Призначення вимірювальних систем та приладів контролю параметрів газоперекачувальних агрегатів

У процесі проведеннявипробувань необхідно, щоб стенди постачались автоматизованими вимірювальними системами контролю газодинамічних характеристик як ГТУ, так і нагнітача, а також приладами виміру рівнів шуму агрегату, параметрів систем змащення двигуна, змащення й ущільнення нагнітача, системи охолодження масла і т.д.

Вимірювання тисків. Робочий тиск в елементах системи ГПА змінюється в широкому діапазоні – від атмосферного значення і до 25...30 МПа. Як правило, значення тиску в різних елементах системи залишаються незмінними протягом тривалого часу, однак у деяких випадках мають місце і значні коливання (пульсації) тисків з заздалегідь невідомою частотою [1].

Особливо важливе значення має вимірювання тисків у газових потоках. У залежності від випробувань можуть застосовуватися прилади різного типу. Найбільш широко застосовуються манометри з трубчастою пружиною. При p < 0,14 МПа доцільно застосовувати п’єзометрып’єзометри.

Манометри, що застосовуються для вимірювання тиску, підрозділяються на технічні, контрольні і зразкові.

Технічні манометри загального користування випускаються до тиску 1000 МПа з діаметром корпуса 40, 60, 100, 160 і 250 мм. Клас точності цих приладів 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0. Манометри з діаметром корпуса 40 і 60 мм виготовляються тільки з класом точності 2,5 і 4,0. Найбільш високий клас точності мають прилади з діаметром корпуса 160 і 250 мм.

Контрольні манометри призначені для перевірки технічних манометрів безпосередньо на місцях вимірювання. Вони випус-каються класом точності 0,6 з верхньою межею вимірів до 160 МПа.

Зразкові манометри використовуються для перевірки технічних і контрольних манометрів, а також при проведенні відповідальних випробувань. Шкала зразкового манометра незалежно від верхньої межі вимірів має 400 і 250 ум. од. Прилади випускаються класом точності 0,15; 0,25; 0,4 і з верхньою межею вимірюваних тисків до 60 МПа.

Зразкові манометри повинні використовуватися при температурі навколишнього повітря 5...45°С. Температура приміщень, де встановлюються манометри, повинна бути не нижче 5°С. При температурі навколишнього середовища t ≥ 23±3°С необхідно враховувати температурні поправки відповідно до паспортних даних.

Поправки не повинні перевищувати D = ±(0,5d_o + 0,04D t), де d_o – основна погрішність, чисельно рівна класу точності приладу, %; D t – різниця між дійсною температурою навколишнього середовища і припустимим граничним її значенням.

До і після випробувань рекомендується проводити зняття індивідуальних характеристик (тарировкутарировку) манометрів. Основна погрішність використовуваного при тарировках еталонного приладу повинна бути значно нижче (у 4...5 разів), а верхня межа виміру вище, ніж у приладу, що перевіряється. Виміри роблять не менш ніж для п’яти значень тиску, рівномірно розташованих по шкалі, спочатку при підвищенні тиску, а потім при його зниженні.

Звичайно як еталонний прилад використовують грузопоршньові вантажно-поршневі манометри з класом точності 0,05 чи 0,2 (ГОСТ 8291-83). Вантажно-поршневіГрузопоршньоові манометри дозволяють робити тарировку контрольних і технічних манометрів за допомогою зразкових. Зразкові манометри тарируються за допомогою спеціальних вантажів. Вантажно-поршневіГрузопоршньові манометри також висувають жорстки жорсткі вимоги до температури навколишнього середовища (20±2°С для класу точності 0,02 і 20±5°С для класу точності 0,05).

Усі манометри повинні періодично піддаватися перевірці. Забороняється застосування манометрів без засвідчення (пломби) про придатність для використання протягом визначеного терміну.

