摘要:本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)燃油系統(tǒng)渦輪流量計(jì)的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明,詳細(xì)分析了漩渦流、脈動(dòng)流介質(zhì)粘度.介質(zhì)污染度和電磁干擾等的外部因素對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響，并逐-給出了消除外部影響因素的方法,對(duì)渦輪流量計(jì)使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)燃油系統(tǒng)提升燃油流量的測(cè)量精度具有一定的指導(dǎo)意義。
0引言
航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)燃油系統(tǒng)是試車臺(tái)工藝系統(tǒng)的重要組成部分,用于為發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需壓力和流量的持續(xù)不間斷的燃油供應(yīng)，一般具有調(diào)壓、過(guò)濾、計(jì)量等功能。
發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗油率作為發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)定的重要參數(shù)之一，要求燃油流量測(cè)量應(yīng)盡可能地降低來(lái)自外界的影響、盡可能真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃油消耗。雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)作為速度式流量測(cè)量?jī)x表,其具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)燃油系統(tǒng)燃油流量測(cè)量,以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。
1渦輪流量計(jì)工作原理
渦輪流量計(jì)主要由流量計(jì)殼體、渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子前后導(dǎo)流器、壓緊圈、感應(yīng)線圈和永久磁鐵等組成。當(dāng)燃油流經(jīng)渦輪流量計(jì)時(shí),管道內(nèi)流動(dòng)的燃油驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨燃油流速的增加而增加,渦輪轉(zhuǎn)子切割永久磁鐵的磁力線,感應(yīng)線圈檢測(cè)到渦輪轉(zhuǎn)子的電磁信號(hào)并轉(zhuǎn)換成可讀取的頻率、電流或電壓信號(hào),并將信號(hào)傳輸至后端儀表進(jìn)行累計(jì)或顯示。
在理想工作狀態(tài)下，渦輪流量計(jì)的體積流量qv與渦輪流量計(jì)輸出的信號(hào)脈沖頻率F之間呈正比關(guān)系，即:
式中:K為渦輪流量計(jì)儀表系數(shù),L-1;F為渦輪流量計(jì)輸出的脈沖頻率。
理想工作狀態(tài)下，渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)K為定值，在使用過(guò)程中渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)與外部流狀態(tài)、流體黏度、流體溫度、流體壓力等呈函數(shù)關(guān)系,即K=f(qv、t、P、T)。
2渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的外部影響因素
在實(shí)際使用過(guò)程中,由于渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、介質(zhì)來(lái)流旋渦、介質(zhì)來(lái)流壓力波動(dòng)、流量計(jì)及管道的振動(dòng)、介質(zhì)來(lái)流污染度、介質(zhì)來(lái)流溫度變化等影響,會(huì)造成渦輪流量計(jì)精度測(cè)量誤差。
2.1漩渦流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
當(dāng)燃油繞過(guò)障礙物如閥門、油濾、流量計(jì)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生漩渦流動(dòng)。為保持渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)K為定值，流過(guò)渦輪流量計(jì)的來(lái)流速度應(yīng)保持不變、減小來(lái)流速度畸變,以消除漩渦流的影響。為使流經(jīng)渦輪流量計(jì)的介質(zhì)來(lái)流速度畸變盡可能的小，在渦輪流量計(jì)上下游均設(shè)置一定長(zhǎng)度的直管段,使介質(zhì)來(lái)流發(fā)展成為層流或水力光滑管的流型。
根據(jù)渦輪流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度變化時(shí)儀表系數(shù)的變化情況研究,可知渦輪流量計(jì)上游直管段越長(zhǎng)，旋渦流動(dòng)對(duì)儀表常數(shù)影響就越小，在旋轉(zhuǎn)來(lái)流中的特性研究,正旋轉(zhuǎn)來(lái)流會(huì)使儀表常數(shù)偏大,而負(fù)旋轉(zhuǎn)則會(huì)使儀表常數(shù)偏小。如圖3所示。隨著上游直管段長(zhǎng)度的增加,漩渦流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流強(qiáng)度會(huì)隨之衰減;渦輪流量計(jì)越靠近漩渦流動(dòng)的源頭，渦輪流量計(jì)的精度就越差。因此,在安裝渦輪流量計(jì)時(shí),在流量計(jì).上游和下游分別設(shè)置一定長(zhǎng)度的直管段可以顯著削弱漩渦流動(dòng)，提高渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度。
