高壓空氣大流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置設(shè)計與實現(xiàn)

雷博娟,程樹偉,邊東偉

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

高壓空氣大流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置設(shè)計與實現(xiàn)

雷博娟,程樹偉,邊東偉

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

為滿足新型吸氣式發(fā)動機研制對于試驗系統(tǒng)高壓大流量超聲速來流模擬條件下氣體流量的準(zhǔn)確測量和現(xiàn)場校準(zhǔn)的迫切需求，設(shè)計了一套基于高壓、大流量p.V.T.t法和比較法的流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置(以下簡稱現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置)，通過原級p.V.T.t法與次級標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了壓力3～23 MPa和流量1～60 kg/s條件下音速噴嘴流量系數(shù)的校準(zhǔn)、溯源和試驗系統(tǒng)空氣流量準(zhǔn)確測量，高壓空氣大流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置擴展不確定度為0.84%。

高壓大流量空氣；現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)；p.V.T.t法; 校準(zhǔn)裝置

0 引言

沖壓動力系統(tǒng)研制過程中，地面試驗系統(tǒng)需要為發(fā)動機提供流量100kg/s、壓力最高達12MPa的模擬超聲速/高超聲速流動的高溫高壓大流量來流。隨著巡航導(dǎo)彈的作戰(zhàn)空域和飛行速度的不斷增大，對沖壓發(fā)動機的性能要求越來越高[1]。準(zhǔn)確測量模擬來流流量關(guān)系到?jīng)_壓發(fā)動機推力參數(shù)、燃燒性能評估，對于飛行器航跡規(guī)劃、載油量、飛行器容積率設(shè)計及最終戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)等方面具有極其重要的影響。

p.V.T.t法校準(zhǔn)裝置具有準(zhǔn)確度高、設(shè)備簡單易于維護的特點[2]。目前，標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴普遍作為次級標(biāo)準(zhǔn)用于各類流量裝置的校準(zhǔn)，是一種成熟的流量校準(zhǔn)裝置。通過原級p.V.T.t法與次級標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴相結(jié)合，建立一套高壓空氣大流量校準(zhǔn)裝置，以試驗系統(tǒng)實際應(yīng)用音速噴嘴為校準(zhǔn)對象，充分模擬環(huán)境影響、空氣品質(zhì)、連接形式、密封結(jié)構(gòu)、緊固力矩等現(xiàn)場影響因素，實現(xiàn)音速噴嘴寬雷諾數(shù)范圍下準(zhǔn)確校準(zhǔn)和試驗系統(tǒng)空氣流量準(zhǔn)確測量。

1 流量校準(zhǔn)裝置設(shè)計

高壓空氣大流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置主要由氣源系統(tǒng)、恒壓氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)、p.V.T.t原級校準(zhǔn)系統(tǒng)、次級校準(zhǔn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.1 原級流量校準(zhǔn)裝置原理與設(shè)計

原級流量校準(zhǔn)裝置采用p.V.T.t法。原級流量校準(zhǔn)裝置組成包括被校音速噴嘴、換向閥、標(biāo)準(zhǔn)容器及測試采集和控制，如圖2所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體的絕對壓力和溫度，計算在測量的時間t內(nèi)經(jīng)換向閥流入標(biāo)準(zhǔn)容器的氣體質(zhì)量，以求得經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量。依據(jù)流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴的質(zhì)量流量，結(jié)合入口的滯止壓力和溫度測量，按校準(zhǔn)工藝和修正方法得出標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴流量系數(shù)[3]。

根據(jù)裝置工作原理及理想氣體狀態(tài)方程，得出流經(jīng)音速孔板的氣體質(zhì)量流量為[4]：

(1)

式中：m1為校準(zhǔn)前標(biāo)準(zhǔn)容器計算的空氣質(zhì)量；m2為校準(zhǔn)結(jié)束后標(biāo)準(zhǔn)容器計算的空氣質(zhì)量；qmi為氣體的質(zhì)量流量；t為計時器測得的時間；TN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，為293.15 K；pN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力，為101 325 Pa；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(TN，pN)下，空氣的壓縮系數(shù)ZN=0.999 63，空氣的密度ρN=1.204 6 kg/m3；TF為校準(zhǔn)結(jié)束后在標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)測得的氣體平均熱力學(xué)溫度；pF為校準(zhǔn)結(jié)束后在標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)測得的氣體絕對壓力；ZF為校準(zhǔn)結(jié)束后標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)空氣的氣體壓縮系數(shù)，可根據(jù)TF，pF求得；TE，pE及ZE分別為校準(zhǔn)前標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體平均絕對溫度、絕對壓力及壓縮系數(shù)。