У процесі випробувань агрегатів часто з’являється необхідність зафіксувати процес зміни тиску в часі (наприклад, пульсації тиску потоку на вході в нагнітач), тобто виміряти ряд послідовних миттєвих значень тиску. У цьому випадку використовуються методи, які полягають в тому, що вимірюваний тиск пере-творюється в електричний параметр, що змінюється за визначеним законом відповідно до зміни контрольованого тиску [1].

Пульсації тиску сприймаються і перетворяться датчиком, що повинен мати високу чутливість. У компресоробудуванні звичайно використовуються індуктивні датчики тиску типу ДТІ-20. Робота датчика заснована на перетворенні прогину мембрани, що одночасно є якорем індуктивної системи, у параметр індуктивності. Сигнал від датчика підсилюється і формується в проміжних ланках електричного ланцюга й у заключній стадії перетвориться у світло-лучопроминеві осциллограмиосцилограми.

Вимірювання температур. Точність виміру температури газового потоку, що рухається, є складною задачею, тому що, власне кажучи, виміряється температура термоприймача, що, як правило, відрізняється від температури потоку. Температура відноситься до найважливіших параметрів, що характеризують ефективність процесів, що відбуваються в ГПА. Вимоги до точності виміру визначаються впливом цього параметра на точність визначення показників ефективності. Для нагнітачів ГПА таким параметрам є ККД. Для виміру температур при випробуваннях по визначенню ККД нагнітача необхідно застосовувати лабораторні ртутні термометри ТЛ-4 чи ТЛ-8 за ГОСТ 215-73 з ціною поділки 0,1°С. Припустима погрішність цих термометрів складає ±0,2°С при вимірюванні температур від 0 до 100°С. Дані лабораторних термометрів перевіряються рівноділеними термометрами типу ТР-1; ТР-2 (ціна поділки 0,01°С) за допомогою термостатів [ 16 ].

При визначенні інших параметрів вимоги до точності виміру температури істотно нижчі, тому в цьому випадку можуть використовуватися інші технічні засоби, такі, наприклад, як термоперетворювачі опору (ТСМ-0979; ТСП-175) чи термоелектричні перетворювачі (ТХК-1486 і ін.), досить докладно описані в роботах [13, 16]. У випадку використання термокомплектів (термометра, що не має власної шкали і вторинного приладу) відносна погрішність вимірювань не повинна перевищувати ±0,2%. На відміну від термометрів для термокомплектів повинне враховуватися тільки одна поправка (врахування гальмування потоку), про яку буде сказано нижче.

Слід зазначити, що незважаючи на ряд істотних недоліків ртутних термометрів (крихкість, неможливість дистанційного виміру), при точних вимірах їх будуть використовувати досить широко.

Вимірювання продуктивності. Розмаїття робочих середовищ, що використовуються у системах ГПА, обумовлює застосування витратомірів різних типів. До точності і надійності їхньої роботи пред’являються досить жорстки жорсткі вимоги. Витратомір – це прилад, що вимірює кількість речовини, що протікає через визначений переріз в одиницю часу (витрата). Лічильник кількості речовини – це прилад для виміру витрати за деякий проміжок часу [1].

Пристрій, що встановлювлюється безпосередньо в потоці і вимірює зручні для виміру величини, безпосередньо зв’язані з витратою, називається перетворювачем витрати. До них відносяться звужуючі пристрої (діафрагми, сопла й ін.), турбінки, пневмометричні насадки й ін. У залежності від виду застосовуваного перетворювача витрати витратоміри вимірюють: перемінний перепад тиску (звужуючі пристрої); постійний перепад тиску (ротаметри); частоту обертання (турбінки і т.п.); швидкість потоку в перерізі (пневмометричні насадки) [13, 16].

У практиці найбільш розповсюджений метод виміру витрати за допомогою стандартних звужуючих пристроїв - діафрагм, нормальних сопел, сопел Вентурі, що виконуються відповідно до ГОСТ 14321-73. Стандартні камерні діафрагми для трубопроводів з р_у = 10 МПа виготовляють відповідно до ГОСТ 14321-73, а безкамерні з р_у = 2,5 МПа за ГОСТ 14322-77. Вимоги до установки, методика виміру, формули розрахунку при проектуванні звужуючих пристроїв і при обробці дослідних даних регламентовані РД 50-213-80.

