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燃油流量计在非稳态下计量性能研究

发布时间:2019-04-16 10:02:21 浏览:

0 引言

目前, 实验室均是在稳态流量条件下, 对流量计进行检定或校准试验, 即通过流量标准装置提供稳定的标准流量, 将流量计的示值与标准流量值进行比较, 计算误差, 从而评价流量计的计量性能, 例如:涡轮流量计检定规程要求在特定流量点下进行试验, 并且要求“在检定过程中, 每调整一个流量点, 都应待压力、温度、流量稳定后方可进行检定”[1]。然而实际工况中的流量往往是非稳态的, 例如飞机在起飞、爬升、俯冲、巡航、加力、滑翔、降落等飞行状态时, 发动机的耗油速率、耗油量均会发生急剧变化, 燃油管道内会产生流场变化和压力变化, 因此有必要对流量计非稳态下的计量性能进行研究。

近年来, 国内学者针对涡轮流量计和科里奥利质量流量进行了动态响应的理论分析和仿真[2,3], 但相关试验相对较少。本文利用燃油动态流量标准装置, 对科里奥利质量流量计和容积式刮板流量计分别进行非稳态流量试验。

1 流量计原理及数学模型

1.1 科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计基于科里奥利力效应, 直接测量流体的质量流量, 简称科氏质量流量计 (Coriolis Mass Flowmeter, CMF) 。该流量计内部设计有振动的测量管, 流体在测量管中的流动相当于直线运动, 而测量管的振动会产生一个角速度, 由于振动是受到外加电磁场驱动的, 有着固定的频率, 因此, 流体在管道中受到的科里奥利力仅与其质量和运动速度有关, 而质量和运动速度及流速的乘积就是需要测量的质量流量, 因此通过测量流体在管道中受到的科里奥利力, 便可以测量其质量流量。其数学模型为

 

式中:为科里奥利力;Δm为流量的质量;为角速度;为旋转或振动的径向速度。

当流体流过振动的测量管时, 在测量管中产生的科里奥利力会引起振动管发生微小变形, 从而产生进口和出口的相位差, 如图1所示。当流量为零时, 即流体停滞不流动时, 入口A和出口B处的相位差为零。当有流体流过时, 测量管入口A处振动减速, 出口B处振动加速, 当质量流量增加时, 相位差也增加, 通过入口和出口的电磁式相位传感器, 即可测量管子的振动相位。科里奥利质量流量计的K系数就是质量流量与相位差的特征数。

图1 科里奥利质量流量计测量原理

图1 科里奥利质量流量计测量原理   下载原图

1.2 容积式流量计

容积流量计是一种利用定容积器件连续测量流体总量的仪表, 亦称为正排量流量计 (Positive Displacement Flowmeter, PDF) [4]。本试验选用的容积式刮板流量计的结构如图2所示, 其结构由柱形计量腔体、一个阻塞转子 (Blocking rotor) 和两个移动转子 (Displacement rotors) 构成。在转子转动的一个周期内的任何位置, 计量腔体、阻塞转子以及至少一个位移转子之间始终保持着连续的密封。

图2 刮板流量计内部结构

图2 刮板流量计内部结构   下载原图

当流体通过流量计时, 会推动计量腔内部的转子转动, 转动中的转子将流体分割, 流体的流动与转子的转动同时进行。当流体进入计量腔时, 流体不断的被分割和测量, 与此同时前部的流体通过流量计并进入下游管道。由于计量腔的容积是已知的, 且阻塞转子的每一次旋转中通过流量计的体积量都是相同的, 通过测量转子的转数, 即可得到通过流量计的累积流量。容积式流量计的理论公式为

图3 刮板流量计测量过程

图3 刮板流量计测量过程   下载原图

 

式中:Q为流体总量;K为仪表系数;n为分割流体机构的转数。

2 非稳态流量源

本次试验所使用的标准装置为燃油动态流量标准装置, 该装置采用主动式活塞体积管作为标准器, 其扩展测量不确定度U=0.05% (k=2) , 原理如图4所示。

图4 标准装置原理图

图4 标准装置原理图   下载原图

燃油动态流量标准装置的工作原理为:工作过程中电机旋转, 驱动滚珠丝杠带动标准体积管活塞左行, 排出液体流经控制阀门及被检流量计后经过过滤器回到储油箱;同时, 储油箱里的油经过下游管段进入标准体积管[5,6]。本文通过设置电机的转速实现非稳态流量, 通过采集光栅值来确定活塞的移动位置, 由于截面积已知, 可准确计算得到标准流量值。

3 试验结果分析

本次试验选用直管式科里奥利质量流量计和容积式刮板流量计作为试验对象, 分别进行稳态流量试验和非稳态流量试验。试验流量计选型如表1所示。试验介质为航空燃油RP-3, 密度约为780 m3/h, 运动粘度约为1.591 mm2/s。

3.1 稳态下试验

在稳态流量下, 参照国家检定规程分别对科里奥利质量流量计和刮板流量计进行校准试验, 得到的试验数据如表2与表3所示。

表1 试验流量选型     下载原表

表1 试验流量选型

表2 科里奥利质量流量计稳态流量下的试验数据     下载原表

表2 科里奥利质量流量计稳态流量下的试验数据

表3 刮板流量计稳态流量下的试验数据     下载原表

表3 刮板流量计稳态流量下的试验数据

试验数据表明, 选用的科里奥利质量流量计和刮板流量计在稳态流量下误差很小, 具有较好准确度。

3.2 非稳态下试验

调节燃油流量标准装置中的电机转速, 使装置产生的流量按照一定的斜率逐渐变化, 流量变化如图5所示。

此时, 对科里奥利质量流量计分别进行流量递增校准测试和流量递减校准测试, 重复测试3次, 得到试验数据如表4所示。

同样的对刮板流量计分别进行流量递增校准测试和流量递减校准测试, 重复测试3次, 得到试验数据如表5所示。

上述试验数据表明, 在瞬时流量qs连续增大的过程中, 科里奥利质量流量计的仪表系数会减小, 其显示流量值小于标准流量;在瞬时流量qs连续减小的过程中, 科里奥利质量流量计的仪表系数会增大, 其显示流量值大于标准流量。而对于刮板流量计, 无论瞬时流量qs增大还是减小, 其仪表系数未发生明显变化。

图5 标准流量变化曲线

图5 标准流量变化曲线   下载原图

表4 非稳态下科里奥利质量流量计试验数据     下载原表

表4 非稳态下科里奥利质量流量计试验数据

表5 非稳态下刮板流量计试验数据     下载原表

表5 非稳态下刮板流量计试验数据

4 结论

在非稳态流量条件下, 容积式流量计的计量性能要优于科里奥利质量流量计, 在非稳态流量测量时, 推荐优先选择容积式流量计。对科里奥利质量流量计进行检定或者校准试验时, 要求标准装置必须提供稳定流量源, 否则会产生非稳态下的测量误差