稱量法脈沖流量測(cè)量系統(tǒng)*

謝 龍

(上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112)

0 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，普遍采用體積管對(duì)小脈沖流量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果需利用推進(jìn)劑的密度進(jìn)行換算，因此其精度受環(huán)境溫度的影響較大，同時(shí)體積管容積有限且工作壓力需在2.5MPa以下，適用范圍較窄[1]。為克服上述問題，本文設(shè)計(jì)了稱量法脈沖流量測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理與體積管類似，既可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖試車的脈沖流量測(cè)量要求，又可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試車的平均質(zhì)量流量測(cè)量要求，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)加注時(shí)增壓和出液關(guān)閉、放氣和進(jìn)液打開，推進(jìn)劑流入稱重容器；系統(tǒng)工作時(shí)放氣和進(jìn)液關(guān)閉、增壓和出液打開，推進(jìn)劑流出稱重容器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高測(cè)量精度，減少風(fēng)力、振動(dòng)等外界因素對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)采取了封閉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了減震設(shè)計(jì)；同時(shí)根據(jù)受力平衡原理對(duì)系統(tǒng)中的管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小了管路應(yīng)力變化對(duì)電子天平計(jì)量結(jié)果的影響。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)電子天平對(duì)容器重量進(jìn)行計(jì)量，試車結(jié)束后通過(guò)換算稱重容器重量的變化量可得出推進(jìn)劑總耗量，從而得出脈沖試車時(shí)的脈沖流量或穩(wěn)態(tài)試車時(shí)的平均質(zhì)量流量，計(jì)算公式如下：

qmv=Qm/n

(1)

(2)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電子天平的選擇

電子天平是整個(gè)系統(tǒng)的唯一的計(jì)量器具，它的精度直接關(guān)系到系統(tǒng)精度。系統(tǒng)中的電子天平采用了電磁補(bǔ)償原理[2]，即天平在受到外力作用時(shí)，天平可產(chǎn)生相應(yīng)電磁力來(lái)平衡外力，保證了天平臺(tái)面不發(fā)生位移，從而在每次加載相同力的情況下，天平輸出一致性好，重復(fù)性、線性、角差等參數(shù)更加優(yōu)秀。

2.2 稱重容器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，稱重容器的設(shè)計(jì)應(yīng)符合耐壓高、容積大、重量輕的特點(diǎn)。根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定[3]，稱重容器容積V可按下式計(jì)算：

V=V1+V2+V3

(3)

V1=qm,maxtmax/ρ

(4)

式中：V1為試車時(shí)推進(jìn)劑的消耗量；V2為氣墊體積；V3為安全剩余量，一般取V3=0.10V1；qm,max為推進(jìn)劑最大質(zhì)量流量；tmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最長(zhǎng)工作時(shí)間；ρ為推進(jìn)劑的密度(按20℃狀態(tài))。

稱重容器的最大增壓壓力p可按下式進(jìn)行計(jì)算：

p=piv+Δp-gHρ

(5)

式中：piv為在最大流量下工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力；Δp為最大流量下管路壓力損失；g為重力加速度；H為最大加注量時(shí)稱重容器內(nèi)液面高度。

2.3 工藝管路的設(shè)計(jì)

工藝管路包括稱重容器的增壓、放氣、進(jìn)液和出液管路，其內(nèi)徑可按下式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(6)

式中：d為管內(nèi)徑；qm為流體質(zhì)量流量；ρx為流體(增壓氣體或推進(jìn)劑)密度；v為流體的流速。

工藝管路作為連接稱重容器與系統(tǒng)外壁過(guò)渡件，隨著介質(zhì)的充填、泄出和工作壓力變化，其應(yīng)力也隨之發(fā)生變化，從而對(duì)電子天平產(chǎn)生力的干擾，并影響流量測(cè)量精度。因此可利用金屬軟管與彎曲硬管連接的方式，減小管路應(yīng)力變化。

3 測(cè)量原理

要計(jì)算脈沖流量或平均質(zhì)量流量，需要得到推進(jìn)劑總耗量，本文以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試車為例介紹了推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量原理。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試車時(shí)，稱重容器內(nèi)按要求完成推進(jìn)劑加注和增壓，之后在t0時(shí)刻打開閥門，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車，在保持容器內(nèi)壓力p0不變的情況下，稱重容器內(nèi)的推進(jìn)劑不斷流出，電子天平的稱量值從G0開始不斷減小，至t1時(shí)刻試車結(jié)束，電子天平的稱量值為G1，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 電子天平信號(hào)輸出波形圖