使用p.V.T.t法原級流量校準(zhǔn)裝置可以獲得壓力2～12 MPa，流量1～10 kg/s條件下喉部直徑 7～45 mm的標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴的流量系數(shù)的校準(zhǔn)。

1.2 次級流量校準(zhǔn)裝置原理與設(shè)計

次級校準(zhǔn)裝置工作時，采用比較法將經(jīng)過原級校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴作為次級標(biāo)準(zhǔn)，被校準(zhǔn)音速噴嘴安裝在穩(wěn)壓整流裝置出口。圖3所示為次級流量校準(zhǔn)裝置原理示意圖。

流經(jīng)次級標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴的空氣質(zhì)量流量為：

(2)

同樣，流經(jīng)被校準(zhǔn)音速噴嘴的空氣質(zhì)量流量為：

(3)

(4)

式中：R為通用氣體常數(shù)；M為空氣摩爾質(zhì)量。

根據(jù)校準(zhǔn)流量和壓力，通過開關(guān)閥選取恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組件并聯(lián)組合，保證被校準(zhǔn)音速噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組件均處于音速工作狀態(tài)，實現(xiàn)3～23 MPa，流量1～60 kg/s條件下空氣流量測量和喉部直徑5～108 mm的音速噴嘴流量系數(shù)的校準(zhǔn)。

2 現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置的實現(xiàn)

2.1 氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)為校準(zhǔn)過程提供滿足要求的高壓空氣，主要由空氣壓縮機、過濾器、干燥器以及潔凈的高壓管道、閥門和高壓氣瓶等設(shè)備組成。

通過配置專用氣體干燥器(露點可達-55 ℃)、油水分離器及800目(20 μm)過濾精度的高壓過濾器等設(shè)備使氣源品質(zhì)符合GB13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》要求。

2.2 恒壓氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)

恒壓氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是保證進入校準(zhǔn)裝置的氣體壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)基本工作原理如圖4所示，組成包括高性能調(diào)壓閥、穩(wěn)壓整流裝置及閥門等。壓力控制采用閉環(huán)二級調(diào)壓模式，通過計算機實時采集壓力信號，經(jīng)過PID運算后向調(diào)壓閥輸出控制指令，調(diào)壓閥執(zhí)行調(diào)節(jié)動作。調(diào)壓閥出口設(shè)置了穩(wěn)壓容器，在氣源壓力降低時，控制調(diào)壓閥出口壓力波動在0.1%以內(nèi)。

2.3 換向裝置

為保證在12 MPa和10 kg/s工作環(huán)境下實現(xiàn)空氣的快速可靠換向和密封，換向裝置方案設(shè)計中選擇氣動式快速兩位三通換向閥。

換向閥設(shè)計難點在于閥門開關(guān)時間要求開關(guān)速度快、散差小。為保證閥門的開關(guān)速度，選擇兩位三通截止閥的形式。換向閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，具有主路和支路兩個密封面，閥芯上下運動，分別與兩個密封面接觸密封，使進口與上下兩個出口的通路分別連通，實現(xiàn)介質(zhì)流動方向的切換。換向閥閥桿密封采用泛塞密封圈加O形圈密封冗余密封結(jié)構(gòu)，降低了閥桿填料密封會因為溫度變化、壓緊程度變化等引起閥桿摩擦力的明顯波動，實現(xiàn)換向閥的動作時間高重復(fù)性要求。

為保證換向閥切換時間小于50 ms，選擇高壓氣缸作為驅(qū)動機構(gòu)，氣缸控制氣壓達4.5 MPa。為了減小閥門在換向時閥芯對閥座的沖擊，每個緩沖器內(nèi)均有8片碟型彈簧提供緩沖力，在閥門開關(guān)到位時緩沖器能提供相當(dāng)于50%氣缸驅(qū)動力的緩沖作用。

由于校準(zhǔn)裝置工作時測量時間不小于20 s，換向閥切換引入的時間測量不確定度分量為0.000 3%，相對其他不確定分量可忽略不計。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)容器

標(biāo)準(zhǔn)容器容積約15 m3，設(shè)計壓力6 MPa。容器內(nèi)軸向和徑向不同位置布置(容器等體積劃分)12支溫度傳感器，以減小標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)溫度梯度造成的不確定度[5]。充氣后經(jīng)過長時間熱平衡過程，并通過溫度測量平均值計算獲得精確氣體溫度參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)容器容積采用高純氮氣標(biāo)定法完成標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)容器容積不確定度分量0.15%。

2.5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)兩部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實現(xiàn)流量校準(zhǔn)裝置中的壓力、溫度、閥門動作時間參數(shù)準(zhǔn)確采集、顯示及記錄，同時具有完成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的曲線分析和報表自動生成等功能。