Для визначення продуктивності вимірюються перепад тиску на звужуючому пристрої, тиск і температура газу перед звужуючим пристроєм. При цьому при вимірюванні тиску і температури використовуються методи вимірювань і прилади, що описані вище. Продуктивність визначається розрахунковим шляхом за результатами трьох вимірів [9].

Розрахунок продуктивності вручну є дуже трудомістким, тому що містить у собі визначення ряду величин методом послідовних наближень і тому супроводжується помилками в кінцевому результаті. Застосування сучасної обчислювальної техніки дозволяє підвищити точність визначення витрати газу, а також прискорює і полегшує процес розрахунку. Розроблена у ВНДІ компрессоркомпресорного машімашинобудування програма, придатна і для персональних комп’ютерів, використовує методи обробки, викладені в “Правилах виміру витрати газів і рідин...”. Програма також дає можливість визначити похибку виміру витрати.

Вимірювання потужності. Споживана потужність є основною характеристикою ГПА. При випробуваннях різноманітного характеру потужність можна визначати різними методами, що відрізняються видом вимірюваних параметрів: по крутному моменту і частоті обертання вала, по параметрах нагнітача, по параметрах двигуна [1].

Найбільш надійним і принципово правильним є визначення потужності шляхом виміру крутного моменту і частоти обертання на вихідному валу двигуна. Вимірювання крутного моменту засновано на визначенні кута закручення торсійнного вала, що пропорційний прикладеному до вала крутного моменту.

На заводах-виробниках є спеціальні стенди для випробувань двигунів, що забезпечені автоматизованими вимірювальними системами для реєстрації й обробки результатів вимірювань. До їх складу входять гальмівні пристрої, призначені для виміру потужності і поглинання енергії, що виробляє двигуном. За принципом дії розрізняють гальмівні пристрої наступних типів: механічні, пневматичні, гідравлічні, електричні й індукційні. Потужність визначається по крутному моменту, що сприймається статором гальмівного пристрою, і по кутовій швидкості обертання його ротора.

Гальмівні пристрої відрізняються інертністю і не придатні для вимірювання швидкозмінних навантажень. У цих випадках застосовують менш інерційні електричні вимірювачі крутного моменту. На вал, що передає вимірюваний момент, під кутом 45° відносно твірних наклеюються тензодатчики, за допомогою яких вимірюється деформація кручення. Точність виміру значною мірою залежить від надійності роботи струмознімаючого пристрою.

Останнім часом розроблені радіотелеметричні тензометричні вимірювачі крутного моменту, що включають радіопередавальний пристрій. Деформації вала викликають розбалансування вимірювального моста з тензодатчиками і появу струму у вимірювальному ланцюзі, що надходить у радіопередавальний пристрій. Радіоприймальний пристрій з антеною, що встановлений в безпосередній близькості від передавального, вловлює частотно-модульований сигнал і перетворює у сигнал постійного струму, що пропорційний крутному моменту.

За виміряним значенням крутного моменту М _кр і частоти обертання n визначають споживану потужність (Вт) за формулою:

N = 2p М _кр n,

де М _кр – крутний момент, H×м; n – частота обертання, 1/c.

Коли параметри, що визначають споживану потужність, не вдається виміряти досить надійно і точно, потужність установки можна визначити побічно за результатами теплових вимірів двигуна. Для визначення потужності необхідно знати два параметри: тиск повітря за осьовим компресором р _к і температуру газу перед силовою турбіною Т ^*. Потужність у цьому випадку визначають по емпіричних залежностях, справедливих для конкретного типу двигуна.