試車過(guò)程中，在t0～t1時(shí)間內(nèi)從稱重容器內(nèi)流出推進(jìn)劑質(zhì)量等于稱重容器的質(zhì)量變化量和在此時(shí)間內(nèi)對(duì)容器內(nèi)補(bǔ)充增壓的氣體質(zhì)量之和。在t0～t1時(shí)間內(nèi)，雖然稱重容器的質(zhì)量發(fā)生變化，但容器位置不發(fā)生變化，推進(jìn)劑和氣體管路應(yīng)力也保持不變，因此可確定稱重容器質(zhì)量變化量正好等于電子天平的稱量值變化量，從而可以計(jì)算出其t0～t1時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑的總耗量，表達(dá)式為：

Gm=G0-G1

(7)

mL=Gm+mg

(8)

式中：mL為試車中t0～t1時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑的總耗量；Gm為t0～t1時(shí)間內(nèi)稱重容器的質(zhì)量變化量；mg為t0～t1時(shí)間內(nèi)流入稱重容器的增壓氣體的總質(zhì)量。

試車過(guò)程中采用高純氮?dú)庾鳛樵鰤簹怏w，在壓力p和環(huán)境溫度T下，補(bǔ)充增壓的氮?dú)赓|(zhì)量為：

(9)

式中：ρL為推進(jìn)劑在壓力p和溫度T下的密度；ρg為增壓氮?dú)庠趬毫和溫度T下的密度。

高純氮?dú)饪梢曌骼硐霘怏w，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得出：

ρg=p/(RT)

(10)

式中：R為氮?dú)獾臍怏w常數(shù)；壓力p和環(huán)境溫度T的值可在試車過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器和溫度傳感器直接獲取。

由式(8)可以得出推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量精度為[5]：

(11)

式中：σL為推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量精度；σ0為電子天平的測(cè)量精度；σg為t0～t1時(shí)間內(nèi)流入稱重容器的增壓氣體總質(zhì)量的計(jì)算精度。

通過(guò)式(7)至(10)可計(jì)算出t0～t1時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑的總耗量。同時(shí)通過(guò)式(9)至(11)可知，推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量精度取決于電子天平、壓力傳感器和溫度傳感器的測(cè)量精度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

由式(1)可知脈沖流量測(cè)量精度取決于推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量精度，同時(shí)由式(2)可知，推進(jìn)劑總耗量的測(cè)量精度可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試車時(shí)的平均質(zhì)量流量測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)際使用過(guò)程中，可將平均質(zhì)量流量與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的質(zhì)量流量進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量精度[6]。驗(yàn)證試驗(yàn)中，稱量法脈沖流量系統(tǒng)分別用于N2O4和MMH兩種推進(jìn)劑的流量測(cè)量，在進(jìn)行多次液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試車后，其流量測(cè)量結(jié)果與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1、表2所示。

表1用于N2O4時(shí)的對(duì)比結(jié)果

表2用于MMH時(shí)的對(duì)比結(jié)果

由表1、表2數(shù)據(jù)可以看出，在推進(jìn)劑總耗量達(dá)100g以上時(shí)，稱量法脈沖流量測(cè)量系統(tǒng)的流量測(cè)量結(jié)果與質(zhì)量流量的相對(duì)偏差在0.4%以內(nèi)，且推進(jìn)劑總耗量越多，相對(duì)偏差值越小?？梢姳鞠到y(tǒng)的流量測(cè)量結(jié)果滿足脈沖流量測(cè)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，稱量法脈沖流量測(cè)量系統(tǒng)比體積管的流量測(cè)量精度高，且允許工作壓力大為提高，同時(shí)每次試車時(shí)推進(jìn)劑最大總耗量可達(dá)體積管的10倍以上，因此本系統(tǒng)的適用范圍更廣，可滿足500N以下多種類型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖試車或穩(wěn)態(tài)試車時(shí)的流量測(cè)量要求。

[1] 高松.淺談?dòng)绊戵w積管流量裝置檢定結(jié)果的因素[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011(09)

[2] K Lang，陳一管.采用電磁力補(bǔ)償?shù)姆Q重傳感器[J].國(guó)外計(jì)量,1985(02)

[3] 中國(guó)石油化工總公司.鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定[M].全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1985

[4] 郭霄峰，等.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)[M].北京:宇航出版社,1991

[5] 徐萃薇.計(jì)算方法引論[M].北京:高等教育出版社，2001

[6] 成偉，張東飛.質(zhì)量法在線校準(zhǔn)液體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的不確定度評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量，2011(04)