CN105841642A - 一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统 - Google Patents

Abstract

一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，本发明涉及拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统。本发明是为了解决现有的拉瓦尔喷管喉径尺寸测量方法效率和精度低的问题。本发明系统包括：液压油源(1)、温控装置(2)、手动球阀(3)、蓄能器(4)、第一油过滤器(5)、第二油过滤器(6)、比例溢流阀(7)、电磁阀(8)、第一压力传感器(9)、温度传感器(10)、测量专用夹具(11)、第二压力传感器(12)和流量传感器(13)。本发明温控装置(2)和蓄能器(4)确保了拉瓦尔喷管喉径尺寸测量过程中测量介质的温度和压力恒定。本发明应用于伺服控制和智能检测领域。

Description

一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统

技术领域

本发明涉及拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统。

背景技术

作为飞行器动力装置的重要部件，拉瓦尔喷管在航空和航天等领域有着广泛的应用，是发动机推力向量控制系统的重要组成部分。它依靠自身特殊的几何结构，将燃料燃烧产生的气体转化成高速射流喷出，进而产生强大的推力，是发动机中能量转换的核心装置。拉瓦尔喷管的喉径尺寸对于喷管性能的影响极大。当前孔径测量方法主要包括接触式和非接触式。但是对于拉瓦尔喷管特殊的结构，现有较为成熟的深孔测量方法全都不适用，不能用于拉瓦尔喷管喉径尺寸的测量。拉瓦尔喷管的生产单位目前采用机械塞规测量喉径尺寸。首先加工出一系列不同直径的机械塞规，由测量操作人员按照塞规直径由小至大的顺序依次塞入拉瓦尔喷管中，直至塞规无法塞入拉瓦尔喷管为止。该测量方法测量时有如下问题：1、塞规直径规格有限，间隔几个微米，无法获得更高的测量精度；2、测量时完全依赖操作人员的感觉判断塞规与喷管的配合程度，无法量化测量精度；3、由于是接触式测量方法，测量过程中容易划伤喷管的内壁；4、测量过程中反复更换塞规，导致测量效率极低；5、由于喷管喉部为磨粒流挤压成型，形状并不是完全规则的圆型，通过塞规测量结果与最终零件的成品率关联不强。

发明内容

本发明是为了解决现有的拉瓦尔喷管喉径尺寸测量方法效率和精度低的问题，而提出的一种以10号航空液压油为介质的拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统。

一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统包括：液压油源、温控装置、手动球阀、蓄能器、第一油过滤器、第二油过滤器、比例溢流阀、电磁阀、第一压力传感器、温度传感器、测量专用夹具、第二压力传感器和流量传感器；

所述液压油源的出油端与第一油过滤器的进油端连接；第一油过滤器的出油端与第二油过滤器的进油端连接；第二油过滤器的出油端与电磁阀的进油端连接；电磁阀的出油端与测量专用夹具的进油端连接；测量专用夹具的出油端与流量传感器的进油端连接；

液压油源与第一油过滤器之间依次设置温控装置和蓄能器，其中蓄能器上设置手动球阀；第二油过滤器与电磁阀之间设置比例溢流阀；电磁阀与测量专用夹具之间依次设置第一压力传感器和温度传感器；测量专用夹具与流量传感器之间设置第二压力传感器。

发明效果：

大量的仿真分析和测量试验表明测量介质的温度和压力对于流体测量方法测量的准确性影响极大。因此，本发明中设置了温控装置，对拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统的测量介质航空液压油进行精确的温度控制，控制精度优于±2℃；设置手动球阀和蓄能器，当液压油源压力波动较大时，可手动开启蓄能器，稳定液压油源的压力。温控装置和蓄能器确保了拉瓦尔喷管喉径尺寸测量过程中测量介质的温度和压力恒定，最终测量系统的测量不重复性误差小于±1μm。本发明通过液力的压差-流量特性间接测量拉瓦尔喷管的喉径尺寸，测量单个喷管的时间为2-3分钟。测量时间远小于通过人工操作机械塞规的测量方式(约8-10分钟)，极大地提升了测量效率。同时，本发明的测量系统，利用传感器采集相应的数据，计算机处理数据，避免了传统测量方式人为误差的引入，测量精度由机械塞规测量的±5μm提升至±1μm，极大地提升了测量精度。同时，由于采用以航空液压油为介质的非接触式测量方式，对零件没有任何损伤，测量结果与最终零件的成品率具有极强的关联。通过第一油过滤器和第二油过滤器依次对液压油进行杂质过滤，减少了液压油中的杂质对测试的干扰，进一步提高了测试结果的准确性。本发明所述的测量系统为模块式结构，通过更换不同的芯型测头，即可实现不同型号的拉瓦尔喷管喉径尺寸的测量。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明测量系统总体框图；

