CN100567890C - 超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量复杂型面孔的流通面积的方法，其主要内容为：将被测工件型面孔前的空气压力P₁ ^*调整到超临界压比，即不小于2倍大气压力P_o，确保空气以临界速度通过型面孔，然后进一步膨胀，经过排气管道排入大气。测量型面孔前的空气压力P₁ ^*，空气温度T₁ ^*和经过管道的空气流量Ga，由空气绝热指数K及气体常数R计算出空气的系数m，应用这些数据代入可压缩流的流量方程计算出被测复杂型面孔的流通面积。本发明揭示的超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法，较现有技术利用空气动力测量型面孔面积的方法具有测量精度高，测量范围大，测量装置通用性强，操作方便等优点，解决了小流通面积复杂型面孔流通面积的精确测量问题。

Description

超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法

技术领域

本发明涉及型面孔流通面积的测量方法，特别是涉及利用空气动力精确测量不规则复杂型面孔流通面积的方法。

背景技术

现有使用空气动力测量型面孔流通面积方法是采用远低于临界比的方法，使空气低速流过型面孔，此时空气的流动接近不可压缩流，又保持管道内空气流动的雷诺数大于3150，即空气的粘性影响也足够小，这样设计计算的基本公式可用下列公式表示：

通过型面孔的空气流量Ga(kg/s)为：

因此型面孔的流通面积为：

其中：Ga-通过型面孔的空气流量(Kg/s)

F_型-型面孔的面积(m²)

C-流出系数

β-收缩率，对于圆孔为d/D

D-管道的直径

ΔP-型面孔前后的压差(Pa)

ε-空气的可膨胀系数

ρ-空气密度(Kg/m³)

其中：C＝f(ReD，β)                   Re_D-管道内气流的雷诺数

ε＝f(P₀/P₁，β，)

P₁-测量型面孔前的空气压力(Pa)

P₀-测量型面孔后，排气管内的空气压力(Pa)，它等于大气压力。

分析这些计算公式可以明显看出它的特点是：

1.计算的基本公式中，把空气假设为不可压缩流，无粘性进行计算，以简化公式。

2.为减少误差再用C，β，ε三个参数来进行修正，主要是修正空气的可压缩性及空气的粘性引起的误差。

3.测量型面孔的面积F_型，在上述公式中，Ga是可以测量得到的，由于管道内没有分流和漏气，根据气流的连续性原理，整个管道内的的空气流量是相等的，只要通过标准节流孔板就可以测量出空气流量Ga，其余的参数ΔP可以测量得到，ρ可由测量得到的空气状态参数温度、压力计算得到，至于C，β，ε三个参数，对于简单的规则型面孔可以通过大量的试验数据及曲线可以得到，而对于复杂型面来说，C，β，ε三个参数就无法得到。因此这种测量方法只能得到相对于比较相似型面孔面积的大小，是一个相对值，不能得到确切的流通面积数值。

这种测量方法的特点决定了其使用范围的局限性及其误差。

1、小流量限制。为了防止小流量时空气粘性带来的误差过大，因此规定流体管道内的雷诺数必须大于3150，且管道的直径必须大于φ50，而在工程上遇到复杂型面孔的面积往往比较小，因此用这种测量方法测量时，会落在限制范围内。有的虽然在允许范围内，但已经接近限制线，误差较大。

2、管道内流速的限制。为了减少空气可膨胀性引起的误差，要求空气在管道内的流速不能太高，具体要求为Po/P₁ ^*＞0.75，也就是ΔP＜0.33Po，否则由于空气可膨胀性引起的误差会过大。

3、用这种方法设计的测量装置通用性差。由于这种测量方法受到小流量、大流速的限制，往往一台设备只能测量较小范围的流通面积，因此通用性差。

4、测量误差较大。由于受到空气可膨胀性和粘性的影响，而且大气压力的变化也会影响测量的结果。

5、测量的结果只能比较相对面积的大小，不能得到具体面积的数值。

发明内容

针对现有技术利用空气动力测量型面孔流通面积方法存在的不足，本发明的目的旨在提供一种超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法，以解决现有技术存在的测量误差大，测量范围小，测量装置通用性差及无法精确测量小复杂型面孔等问题。

本发明所要解决的上述问题，可通过采取以下技术方案得以实现。

1把空气按可压缩流进行设计和计算，即把空气视为可压缩流，测量方法的设计和计算按可压缩流进行。

2测量时保持测量型面孔前的空气压力P₁ ^*与大气压力P_o的比值要大于临界压力比，以确保空气能够以临界速度通过被测型面孔。对于空气来说，临界压力比为P_临/P₁ ^*＝0.5283，因此通常要求P₁ ^*≥2P₀，即要求P₁ ^*大于或等于2倍大气压力。由于此处为收敛通道，空气流以临界速度通过被测型面孔，在管道内又进一步通过膨胀波使压力降低为接近大气压力，排入大气。