2.2脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
脈動(dòng)流指流體在測(cè)量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù),但在一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平均值。脈動(dòng)流-般由齒輪泵、離心泵、壓力調(diào)節(jié)閥、電液伺服閥、電磁閥等的作動(dòng)產(chǎn)生。脈動(dòng)流產(chǎn)生的來(lái)源有多種，可來(lái)源于往復(fù)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件,如燃油增壓泵;可來(lái)源于管道或支架振動(dòng),如系統(tǒng)共振或支架顫振;可來(lái)源于壓力調(diào)節(jié)閥或流量控制閥的快速的壓力或流量調(diào)節(jié);也可來(lái)源于流體管道閥門、節(jié)流噴嘴的周期性作動(dòng);還可來(lái)源于系統(tǒng)節(jié)流孔板、彎頭等幾何特征而引起的流體振動(dòng)和湍流。如圖4燃油出口閥門作動(dòng)引起的脈動(dòng)流。
流量計(jì)來(lái)流存在脈動(dòng)流，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量誤差增大,甚至輸出頻率不穩(wěn)定。對(duì)特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動(dòng)流,可通過(guò)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動(dòng)流各參數(shù)的關(guān)系計(jì)算出在脈動(dòng)周期內(nèi)各離散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)角加速度并生成脈動(dòng)頻率曲線。
進(jìn)口脈動(dòng)流會(huì)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差，計(jì)算表明該偏差為正偏差,即測(cè)量值比真值偏大。脈動(dòng)流的頻率和振幅是渦輪流量計(jì)產(chǎn)生測(cè)量偏差的主要影響因素。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的角頻率與渦輪流量計(jì)進(jìn)0脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率相等時(shí),渦輪流量計(jì)的響應(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線相似,其測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值;當(dāng)渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子葉片角頻率大于進(jìn)0脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率時(shí),進(jìn)0脈動(dòng)流引起的測(cè)量偏差相對(duì)較小，渦輪流量計(jì)測(cè)量偏差隨進(jìn)0脈動(dòng)流的脈動(dòng)振幅增大而減小;當(dāng)渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子葉片角頻率小于進(jìn)口脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率時(shí),進(jìn)0脈動(dòng)流引起的測(cè)量偏差相對(duì)較大,渦輪流量計(jì)測(cè)量偏差隨進(jìn)口脈動(dòng)流的振動(dòng)振幅增大而增大。當(dāng)流體介質(zhì)中混入游離空氣，會(huì)進(jìn)一步增大脈動(dòng)流的脈動(dòng)振幅。
2.3黏度對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
被測(cè)流體黏度變化會(huì)影響渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。被測(cè)流體黏度會(huì)隨流體溫度的變化而變化,其雷諾數(shù)會(huì)相應(yīng)變化,單位流體經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)流阻會(huì)相應(yīng)改變,進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子葉片的輸出頻率,造成渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)的變化(當(dāng)粘度升高時(shí)，渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度會(huì)略有下降)。(RP-3在20℃時(shí)的粘度不小于1.25mm2/s)。在被測(cè)流體的溫度變化區(qū)間大時(shí),應(yīng)考慮溫度變化對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響,并進(jìn)行溫度修正。
