摘要:本文對航空發(fā)動機(jī)試車臺燃油系統(tǒng)渦輪流量計(jì)的工作原理進(jìn)行簡單說明,詳細(xì)分析了漩渦流、脈動流介質(zhì)粘度.介質(zhì)污染度和電磁干擾等的外部因素對渦輪流量計(jì)測量精度的影響，并逐-給出了消除外部影響因素的方法,對渦輪流量計(jì)使用過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)說明,對航空發(fā)動機(jī)試車臺燃油系統(tǒng)提升燃油流量的測量精度具有一定的指導(dǎo)意義。
0引言
　　航空發(fā)動機(jī)試車臺燃油系統(tǒng)是試車臺工藝系統(tǒng)的重要組成部分,用于為發(fā)動機(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、過濾、計(jì)量等功能。
　　發(fā)動機(jī)燃油耗油率作為發(fā)動機(jī)性能評定的重要參數(shù)之一，要求燃油流量測量應(yīng)盡可能地降低來自外界的影響、盡可能真實(shí)地反映發(fā)動機(jī)實(shí)際燃油消耗。雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)作為速度式流量測量儀表,其具有測量精度高、測量范圍廣、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)動機(jī)試車臺燃油系統(tǒng)燃油流量測量,以滿足發(fā)動機(jī)燃油消耗實(shí)時(shí)測量的要求。
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)流動的燃油驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)動，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)線圈檢測到渦輪轉(zhuǎn)子的電磁信號并轉(zhuǎn)換成可讀取的頻率、電流或電壓信號,并將信號傳輸至后端儀表進(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)測量精度的外部影響因素
　　在實(shí)際使用過程中,由于渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、介質(zhì)來流旋渦、介質(zhì)來流壓力波動、流量計(jì)及管道的振動、介質(zhì)來流污染度、介質(zhì)來流溫度變化等影響,會造成渦輪流量計(jì)精度測量誤差。
2.1漩渦流對渦輪流量計(jì)測量精度的影響
　　當(dāng)燃油繞過障礙物如閥門、油濾、流量計(jì)時(shí)都會產(chǎn)生漩渦流動。為保持渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)K為定值，流過渦輪流量計(jì)的來流速度應(yīng)保持不變、減小來流速度畸變,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)置一定長度的直管段,使介質(zhì)來流發(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，旋渦流動對儀表常數(shù)影響就越小，在旋轉(zhuǎn)來流中的特性研究,正旋轉(zhuǎn)來流會使儀表常數(shù)偏大,而負(fù)旋轉(zhuǎn)則會使儀表常數(shù)偏小。如圖3所示。隨著上游直管段長度的增加,漩渦流動的旋轉(zhuǎn)流強(qiáng)度會隨之衰減;渦輪流量計(jì)越靠近漩渦流動的源頭，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)置一定長度的直管段可以顯著削弱漩渦流動，提高渦輪流量計(jì)的測量精度。
 
2.2脈動流對渦輪流量計(jì)測量精度的影響
　　脈動流指流體在測量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù),但在一個(gè)足夠長的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)相對穩(wěn)定的平均值。脈動流-般由齒輪泵、離心泵、壓力調(diào)節(jié)閥、電液伺服閥、電磁閥等的作動產(chǎn)生。脈動流產(chǎn)生的來源有多種，可來源于往復(fù)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件,如燃油增壓泵;可來源于管道或支架振動,如系統(tǒng)共振或支架顫振;可來源于壓力調(diào)節(jié)閥或流量控制閥的快速的壓力或流量調(diào)節(jié);也可來源于流體管道閥門、節(jié)流噴嘴的周期性作動;還可來源于系統(tǒng)節(jié)流孔板、彎頭等幾何特征而引起的流體振動和湍流。如圖4燃油出口閥門作動引起的脈動流。
　　流量計(jì)來流存在脈動流，會導(dǎo)致流量計(jì)測量誤差增大,甚至輸出頻率不穩(wěn)定。對特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動流,可通過渦輪葉片旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動流各參數(shù)的關(guān)系計(jì)算出在脈動周期內(nèi)各離散點(diǎn)所對應(yīng)的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)角加速度并生成脈動頻率曲線。
　　進(jìn)口脈動流會導(dǎo)致渦輪流量計(jì)測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，計(jì)算表明該偏差為正偏差,即測量值比真值偏大。脈動流的頻率和振幅是渦輪流量計(jì)產(chǎn)生測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脈動流的脈動頻率相等時(shí),渦輪流量計(jì)的響應(yīng)曲線與輸入脈動曲線相似,其測量結(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脈動流的脈動頻率時(shí),進(jìn)0脈動流引起的測量偏差相對較小，渦輪流量計(jì)測量偏差隨進(jìn)0脈動流的脈動振幅增大而減小;當(dāng)渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子葉片角頻率小于進(jìn)口脈動流的脈動頻率時(shí),進(jìn)0脈動流引起的測量偏差相對較大,渦輪流量計(jì)測量偏差隨進(jìn)口脈動流的振動振幅增大而增大。當(dāng)流體介質(zhì)中混入游離空氣，會進(jìn)一步增大脈動流的脈動振幅。
2.3黏度對渦輪流量計(jì)測量精度的影響
　　被測流體黏度變化會影響渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)。被測流體黏度會隨流體溫度的變化而變化,其雷諾數(shù)會相應(yīng)變化,單位流體經(jīng)過渦輪流量計(jì)時(shí)流阻會相應(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)的測量精度會略有下降)。(RP-3在20℃時(shí)的粘度不小于1.25mm2/s)。在被測流體的溫度變化區(qū)間大時(shí),應(yīng)考慮溫度變化對渦輪流量計(jì)測量結(jié)果的影響,并進(jìn)行溫度修正。
 