Вимірювання частоти обертання. Важливим параметром, що визначає режим роботи ГПА, є частота обертання валів. ГПА являє собою багатовальну установку, що складається з декількох агрегатів (осьового компресора, турбін високого і низького тисків, відцентрового нагнітача і т.д.), вали яких обертаються з різною частотою. Для забезпечення вимірювання частоти обертання валів з формуванням необхідних сигналів для системи керування і сигналізації на валах встановлюються первинні електричні перетворювачі частоти обертання валів, що з’єднані з вторинними електричними приладами [2].

Для виміру частоти обертання валів і сигналізації в установці керування агрегатом А-705-15 використовується комплекс тахометричних перетворювачів із сигналізаторами типу “Турбіна”. Він видає аналогові сигнали постійного струму 0...5 мА пропорційній частоті обертання валів, з формуванням сигналів, що надходять у систему захисту і керування. Комплекс складається з первинних тахометричних перетворювачів, блоку спостереження і керування і вимірювального приладу, відградуйованого в обертах за хвилину з ціною поділки шкали 50 об/хв. Похибка виміру комплексу не перевищує 1%.

Первинний тахометричний перетворювач містить у собі магнітопровід і зубчасте колесо, встановлене на валу. Повітряний зазор між робочою поверхнею магнітопроводу і площиною зуба колеса повинен бути 0,75±0,25мм. При обертанні зубчастого колеса в обмотках перетворювача формуються електричні імпульси, частота яких пропорційна частоті обертання вала і числу зубів колеса. Постачання перетворювачу змінної напруги забезпечує підсилювач-формувач, що підсилює сигнал і формує прямокутні імпульси, що подаються на вхід електронного цифрового приладу. Вимірювальний прилад забезпечує дистанційний контроль частоти обертання.

ГПА з авіаційним приводом обладнані датчиками ДЧО-2500, що перетворюють частоту обертання роторів двигуна в частоту електричних сигналів. Датчик працює у взаємодії з зубчастим колесом, що приводиться в рух через шестерну передачу від вала ротора, частота якого виміряється. При обертанні зубчастого колеса кожен з його зубів змінює магнітне поле, що оточує витки котушки датчика. Внаслідок цього в котушці индукується індуктується ЕРС, частота якої пропорційна частоті обертання ротора. Вихідні сигнали датчиків частоти обертання, наприклад ГПА-Ц-16, надходять у систему автоматичного керування ГПА для викори-стання в ланцюзі контролю всіх трьох роторів, у ланцюзі регулю-вання ротора низького тиску, у ланцюзі захисту ротора СТ [1].

Вимірювання вібрації. Для вимірювання вібрації ГПА використовуються прилади, що визначають амплітуду коливань вала щодо корпуса його підшипників чи віброшвидкості роторів. Вібростан двигуна НК-16СТ безупинно контролюється апаратурою контролю вібрації типу ИВ-Д-Пф-2. У комплект апаратури входять електронні блоки БЕ-38-2 і БЕ-39-2, три датчики вібрації МВ-04-1 і кабель для з’єднання датчиків з електронним блоком БЕ-38-2. Датчики вібрації встановлюються на передній і задній опорах газогенератора і на опорі СТ. Електронні блоки встановлені в блоці автоматики ГПА (блок БЕ-38-2) і в стійці системи А-705-15-09 (блок БЕ-39-2) [12].

Електричні сигнали від датчиків вібрації, що пропорційні віброприскоренню, у блоці БЕ-38-2 перетворюються в постійний струм, напруга якого пропорційна віброшвидкості. У блоці БЕ-39-2 напруга постійного струму перетворюється в сигнал і подається на цифрове табло. На передній панелі блоку розташовані перемикачі, що дозволяють перемикати канали індикації віброшвидкості.

Крім вібростану апаратура контролю вібрації типу ИВ-Д-Пф-2 дозволяє також безупинно контролювати частоту обертання роторів. Сигнал датчика частоти обертання перетвориться в блоці БЕ-38-2 у послідовність імпульсів, частота яких відповідає частоті обертання ротора. Після перетворення в блоці БЕ-39-2 сигнал індукується передається на цифрове табло.

