摘要：以渦輪流量計(jì)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用為研究對(duì)象。針對(duì)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中流量測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的異常波動(dòng)和較大的系統(tǒng)誤差，從渦輪流量計(jì)的現(xiàn)場使用狀態(tài)進(jìn)行了分析。認(rèn)為解決的方法是用分節(jié)式電容液面計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的校驗(yàn)，校驗(yàn)的方法可通過液面計(jì)測(cè)得的體積流量反算出渦輪流量計(jì)的流量系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1、引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，推進(jìn)劑流量是關(guān)鍵參數(shù)。采用的測(cè)量裝置多為渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)：精度高(5‰)，重復(fù)性好，滯后時(shí)間較小，耐壓和選用溫度范圍較寬。與其他類型的機(jī)械式流量計(jì)相比，在相同的量程下，體積較小、易安裝。但是，由于它是一種速度型的容積儀表，對(duì)管道中流態(tài)的變化很敏感，再加上渦輪流量計(jì)校驗(yàn)介質(zhì)(水校)與試車介質(zhì)的不同，以及使用狀態(tài)與校驗(yàn)狀態(tài)的不同，容易引入系統(tǒng)誤差。特別在低溫推進(jìn)劑流量測(cè)量中，其介質(zhì)的低沸點(diǎn)和可壓縮性，使得準(zhǔn)確測(cè)量變得復(fù)雜和困難。

2、法蘭夾裝式液體渦輪流量計(jì)工作原理及主要特性

當(dāng)流體經(jīng)過渦輪流量計(jì)管內(nèi)腔時(shí)，推動(dòng)帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，葉片周期性的改變信號(hào)發(fā)生器磁路的磁阻，使通過感應(yīng)線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化，從而感生一個(gè)與電流成正比的交流信號(hào)，通過測(cè)量傳感器輸出信號(hào)頻率達(dá)到被測(cè)量流體流量的目的。

如果渦輪上的葉片與渦輪軸線的夾角為α，當(dāng)流體通過時(shí)，就有一個(gè)力作用在葉片上，這個(gè)力與流量、流體的密度及流速有關(guān)。則渦輪轉(zhuǎn)速n與體積流量Q的關(guān)系推導(dǎo)如下：

式中，r為葉輪平均半徑；Vq為平均半徑r處流體的切向流速；n為渦輪轉(zhuǎn)速；Vp為軸向平均流速；S為葉柵的流通截面積；Q為體積流量。

由式(4)可知，當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)一定時(shí)，r、s、α為定值，tgα為常數(shù)，則轉(zhuǎn)速n與Q成正比。

以上結(jié)論是在忽略渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中機(jī)械摩擦和各種阻力下導(dǎo)出的，但實(shí)際應(yīng)用中，流量與渦輪轉(zhuǎn)速之間并不能維持上式那樣簡單的線性關(guān)系。在流量較小時(shí)，轉(zhuǎn)速與流量之間不是線性關(guān)系，這主要是由于在低流量下流動(dòng)阻力變化較大；當(dāng)軸承摩擦力矩小到可以忽略時(shí)，流量計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)可看作常數(shù)，此時(shí)流量計(jì)工作在紊流狀態(tài)，流量與轉(zhuǎn)速將維持線性關(guān)系；當(dāng)流量較大時(shí)，特性迅速改變，這是因?yàn)榱髁窟^大，葉輪轉(zhuǎn)速變快，流體的相對(duì)流速對(duì)渦輪軸線的夾角更接近葉片的傾角，減小了流體對(duì)葉片的沖擊作用，加上葉片頂與外殼之間的間隙造成的漏流量隨著流速增加而增大，改變了流量計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，破壞了Q與n的線性關(guān)系。

3、影響渦輪流量計(jì)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的主要因素

渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度受安裝地點(diǎn)、環(huán)境、流體的特性、上游流動(dòng)情況、流體溫度、壓力、流體粘度及流體清潔度的影響和制約。

渦輪流量計(jì)對(duì)入口的流速分布*敏感，入口流速的突變和流體的旋轉(zhuǎn)使得測(cè)量精度下降很大。在工程測(cè)量中，往往由于直管段長度不夠，或水平安裝角度過大或流量計(jì)附近管道內(nèi)所使用的各種密封墊突出等原因，使進(jìn)口處流體的旋轉(zhuǎn)未能徹底消除，而改變了流體和渦輪葉片的角度。這種影響一般會(huì)使精度變化2%左右。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，以下幾方面對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響是主要的。

3.1安裝狀態(tài)

