摘要:本文對航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)渦輪流量計的工作原理進行簡單說明,詳細分析了漩渦流、脈動流介質(zhì)粘度.介質(zhì)污染度和電磁干擾等的外部因素對渦輪流量計測量精度的影響，并逐-給出了消除外部影響因素的方法,對渦輪流量計使用過程中的注意事項進行了詳細說明,對航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)提升燃油流量的測量精度具有一定的指導意義。
0引言
航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)是試車臺工藝系統(tǒng)的重要組成部分,用于為發(fā)動機提供所需壓力和流量的持續(xù)不間斷的燃油供應，一般具有調(diào)壓、過濾、計量等功能。
發(fā)動機燃油耗油率作為發(fā)動機性能評定的重要參數(shù)之一，要求燃油流量測量應盡可能地降低來自外界的影響、盡可能真實地反映發(fā)動機實際燃油消耗。雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計作為速度式流量測量儀表,其具有測量精度高、測量范圍廣、抗干擾能力強、脈沖輸出等優(yōu)點,被廣泛應用于航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)燃油流量測量,以滿足發(fā)動機燃油消耗實時測量的要求。
1渦輪流量計工作原理
渦輪流量計主要由流量計殼體、渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子前后導流器、壓緊圈、感應線圈和永久磁鐵等組成。當燃油流經(jīng)渦輪流量計時,管道內(nèi)流動的燃油驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨燃油流速的增加而增加,渦輪轉(zhuǎn)子切割永久磁鐵的磁力線,感應線圈檢測到渦輪轉(zhuǎn)子的電磁信號并轉(zhuǎn)換成可讀取的頻率、電流或電壓信號,并將信號傳輸至后端儀表進行累計或顯示。
在理想工作狀態(tài)下，渦輪流量計的體積流量qv與渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率F之間呈正比關系，即:
式中:K為渦輪流量計儀表系數(shù),L-1;F為渦輪流量計輸出的脈沖頻率。
理想工作狀態(tài)下，渦輪流量計的儀表常數(shù)K為定值，在使用過程中渦輪流量計的儀表常數(shù)與外部流狀態(tài)、流體黏度、流體溫度、流體壓力等呈函數(shù)關系,即K=f(qv、t、P、T)。
2渦輪流量計測量精度的外部影響因素
在實際使用過程中,由于渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、介質(zhì)來流旋渦、介質(zhì)來流壓力波動、流量計及管道的振動、介質(zhì)來流污染度、介質(zhì)來流溫度變化等影響,會造成渦輪流量計精度測量誤差。
2.1漩渦流對渦輪流量計測量精度的影響
當燃油繞過障礙物如閥門、油濾、流量計時都會產(chǎn)生漩渦流動。為保持渦輪流量計儀表系數(shù)K為定值，流過渦輪流量計的來流速度應保持不變、減小來流速度畸變,以消除漩渦流的影響。為使流經(jīng)渦輪流量計的介質(zhì)來流速度畸變盡可能的小，在渦輪流量計上下游均設置一定長度的直管段,使介質(zhì)來流發(fā)展成為層流或水力光滑管的流型。
根據(jù)渦輪流量計上游直管段長度變化時儀表系數(shù)的變化情況研究,可知渦輪流量計上游直管段越長，旋渦流動對儀表常數(shù)影響就越小，在旋轉(zhuǎn)來流中的特性研究,正旋轉(zhuǎn)來流會使儀表常數(shù)偏大,而負旋轉(zhuǎn)則會使儀表常數(shù)偏小。如圖3所示。隨著上游直管段長度的增加,漩渦流動的旋轉(zhuǎn)流強度會隨之衰減;渦輪流量計越靠近漩渦流動的源頭，渦輪流量計的精度就越差。因此,在安裝渦輪流量計時,在流量計.上游和下游分別設置一定長度的直管段可以顯著削弱漩渦流動，提高渦輪流量計的測量精度。
2.2脈動流對渦輪流量計測量精度的影響