图3为专用夹具分解示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统包括：液压油源1(最大压力12MPa，工作压力2-10MPa)、温控装置2(控制精度优于±2μm)、手动球阀3、蓄能器4、第一油过滤器5、第二油过滤器6、比例溢流阀7、电磁阀8、第一压力传感器9、温度传感器10、测量专用夹具11、第二压力传感器12和流量传感器13；

所述液压油源1的出油端与第一油过滤器5的进油端连接；第一油过滤器5的出油端与第二油过滤器6的进油端连接；第二油过滤器6的出油端与电磁阀8的进油端连接；电磁阀8的出油端与测量专用夹具11的进油端连接；测量专用夹具11的出油端与流量传感器13的进油端连接；

液压油源1与第一油过滤器5之间依次设置温控装置2和蓄能器4，其中蓄能器4上设置手动球阀3；第二油过滤器6与电磁阀8之间设置比例溢流阀7；电磁阀8与测量专用夹具11之间依次设置第一压力传感器9和温度传感器10；测量专用夹具11与流量传感器13之间设置第二压力传感器12。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述温控装置2根据计算机发来的控制信号控制第二油过滤器6的出油端的油温。温控装置2为油冷机。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述手动球阀3控制开启蓄能器4，蓄能器4(充气压力3MPa)使液压油压力稳定。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述第二油过滤器6的过滤精度大于第一油过滤器5的过滤精度，第一油过滤器5为10微米油过滤器，第二油过滤器6为5微米油过滤器。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述比例溢流阀7(控制精度±0.1MPa)根据计算机发来的第一控制信号控制第二油过滤器6的出油端的压力。电磁阀8控制测量油路通断。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述第一压力传感器9(精度0.25％Fs)采集电磁阀8的出油端和测量专用夹具11的进油端的油压数据，第二压力传感器12采集测量专用夹具11的出油端和流量传感器13的进油端的油压数据。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述温度传感器10(精度0.5％Fs)采集电磁阀8的出油端和测量专用夹具11的进油端的油温数据。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述测量专用夹具11由锁紧螺母14、芯型测头15、左夹持机构16、左密封垫片17、被测喷管18、右密封垫片19和右夹持机构20构成；

将右密封垫片19、被测喷管18、左密封垫片17、左夹持机构16、芯型测头15和锁紧螺母14依次安装在右夹持机构20上，且锁紧螺母14、芯型测头15、左夹持机构16、左密封垫片17、被测喷管18、右密封垫片19和右夹持机构20同轴心设置。

测量专用夹具如图3所示，由两侧的夹持机构、密封垫片和一个特殊设计的芯型测头组成。两侧夹持机构分别设计有标准液压接头，可与测量油路连接。左侧为测量专用夹具的进油端，右侧为出油端。被测拉瓦尔喷管靠左右两端的黄铜垫片密封。芯型测头设计为圆锥形，测头尺寸和形状经过大量的流场仿真模拟进行优化，确保测量时圆锥形的最大截面位于拉瓦尔喷管的喉径处，并且流过测量专用夹具的液压油满足薄壁小孔流动模型。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述流量传感器13(非线性误差优于0.3％)采集测量专用夹具11的流量数据。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述第一压力传感器9、温度传感器10、第二压力传感器12和流量传感器13将各自采集的数据分别发送至计算机。通过预设的程序，根据液力的压差-流量特性，对比标准尺寸拉瓦尔喷嘴的喉径尺寸，计算出待测拉瓦尔喷管的喉径尺寸。测量结束后，计算机用于根据其计算出的相关数据，判定拉瓦尔喷管是否合格。检测设备用工业控制计算机作为主控制计算机，实现测量过程的全自动化。

其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

本发明系统的工作原理：

孔口流动的压差—流量特性按照小孔的长度和直径之比的不同，可分为薄壁小孔流动、短孔流动和细长孔流动。其中，薄壁小孔流动在固定的压差下，流量与过量面积成正比，最适用于拉瓦尔喷管喉径尺寸的测量。本发明测量系统总体框图如图2所示。因此，本发明的测量系统，基于薄壁小孔孔口流动的压差——流量特性，如下式：