控制系統(tǒng)由工控機、可編程控制器、信號隔離模塊、驅(qū)動器模塊、直流穩(wěn)壓電源及不間斷電源等組成。由可編程控制器實現(xiàn)空氣流量控制和大流量換向設(shè)備控制功能，同時完成流量校準(zhǔn)裝置壓力、流量信號采集和閥門狀態(tài)采集功能，現(xiàn)場狀態(tài)信號通過以太網(wǎng)傳送至上位機，實現(xiàn)工作過程動態(tài)監(jiān)控。

3 流量校準(zhǔn)裝置不確定度評估

3.1 原級校準(zhǔn)裝置不確定度評估

采用原級流量校準(zhǔn)裝置進行2～12 MPa，流量1～10 kg/s條件下音速噴嘴流量系數(shù)校準(zhǔn)和空氣流量測量時，校準(zhǔn)不確定度可表示為：

(5)

原級流量校準(zhǔn)裝置不確定度包括容積(V)測量準(zhǔn)確度引入的不確定度、空氣分子量(M)引入的不確定度、通用氣體常數(shù)(Ru)引入的不確定度、附加質(zhì)量(Δm)測量引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)壓力(pF，pE)和溫度(TF，TE)準(zhǔn)確度引入的不確定度、壓縮系數(shù)(ZF，ZE)準(zhǔn)確度引入的不確定度、壁面溫度θ準(zhǔn)確度引入的不確定度、線膨脹系數(shù)α準(zhǔn)確度引入的不確定度、時間(TF，TE)測量準(zhǔn)確度引入的不確定度、換向閥切換時間(Δt)測量誤差引入的不確定度、流量系數(shù)不確定度等部分組成。表1所p.V.T.t法原級流量校準(zhǔn)裝置不確定度分配一覽表。

3.2 次級校準(zhǔn)裝置不確定度評估

采用次級流量校準(zhǔn)裝置進行壓力3～23 MPa，流量1～60 kg/s條件下音速音速噴嘴流量系數(shù)校準(zhǔn)和空氣流量測量時，根據(jù)1.2節(jié)氣體流量公式，校準(zhǔn)不確定度可表示為：

ur(Cd)=[cr2(Cd,i)ur2(Cd,i)+

cr2(p0,i)ur2(p0,i)+cr2(T0,i)ur2(T0,i)+

uA2(Cd)]0.5

(6)

次級流量校準(zhǔn)裝置不確定度包括標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴流量系數(shù)(Cd,i)測量準(zhǔn)確度引入的不確定度、滯止壓力(p0,i)準(zhǔn)確度引入的不確定度、滯止溫度(T0,i)準(zhǔn)確度引入的不確定度、重復(fù)性引入的不確定度、音速噴嘴流量系數(shù)不確定度等部分組成。表2所示為次級流量校準(zhǔn)裝置不確定度分配一覽表。

4 結(jié)論

通過原級p.V.T.t法與次級標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴相結(jié)合的方式，設(shè)計了一套高壓、大流量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了壓力3～23 MPa，流量1～60 kg/s條件下音速噴嘴流量系數(shù)的校準(zhǔn)、溯源和模擬來流空氣流量的準(zhǔn)確測量，現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置的擴展不確定度達到0.84%。

[1] 梁俊龍,吳寶元. 液體亞燃沖壓發(fā)動機性能分析研究[J]. 火箭推進,2011,37(03):12-17.

LIANG Junlong, WU Baoyuan. Performance analysis and research of liquid ramjet [J].Journal of rocket propulsion, 2011, 37(03): 12-17.

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[3] 李立人. p.V.T.t法氣體流量校準(zhǔn)裝置中標(biāo)定時間的確定[J].工業(yè)儀表與自動化裝置, 2007(6):54-57.

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Design and realization of calibration facility for high-pressure large flow air

LEI Bojuan，CHENG Shuwei，BIAN Dongwei

(Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China)

A flow field calibration facility based on high pressure mass flow p.V.T.t method and the comparing method (hereafter referred to as on-line calibration facility) was designed to meet the urgent demand of air-breathing engine testing system to achieve accurate measurement and field calibration of high-pressure large flow supersonic air.By integrating the primary p.V.T.t method and the secondary standard-sonic nozzle，this facility effectuates calibration,traceability and accurate measurement of air flow coefficient of the sonic nozzle under the conditions of pressure range of 3～23 MPa and flow range of 1～60 kg/s.The extended uncertainty of the on-line calibration facility is 0.84%.

high-pressure large flow air; field calibration; p.V.T.t method; calibration facility

V433-34

A

1672-9374(2017)05-0069-05

2017-05-30；

2017-07-21

國防軍工技術(shù)基礎(chǔ)2015年科研項目(JSJC2013203A001)

雷博娟(1988—)女，工程師，研究領(lǐng)域為沖壓發(fā)動機介質(zhì)試驗工藝

(編輯：馬杰)