一種高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)技術(shù)研究

王慧龍 孫鳳舉 張 宇 王小三 焦鑫鑫

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

1 引 言

孔板是工程上應(yīng)用廣泛的限流元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、耐高壓、無可動部件且工作可靠，所以增壓輸送系統(tǒng)通常選擇孔板作為氣體限流裝置。流量系數(shù)是表征孔板流通能力的一個非常重要的參數(shù)，其大小與孔板的自身結(jié)構(gòu)、孔徑比和雷諾數(shù)等因素相關(guān)，對于標(biāo)準(zhǔn)孔板且流體介質(zhì)在整個測量段內(nèi)保持亞聲速流動、管道直徑為(50～1000)mm、孔徑比為0.2～0.75、背壓比大于0.75(大于臨界壓比)的情況，其流量系數(shù)可查閱ISO5167規(guī)范得到，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量系數(shù)一般在0.6左右。液體火箭增壓輸送系統(tǒng)使用的孔板孔徑不大，入口壓力最高達(dá)30MPa，出口壓力很低，工作于臨界狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上為非標(biāo)設(shè)計，其工作特性、流量系數(shù)的取值國內(nèi)還未開展研究，也無現(xiàn)成資料可查閱，因此研建一套高壓孔板氣體大流量地面試驗裝置，通過試驗手段研究高壓孔板流量特性，為增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

2 高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置

液體火箭常溫氦氣增壓輸送系統(tǒng)采用35MPa高壓氦氣作為增壓介質(zhì)，在發(fā)動機點火后，控制系統(tǒng)將電磁閥打開，高壓氦氣經(jīng)電磁閥、孔板進入貯箱[1,2]。實際應(yīng)用中，根據(jù)供氣流量不同，液體火箭采用的孔板孔徑從0.8mm到10mm不等，孔板入口壓力最高30MPa，流量約為7.2kg/h～18000kg/h(氮氣)。

為準(zhǔn)確測量如此極端工況下非標(biāo)孔板的流量系數(shù)，研建了一套高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置，由組合音速噴嘴(二次標(biāo)準(zhǔn))和正壓式pVTt(一次標(biāo)準(zhǔn))組成。二次標(biāo)準(zhǔn)是限于目前高壓、大流量量值無法溯源的現(xiàn)狀，巧妙利用音速噴嘴的臨界特性將高壓孔板氣體大流量量值轉(zhuǎn)化為由分立的低壓工況音速噴嘴來分擔(dān)，再通過音速噴嘴的并聯(lián)組合方式還原孔板總流量，而參與分擔(dān)流量的單個噴嘴量值的定期溯源由一次標(biāo)準(zhǔn)來完成[3]。高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置原理如圖1所示。

圖1 高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置原理圖Fig.1 Schematic of high-pressure gas flow calibration of orifice plate

2.1 二次標(biāo)準(zhǔn)

高壓氣源經(jīng)減壓穩(wěn)壓及流量調(diào)節(jié)后通過孔板，再流入與之串聯(lián)在一起的標(biāo)準(zhǔn)表法二次標(biāo)準(zhǔn)即組合音速噴嘴式氣體流量校準(zhǔn)裝置。當(dāng)工作在臨界狀態(tài)時，利用質(zhì)量流量守恒原理，約去有關(guān)常數(shù)后，有

(1)

式中：Cs——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流出系數(shù)，無量綱；As——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴喉部面積，m2；p0S——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴入口滯止壓力，(Pa)；T0S——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴入口滯止溫度，(K)；Cm——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流出系數(shù)，無量綱；Am——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴喉部面積，(m2)；p0m——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴入口滯止壓力，(Pa)；T0m——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴入口滯止溫度，(K)。

由公式(1)可知，以組合標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組的喉部面積As、流出系數(shù)CS以及溫度T0S、壓力p0S可得到被?？装逶诟邏汗r下的流出系數(shù)Cm，即通過不同規(guī)格并聯(lián)噴嘴的組合，可將高壓、大流量轉(zhuǎn)換為低壓、分流量測量，從而可求得高壓孔板的流量特性，圖2為其測量原理圖。

圖2 組合音速噴嘴式氣體流量測量原理圖Fig.2 Measurement of combined sonic nozzle gas flow

根據(jù)實際工況特點，采用喉部通流面積成二倍關(guān)系遞增的方法設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組，確保標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組入口工作壓力p0S在(0.25～2)MPa范圍內(nèi)，便于采用一次標(biāo)準(zhǔn)對單個噴嘴的標(biāo)校。

圖3 組合音速噴嘴式氣體流量校準(zhǔn)裝置Fig.3 Gas flow calibration facility of combined sonic nozzle

表1為標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組，圖3為組合音速噴嘴式氣體流量校準(zhǔn)裝置實物圖。

表1 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組

2.2 一次標(biāo)準(zhǔn)

一次標(biāo)準(zhǔn)用于對二次標(biāo)準(zhǔn)的單個標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴進行量值溯源，單個噴嘴的流量大幅低于被測孔板的最大流量，因而大大降低了一次標(biāo)準(zhǔn)的流量校準(zhǔn)范圍。一次標(biāo)準(zhǔn)采用pVTt法流量測量原理，見圖4。

