摘要：以渦輪流量計在液體火箭發(fā)動機(jī)試驗中的應(yīng)用為研究對象。針對液氧煤油發(fā)動機(jī)試驗中流量測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的異常波動和較大的系統(tǒng)誤差，從渦輪流量計的現(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)式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實介質(zhì)的校驗，校驗的方法可通過液面計測得的體積流量反算出渦輪流量計的流量系數(shù)來實現(xiàn)。

1、引言

液體火箭發(fā)動機(jī)試驗中，推進(jìn)劑流量是關(guān)鍵參數(shù)。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：精度高(5‰)，重復(fù)性好，滯后時間較小，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(tǒng)誤差。特別在低溫推進(jìn)劑流量測量中，其介質(zhì)的低沸點和可壓縮性，使得準(zhǔn)確測量變得復(fù)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(dāng)流體經(jīng)過渦輪流量計管內(nèi)腔時，推動帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，葉片周期性的改變信號發(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，從而感生一個與電流成正比的交流信號，通過測量傳感器輸出信號頻率達(dá)到被測量流體流量的目的。

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，就有一個力作用在葉片上，這個力與流量、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，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)動過程中機(jī)械摩擦和各種阻力下導(dǎo)出的，但實際應(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，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阻力變化較大；當(dāng)軸承摩擦力矩小到可以忽略時，流量計轉(zhuǎn)換系數(shù)可看作常數(shù)，此時流量計工作在紊流狀態(tài)，流量與轉(zhuǎn)速將維持線性關(guān)系；當(dāng)流量較大時，特性迅速改變，這是因為流量過大，葉輪轉(zhuǎn)速變快，流體的相對流速對渦輪軸線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流速增加而增大，改變了流量計的轉(zhuǎn)換系數(shù)，破壞了Q與n的線性關(guān)系。

3、影響渦輪流量計在火箭發(fā)動機(jī)試驗中的主要因素

渦輪流量計的測量精度受安裝地點、環(huán)境、流體的特性、上游流動情況、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(zhuǎn)使得測量精度下降很大。在工程測量中，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。這種影響一般會使精度變化2%左右。在液體火箭發(fā)動機(jī)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(yīng)安裝在便于維修并盡量避免管道強(qiáng)振動、強(qiáng)磁場和熱幅射的位置。發(fā)動機(jī)熱試車時，強(qiáng)振動、磁場及熱幅射始終存在。目前，國內(nèi)外對振動和熱幅射引起渦輪流量計測量變化范圍尚無結(jié)論。對于磁場帶來的干擾，可以通過測試電纜的屏蔽一點接地得到有效的解決。

渦輪流量計校驗和使用時都要求水平安裝。且盡量按照校驗時的狀態(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，軸承受力變化會造成流量(系數(shù))的波動，從而造成 2‰左右的誤差。在小流量時，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渦輪流量計的測量精度影響很大，其直管段長度的設(shè)置可按下式計算：

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圓弧彎頭)；

k=1.25(流量計前有同一平面的兩個彎頭)；

k=2.0(流量計前有不同平面的兩個彎頭)；

k=1.0(流量計前有全開閥門)；

k=2.5(流量計前有半開閥門)；

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配套直管段的量小長度(見表1)：

發(fā)動機(jī)試驗時，由于渦輪流量計安裝位置所限，其入口、出口無法完全滿足上述條件。按校驗時經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為：在渦輪流量計入口、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(zhuǎn)速的變化。葉輪轉(zhuǎn)速隨溫度變化呈線性變化。經(jīng)試驗證明，夏季校驗的流量計在冬季使用時造成的誤差可達(dá)0.2%(溫差達(dá) 50℃時)。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(shù)據(jù)的異常