2.4燃油污染度對渦輪流量計(jì)測量精度的影響
　　渦輪流量計(jì)為高精度計(jì)量儀表,轉(zhuǎn)子葉片和流量計(jì)內(nèi)表面的表面粗糙度等級高。渦輪是高速機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，轉(zhuǎn)子葉片與殼體間隙很小。燃油中的顆粒雜質(zhì)會造成軸承磨損及轉(zhuǎn)子卡滯,若雜質(zhì)顆粒吸附在轉(zhuǎn)子葉片表面，會增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動慣量。燃油中的游離水分子會造成流量計(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。增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動慣量以及低轉(zhuǎn)子葉片和流量計(jì)內(nèi)表面的表面粗糙度等級，會增大流量計(jì)的響應(yīng)失真程度。
2.5電磁干擾對渦輪流量計(jì)測量精度的影響
　　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,常以電流場或磁場的形式出現(xiàn)。強(qiáng)電流或電磁會對永久電磁鐵附近的磁場產(chǎn)生擾動或疊加，使感應(yīng)線圈對渦輪轉(zhuǎn)子的感應(yīng)信號發(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發(fā)生畸變,造成燃油流量顯示波動。
3消除外部因素影響的方法
　　針對外部因素對渦輪流量計(jì)測量精度的影響,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)離作動部件,降低脈動流影響。
③流量計(jì)前后加整流器、軟管、過濾網(wǎng)、過濾器等部件,減弱或消除脈動流影響。
④系統(tǒng)作動部件和流量計(jì)可靠固定，減小振幅,消除系統(tǒng)共振。
3.3校準(zhǔn)過程控制
①渦輪流量計(jì)在送檢過程中，應(yīng)可靠封堵開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
①在渦輪流量計(jì)來流管路增加滿足污染度等級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。
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)輸出的脈沖信號應(yīng)保持適度的信噪比。
4渦輪流量計(jì)使用過程中的注意事項(xiàng)
　　為消除外部影響對渦輪流量計(jì)測量精度的影響,保證渦輪流量計(jì)測量精度,在使用過程中應(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)綜合考慮測量介質(zhì)、流量、流速、使用場景、測量精度等因素。測量介質(zhì)的粘度在渦輪流量計(jì)的測量粘度區(qū)間內(nèi)。測量介質(zhì)的最大流量應(yīng)在渦輪流量計(jì)最大測量范圍的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)的選材能耐受測量介質(zhì)的腐蝕。試車臺燃油系統(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)精度與測量系統(tǒng)精度的綜合不確定度能滿足測量介質(zhì)測量的不確定度要求,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在試發(fā)動機(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)作動部件(如增壓泵、調(diào)壓器、伺服作動閥等)并可靠固定,降低脈動流、部件振動可能產(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)磁場設(shè)備、電機(jī)等大功率用電設(shè)備,降低電磁場對渦輪流量計(jì)輸出信號的干擾。
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)生的脈動流,試車臺燃油系統(tǒng)應(yīng)在油庫來油位置設(shè)置自動放氣的燃油濾,并在試車臺靠近在試發(fā)動機(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)保證泵前來油壓力和管道通徑以降低油泵抽吸過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)輸過程中應(yīng)對開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
　　通過上述分析，漩渦流、脈動流、介質(zhì)粘度、介質(zhì)污染度和電磁干擾等是渦輪流量計(jì)測量精度的主要影響因素,在使用過程中應(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)測量精度。

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