摘要：以渦輪流量計在液體火箭發(fā)動(dòng)機試驗中的應用為研究對象。針對液氧煤油發(fā)動(dòng)機試驗中流量測量數據出現的異常波動(dòng)和較大的系統誤差，從渦輪流量計的現場(chǎng)使用狀態(tài)進(jìn)行了分析。認為解決的方法是用分節式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的校驗，校驗的方法可通過(guò)液面計測得的體積流量反算出渦輪流量計的流量系數來(lái)實(shí)現。

1、引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機試驗中，推進(jìn)劑流量是關(guān)鍵參數。采用的測量裝置多為渦輪流量計。渦輪流量計有許多優(yōu)點(diǎn)：精度高(5‰)，重復性好，滯后時(shí)間較小，耐壓和選用溫度范圍較寬。與其他類(lèi)型的機械式流量計相比，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，對管道中流態(tài)的變化很敏感，再加上渦輪流量計校驗介質(zhì)(水校)與試車(chē)介質(zhì)的不同，以及使用狀態(tài)與校驗狀態(tài)的不同，容易引入系統誤差。特別在低溫推進(jìn)劑流量測量中，其介質(zhì)的低沸點(diǎn)和可壓縮性，使得準確測量變得復雜和困難。

2、法蘭夾裝式液體渦輪流量計工作原理及主要特性

當流體經(jīng)過(guò)渦輪流量計管內腔時(shí)，推動(dòng)帶有螺旋葉片的轉子旋轉，葉片周期性的改變信號發(fā)生器磁路的磁阻，使通過(guò)感應線(xiàn)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，通過(guò)測量傳感器輸出信號頻率達到被測量流體流量的目的。

如果渦輪上的葉片與渦輪軸線(xiàn)的夾角為α，當流體通過(guò)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)。則渦輪轉速n與體積流量Q的關(guān)系推導如下：

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，當渦輪結構一定時(shí)，r、s、α為定值，tgα為常數，則轉速n與Q成正比。

以上結論是在忽略渦輪轉動(dòng)過(guò)程中機械摩擦和各種阻力下導出的，但實(shí)際應用中，流量與渦輪轉速之間并不能維持上式那樣簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。在流量較小時(shí)，轉速與流量之間不是線(xiàn)性關(guān)系，這主要是由于在低流量下流動(dòng)阻力變化較大；當軸承摩擦力矩小到可以忽略時(shí)，流量計轉換系數可看作常數，此時(shí)流量計工作在紊流狀態(tài)，流量與轉速將維持線(xiàn)性關(guān)系；當流量較大時(shí)，特性迅速改變，這是因為流量過(guò)大，葉輪轉速變快，流體的相對流速對渦輪軸線(xiàn)的夾角更接近葉片的傾角，減小了流體對葉片的沖擊作用，加上葉片頂與外殼之間的間隙造成的漏流量隨著(zhù)流速增加而增大，改變了流量計的轉換系數，破壞了Q與n的線(xiàn)性關(guān)系。

3、影響渦輪流量計在火箭發(fā)動(dòng)機試驗中的主要因素

渦輪流量計的測量精度受安裝地點(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。

渦輪流量計對入口的流速分布*敏感，入口流速的突變和流體的旋轉使得測量精度下降很大。在工程測量中，往往由于直管段長(cháng)度不夠，或水平安裝角度過(guò)大或流量計附近管道內所使用的各種密封墊突出等原因，使進(jìn)口處流體的旋轉未能徹底消除，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)機試驗中，以下幾方面對渦輪流量計測量精度的影響是主要的。

3.1安裝狀態(tài)

按渦輪流量計的使用要求應安裝在便于維修并盡量避免管道強振動(dòng)、強磁場(chǎng)和熱幅射的位置。發(fā)動(dòng)機熱試車(chē)時(shí)，強振動(dòng)、磁場(chǎng)及熱幅射始終存在。目前，國內外對振動(dòng)和熱幅射引起渦輪流量計測量變化范圍尚無(wú)結論。對于磁場(chǎng)帶來(lái)的干擾，可以通過(guò)測試電纜的屏蔽一點(diǎn)接地得到有效的解決。