脈動流指流體在測量區(qū)域的流速是時間的函數(shù),但在一個足夠長的時間段內(nèi)有一個相對穩(wěn)定的平均值。脈動流-般由齒輪泵、離心泵、壓力調(diào)節(jié)閥、電液伺服閥、電磁閥等的作動產(chǎn)生。脈動流產(chǎn)生的來源有多種，可來源于往復旋轉(zhuǎn)的機械部件,如燃油增壓泵;可來源于管道或支架振動,如系統(tǒng)共振或支架顫振;可來源于壓力調(diào)節(jié)閥或流量控制閥的快速的壓力或流量調(diào)節(jié);也可來源于流體管道閥門、節(jié)流噴嘴的周期性作動;還可來源于系統(tǒng)節(jié)流孔板、彎頭等幾何特征而引起的流體振動和湍流。如圖4燃油出口閥門作動引起的脈動流。
流量計來流存在脈動流，會導致流量計測量誤差增大,甚至輸出頻率不穩(wěn)定。對特定的渦輪流量計和不同的脈動流,可通過渦輪葉片旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動流各參數(shù)的關系計算出在脈動周期內(nèi)各離散點所對應的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)角加速度并生成脈動頻率曲線。
進口脈動流會導致渦輪流量計測量結果產(chǎn)生偏差，計算表明該偏差為正偏差,即測量值比真值偏大。脈動流的頻率和振幅是渦輪流量計產(chǎn)生測量偏差的主要影響因素。當渦輪轉(zhuǎn)子葉片的角頻率與渦輪流量計進0脈動流的脈動頻率相等時,渦輪流量計的響應曲線與輸入脈動曲線相似,其測量結果接近真實值;當渦輪流量計轉(zhuǎn)子葉片角頻率大于進0脈動流的脈動頻率時,進0脈動流引起的測量偏差相對較小，渦輪流量計測量偏差隨進0脈動流的脈動振幅增大而減小;當渦輪流量計轉(zhuǎn)子葉片角頻率小于進口脈動流的脈動頻率時,進0脈動流引起的測量偏差相對較大,渦輪流量計測量偏差隨進口脈動流的振動振幅增大而增大。當流體介質(zhì)中混入游離空氣，會進一步增大脈動流的脈動振幅。
2.3黏度對渦輪流量計測量精度的影響
被測流體黏度變化會影響渦輪流量計的儀表系數(shù)。被測流體黏度會隨流體溫度的變化而變化,其雷諾數(shù)會相應變化,單位流體經(jīng)過渦輪流量計時流阻會相應改變,進而改變轉(zhuǎn)子葉片的輸出頻率,造成渦輪流量計儀表系數(shù)的變化(當粘度升高時，渦輪流量計的測量精度會略有下降)。(RP-3在20℃時的粘度不小于1.25mm2/s)。在被測流體的溫度變化區(qū)間大時,應考慮溫度變化對渦輪流量計測量結果的影響,并進行溫度修正。
2.4燃油污染度對渦輪流量計測量精度的影響
渦輪流量計為高精度計量儀表,轉(zhuǎn)子葉片和流量計內(nèi)表面的表面粗糙度等級高。渦輪是高速機械轉(zhuǎn)動部件，轉(zhuǎn)子葉片與殼體間隙很小。燃油中的顆粒雜質(zhì)會造成軸承磨損及轉(zhuǎn)子卡滯,若雜質(zhì)顆粒吸附在轉(zhuǎn)子葉片表面，會增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動慣量。燃油中的游離水分子會造成流量計內(nèi)部銹蝕,降低轉(zhuǎn)子葉片和流量計內(nèi)表面的表面粗糙度等級。增大轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動慣量以及低轉(zhuǎn)子葉片和流量計內(nèi)表面的表面粗糙度等級，會增大流量計的響應失真程度。
2.5電磁干擾對渦輪流量計測量精度的影響
電磁干擾通常由強電流或強電磁設備引起,發(fā)生源通常有馬達、電機、交流電源等強電設備以及電力線纜、線圈、發(fā)射器等電磁輻射裝置,常以電流場或磁場的形式出現(xiàn)。強電流或電磁會對永久電磁鐵附近的磁場產(chǎn)生擾動或疊加，使感應線圈對渦輪轉(zhuǎn)子的感應信號發(fā)生畸變,進而引起渦輪流量計輸出的頻率、電壓或電流傳輸信號發(fā)生畸變,造成燃油流量顯示波動。
3消除外部因素影響的方法
針對外部因素對渦輪流量計測量精度的影響,可以從以下五個方面進行消除:
3.1保證渦輪流量計.上下游直管段長度
①渦輪流量計上游直管段及下游直管段的管道通徑與渦輪流量計的通徑保持--致。
②渦輪流量計.上游直管段的長度不應小于10倍的渦輪流量計通徑。
③渦輪流量計下游直管段的長度不應小于5倍的渦輪流量計通徑。
④渦輪流量計盡量使用流量計廠家推薦的上下游直管段。
3.2消除脈動流影響
①加粗燃油管道,降低管道內(nèi)流速。
②流量計遠離作動部件,降低脈動流影響。
③流量計前后加整流器、軟管、過濾網(wǎng)、過濾器等部件,減弱或消除脈動流影響。
④系統(tǒng)作動部件和流量計可靠固定，減小振幅,消除系統(tǒng)共振。
3.3校準過程控制
①渦輪流量計在送檢過程中，應可靠封堵開0部位，防止多余物進入渦輪流量計內(nèi)部。
