針對某型號發(fā)動機試驗測量系統(tǒng)中的流量參數(shù)測量的異常現(xiàn)象， 從渦輪流量計的使用方法、 流量計前后壓力和流量參數(shù)對比、 各次試驗中測量介質(zhì)的流阻等角度進行故障分析， 對故障原因進行準確定位。

引言

近年來， 渦輪流量計已在石油、 化工、 科研、國防、 計量等部門獲得廣泛應(yīng)用， 尤其在液體火箭發(fā)動機試驗以及其他相關(guān)組合件試驗中， 經(jīng)常使用渦輪流量計完成流量參數(shù)的測量工作。 渦輪流量計是一種速度式流量計， 具有精度高、 重復(fù)性好、 壓損小、 量程比大等優(yōu)點， 缺點是易受流體物性的影響。 在火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)中， 由于試驗工況復(fù)雜多變， 且試驗中受低溫推進劑的影響， 使得渦輪

流量計更易在使用過程中發(fā)生故障或損壞。 因此，渦輪流量計的故障分析和排除對于試驗系統(tǒng)來說具有非常重要的意義。 此外， 這方面的分析和排除經(jīng)驗對于渦輪流量計的其他使用者具有借鑒意義。

1.渦輪流量計的工作原理以及影響其工作特性的因素

渦輪流量計是利用被測介質(zhì)推動渦輪流量計葉輪旋轉(zhuǎn)， 葉輪轉(zhuǎn)動后， 周期性地改變流量計表體外部磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值， 檢測線圈中的磁通量隨之產(chǎn)生周期性變化和周期性的感應(yīng)電動勢。 該感應(yīng)電動勢的頻率和葉輪的轉(zhuǎn)速成正比， 而葉輪的轉(zhuǎn)速又和液體的流速成正比。 在液流通道面積固定不變的情況下， 流速和流量成正比。 因此， 感應(yīng)電動勢的頻率 f 和液體流量 Q 呈線性關(guān)系， 可由式 （1） 表示：

信號發(fā)生器將產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖， 經(jīng)過前置放大器放大后， 再利用二次儀表將感生電動勢的波形進行整形、 放大、 濾波轉(zhuǎn)換為晶體管邏輯電路波形 （即 TTL 方波） 遠距離傳輸， TTL 方波送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頻率計數(shù)板，經(jīng)計算機程序處理成穩(wěn)態(tài)流量或瞬時流量。

渦輪流量計具有線性度好、 測量精度高、 測量范圍寬、 結(jié)構(gòu)輕巧便于安裝和抗干擾能力強等諸多優(yōu)點； 但是也受到安裝方式、 安裝地點、 流體的清潔程度和粘度、 流量計前后溫度和壓力變化等諸多因素的影響。 渦輪流量計的主要缺點之一是軸承磨損易影響使用壽命， 特別是在具有腐蝕性或者含有固體微粒的工作介質(zhì)中磨損程度更加嚴重。 據(jù)統(tǒng)計， 目前在現(xiàn)有的產(chǎn)品中， 大約使用 2000～5000h就需要更換轉(zhuǎn)子軸承。 要想充分發(fā)揮渦輪流量計的優(yōu)點， 在流量計的安裝使用時， 必須充分注意工作環(huán)境或系統(tǒng)對流量計性能的影響， 一般需要考慮被測介質(zhì)和配管兩方面的影響。

1） 被測介質(zhì)

渦輪流量計所測得的液體， 一般是低粘度（應(yīng)小于 15×10-6m2 ／ s）、 低腐蝕性的。 雖然目前已經(jīng)有用于各種介質(zhì)測量的渦輪流量計， 但對高溫、高粘度、 強腐蝕介質(zhì)的測量， 仍需仔細考慮， 采取相應(yīng)的措施。 當(dāng)介質(zhì)粘度 v 大于 15×10-6m2 ／ s 時，流量計的儀表系數(shù)必須進行實液標定， 否則會產(chǎn)生較大的誤差。 汽－液兩相流、 氣－固兩相流、 濃－固兩相流均不能用渦輪流量計進行測量。

渦輪流量計對流體的清潔度有較高要求。 通常在流量計前安裝過濾器來保證流體的清潔。 可采用漏斗型的過濾器， 其本身清潔度， 可通過測量其兩端的差壓變化得到。 此外， 為保證通過流量計的液體是單相的， 即不能讓空氣或蒸氣進入流量計， 必要時應(yīng)在流量計上游裝消氣器。 對于易氣化的液體， 在流量計下游必須保證一定背壓。 該背壓的大小可取***大流量下流量傳感器壓降的 2 倍， 加上***高溫度下被測液體蒸氣壓的 1.2 倍。