渦輪流量計校驗和使用時(shí)都要求水平安裝。且盡量按照校驗時(shí)的狀態(tài)安裝。安裝狀態(tài)不同，摩阻就不同，摩阻又稱(chēng)阻尼力，由軸承的磨擦阻力和信號發(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)試驗證明，軸承受力變化會(huì )造成流量(系數)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**量下渦輪轉速也不同。

3.2入口直管段的設置

入口直管段的長(cháng)度對渦輪流量計的測量精度影響很大，其直管段長(cháng)度的設置可按下式計算：

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

k的取值，一般為：

k=0.75(流量計前有同心收縮管)；

k=1.0(流量計直管段前有一個(gè)圓弧彎頭)；

k=1.25(流量計前有同一平面的兩個(gè)彎頭)；

k=2.0(流量計前有不同平面的兩個(gè)彎頭)；

k=1.0(流量計前有全開(kāi)閥門(mén))；

k=2.5(流量計前有半開(kāi)閥門(mén))；

k=2(流量計前有直角灣頭)。

由式(5)可計算出渦輪流量計在校驗和使用時(shí)配套直管段的量小長(cháng)度(見(jiàn)表1)：

發(fā)動(dòng)機試驗時(shí)，由于渦輪流量計安裝位置所限，其入口、出口無(wú)法完全滿(mǎn)足上述條件。按校驗時(shí)經(jīng)驗數據，一般認為：在渦輪流量計入口、出口分別安裝20×D和5×D長(cháng)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 )引起渦輪流量計金屬材料熱脹冷縮，幾何尺寸也隨之變化，因而引起轉速的變化。葉輪轉速隨溫度變化呈線(xiàn)性變化。經(jīng)試驗證明，夏季校驗的流量計在冬季使用時(shí)造成的誤差可達0.2%(溫差達 50℃時(shí))。對于用低溫測量的流量計(常溫水介質(zhì)校驗)則影響更大。

4、流量測量數據的異常

在某試車(chē)臺液氧/煤油試驗中，液氧和煤油系統均在主管路上串聯(lián)安裝雙渦輪流量計，并在泵前安裝了*三個(gè)流量計(液氧系統流量計口徑為300mm，煤油系統流量計口徑為200mm)。但熱試車(chē)穩定段中流量測量數據波動(dòng)較大。如在液氧穩定段流量測量中，氧泵前流量計波動(dòng)在20kg以?xún)?，液氧主管?位置波動(dòng)在9kg以?xún)?，氧主管?位置波動(dòng)在8kg以?xún)?。煤油泵前流量計上下波?dòng)在4.5kg以?xún)?，煤油主管道兩個(gè)流量計上下波動(dòng)均在3kg左右。除了流量計自身波動(dòng)較大外，主管道兩個(gè)流量計在穩定段下測得的平均值也有較大差異(泵前流量計受安裝環(huán)境所限，不做探討)：液氧主管路兩個(gè)流量計測量差值為2.5～5.0kg/s，煤油主管路兩個(gè)流量計測量差值為1～3kg/s。

4.1主管道流量計測量數據的差異

穩定段下主管道兩個(gè)串聯(lián)流量計測量平均值的差異是系統誤差，這主要跟每個(gè)流量計的性能有關(guān)，但也跟安裝位置(入口直管段長(cháng)度及阻流件情況)和安裝狀態(tài)有關(guān)，因為兩個(gè)位置處流體的旋流情況、阻流件情況以及流量計入口流速分布均勻度有一定差異。另外，按水平位置校驗的流量計，若使用時(shí)安裝傾角過(guò)大，軸承的摩擦阻力將變大，流量測量值將偏小。經(jīng)定位試驗驗證：若傾角超過(guò)5.0°，對測量精度有影響(某試車(chē)臺液氧主管道水平傾角為5.8左右)。

