變溫潤滑油渦輪流量計(jì)修正技術(shù)研究

張永勝，蔣文強(qiáng)

(航空工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

渦輪流量計(jì)[1]因具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高及體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于流量試驗(yàn)、石油計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)等領(lǐng)域。目前，在低粘度工作介質(zhì)(如航空煤油)流量測(cè)量中，渦輪流量計(jì)具有良好性能表現(xiàn)；而在粘溫特性較差的航空潤滑油流量測(cè)量中，因其粘度隨溫度變化較大(40 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度約為17 cSt，100 ℃時(shí)粘度約為5 cSt)且渦輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)粘度較為敏感，直接使用渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果尚無法滿足試驗(yàn)要求。

本文以航空潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)4支渦輪流量計(jì)在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，對(duì)儀表系數(shù)隨粘度和流量變化關(guān)系進(jìn)行分析，并通過雙指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)儀表系數(shù)(K)和頻率與粘度之商(F/υ)進(jìn)行曲線擬合。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置

航空潤滑油流量校準(zhǔn)裝置如圖1所示。該裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量油缸的結(jié)構(gòu)形式，主要由計(jì)量油缸、電機(jī)及控制器、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、校準(zhǔn)管路、切換閥門、油箱、控溫機(jī)組、溫度壓力傳感器、測(cè)量光柵尺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)量控制計(jì)算機(jī)等部件構(gòu)成。裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量油缸產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源，計(jì)量油缸同時(shí)作為容積標(biāo)準(zhǔn)，與光柵配合構(gòu)成流量測(cè)量系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)為：流量范圍為0.5～160 L/min；擴(kuò)展不確定度為0.05%(k=2)；溫度范圍為20～120 ℃。

圖1 航空潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖

1.2 被試流量計(jì)

試驗(yàn)所用流量計(jì)是上海某研究所CL型渦輪流量計(jì)，流量計(jì)信息如表1所示。

表1 渦輪流量計(jì)信息

2 校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果

利用航空潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在20，30，40，50，60，80 ℃下分別對(duì)4支渦輪流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。CL-10型流量計(jì)校準(zhǔn)流量點(diǎn)分別為6，17，28，39，50 L/min；CL-15型流量計(jì)校準(zhǔn)流量點(diǎn)分別為12，24，36，48，60 L/min。圖2和圖3分別是SN：1744和SN：1655兩支渦輪流量計(jì)在各溫度點(diǎn)儀表系數(shù)K隨流量q變化曲線，從中可以看出，不同溫度點(diǎn)下流量計(jì)儀表系數(shù)差異很大。

圖2 SN：1744渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)曲線

圖3 SN：1655渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)曲線

4支流量計(jì)各流量點(diǎn)q下儀表系數(shù)誤差ET曲線如圖4所示。

圖4 渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)差異曲線

儀表系數(shù)差異ET為

(1)

式中：K80為某流量點(diǎn)80 ℃下儀表系數(shù)，L-1；K20為某流量點(diǎn)20 ℃下儀表系數(shù)，L-1。

經(jīng)計(jì)算可得，低流量點(diǎn)儀表系數(shù)最大相差14%以上，高流量點(diǎn)儀表系數(shù)最小相差約2%。

3 修正方法研究

3.1 儀表系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

渦輪流量計(jì)不同溫度點(diǎn)儀表系數(shù)差異很大，主要原因是溫度改變導(dǎo)致航空潤滑油粘度改變。校準(zhǔn)結(jié)果中儀表系數(shù)隨流量變化曲線未體現(xiàn)滑油粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，流量計(jì)儀表系數(shù)K隨雷諾數(shù)的變化曲線如圖5和圖6所示。同一支流量計(jì)在雷諾數(shù)相近的情況下，其對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)很接近，儀表系數(shù)是雷諾數(shù)的單值函數(shù)。雷諾數(shù)Re關(guān)系式為

(2)

式中：q為體積流量，m3/s；d為渦輪流量計(jì)內(nèi)徑，m；ν為某溫度點(diǎn)下滑油運(yùn)動(dòng)粘度，cSt；

多溫度點(diǎn)下實(shí)際測(cè)量航空潤滑油粘度，并擬合粘度ν與溫度T函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而通過該函數(shù)關(guān)系計(jì)算校準(zhǔn)試驗(yàn)各溫度點(diǎn)下介質(zhì)粘度。粘度與溫度函數(shù)關(guān)系式為

ν=149.4e-T/20.14+5.14

(3)

圖5 CL-10渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線

圖6 CL-15渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線

3.2 儀表系數(shù)曲線擬合

儀表系數(shù)與雷諾數(shù)存在單值函數(shù)關(guān)系，而雷諾數(shù)可由平均流速和運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算得到，所以儀表系數(shù)K是流量計(jì)輸出頻率與運(yùn)動(dòng)粘度之商(F/v)的函數(shù)。研究最終確定采用雙指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行擬合，雙指數(shù)衰減函數(shù)Kfit表示為

(4)

表2是流量計(jì)擬合曲線系數(shù)。通過R-square值對(duì)擬合度進(jìn)行評(píng)估，4支流量計(jì)擬合優(yōu)度值處于0.992～0.997之間，擬合結(jié)果非常好。

表2 渦輪流量計(jì)擬合曲線系數(shù)

SN：1744和SN：1655兩支流量計(jì)擬合曲線分別如圖7與圖8所示。通過擬合公式計(jì)算各溫度和頻率下的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)，再通過式(5)和式(6)計(jì)算對(duì)應(yīng)體積流量[4]和擬合誤差。4支流量計(jì)擬合計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)流量最大誤差分別是0.94%，0.80%，0.62%和0.54%。

(5)

(6)

圖7 SN：1744渦輪流量計(jì)擬合曲線

圖8 SN：1655渦輪流量計(jì)擬合曲線

4 結(jié)論

利用航空潤滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)四支渦輪流量計(jì)進(jìn)行了多個(gè)溫度點(diǎn)實(shí)流校準(zhǔn)試驗(yàn)，并利用雙指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行了擬合修正，擬合優(yōu)度可達(dá)0.992以上。通過擬合公式對(duì)各溫度點(diǎn)和頻率點(diǎn)進(jìn)行流量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)裝置給定值最大誤差小于1%。研究結(jié)果表明，將雙指數(shù)衰減函數(shù)應(yīng)用于變溫工況滑油流量測(cè)量修正具有較強(qiáng)可行性與實(shí)用性。