаха для расчета потерь давления из-за трения эмульсии о стенки трубопровода, которая после перехода от объемного расхода к массовому и учета потерь давления на местных сопротивлениях в трубопроводе имеет следующий вид:

где:

Р_эм.н и Р_эм.к - величина давления соответственно на входе и выходе измерительного участка;

G_тp - величина массового расхода;

ρ_эм - плотность эмульсии на входе в участок трубопровода;

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода, равная:

Соотношение (2) показывает, что величина G_тp может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔР_изм давления в участке трубопровода, равной разности величин давлений на его входе и выходе, и характеристикам измерительного участка (геометрическим данным и коэффициентам потерь).

Величина G_тp может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Q_изм и плотности ρ_эм эмульсии по соотношению:

Так как величина массового расхода одинакова для потока эмульсии в трубопроводе, то подставляя соотношение (3) в соотношение (2) получим следующее равенство:

откуда соотношение для расчета плотности эмульсии имеет вид:

причем

В соотношение (4) входят только известные характеристики трубопровода и измеренные значения перепада ΔР_изм давления и объемного расхода Q_изм.

Подставляя в соотношение (4) известное выражение для плотности эмульсии:

ρ_эм=(1-α_эм)ρ_ж+α_эмρ_г,

получим соотношение:

ρ_ж-К_т.трΔР_изм/Q²_изм=α_эм(ρ_ж-ρ_г),

из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:

α_эм(ρ_ж-К_т.трΔР_изм/Q²_изм)/(ρ_ж-ρ_г).

Таким образом, используя измеренные объемный расход Q_изм эмульсии и перепад ΔР_изм давления в участке трубопровода длиной l_тр и диаметром d_тр, а также рассчитанные текущие значения плотности ρ_ж масла и плотности ρ_г воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания α_эм потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).

Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания α_эм прямым вычислением, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата -сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

Для расчета потерь давления в трубопроводе справедлив принцип аддитивности и, в частном случае, в соотношение (2) могут быть добавлены величины потерь давления, обусловленные влиянием вязкости эмульсии на ламинарном режиме течения. Величина этих потерь прямо пропорциональна коэффициенту динамической вязкости η_эм эмульсии и массовому расходу. С учетом этого, соотношение (2) принимает следующий вид:

В известной литературе имеются соотношения различного вида для расчета вязкости двухфазных эмульсий в функции объемного газосодержания. На основании обработки экспериментальных данных в указанной выше работе (Б.В. Бошенятов «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6) на стр. 159 указано соотношение:

η_эм=η₁(1+k₁α_эм),

где:

η₁ - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы (масла) эмульсии, Па⋅с;

k₁ - постоянный коэффициент, равный 1.

С учетом соотношения (4) выражение для расчета α_эм принимает следующий вид:

α_эм=(ρ_ж-К_т.трΔР_изм/Q²_изм+К_в.тр/Q_изм)/(ρ_ж-ρ_г-К_в.тр/Q_изм),

где К_в.тр - коэффициент, имеющий размерность кг⋅с^-1, причем

Полученное соотношение показывает, что с увеличением вязкости жидкой фазы объемное газосодержание возрастает.

Заявленный способ может быть осуществлен с помощью измерительной системы для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии. Система включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено устройство для измерения объемного расхода и датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления, измеряющий разность давлений между входом и выходом измерительного участка, и электронный вычислительный блок, подключенный к электрическим выходам устройства для измерения объемного расхода и всех датчиков, и выполненный с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по информации с датчиков и устройства для измерения объемного расхода.

В качестве устройства для измерения объемного расхода может быть использован датчик объемного расхода или электроприводной насос-измеритель, в контроллере которого содержится алгоритм определения объемного расхода по предварительно полученной экспериментальной зависимости объемного расхода через насос от частоты вращения насоса и перепада давления на нем.

Необходимость использования в предлагаемом способе только четырех простых средств измерения (устройство для измерения объемного расхода, датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления) повышает возможность практической его реализации в конструкциях измерительных систем.

Решение проблемы определения объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии особенно актуально для систем смазки газотурбинных двигателей (ГТД). В опорах ГТД образуется устойчивая масловоздушная эмульсия, которая откачивается насосами в маслобак (Гулиенко А.И. и др. Особенности рабочего процесса в масляной полости опор ротора газотурбинного двигателя // VI Международная НТК «Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня». Сборник избранных докладов. - М.: «Граница», 2016, - с. 38-46.). Информация о содержании воздуха в масловоздушной эмульсии позволяет достоверно рассчитать потери давления в тракте откачки, величину гидравлической мощности откачивающих насосов и другие параметры, на основании которых определяются диаметр трубопроводов, мощность электропривода для вращения насосов и др.

Способ может быть использован для определения величины истинного объемного газосодержания α_эм потока двухфазной масловоздушной эмульсии на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной эмульсии из опор роторов ГТД.

В качестве дополнительного технического результата при осуществлении заявленного способа также повышается точность и достоверность определения величины истинного объемного газосодержания α_эм, поскольку прямое вычисление с учетом потерь давления на трение в отличие от метода последовательных вычислений гарантирует сходимость процесса расчета, например, при скачках давления в трубопроводе.

Способ определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d_тр, длиной l_тр, коэффициентом λ_тр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ_м местных потерь давления, измеряют объемный расход Q_изм, температуру Т_эм и давление Р_эм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔР_изм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание α_эм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению:

α_эм=(ρ_ж-К_т.трΔP_изм/Q²_изм)/(ρ_ж-ρ_г),

где:

ρ_ж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм;

К_т.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м⁴;

ρ_г - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т_эм и Р_эм, причем:

F_тp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.