除了上述影響外，校驗時(shí)為單臺校驗，而熱試車(chē)時(shí)為串聯(lián)使用。認為位置1處的流量計對位置2處的流量計的測量值是有一定影響的，因為介質(zhì)通過(guò)位置1流量計后是高速旋流狀態(tài)，在進(jìn)入位置2流量計(前直管段若小于20×D)入口時(shí)旋流無(wú)法完全消除?？梢钥隙魉僭礁咝髟絿乐?，對位置2流量計的影響也就越大(某試車(chē)臺液氧主管道位置2流量計入口直管段長(cháng)度為16×D，煤油位置2流量計入口直管段長(cháng)度大于20×D)。

4.2測量數據的波動(dòng)

由于液氧和煤油泵前流量計安裝位置受直管段長(cháng)度等因素的限制，以及流量計輸出波形的不正規，測量數據存在較大的波動(dòng)是可知的。在影響其諸多的因素中，根據現場(chǎng)使用狀態(tài)來(lái)分析，*先，安裝位置除受直管段長(cháng)度影響外，流量計本身輸出波形的脈沖寬度不一樣，單周期測量時(shí)會(huì )引起較大波動(dòng)；其次，主管道水平傾角過(guò)大也是影響流量計測量數據波動(dòng)的一個(gè)原因。理由是：渦輪流量計使用和校驗時(shí)都要求軸向要平衡。由于傾角過(guò)大，渦輪流量計在工作時(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)的波動(dòng)。其后果導致測量數據波動(dòng)大。

從試驗數據分析可知，煤油是常溫測量，測量的精度遠高于液氧，其測量差異可通過(guò)修正方法基本消除。而液氧流量測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，使得準確測量其密度又成為一個(gè)難題。另外，渦輪流量計是常溫水介質(zhì)校驗，而用于低溫液氧測量時(shí)，認為會(huì )使其軸承、葉輪等金屬材料不同程度的冷縮，結果會(huì )使流量(系數)發(fā)生一定的變化。

發(fā)動(dòng)機試驗流量測量，*關(guān)心的是穩定段的流量測量。理論上講，如果流量計使用狀態(tài)和校驗時(shí)的狀態(tài)完全一致，系統誤差是可以消除的。但發(fā)動(dòng)機熱試車(chē)時(shí)的環(huán)境惡劣，無(wú)法完全滿(mǎn)足這一條件。在現有的使用狀態(tài)下提高其測量的精度成為亟待解決的課題。認為解決的方法是用分節式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的現場(chǎng)校準。

試驗臺液氧容器裝有分節式電容液面計(精度3‰)，可測平均流量。分節式電容液面計一方面可以做為流量測量手段；另一方面，在試驗中可做為渦輪流量計的校驗標準。試驗中，只要液面計準確測得某平穩段的推進(jìn)劑體積流量，就可通過(guò)對應時(shí)間內測得的體積流量以及對應時(shí)間內流量計輸出的脈沖數反算出流量計的校準系數。幾次試驗數據積累后，可用*小二乘法擬合出一條曲線(xiàn)，準確的給出現有使用狀態(tài)下渦輪流量計的校驗系數。

5、結論

(1)認為渦輪流量計的安裝狀態(tài)、直管段設置、流體溫度是影響渦輪流量計測量精度的主要因素。

(2)針對液氧/煤油發(fā)動(dòng)機流量測量數據的異常，根據現場(chǎng)使用狀態(tài)，分析并指出影響其測量精度的主要因素。提出了用分節式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的現場(chǎng)校準?，F場(chǎng)校準的好處一是可以在不改變現有使用狀態(tài)下基本消除系統誤差；二是渦輪流量計不用再進(jìn)行水校，降低了試驗成本。