$Q=C_d{A}_0\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

式中Q——通过孔口的体积流量(m³/s)；

ρ——液压油密度(kg/m³)；

A₀——过流面积(mm²)；

C_d——流量系数；

ΔP——压差(MPa)。

上式中流量系数C_d是一个比较复杂的变量，它与通过孔口流体的流态(层流或湍流)有关。在实际测量时，选择合适尺寸的芯型测头塞规使孔口液压油流态为湍流状态，可以认为流量系数为常数。液压油可以看作不可压缩流体，并且通过温控装置将液压油油温控制在一定范围内，密度ρ视为常数。通过蓄能器的稳压和比例溢流阀高精度的压力控制，阀口压差ΔP基本恒定，也可视为常数。根据式(1)，将拉瓦尔喷管喉径尺寸D和芯型测头塞规直径d带入式(1)中，可得

$Q=C_d{A}_0\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{C}_d\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}(D^2-d^2)---\left(2\right)$

由式(2)可得拉瓦尔喷管喉径尺寸D为：

$d=\sqrt{D^2-\frac{4Q}{{\mathrm{\πC}}_d}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\Δ}P}}}---\left(3\right)$

由式(3)可通过测量的流量值，计算拉瓦尔喷管喉部的过流截面积，结合芯型测头的截面积，即可反算喷管的喉径尺寸。

Claims (10)

1.一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：液压油源(1)、温控装置(2)、手动球阀(3)、蓄能器(4)、第一油过滤器(5)、第二油过滤器(6)、比例溢流阀(7)、电磁阀(8)、第一压力传感器(9)、温度传感器(10)、测量专用夹具(11)、第二压力传感器(12)和流量传感器(13)；

所述液压油源(1)的出油端与第一油过滤器(5)的进油端连接；第一油过滤器(5)的出油端与第二油过滤器(6)的进油端连接；第二油过滤器(6)的出油端与电磁阀(8)的进油端连接；电磁阀(8)的出油端与测量专用夹具(11)的进油端连接；测量专用夹具(11)的出油端与流量传感器(13)的进油端连接；

液压油源(1)与第一油过滤器(5)之间依次设置温控装置(2)和蓄能器(4)，其中蓄能器(4)上设置手动球阀(3)；第二油过滤器(6)与电磁阀(8)之间设置比例溢流阀(7)；电磁阀(8)与测量专用夹具(11)之间依次设置第一压力传感器(9)和温度传感器(10)；测量专用夹具(11)与流量传感器(13)之间设置第二压力传感器(12)。

2.根据权利要求1所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述温控装置(2)根据计算机发来的控制信号控制第二油过滤器(6)的出油端的油温。

3.根据权利要求2所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述手动球阀(3)控制开启蓄能器(4)，蓄能器(4)使液压油压力稳定。

4.根据权利要求3所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述第二油过滤器(6)的过滤精度大于第一油过滤器(5)的过滤精度，第一油过滤器(5)为10微米油过滤器，第二油过滤器(6)为5微米油过滤器。

5.根据权利要求4所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述比例溢流阀(7)根据计算机发来的第一控制信号控制第二油过滤器(6)的出油端的压力。

6.根据权利要求5所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述第一压力传感器(9)采集电磁阀(8)的出油端和测量专用夹具(11)的进油端的油压数据，第二压力传感器(12)采集测量专用夹具(11)的出油端和流量传感器(13)的进油端的油压数据。

7.根据权利要求6所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述温度传感器(10)采集电磁阀(8)的出油端和测量专用夹具(11)的进油端的油温数据。

8.根据权利要求7所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述测量专用夹具(11)由锁紧螺母(14)、芯型测头(15)、左夹持机构(16)、左密封垫片(17)、被测喷管(18)、右密封垫片(19)和右夹持机构(20)构成；

将右密封垫片(19)、被测喷管(18)、左密封垫片(17)、左夹持机构(16)、芯型测头(15)和锁紧螺母(14)依次安装在右夹持机构(20)上，且锁紧螺母(14)、芯型测头(15)、左夹持机构(16)、左密封垫片(17)、被测喷管(18)、右密封垫片(19)和右夹持机构(20)同轴心设置。

9.根据权利要求8所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述流量传感器(13)采集测量专用夹具(11)的流量数据。

10.根据权利要求9所述的一种拉瓦尔喷管喉径尺寸流体测量系统，其特征在于，所述第一压力传感器(9)、温度传感器(10)、第二压力传感器(12)和流量传感器(13)将各自采集的数据分别发送至计算机。