2.4燃油污染度對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
渦輪流量計(jì)為高精度計(jì)量?jī)x表,轉(zhuǎn)子葉片和流量計(jì)內(nèi)表面的表面粗糙度等級(jí)高。渦輪是高速機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，轉(zhuǎn)子葉片與殼體間隙很小。燃油中的顆粒雜質(zhì)會(huì)造成軸承磨損及轉(zhuǎn)子卡滯,若雜質(zhì)顆粒吸附在轉(zhuǎn)子葉片表面，會(huì)增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。燃油中的游離水分子會(huì)造成流量計(jì)內(nèi)部銹蝕,降低轉(zhuǎn)子葉片和流量計(jì)內(nèi)表面的表面粗糙度等級(jí)。增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及低轉(zhuǎn)子葉片和流量計(jì)內(nèi)表面的表面粗糙度等級(jí)，會(huì)增大流量計(jì)的響應(yīng)失真程度。
2.5電磁干擾對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
電磁干擾通常由強(qiáng)電流或強(qiáng)電磁設(shè)備引起,發(fā)生源通常有馬達(dá)、電機(jī)、交流電源等強(qiáng)電設(shè)備以及電力線纜、線圈、發(fā)射器等電磁輻射裝置,常以電流場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式出現(xiàn)。強(qiáng)電流或電磁會(huì)對(duì)永久電磁鐵附近的磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)或疊加，使感應(yīng)線圈對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的感應(yīng)信號(hào)發(fā)生畸變,進(jìn)而引起渦輪流量計(jì)輸出的頻率、電壓或電流傳輸信號(hào)發(fā)生畸變,造成燃油流量顯示波動(dòng)。
3消除外部因素影響的方法
針對(duì)外部因素對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響,可以從以下五個(gè)方面進(jìn)行消除:
3.1保證渦輪流量計(jì).上下游直管段長(zhǎng)度
①渦輪流量計(jì)上游直管段及下游直管段的管道通徑與渦輪流量計(jì)的通徑保持--致。
②渦輪流量計(jì).上游直管段的長(zhǎng)度不應(yīng)小于10倍的渦輪流量計(jì)通徑。
③渦輪流量計(jì)下游直管段的長(zhǎng)度不應(yīng)小于5倍的渦輪流量計(jì)通徑。
④渦輪流量計(jì)盡量使用流量計(jì)廠家推薦的上下游直管段。
3.2消除脈動(dòng)流影響
①加粗燃油管道,降低管道內(nèi)流速。
②流量計(jì)遠(yuǎn)離作動(dòng)部件,降低脈動(dòng)流影響。
③流量計(jì)前后加整流器、軟管、過(guò)濾網(wǎng)、過(guò)濾器等部件,減弱或消除脈動(dòng)流影響。
④系統(tǒng)作動(dòng)部件和流量計(jì)可靠固定，減小振幅,消除系統(tǒng)共振。
3.3校準(zhǔn)過(guò)程控制
①渦輪流量計(jì)在送檢過(guò)程中，應(yīng)可靠封堵開(kāi)0部位，防止多余物進(jìn)入渦輪流量計(jì)內(nèi)部。
②渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)介質(zhì)盡量使用滿足污染度要求的航空煤油。當(dāng)無(wú)法使用航空煤油校準(zhǔn)時(shí),應(yīng)使用粘度盡可能相近的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn),流量計(jì)使用前先進(jìn)行內(nèi)部沖洗。
③渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)壓力、校準(zhǔn)溫度盡可能接近現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件。
④渦輪流量計(jì)使用前將流量計(jì)儀表系數(shù)、壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)等,更新至數(shù)據(jù)采集軟件。
3.4保證燃油污染度等級(jí)
①在渦輪流量計(jì)來(lái)流管路增加滿足污染度等級(jí)要求和自帶除水功能的油濾。
②定期更換油濾濾芯。
③定期化驗(yàn)燃油系統(tǒng)內(nèi)燃油的污染度等級(jí)。
④使用前在燃油系統(tǒng)的高點(diǎn)進(jìn)行放氣。
3.5降低電磁干擾
①渦輪流量計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)離電機(jī)、變壓器等工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)備。
②渦輪流量計(jì)應(yīng)單獨(dú)走線,并使用屏蔽電纜。
③渦輪流量計(jì)應(yīng)可靠接地,并與轉(zhuǎn)換模塊共地。
④渦輪流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)應(yīng)保持適度的信噪比。
4渦輪流量計(jì)使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)