按渦輪流量計(jì)的使用要求應(yīng)安裝在便于維修并盡量避免管道強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場和熱幅射的位置。發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車時(shí)，強(qiáng)振動(dòng)、磁場及熱幅射始終存在。目前，國內(nèi)外對(duì)振動(dòng)和熱幅射引起渦輪流量計(jì)測(cè)量變化范圍尚無結(jié)論。對(duì)于磁場帶來的干擾，可以通過測(cè)試電纜的屏蔽一點(diǎn)接地得到有效的解決。

渦輪流量計(jì)校驗(yàn)和使用時(shí)都要求水平安裝。且盡量按照校驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)安裝。安裝狀態(tài)不同，摩阻就不同，摩阻又稱阻尼力，由軸承的磨擦阻力和信號(hào)發(fā)生器的電磁的阻力組成。其中，軸承的磨擦阻力是主要的。經(jīng)試驗(yàn)證明，軸承受力變化會(huì)造成流量(系數(shù))的波動(dòng)，從而造成 2‰左右的誤差。在小流量時(shí)，其影響更大。 摩阻不同，同**量下渦輪轉(zhuǎn)速也不同。

3.2入口直管段的設(shè)置

入口直管段的長度對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度影響很大，其直管段長度的設(shè)置可按下式計(jì)算：

式中，L為入口直管段長度(直管段內(nèi)徑應(yīng)與流量變送器內(nèi)徑相同)；D 為變送器的內(nèi)徑；f為管道內(nèi)摩擦系數(shù)，紊流狀態(tài)時(shí)f=0.0175；k為漩渦速度比，由流量計(jì)的前管路情況確定。

k的取值，一般為：

k=0.75(流量計(jì)前有同心收縮管)；

k=1.0(流量計(jì)直管段前有一個(gè)圓弧彎頭)；

k=1.25(流量計(jì)前有同一平面的兩個(gè)彎頭)；

k=2.0(流量計(jì)前有不同平面的兩個(gè)彎頭)；

k=1.0(流量計(jì)前有全開閥門)；

k=2.5(流量計(jì)前有半開閥門)；

k=2(流量計(jì)前有直角灣頭)。

由式(5)可計(jì)算出渦輪流量計(jì)在校驗(yàn)和使用時(shí)配套直管段的量小長度(見表1)：

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，由于渦輪流量計(jì)安裝位置所限，其入口、出口無法完全滿足上述條件。按校驗(yàn)時(shí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為：在渦輪流量計(jì)入口、出口分別安裝20×D和5×D長的直管段即可起到有效整流的作用。

3.3流體溫度

流體溫度變化會(huì)引起渦輪流量計(jì)金屬材料熱脹冷縮，幾何尺寸也隨之變化，因而引起轉(zhuǎn)速的變化。葉輪轉(zhuǎn)速隨溫度變化呈線性變化。經(jīng)試驗(yàn)證明，夏季校驗(yàn)的流量計(jì)在冬季使用時(shí)造成的誤差可達(dá)0.2%(溫差達(dá) 50℃時(shí))。對(duì)于用低溫測(cè)量的流量計(jì)(常溫水介質(zhì)校驗(yàn))則影響更大。

4、流量測(cè)量數(shù)據(jù)的異常

在某試車臺(tái)液氧/煤油試驗(yàn)中，液氧和煤油系統(tǒng)均在主管路上串聯(lián)安裝雙渦輪流量計(jì)，并在泵前安裝了*三個(gè)流量計(jì)(液氧系統(tǒng)流量計(jì)口徑為300mm，煤油系統(tǒng)流量計(jì)口徑為200mm)。但熱試車穩(wěn)定段中流量測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。如在液氧穩(wěn)定段流量測(cè)量中，氧泵前流量計(jì)波動(dòng)在20kg以內(nèi)，液氧主管道1位置波動(dòng)在9kg以內(nèi)，氧主管路2位置波動(dòng)在8kg以內(nèi)。煤油泵前流量計(jì)上下波動(dòng)在4.5kg以內(nèi)，煤油主管道兩個(gè)流量計(jì)上下波動(dòng)均在3kg左右。除了流量計(jì)自身波動(dòng)較大外，主管道兩個(gè)流量計(jì)在穩(wěn)定段下測(cè)得的平均值也有較大差異(泵前流量計(jì)受安裝環(huán)境所限，不做探討)：液氧主管路兩個(gè)流量計(jì)測(cè)量差值為2.5～5.0kg/s，煤油主管路兩個(gè)流量計(jì)測(cè)量差值為1～3kg/s。

4.1主管道流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的差異

穩(wěn)定段下主管道兩個(gè)串聯(lián)流量計(jì)測(cè)量平均值的差異是系統(tǒng)誤差，這主要跟每個(gè)流量計(jì)的性能有關(guān)，但也跟安裝位置(入口直管段長度及阻流件情況)和安裝狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)閮蓚€(gè)位置處流體的旋流情況、阻流件情況以及流量計(jì)入口流速分布均勻度有一定差異。另外，按水平位置校驗(yàn)的流量計(jì)，若使用時(shí)安裝傾角過大，軸承的摩擦阻力將變大，流量測(cè)量值將偏小。經(jīng)定位試驗(yàn)驗(yàn)證：若傾角超過5.0°，對(duì)測(cè)量精度有影響(某試車臺(tái)液氧主管道水平傾角為5.8左右)。