2） 安裝配管要求

流量計的安裝情況對流量計的測量準確度影響很大。 流速分布不均和管內(nèi)二次流的存在是影響渦輪流量計測量準確度的重要因素。 所以， 渦輪流量計對上下游直管段有一定要求。 對于工業(yè)測量， 一

般要求上游 20D、 下游 5D 的直管長度 （D 為管道外徑）。 為消除二次流動， ***好在上游端加裝整流器。 若上游端能保證有 20D 左右的直管段， 并加裝整流器， 可使流量計的測量準確度達到標定時的準確度等級。

2.某型號液體發(fā)動機試驗中渦輪流量計故障分析

在某型號液體發(fā)動機試驗中， 液氫主管路上安裝一只口徑為 50mm、 量程為 1～20L ／ s 的渦輪流量計。 該型號共計進行了 5 次試驗。 在前 3 次試驗中， 渦輪流量計所測數(shù)據(jù)均正常。 在第四次和第五次試驗中， 試驗穩(wěn)定段流量數(shù)據(jù)波動較大。 試驗關(guān)鍵參數(shù)如表 1 所示。

次～第五次試驗中的流量、 貯箱壓力測量結(jié)果如圖 1 所示。 從圖 1 可知， 在、 二、 三次試驗中， 流量參數(shù)數(shù)據(jù)均正常， 但是在第四、 五次試驗中流量參數(shù)數(shù)據(jù)波動幅度較大， 且與設(shè)計部門分析的數(shù)值有較大出入。 進一步將第四次和第五次試驗啟動前流量計前后的壓力進行對比， 結(jié)果如圖2 所示。 從圖 2 可知， 在第四次和第五次試驗中，

大約在啟動前 15s 開始程序預(yù)冷時， 流量計前后壓力測點 （Phq 和 Pvilf） 都出現(xiàn)一個較大的幅度波動， 2～3s 后逐漸恢復(fù)正常， 而箱壓沒有出現(xiàn)類似的波動。 由此可以判斷， 當(dāng)流體經(jīng)過渦輪流量計時， 出現(xiàn)了異常。 初步判斷該問題出現(xiàn)的原因是：

流體在通過流量計的葉輪時， 短時間內(nèi)流體流通不暢， 發(fā)生了堵塞， 導(dǎo)致在較短時間內(nèi)流量計前后的狹小空間內(nèi)流體的容量增加， 造成流量計前后壓力出現(xiàn)急速上升波動。 此后隨著堵塞現(xiàn)象的逐漸緩解， 流量計前后壓力逐漸恢復(fù)正常。

為更地確定流量計故障原因， 分別選取第五次試驗中壓力和流量數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵時間參數(shù)值與次試驗中相應(yīng)的參數(shù)值進行對比，見表2，見表3.

通過分析、 二、 三次試驗穩(wěn)定段數(shù)據(jù)， 以及流量計前后壓力 （Phq 和 Pvilf） 的變化情況可知， 液氫主管路流阻的變化趨勢比較穩(wěn)定。 在第四次和第五次試驗中， 啟動后穩(wěn)定段的流阻較前三次試驗而言發(fā)生了變化。 由表 2、 表 3 參數(shù)數(shù)值分析得出， 次試驗液氫主管路流阻在 1.013～1.024 MPa 之間變化 ， 變化幅度較小 ， 變化趨勢比較穩(wěn)定。 第五次試驗液氫主管路的流阻在 0.98～0.786 MPa 之間變化， 變化的幅度較大且信號波動異常。因此可以斷定， 流量計的軸承處有磨損， 導(dǎo)致葉輪旋轉(zhuǎn)阻力增大。 試驗中進行程序預(yù)冷時， 短時間內(nèi)， 渦輪流量計前單位體積內(nèi)流體容量增大， 造成瞬間壓力升高。 而軸承磨損也是造成所測流量數(shù)據(jù)偏離理論估算值和試驗數(shù)據(jù)印證值的主要原因。 試驗結(jié)束后， 將該渦輪流量計拆卸進行檢查， 發(fā)現(xiàn)該流量計軸承處， 的確出現(xiàn)較嚴重的磨損， 葉輪旋轉(zhuǎn)卡滯。

3.總結(jié)

針對某型號發(fā)動機試驗流量數(shù)據(jù)的異常情況從試驗現(xiàn)場的環(huán)境和流量計的安裝狀態(tài)出發(fā)， 分析影響流量計工作特性的因素，根據(jù)流量計前后壓力測量值和管路流阻的計算分析， 對渦輪流量計的故障進行準確定位， 對其他渦輪流量計使用者具有警示和借鑒意義。