在某試車臺液氧/煤油試驗中，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，并在泵前安裝了*三個流量計(液氧系統(tǒng)流量計口徑為300mm，煤油系統(tǒng)流量計口徑為200mm)。但熱試車穩(wěn)定段中流量測量數(shù)據(jù)波動較大。如在液氧穩(wěn)定段流量測量中，氧泵前流量計波動在20kg以內(nèi)，液氧主管道1位置波動在9kg以內(nèi)，氧主管路2位置波動在8kg以內(nèi)。煤油泵前流量計上下波動在4.5kg以內(nèi)，煤油主管道兩個流量計上下波動均在3kg左右。除了流量計自身波動較大外，主管道兩個流量計在穩(wěn)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)：液氧主管路兩個流量計測量差值為2.5～5.0kg/s，煤油主管路兩個流量計測量差值為1～3kg/s。

4.1主管道流量計測量數(shù)據(jù)的差異

穩(wěn)定段下主管道兩個串聯(lián)流量計測量平均值的差異是系統(tǒng)誤差，這主要跟每個流量計的性能有關(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)，因為兩個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，若使用時安裝傾角過大，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5.0°，對測量精度有影響(某試車臺液氧主管道水平傾角為5.8左右)。

除了上述影響外，校驗時為單臺校驗，而熱試車時為串聯(lián)使用。認(rèn)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)入口時旋流無法完全消除?？梢钥隙魉僭礁咝髟絿?yán)重，對位置2流量計的影響也就越大(某試車臺液氧主管道位置2流量計入口直管段長度為16×D，煤油位置2流量計入口直管段長度大于20×D)。

4.2測量數(shù)據(jù)的波動

由于液氧和煤油泵前流量計安裝位置受直管段長度等因素的限制，以及流量計輸出波形的不正規(guī)，測量數(shù)據(jù)存在較大的波動是可知的。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，流量計本身輸出波形的脈沖寬度不一樣，單周期測量時會引起較大波動；其次，主管道水平傾角過大也是影響流量計測量數(shù)據(jù)波動的一個原因。理由是：渦輪流量計使用和校驗時都要求軸向要平衡。由于傾角過大，渦輪流量計在工作時軸承將不能保持動態(tài)平衡，會使軸承摩阻發(fā)生變化，引起流量(系數(shù))的波動。其后果導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)波動大。

從試驗數(shù)據(jù)分析可知，煤油是常溫測量，測量的精度遠(yuǎn)高于液氧，其測量差異可通過修正方法基本消除。而液氧流量測量是在低溫和高壓狀態(tài)下進(jìn)行的，液氧的低沸點和可壓縮性，使得準(zhǔn)確測量其密度又成為一個難題。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，認(rèn)為會使其軸承、葉輪等金屬材料不同程度的冷縮，結(jié)果會使流量(系數(shù))發(fā)生一定的變化。

發(fā)動機(jī)試驗流量測量，*關(guān)心的是穩(wěn)定段的流量測量。理論上講，如果流量計使用狀態(tài)和校驗時的狀態(tài)完全一致，系統(tǒng)誤差是可以消除的。但發(fā)動機(jī)熱試車時的環(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)式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實介質(zhì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

試驗臺液氧容器裝有分節(jié)式電容液面計(精度3‰)，可測平均流量。分節(jié)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(biāo)準(zhǔn)。試驗中，只要液面計準(zhǔn)確測得某平穩(wěn)段的推進(jìn)劑體積流量，就可通過對應(yīng)時間內(nèi)測得的體積流量以及對應(yīng)時間內(nèi)流量計輸出的脈沖數(shù)反算出流量計的校準(zhǔn)系數(shù)。幾次試驗數(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)下渦輪流量計的校驗系數(shù)。

5、結(jié)論

(1)認(rèn)為渦輪流量計的安裝狀態(tài)、直管段設(shè)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)動機(jī)流量測量數(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量精度的主要因素。提出了用分節(jié)式電容液面計對渦輪流量計進(jìn)行真實介質(zhì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)?，F(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；二是渦輪流量計不用再進(jìn)行水校，降低了試驗成本。