除了上述影響外，校驗(yàn)時(shí)為單臺(tái)校驗(yàn)，而熱試車時(shí)為串聯(lián)使用。認(rèn)為位置1處的流量計(jì)對(duì)位置2處的流量計(jì)的測(cè)量值是有一定影響的，因?yàn)榻橘|(zhì)通過位置1流量計(jì)后是高速旋流狀態(tài)，在進(jìn)入位置2流量計(jì)(前直管段若小于20×D)入口時(shí)旋流無法完全消除。可以肯定流速越高旋流越嚴(yán)重，對(duì)位置2流量計(jì)的影響也就越大(某試車臺(tái)液氧主管道位置2流量計(jì)入口直管段長度為16×D，煤油位置2流量計(jì)入口直管段長度大于20×D)。

4.2測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)

由于液氧和煤油泵前流量計(jì)安裝位置受直管段長度等因素的限制，以及流量計(jì)輸出波形的不正規(guī)，測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大的波動(dòng)是可知的。在影響其諸多的因素中，根據(jù)現(xiàn)場使用狀態(tài)來分析，*先，安裝位置除受直管段長度影響外，流量計(jì)本身輸出波形的脈沖寬度不一樣，單周期測(cè)量時(shí)會(huì)引起較大波動(dòng)；其次，主管道水平傾角過大也是影響流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)的一個(gè)原因。理由是：渦輪流量計(jì)使用和校驗(yàn)時(shí)都要求軸向要平衡。由于傾角過大，渦輪流量計(jì)在工作時(shí)軸承將不能保持動(dòng)態(tài)平衡，會(huì)使軸承摩阻發(fā)生變化，引起流量(系數(shù))的波動(dòng)。其后果導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)大。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，煤油是常溫測(cè)量，測(cè)量的精度遠(yuǎn)高于液氧，其測(cè)量差異可通過修正方法基本消除。而液氧流量測(cè)量是在低溫和高壓狀態(tài)下進(jìn)行的，液氧的低沸點(diǎn)和可壓縮性，使得準(zhǔn)確測(cè)量其密度又成為一個(gè)難題。另外，渦輪流量計(jì)是常溫水介質(zhì)校驗(yàn)，而用于低溫液氧測(cè)量時(shí)，認(rèn)為會(huì)使其軸承、葉輪等金屬材料不同程度的冷縮，結(jié)果會(huì)使流量(系數(shù))發(fā)生一定的變化。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量測(cè)量，*關(guān)心的是穩(wěn)定段的流量測(cè)量。理論上講，如果流量計(jì)使用狀態(tài)和校驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)完全一致，系統(tǒng)誤差是可以消除的。但發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車時(shí)的環(huán)境惡劣，無法完全滿足這一條件。在現(xiàn)有的使用狀態(tài)下提高其測(cè)量的精度成為亟待解決的課題。認(rèn)為解決的方法是用分節(jié)式電容液面計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

試驗(yàn)臺(tái)液氧容器裝有分節(jié)式電容液面計(jì)(精度3‰)，可測(cè)平均流量。分節(jié)式電容液面計(jì)一方面可以做為流量測(cè)量手段；另一方面，在試驗(yàn)中可做為渦輪流量計(jì)的校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中，只要液面計(jì)準(zhǔn)確測(cè)得某平穩(wěn)段的推進(jìn)劑體積流量，就可通過對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)測(cè)得的體積流量以及對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)反算出流量計(jì)的校準(zhǔn)系數(shù)。幾次試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累后，可用*小二乘法擬合出一條曲線，準(zhǔn)確的給出現(xiàn)有使用狀態(tài)下渦輪流量計(jì)的校驗(yàn)系數(shù)。

5、結(jié)論

(1)認(rèn)為渦輪流量計(jì)的安裝狀態(tài)、直管段設(shè)置、流體溫度是影響渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的主要因素。

(2)針對(duì)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)流量測(cè)量數(shù)據(jù)的異常，根據(jù)現(xiàn)場使用狀態(tài)，分析并指出影響其測(cè)量精度的主要因素。提出了用分節(jié)式電容液面計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。現(xiàn)場校準(zhǔn)的好處一是可以在不改變現(xiàn)有使用狀態(tài)下基本消除系統(tǒng)誤差；二是渦輪流量計(jì)不用再進(jìn)行水校，降低了試驗(yàn)成本。