摘要：以渦輪流量計在液體火箭發動機試驗中的應用為研究對象。針對液氧煤油發動機試驗中流量測量數據出現的異常波動和較大的系統誤差，從渦輪流量計的現場使用狀態進行了分析。認為解決的方法是用分節式電容液面計對渦輪流量計進行真實介質的校驗，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來實現。

1、引言

液體火箭發動機試驗中，推進劑流量是關鍵參數。采用的測量裝置多為渦輪流量計。渦輪流量計有許多優點：精度高(5‰)，重復性好，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，對管道中流態的變化很敏感，再加上渦輪流量計校驗介質(水校)與試車介質的不同，以及使用狀態與校驗狀態的不同，容易引入系統誤差。特別在低溫推進劑流量測量中，其介質的低沸點和可壓縮性，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

當流體經過渦輪流量計管內腔時，推動帶有螺旋葉片的轉子旋轉，葉片周期性的改變信號發生器磁路的磁阻，使通過感應線圈的磁通量發生周期性的變化，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。則渦輪轉速n與體積流量Q的關系推導如下：

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，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過程中機械摩擦和各種阻力下導出的，但實際應用中，流量與渦輪轉速之間并不能維持上式那樣簡單的線性關系。在流量較小時，轉速與流量之間不是線性關系，這主要是由于在低流量下流動阻力變化較大；當軸承摩擦力矩小到可以忽略時，流量計轉換系數可看作常數，此時流量計工作在紊流狀態，流量與轉速將維持線性關系；當流量較大時，特性迅速改變，這是因為流量過大，葉輪轉速變快，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，改變了流量計的轉換系數，破壞了Q與n的線性關系。

3、影響渦輪流量計在火箭發動機試驗中的主要因素

渦輪流量計的測量精度受安裝地點、環境、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所使用的各種密封墊突出等原因，使進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。這種影響一般會使精度變化2%左右。在液體火箭發動機試驗中，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

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、強磁場和熱幅射的位置。發動機熱試車時，強振動、磁場及熱幅射始終存在。目前，國內外對振動和熱幅射引起渦輪流量計測量變化范圍尚無結論。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安裝。安裝狀態不同，摩阻就不同，摩阻又稱阻尼力，由軸承的磨擦阻力和信號發生器的電磁的阻力組成。其中，軸承的磨擦阻力是主要的。經試驗證明，軸承受力變化會造成流量(系數)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**量下渦輪轉速也不同。

3.2入口直管段的設置

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

式中，L為入口直管段長度(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)：

發動機試驗時，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，因而引起轉速的變化。葉輪轉速隨溫度變化呈線性變化。經試驗證明，夏季校驗的流量計在冬季使用時造成的誤差可達0.2%(溫差達 50℃時)。對于用低溫測量的流量計(常溫水介質校驗)則影響更大。

4、流量測量數據的異常

在某試車臺液氧/煤油試驗中，液氧和煤油系統均在主管路上串聯安裝雙渦輪流量計，并在泵前安裝了*三個流量計(液氧系統流量計口徑為300mm，煤油系統流量計口徑為200mm)。但熱試車穩定段中流量測量數據波動較大。如在液氧穩定段流量測量中，氧泵前流量計波動在20kg以內，液氧主管道1位置波動在9kg以內，氧主管路2位置波動在8kg以內。煤油泵前流量計上下波動在4.5kg以內，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定段下測得的平均值也有較大差異(泵前流量計受安裝環境所限，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據的差異

穩定段下主管道兩個串聯流量計測量平均值的差異是系統誤差，這主要跟每個流量計的性能有關，但也跟安裝位置(入口直管段長度及阻流件情況)和安裝狀態有關，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，因為介質通過位置1流量計后是高速旋流狀態，在進入位置2流量計(前直管段若小于20×D)入口時旋流無法完全消除。可以肯定流速越高旋流越嚴重，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測量數據的波動

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，測量數據存在較大的波動是可知的。在影響其諸多的因素中，根據現場使用狀態來分析，*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據波動的一個原因。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平衡，會使軸承摩阻發生變化，引起流量(系數)的波動。其后果導致測量數據波動大。

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，其測量差異可通過修正方法基本消除。而液氧流量測量是在低溫和高壓狀態下進行的，液氧的低沸點和可壓縮性，使得準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校驗，而用于低溫液氧測量時，認為會使其軸承、葉輪等金屬材料不同程度的冷縮，結果會使流量(系數)發生一定的變化。

發動機試驗流量測量，*關心的是穩定段的流量測量。理論上講，如果流量計使用狀態和校驗時的狀態完全一致，系統誤差是可以消除的。但發動機熱試車時的環境惡劣，無法完全滿足這一條件。在現有的使用狀態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行真實介質的現場校準。

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劑體積流量，就可通過對應時間內測得的體積流量以及對應時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，準確的給出現有使用狀態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、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/煤油發動機流量測量數據的異常，根據現場使用狀態，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行真實介質的現場校準。現場校準的好處一是可以在不改變現有使用狀態下基本消除系統誤差；二是渦輪流量計不用再進行水校，降低了試驗成本。