為消除外部影響對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響,保證渦輪流量計(jì)測(cè)量精度,在使用過(guò)程中應(yīng)注意以下五點(diǎn):
4.1渦輪流量計(jì)選型
渦輪流量計(jì)在選型時(shí),應(yīng)綜合考慮測(cè)量介質(zhì)、流量、流速、使用場(chǎng)景、測(cè)量精度等因素。測(cè)量介質(zhì)的粘度在渦輪流量計(jì)的測(cè)量粘度區(qū)間內(nèi)。測(cè)量介質(zhì)的最大流量應(yīng)在渦輪流量計(jì)最大測(cè)量范圍的60%-80%之間，必要時(shí)在渦輪流量計(jì)及前后直管段位置進(jìn)行縮徑。測(cè)量介質(zhì)的工作溫度和環(huán)境溫度在渦輪流量計(jì)的介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度范圍內(nèi),并留有一定裕度。渦輪流量計(jì)(殼體、前后導(dǎo)流器、渦輪轉(zhuǎn)子組件)的選材能耐受測(cè)量介質(zhì)的腐蝕。試車臺(tái)燃油系統(tǒng)渦輪流量計(jì)應(yīng)使用防爆型渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)精度與測(cè)量系統(tǒng)精度的綜合不確定度能滿足測(cè)量介質(zhì)測(cè)量的不確定度要求,并留有一定裕度。
4.2渦輪流量計(jì)安裝位置確定
渦輪流量計(jì)確定安裝位置時(shí),應(yīng)綜合考慮介質(zhì)使用部位作動(dòng)部件、周邊環(huán)境等因素。渦輪流量計(jì)的安裝位置應(yīng)盡可能地靠近試車臺(tái)在試發(fā)動(dòng)機(jī)，降低流體介質(zhì)傳導(dǎo)時(shí)間、降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離系統(tǒng)作動(dòng)部件(如增壓泵、調(diào)壓器、伺服作動(dòng)閥等)并可靠固定,降低脈動(dòng)流、部件振動(dòng)可能產(chǎn)生的影響;應(yīng)預(yù)留系統(tǒng)維護(hù)空間，方便渦輪流量計(jì)的拆裝和系統(tǒng)巡檢;應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電磁線圈等強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備、電機(jī)等大功率用電設(shè)備,降低電磁場(chǎng)對(duì)渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)的干擾。
4.3介質(zhì)流體充分放氣
為消除燃油系統(tǒng)介質(zhì)中游離空氣產(chǎn)生的脈動(dòng)流,試車臺(tái)燃油系統(tǒng)應(yīng)在油庫(kù)來(lái)油位置設(shè)置自動(dòng)放氣的燃油濾,并在試車臺(tái)靠近在試發(fā)動(dòng)機(jī)的最高點(diǎn)設(shè)置放氣點(diǎn),以消除系統(tǒng)中的游離空氣;系統(tǒng)設(shè)置增壓泵的,應(yīng)保證泵前來(lái)油壓力和管道通徑以降低油泵抽吸過(guò)程造成局部燃油介質(zhì)的飽和蒸氣壓低于系統(tǒng)工作壓力,以避免燃油介質(zhì)中產(chǎn)生游離空氣。
4.4渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)
渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)對(duì)開(kāi)0部位密封，防止多余物進(jìn)入渦輪流量計(jì)內(nèi)部;整體可靠包裹，防止轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的磕碰造成渦輪流量計(jì)損傷。渦輪流量計(jì)在校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)選用航空煤油進(jìn)行校準(zhǔn),當(dāng)條件不具備時(shí)應(yīng)盡可能選用粘度與航空煤油相近的介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn),以避免因校準(zhǔn)介質(zhì)不同引入測(cè)量精度誤差。
4.5其他
燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮密封型式、管徑和管道布局。管道及渦輪流量計(jì)連接部位應(yīng)選取適配的密封型式和密封材料進(jìn)行可靠密封;管道閥門選用球閥、閘閥等密封性能良好的閥門型式和密封材料，以避免系統(tǒng)的外漏和內(nèi)漏產(chǎn)生系統(tǒng)測(cè)量誤差。根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速確定主管道管徑,渦輪流量計(jì)和前后直管段的變徑部位選用錐形擴(kuò)口型式且錐度角盡可能小。定期進(jìn)行燃油系統(tǒng)污染度檢查,確保介質(zhì)流體潔凈可用。
5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述分析，漩渦流、脈動(dòng)流、介質(zhì)粘度、介質(zhì)污染度和電磁干擾等是渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的主要影響因素,在使用過(guò)程中應(yīng)從渦輪流量計(jì)選型、渦輪流量計(jì)安裝位置確定、介質(zhì)流體充分放氣等方面進(jìn)行控制，以消除外部因素的影響，確保渦輪流量計(jì)測(cè)量精度。
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