②渦輪流量計校準時校準介質(zhì)盡量使用滿足污染度要求的航空煤油。當無法使用航空煤油校準時,應使用粘度盡可能相近的介質(zhì)進行校準,流量計使用前先進行內(nèi)部沖洗。
③渦輪流量計校準壓力、校準溫度盡可能接近現(xiàn)場試驗條件。
④渦輪流量計使用前將流量計儀表系數(shù)、壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)等,更新至數(shù)據(jù)采集軟件。
3.4保證燃油污染度等級
①在渦輪流量計來流管路增加滿足污染度等級要求和自帶除水功能的油濾。
②定期更換油濾濾芯。
③定期化驗燃油系統(tǒng)內(nèi)燃油的污染度等級。
④使用前在燃油系統(tǒng)的高點進行放氣。
3.5降低電磁干擾
①渦輪流量計應遠離電機、變壓器等工作時產(chǎn)生強磁場的設備。
②渦輪流量計應單獨走線,并使用屏蔽電纜。
③渦輪流量計應可靠接地,并與轉(zhuǎn)換模塊共地。
④渦輪流量計輸出的脈沖信號應保持適度的信噪比。
4渦輪流量計使用過程中的注意事項
為消除外部影響對渦輪流量計測量精度的影響,保證渦輪流量計測量精度,在使用過程中應注意以下五點:
4.1渦輪流量計選型
渦輪流量計在選型時,應綜合考慮測量介質(zhì)、流量、流速、使用場景、測量精度等因素。測量介質(zhì)的粘度在渦輪流量計的測量粘度區(qū)間內(nèi)。測量介質(zhì)的最大流量應在渦輪流量計最大測量范圍的60%-80%之間，必要時在渦輪流量計及前后直管段位置進行縮徑。測量介質(zhì)的工作溫度和環(huán)境溫度在渦輪流量計的介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度范圍內(nèi),并留有一定裕度。渦輪流量計(殼體、前后導流器、渦輪轉(zhuǎn)子組件)的選材能耐受測量介質(zhì)的腐蝕。試車臺燃油系統(tǒng)渦輪流量計應使用防爆型渦輪流量計。渦輪流量計精度與測量系統(tǒng)精度的綜合不確定度能滿足測量介質(zhì)測量的不確定度要求,并留有一定裕度。
4.2渦輪流量計安裝位置確定
渦輪流量計確定安裝位置時,應綜合考慮介質(zhì)使用部位作動部件、周邊環(huán)境等因素。渦輪流量計的安裝位置應盡可能地靠近試車臺在試發(fā)動機，降低流體介質(zhì)傳導時間、降低系統(tǒng)響應時間;應盡可能遠離系統(tǒng)作動部件(如增壓泵、調(diào)壓器、伺服作動閥等)并可靠固定,降低脈動流、部件振動可能產(chǎn)生的影響;應預留系統(tǒng)維護空間，方便渦輪流量計的拆裝和系統(tǒng)巡檢;應盡可能遠離電磁線圈等強磁場設備、電機等大功率用電設備,降低電磁場對渦輪流量計輸出信號的干擾。
4.3介質(zhì)流體充分放氣
為消除燃油系統(tǒng)介質(zhì)中游離空氣產(chǎn)生的脈動流,試車臺燃油系統(tǒng)應在油庫來油位置設置自動放氣的燃油濾,并在試車臺靠近在試發(fā)動機的最高點設置放氣點,以消除系統(tǒng)中的游離空氣;系統(tǒng)設置增壓泵的,應保證泵前來油壓力和管道通徑以降低油泵抽吸過程造成局部燃油介質(zhì)的飽和蒸氣壓低于系統(tǒng)工作壓力,以避免燃油介質(zhì)中產(chǎn)生游離空氣。
4.4渦輪流量計校準
渦輪流量計校準運輸過程中應對開0部位密封，防止多余物進入渦輪流量計內(nèi)部;整體可靠包裹，防止轉(zhuǎn)運過程中的磕碰造成渦輪流量計損傷。渦輪流量計在校準時，應選用航空煤油進行校準,當條件不具備時應盡可能選用粘度與航空煤油相近的介質(zhì)進行校準,以避免因校準介質(zhì)不同引入測量精度誤差。
4.5其他
燃油系統(tǒng)設計時應綜合考慮密封型式、管徑和管道布局。管道及渦輪流量計連接部位應選取適配的密封型式和密封材料進行可靠密封;管道閥門選用球閥、閘閥等密封性能良好的閥門型式和密封材料，以避免系統(tǒng)的外漏和內(nèi)漏產(chǎn)生系統(tǒng)測量誤差。根據(jù)經(jīng)濟流速確定主管道管徑,渦輪流量計和前后直管段的變徑部位選用錐形擴口型式且錐度角盡可能小。定期進行燃油系統(tǒng)污染度檢查,確保介質(zhì)流體潔凈可用。
5結束語
通過上述分析，漩渦流、脈動流、介質(zhì)粘度、介質(zhì)污染度和電磁干擾等是渦輪流量計測量精度的主要影響因素,在使用過程中應從渦輪流量計選型、渦輪流量計安裝位置確定、介質(zhì)流體充分放氣等方面進行控制，以消除外部因素的影響，確保渦輪流量計測量精度。
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