針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)中的流量參數(shù)測(cè)量的異常現(xiàn)象， 從渦輪流量計(jì)的使用方法、 流量計(jì)前后壓力和流量參數(shù)對(duì)比、 各次試驗(yàn)中測(cè)量介質(zhì)的流阻等角度進(jìn)行故障分析， 對(duì)故障原因進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

引言

近年來(lái)， 渦輪流量計(jì)已在石油、 化工、 科研、國(guó)防、 計(jì)量等部門獲得廣泛應(yīng)用， 尤其在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)以及其他相關(guān)組合件試驗(yàn)中， 經(jīng)常使用渦輪流量計(jì)完成流量參數(shù)的測(cè)量工作。 渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)， 具有精度高、 重復(fù)性好、 壓損小、 量程比大等優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是易受流體物性的影響。 在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中， 由于試驗(yàn)工況復(fù)雜多變， 且試驗(yàn)中受低溫推進(jìn)劑的影響， 使得渦輪

流量計(jì)更易在使用過(guò)程中發(fā)生故障或損壞。 因此，渦輪流量計(jì)的故障分析和排除對(duì)于試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。 此外， 這方面的分析和排除經(jīng)驗(yàn)對(duì)于渦輪流量計(jì)的其他使用者具有借鑒意義。

1.渦輪流量計(jì)的工作原理以及影響其工作特性的因素

渦輪流量計(jì)是利用被測(cè)介質(zhì)推動(dòng)渦輪流量計(jì)葉輪旋轉(zhuǎn)， 葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后， 周期性地改變流量計(jì)表體外部磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值， 檢測(cè)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(dòng)勢(shì)。 該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的頻率 f 和液體流量 Q 呈線性關(guān)系， 可由式 （1） 表示：

信號(hào)發(fā)生器將產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖， 經(jīng)過(guò)前置放大器放大后， 再利用二次儀表將感生電動(dòng)勢(shì)的波形進(jìn)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(yuǎn)距離傳輸， TTL 方波送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頻率計(jì)數(shù)板，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序處理成穩(wěn)態(tài)流量或瞬時(shí)流量。

渦輪流量計(jì)具有線性度好、 測(cè)量精度高、 測(cè)量范圍寬、 結(jié)構(gòu)輕巧便于安裝和抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)； 但是也受到安裝方式、 安裝地點(diǎn)、 流體的清潔程度和粘度、 流量計(jì)前后溫度和壓力變化等諸多因素的影響。 渦輪流量計(jì)的主要缺點(diǎn)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(yán)重。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 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(jì)的優(yōu)點(diǎn)， 在流量計(jì)的安裝使用時(shí)， 必須充分注意工作環(huán)境或系統(tǒng)對(duì)流量計(jì)性能的影響， 一般需要考慮被測(cè)介質(zhì)和配管兩方面的影響。

1） 被測(cè)介質(zhì)

渦輪流量計(jì)所測(cè)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(cè)量的渦輪流量計(jì)， 但對(duì)高溫、高粘度、 強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的測(cè)量， 仍需仔細(xì)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(shí)，流量計(jì)的儀表系數(shù)必須進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定， 否則會(huì)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(jì)進(jìn)行測(cè)量。

渦輪流量計(jì)對(duì)流體的清潔度有較高要求。 通常在流量計(jì)前安裝過(guò)濾器來(lái)保證流體的清潔。 可采用漏斗型的過(guò)濾器， 其本身清潔度， 可通過(guò)測(cè)量其兩端的差壓變化得到。 此外， 為保證通過(guò)流量計(jì)的液體是單相的， 即不能讓空氣或蒸氣進(jìn)入流量計(jì)， 必要時(shí)應(yīng)在流量計(jì)上游裝消氣器。 對(duì)于易氣化的液體， 在流量計(jì)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(cè)液體蒸氣壓的 1.2 倍。

2） 安裝配管要求

流量計(jì)的安裝情況對(duì)流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)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(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。 所以， 渦輪流量計(jì)對(duì)上下游直管段有一定要求。 對(duì)于工業(yè)測(cè)量， 一

般要求上游 20D、 下游 5D 的直管長(zhǎng)度 （D 為管道外徑）。 為消除二次流動(dòng)， ***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(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到標(biāo)定時(shí)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

2.某型號(hào)液體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中渦輪流量計(jì)故障分析

在某型號(hào)液體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)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(jì)。 該型號(hào)共計(jì)進(jìn)行了 5 次試驗(yàn)。 在前 3 次試驗(yàn)中， 渦輪流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)均正常。 在第四次和第五次試驗(yàn)中， 試驗(yàn)穩(wěn)定段流量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。 試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)如表 1 所示。

次～第五次試驗(yàn)中的流量、 貯箱壓力測(cè)量結(jié)果如圖 1 所示。 從圖 1 可知， 在、 二、 三次試驗(yàn)中， 流量參數(shù)數(shù)據(jù)均正常， 但是在第四、 五次試驗(yàn)中流量參數(shù)數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大， 且與設(shè)計(jì)部門分析的數(shù)值有較大出入。 進(jìn)一步將第四次和第五次試驗(yàn)啟動(dòng)前流量計(jì)前后的壓力進(jìn)行對(duì)比， 結(jié)果如圖2 所示。 從圖 2 可知， 在第四次和第五次試驗(yàn)中，

大約在啟動(dòng)前 15s 開(kāi)始程序預(yù)冷時(shí)， 流量計(jì)前后壓力測(cè)點(diǎn) （Phq 和 Pvilf） 都出現(xiàn)一個(gè)較大的幅度波動(dòng)， 2～3s 后逐漸恢復(fù)正常， 而箱壓沒(méi)有出現(xiàn)類似的波動(dòng)。 由此可以判斷， 當(dāng)流體經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)， 出現(xiàn)了異常。 初步判斷該問(wèn)題出現(xiàn)的原因是：

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

為更地確定流量計(jì)故障原因， 分別選取第五次試驗(yàn)中壓力和流量數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)值與次試驗(yàn)中相應(yīng)的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2，見(jiàn)表3.

通過(guò)分析、 二、 三次試驗(yàn)穩(wěn)定段數(shù)據(jù)， 以及流量計(jì)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(shì)比較穩(wěn)定。 在第四次和第五次試驗(yàn)中， 啟動(dòng)后穩(wěn)定段的流阻較前三次試驗(yàn)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(yàn)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(shì)比較穩(wěn)定。 第五次試驗(yàn)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(hào)波動(dòng)異常。因此可以斷定， 流量計(jì)的軸承處有磨損， 導(dǎo)致葉輪旋轉(zhuǎn)阻力增大。 試驗(yàn)中進(jìn)行程序預(yù)冷時(shí)， 短時(shí)間內(nèi)， 渦輪流量計(jì)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(cè)流量數(shù)據(jù)偏離理論估算值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)印證值的主要原因。 試驗(yàn)結(jié)束后， 將該渦輪流量計(jì)拆卸進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)軸承處， 的確出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損， 葉輪旋轉(zhuǎn)卡滯。

3.總結(jié)

針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量數(shù)據(jù)的異常情況從試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和流量計(jì)的安裝狀態(tài)出發(fā)， 分析影響流量計(jì)工作特性的因素，根據(jù)流量計(jì)前后壓力測(cè)量值和管路流阻的計(jì)算分析， 對(duì)渦輪流量計(jì)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位， 對(duì)其他渦輪流量計(jì)使用者具有警示和借鑒意義。