(3)P₁ ^*、T₁ ^*通过直接测量得到，流量Ga则根据气流的连续性原理，在管道前部用节流孔板测量得到；

(4)根据测量出的压力P₁ ^*、温度T₁ ^*及流量Ga按下述公式计算出被测型面孔的面积F_型：

为了使本发明取得更好的技术效果，本发明还采取了以下技术措施：

在测量流量Ga的孔板前设置一段长度不小于10倍管道直径D的直管，使气流平稳均匀流过孔板节流孔；

使流过被测孔的空气通过膨胀波压力降低为略大于大气压力；

通过改变型面孔前的空气压力P₁ ^*改变型面孔流通面积F_型的测量范围，即可通过设定不同的P₁ ^*值，使同一套设备能测量不同面积的复杂型面孔，即扩大了型面孔流通面积F_型的测量范围，并保持最佳的测量精度。

本发明采用的基本设计及计算公式如下：

当气流以临界速度流过被测型面孔时它的流量Ga(kg/s)为：

其中 $m=\sqrt{k\·{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}\·\sqrt{\frac{1}{R}}$

P₁ ^*-型面孔前的气体总压(Pa)

q(λ)-气体的流量系数，当临界流速时λ＝1，q(λ)＝1

T₁ ^*-被测型面孔前气体的总温(K)

k-气体的绝热指数

R-气体常数

对于空气k＝1.4  R＝287.04J/K·kg

m＝0.04042

其中P₁ ^*、T₁ ^*都可以直接测量得到，Ga可以根据气流的连续性原理，在管道前部用节流孔板测量得到，这样就能计算出被测型面孔的面积F_型。

本发明与现有技术的型面孔测量方法相比，概括起来具有以下突出的优点和积极效果。

1、本发明的方法，由于设计和计算时，把空气作为可压缩性气流，消除了空气可压缩性引起的误差，并以临界速度通过被测型面孔，影响因素少，使测量精度高，特别适合于测量精确度要求高的复杂型面孔面积的测量。

2、可以精确测量小面积的复杂型面孔。小面积孔用现有方法测量时，被测型面孔前的空气压力P₁ ^*可以在很大的范围内调节，只要适当加大P₁ ^*就可使流量Ga达到设备的最佳范围内，以达到精确测量的目的。

3、根据本测量方法设计的面积测量装置通用性强，一台设备可当几台用，可节约开支并加快试制周期。由于它消除了空气可压缩性的限制，并把空气粘性的影响减少到最小，使整套设备的测量范围扩大。

4、本测量方法稳定性好。型面孔前后压差的变化，大气压力的变化都不影响试验结果，确保多次试验的结论一致。

5、本测量方法可通过试验得到型面孔的面积，而现有的测量方法只能测出象征面积大小的相对值。

附图说明

图1是实施本发明的测量装置系统示意图。

图2是图1的A部放大图。

在图中，1气源；2储气罐；3气源阀门；4减压阀；5减压阀；6压力表；7调节阀；8孔板前压力表；9节流孔板；10孔板前后压差计；11被测零件前的压力表(显示P₁ ^*)；12被测零件；13要测量的型面孔(面积为F_型)；14试验段；15排气管；16温度计(显示T₁ ^*)；17安装边。

具体实施方式

将具有复杂型面孔的被测量零件按图1及图2所示的方式安装在测量装置内，用安装边17固紧被测零件12，注意不允许漏气。压缩空气由气源1进入到储气罐2，它的作用是使空气压力平稳并除去空气中的水分和杂质，然后气流经过气源阀门3，进入空气管道又经过定压减压阀4，使空气压力降低到设定的数值。压力表6显示第一级定压减压阀后的压力，然后通过第二级定压减压阀5及调节阀7，使被测零件前的压力表11精确调节到设定的数值P1^*，同时通过温度计16显示气流的温度T₁ ^*，气流通过节流孔板9用压差计显示孔板前后的压差。由于孔板9的要求，在孔板前应该有20倍管子直径D的直线段，使气流更加平稳均匀，确保测量精确度，然后气流进入被测零件12前，以临界速度通过被测零件上的复杂型面孔13，型面孔出来的气体压力大于大气压力P₀，在试验段14内空气通过膨胀波压力降低为略大于大气压力经过排气管15排入大气。

这样通过节流装置测量出Ga，以及直接测量的P1^*及T₁ ^*，应用前面所列公式就可计算出F_型值，也可把这些信号直接输入计算机中，直接读出F_型值。

Claims (3)

1、一种超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法，其特征在于：

(1)把空气按可压缩流进行设计和计算；

(2)保持测量型面孔前的空气压力P₁ ^*与大气压力P_o的比值要大于临界压力比，以确保空气以临界速度通过被测型面孔；

(3)在测量流量Ga的孔板前设置一段长度不小于10倍管道直径D的直管，使气流平稳均匀流过孔板节流孔，测量出管道内的压力P₁ ^*、温度T₁ ^*及流量Ga；

(4)根据测量出的压力P₁ ^*、温度T₁ ^*及流量Ga按下述公式计算出被测型面孔的面积F_型：

2、根据权利要求1所述的超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法，其特征在于流过被测孔的空气压力通过膨胀波压力降低后略大于大气压力。

3、根据权利要求1或2所述的超临界压比测量复杂型面孔流通面积的方法，其特征在于在同一套测量设备上通过改变空气压力P₁ ^*，扩大测量型面孔流通面积F_型的范围。

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