Для безупинного контролю рівня віброшвидкості корпуса двигуна НК-12СТ, а також для сигналізації про перевищення припустимих рівнів віброшвидкості використовується апаратура контролю вібрації типу ІВ-500СТ.[ 7 ].

Апаратура містить у собі два п’єзоелектричних датчики МВ-03-6, два узгоджуючихузгоджуючи пристрої ВУС-6, двоканальний електронний блок БЕ-9СТ і прилад, що показує, ІВ-200.

Сигнал від датчика у виді напруги, пропорційної віброшвидкості двигуна, через узгоджувальний пристрій надходить на вхід електронного блоку і далі на прилад, що показує, шкала якого відградуйована в одиницях віброшвидкості.

Для контролю вібрації обертових частин відцентрового нагнітача використовується контрольно-вимірювальна апаратура типу КСА-15. Вона призначена для виміру рівнів віброзсувів й осьового зсуву роторів і сигналізації про перевищення заданих значень цих параметрів. Апаратура складається з чотирьох блоків віброзсувів, блоку осьового зсуву, блоку живлення і п’яти вихрострумних перетворювачів, у торцях яких розташовані плоскі котушки.

Вихрострумні перетворювачі встановлюються в корпусах підшипників з постійним зазором, рівним 1,35±0,15 мм. У кожній точці контролю вібрації встановлюються два вихрострумні перетворювачі під кутом 90% один до другого для вимірювання вертикальної і горизонтальної складових вібрації.

Вихрострумний перетворювач призначений для перетворення зазору між торцем котушки перетворювача і ротором у вихідну напругу. Котушка випромінює радіочастотний сигнал у вигляді електромагнітного поля. При наближенні чи видаленні матеріалу, що проводить струм до робочого торця, вихрові струми, що генеруються на поверхні матеріалу, приводять до зміни втрат потужності сигналу і відповідно пропорційній зміні вихідної напруги.

Блок віброзсуву призначений для виміру розмаху віброзсуву і забезпечує індикацію розмаху віброзсуву на стрілочному приладі; спрацьовування аварійної і попереджувальної сигналізації при перевищенні рівнів віброзсуву встановлених нормами; спрацьовування сигналізації ушкодження каналу при перевищенні меж установлених значень напруги вихрострумного перетворювача. При спрацьовуванні сигналізації ушкодження каналу відключаються канали аварійної і попереджувальної сигналізації, що запобігає помилковому спрацьовуванні.

Вимірювання шуму. Вимірювання з метою визначення шумових характеристик здійснюють шумомірами 1-го чи 2-го класу (ГОСТ 17187-81) зі смуговими електричними фільтрами (ГОСТ 17168-82). Широко поширені в нашій країні шумоміри 2203 фірми “Bruell and Kjaer” (Данія) і шумоміри 00017 фірми RFT (ГДР).

Основними елементами блок-схеми вимірювального тракту для визначення рівня шуму є мікрофон і шумомір з індикатором рівня. Якість мікрофона визначається в основному його частотною характеристикою, рівнем власного шуму, надійністю в експлуатації. Точність виміру рівня шуму визначається залежністю чутливості мікрофона від частоти вимірюваного звуку і від температури [22].

Шумоміри призначені для виміру рівнів звуку (по шкалі А) і рівнів звукового тиску (але лінійній шкалі). Шумомір перетворює акустичний сигнал від мікрофона в електричний. Підключення до шумоміра фільтрів дозволяє виділити з частотного шумового діапазону потрібну смугу і виміряти рівень звуку у встановленій октаві. Для регулювання чутливості в шумомірах є спеціальні пристрої. Калібрування мікрофонів і електричного тракту здійснюється пістофономпіктофоном, а калібрування підсилювача електричної частини передбачено в конструкції шумоміра.

Часто буває необхідно записати шум агрегату з наступною розшифровкою його на аналізаторі. Запис і відтворення шуму здійснюють за допомогою магнітофона. При цьому необхідно, щоб перекручування, внесені магнітним записом, не перевищували припустимих значень.