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煤油發動機試驗中壓差式孔板流量計的設計
發布時間:2019-10-05

摘要:論述了液體火箭發動機用過氧化氫作為推進劑進行試驗的過程中流量測量可采用的方式。提出了壓差式孔板流量計測量和角接式取壓結構在過氧化氫/煤油發動機試驗中的應用技術。針對過氧化氫/煤油發動機試驗中流量測量提出了研究需要解決的關鍵技術。
1引言
  在過氧化氫/煤油發動機試驗中,因為過氧化氫的特殊性質,決定了試驗系統在組建時對管道、閥門等組件材料有特殊要求。又因發動機為擠壓式工作,因此,在流量計選材時必須從過氧化氫的相容性和強度兩方面同時考慮。
因為1Cr18Ni9Ti與過氧化氫為二級相容,同時,它在材料方面具有很好的綜合力學性能,可用于高壓擠壓式試驗系統中。因此在流量計選材時可采用1Cr18Ni9Ti材料。
  在用于過氧化氫系統時,常規的流量計有渦輪流量計靶式流量計、質量流量計等。但其測量方式、密封形式及材質方面都因為與過氧化氫出現不同程度的不相容現象而無法正常使用。因此,在過氧化氫/煤油發動機試驗的研制過程中,必須盡快地解決流量的測量問題,同時,應該盡可能提高流量計的安全性和可靠性研究工作。
孔板流量計的結構簡單,材質方面可完全采用與過氧化氫相容的材料,密封的實現也較為容易,同時設計壓力在選擇時無局限性。孔板流量計在實際使用當中,通過對孔板前、后壓力的測量來轉化成流量的測量。因此壓力的獲得應力求準確,在設計上采用了角接式取壓結構。
  壓差式孔板流量計適用于圓管流的流量測量。在管內設置孔板,當有流體流過時,在其上、下游側之間就會產生靜壓差。在有關參數已知的條件下,該靜壓力與流體流量之間有確定的數值關系(詳見孔板計算)。
2孔板流量計的設計結構
2.1孔板的技術要求
  孔板的結構如圖1所示。孔板的上游端面應是平整的,其表面任何兩點的連線對垂直于中心線平面的斜率應小于1%。此時,可忽略孔板表面上不可避免的、肉眼看不見的局部缺陷。在與孔板同心的直徑不小于1.5d的圓的范圍內,應保證孔板上游端面的粗糙度準則dRa410?≤。下游端面應是平整的,而且平行于上游面。

孔板厚度E、銳孔厚度e及斜角F的確定如下:
(1)銳孔厚度e應在0.005D和0.02D之間,在銳孔上任何點所測得的e值之間的差不得大于0.001D。
(2)孔板厚度E應在e和0.05D之間,在孔板上任何點所測得的E值之間的差不得大于0.001D。
(3)如果孔板厚度E超過了銳孔厚度e,則孔板下游應做成傾斜面,斜面應加工得光滑。斜面角應在30°~45°之間。
(4)邊緣G、H、I應是尖銳的既無劃痕也無毛刺。
  銳孔應是圓筒形的,并垂直于上游端面。孔徑d值應至少取四個不同測量方向直徑的平均值。這四個直徑應按彼此大致相等的角距離分布在幾個軸向平面內。任何孔徑的單測值與平均直徑之差不應大于0.05%。
2.2孔板流量計的安裝
  在實際的設計當中,孔板應設計為可拆卸式結構,一種孔板不可能適應任何工況。即在所有的工作區間,孔板的流出系數并非恒定不變。在孔板的設計區內工作時,流量的測量值可信度較高,在非設計區內工作時,流量的測量值可能會出現失真現象。按照試驗時貯箱的工作壓力對法蘭進行結構設計。連接形式見圖2。
   在使用中,孔板結構可設計為放大狀態下的密封墊。兩頭采用活套法蘭結構,與管路連接,中間為起密封作用的孔板。在孔板的前、后分別設置取壓孔,以此獲得壓力參數。用靠肩圈和孔板在對接時形成的內腔來實現取壓環的結構。
這種結構在完成有效密封的前提下,使角接式取壓結構在連接的過程中得到了實現。從而提高了孔板流量計安裝和使用的高可靠度要求。

2.3角接取壓形式
  孔板流量計在實際的使用過程中,不但應實現管路的連接和密封,同時應滿足角接式取壓結構的設計要求。
  取壓的方式較多,將孔板用于流量測量時,為降低流量的測量誤差,采取了角接取壓結構。角接取壓的結構形式見圖3所示。

  取壓口的中心線與孔板的相應端面之間的間距等于取壓口直徑的一半或等于取壓口本身寬度之半,這樣,穿透管壁的取壓口與孔板兩端面正好取平。圖3參數的取值如下:a為環隙寬度,對任意β值在測量清潔流體的流量時,1mm≤a≤10mm;C和C′為上游和下游的環的長度,不應大于0.5D;f為厚度,應大于或等于環隙寬度a的兩倍;g×h為環室的橫截面積,應大于或等于連接環室與管子內部的開口總面積的一半;j為直徑,連接環室和二次裝置的取壓口是管壁取壓,穿透處呈圓形,j應在4~10mm之間.
3壓差式孔板流量計的設計計算
流量的計算公式如下:

  w為管道橫截面積上流體運動的平均速度,m/s;d為孔板孔徑;D為管道直徑;υ為流體的運動粘性系數;L1=l1/D是上游取壓口到孔板上游端面的距離除以管徑的商;L2′=l2′/D是下游取壓口到孔板下游端面的距離除以管徑的商(角接取壓時L1和L2′取0);β=d/D,為直徑比;ρ=1390kg/m3,為過氧化氫的密度;E為漸近速度系數;ε為膨脹系數;?p為孔板上、下游側之間的壓差;p1是上游側壓力;k為等熵系數。
  在已知各項設計參數如質量流量qm、壓差?p、上游側壓力p1及推進劑各種性能參數的情況下,代入流量計算公式,反求β或d,既可確定孔板的尺寸。
在使用工質為過氧化氫時,流量計算的公式可簡化為:

表1是在預設的三種設計狀態下(其余參數已知)計算程序得到的孔板結構尺寸。

4壓差式孔板流量計的設計驗證
  試驗準備階段,按上述工況2和工況3分別計算的結果制作孔板各一個,參照要求的流量,在冷調時,流量接近工況3狀態。因此,在試驗系統上安裝這種設計狀態的孔板,冷調時系統上串接一渦輪流量計,用它來校準孔板流量計。通過多種流量的調整發現,在小流量和大流量兩種狀態下工作時,孔板的流出系數差異較大。在額定流量下進行三次調試(額定流量接近設計流量),流出系數為恒定值。這樣,也進一步驗證了孔板流量計設計的有效性和準確性。同時,該孔板流量計參加了兩次過氧化氫/煤油試驗,對該種流量計結構設計的可行性也得到了驗證。

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