圖4 pVTt法流量測量原理Fig.4 Flow measurement of pVTt

pVTt分別代表四個物理量：壓力、容積、溫度和時間，通過四個物理量的組合測量實現(xiàn)氣體質(zhì)量流量的量值復(fù)現(xiàn)。為了確保量值準(zhǔn)確可靠，本項目的二次標(biāo)準(zhǔn)需在真實的工況條件下進行校準(zhǔn)，因此與常規(guī)裝置不同，本pVTt裝置工作在正壓方式，即容器入口壓力大于大氣壓。其工作原理為：在換向器的控制下，從某一時刻開始，氣體流入封閉的標(biāo)準(zhǔn)容器，同時開始計時，經(jīng)過時間t后，換向器換向，停止計時，設(shè)氣體常數(shù)為R，容器容積為V，初始狀態(tài)的絕對壓力為p1，絕對溫度T1，結(jié)束狀態(tài)的絕對壓力為p2，絕對溫度為T2，則其質(zhì)量流量qm由式(2)計算[4]

(2)

通過控制標(biāo)準(zhǔn)噴嘴背壓比，使孔板始終工作于臨界流狀態(tài)，確保校準(zhǔn)過程中流過的質(zhì)量流量不隨容器內(nèi)壓力的升高而發(fā)生變化，保證校準(zhǔn)所需的穩(wěn)定流條件。通過對各標(biāo)準(zhǔn)噴嘴在真實工況下的校準(zhǔn)，找到各標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流出系數(shù)變化規(guī)律，進而為其組合使用測量高壓孔板流量提供量傳依據(jù)。

圖5 正壓pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實物圖Fig.5 Gas flow standard facility of positive pressure pVTt

2.3 氣源調(diào)制裝置

高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置以兩個3m3、35MPa高壓貯氣罐作為氣源，氣源調(diào)制裝置用于準(zhǔn)確控制孔板入口壓力，模擬孔板實際工況，其設(shè)計既要滿足壓力控制指標(biāo)還要兼顧寬范圍的流量輸出要求。

由于大減壓閥可輸出大流量，但自動調(diào)壓的精細(xì)度不夠，在小流量條件下工作時，容易出現(xiàn)超調(diào)，從而導(dǎo)致流量及壓力波動，而小減壓閥又無法提供較大的流量輸出。為此，在管路配置上按流量大小分成三路，分別用三個不同規(guī)格的減壓閥進行減壓，輸出各自的壓力和流量，三臺減壓閥共用一臺減壓控制器，其中最小的一臺減壓閥的輸出可以單獨提供工作氣體，也可以為其它兩臺減壓閥提供控制氣源，見圖6。

圖6 氣源調(diào)制原理圖Fig.6 Schematic of gas source modulation

主管路為DN40，根據(jù)所檢測的流量范圍需要，將配氣管路分為三路，均為自動減壓控制，流通管徑為別為DN40、DN25和DN10，采用TESCOM的ER5000控制器分別控制三個減壓閥。系統(tǒng)中最大流量發(fā)生在DN40管路中，約為18000kg/h(氮氣)，此時減壓器入口壓力35MPa，出口壓力即孔板前壓力30MPa，安裝孔板的喉徑為10mm，經(jīng)管路流阻計算，同時考慮到留有足夠余量，選用Cv12的減壓閥，留有足夠余量的目的，主要是考慮在以最大流量校準(zhǔn)孔板的過程中，耗氣量大，減壓閥前壓力下降很快，Cv12的減壓閥可確保在較低壓差(約為3MPa)下仍能輸出足夠流量的氣體，DN25管路中采用Cv3.3減壓閥，DN10管路中采用Cv0.06減壓閥； Cv0.06的輸出氣可經(jīng)兩個二位三通電磁換向閥以實現(xiàn)單獨供氣和分別為Cv12和Cv3.3提供控制氣等工況間的自動切換，這樣便具備了寬范圍的壓力和流量調(diào)節(jié)能力，使任意流量下實現(xiàn)更加精細(xì)的壓力自動調(diào)節(jié)成為可能，管路流量分解配置及減壓器調(diào)壓控制如圖7所示。

圖7 氣源調(diào)制裝置Fig.7 Device of gas source modulation

3 校準(zhǔn)裝置量值傳遞框圖及不確定度分析

3.1 校準(zhǔn)裝置的量值傳遞框圖

高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置采用音速噴嘴組作為標(biāo)準(zhǔn)表，對高壓孔板流出系數(shù)進行標(biāo)校，單個音速噴嘴實際工況下的流出系數(shù)則采用正壓pVTt校準(zhǔn)裝置進行標(biāo)定。整體量值傳遞框圖如圖8所示。

圖8 裝置量值溯源關(guān)系框圖Fig.8 Traceability diagram of calibration facility

3.2 校準(zhǔn)裝置的不確定度分析

由測量重復(fù)性引入的不確定度ur=0.19%，由正壓pVTt量傳得到音速噴嘴組的流出系數(shù)引入的不確定度uc=0.13%，其中正壓pVTt法一次標(biāo)準(zhǔn)的流量測量不確定度為U=0.09%(k=2)，由音速噴嘴組前滯止壓力、滯止溫度的測量不準(zhǔn)引入的不確定度分別為up=0.05%，uT=0.08%，則

(3)

4 結(jié)束語

高壓孔板氣體大流量校準(zhǔn)裝置采用組合音速噴嘴實現(xiàn)高-低壓工況轉(zhuǎn)化，以各并聯(lián)低壓工況音速噴嘴的組合還原總流量，各音速噴嘴工況下的流出系數(shù)由正壓式pVTt法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定獲得，填補了國內(nèi)入口壓力30MPa、最大流量18000kg/h(氮氣)的高壓氣體大流量計量測試空白，流量測量不確定度達(dá)到U=0.5%(k=2)。

因此，該裝置的研制成功，既為液體火箭貯箱高壓增壓孔板的流量系數(shù)提供了計量保障，也解決了其他武器系統(tǒng)、民用天然氣等領(lǐng)域高壓氣體大流量的計量問題。