CN109211372B - 低压临界流文丘里喷嘴校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压临界流文丘里喷嘴校准装置，其包括：入口管段，所述入口管段一端直接连接到大气，所述入口管段的另一端延伸连接到汇管的入口；所述汇管的出口和反向汇管的入口之间包括多个通道，在每个通道中设置有气动阀门和标准音速喷嘴，所述多个通道中的标准音速喷嘴具有不同的喉径；所述多个管道连接到待测音速喷嘴，所述待测音速喷嘴的出口端为真空环境；控制部分对标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的温度和压力进行测量，所述多个通道中的气动阀门连接到所述控制部分。本发明建立了一套适用于超低压、大流量条件下对音速喷嘴进行直接校准和量值溯源的低压音速喷嘴校准装置，可实现被测音速喷嘴的滞止压力低至10kPa的测试条件。

Description

低压临界流文丘里喷嘴校准装置

技术领域

本发明涉及一种校准装置，特别是涉及一种低压临界流文丘里喷嘴校准装置。

背景技术

临界流文丘里喷嘴(简称音速喷嘴)是由入口渐缩到喉部，又渐扩到出口的差压式流量计，包括收缩段、喉部和扩散段。音速喷嘴因其结构简单、无可动部件、准确度高、重复性好等特点，国内外普遍将音速喷嘴作为传递标准对其它类型的气体流量计进行量值传递。同时，音速喷嘴可直接量值溯源至国家气体流量原级标准装置。因此，音速喷嘴在气体流量量值溯源体系中占据重要位置，是保证气体流量计量准确可靠和量值统一的关键环节。

航空发动机是航空飞行器的心脏，是展现国家科技、工业和国防实力的重要标志。航空发动机在研制、生产和维修过程中，都需要通过地面室内试车台对其推力性能进行测试。发动机推力性能的测试需要准确的气体流量测量，气体流量测量的准确取决于气体流量标准装置的测量能力。航空发动机通常工作在高空的超低压环境中，超低压、大流量是航空发动机气体流量计量的典型特点，在超低压条件下的流量范围约为40～480kg/s，需要利用较大尺寸的音速喷嘴在超低压条件下实现对航空发动机的大流量的直接校准与量值传递。传统上，音速喷嘴由气体流量原级标准装置对其进行校准。

气体流量原级标准装置主要分为质量法和容积法。其中，质量法主要有mt法；容积法包括pVTt法、钟罩式及活塞式等。其中，mt法原级标准装置的工作压力高，流量大，目前国内mt法原级标准装置的最大工作压力为8MPa，最大流量为8kg/s，装置的扩展不确定度为0.1％(k＝2)；pVTt法原级标准装置的准确度高，装置气源可为高压或负压(即工作压力为一个大气压)，目前国负压pVTt法原级标准装置的最大流量为1300m³/h，装置的扩展不确定度为0.05％(k＝2)；钟罩式原级标准装置的工作压力低且受湿度影响较大，流量小；活塞式原级标准装置受其体积管的机械加工水平的影响较大，目前国内的HPPP(高压活塞)法原级标准装置的最大工作压力为10MPa，最大流量为480m³/h，装置的扩展不确定度为0.07％(k＝2)。

然而，这些传统方法都受装置本身及空间的限制，工作压力最低至1个大气压，在高压或负压气体介质下的可测流量范围均有限，无法满足超低压、大流量条件下音速喷嘴的直接校准。

综上，为实现在超低压、大流量条件下对航空发动机的气体流量计进行量值传递和溯源，需要以性能稳定、准确度高的音速喷嘴作为传递标准，并建立可实现在超低压、大流量条件下对音速喷嘴进行量值溯源的校准装置。

发明内容

本发明的目的是解决音速喷嘴无法在超低压、大流量条件下进行直接校准和量值溯源等问题。

本发明提供了一种低压临界流文丘里喷嘴校准装置，其包括：

入口管段，所述入口管段一端直接连接到大气，所述入口管段的另一端延伸连接到汇管的入口；

所述汇管的出口和反向汇管的入口之间包括多个通道，在每个通道中设置有气动阀门和标准音速喷嘴，所述多个通道中的标准音速喷嘴具有不同的喉径；

所述多个管道连接到待测音速喷嘴，所述待测音速喷嘴的出口端为真空环境；

控制部分对标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的温度和压力进行测量，所述多个通道中的气动阀门连接到所述控制部分。

其中，在所述入口管段的管道延伸长度上设置有标准音速喷嘴滞止温度取温口和标准音速喷嘴滞止压力取压口。

其中，第一温度测量仪表通过所述标准音速喷嘴滞止温度取温口获取对应位置的温度数据；第一压力测量仪表通过标准音速喷嘴滞止压力取压口获得对应位置的压力数据。

其中，在所述反向汇管的出口和被检音速喷嘴的入口之间的管道上设置有被检音速喷嘴滞止温度取温口和被检音速喷嘴滞止压力取压口。

其中，第二温度测量仪表通过所述被检音速喷嘴滞止温度取温口获取对应位置的温度数据；第二压力测量仪表通过所述被检音速喷嘴滞止压力取压口获得对应位置的压力数据。

本发明提供一种采用上述校准装置的校准方法，其步骤为：

启动真空泵，在所述待测音速喷嘴的出口端形成真空环境；

控制对应通道中的气动阀门，选择预定喉径的标准音速喷嘴与被检音速喷嘴串联；

采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取温口的温度数据，采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取压口的压力数据，

实现在多个流量点下对被检音速喷嘴进行校准，得到被检音速喷嘴在各个喉部雷诺数下的流出系数。

本发明建立了一套适用于超低压、大流量条件下对音速喷嘴进行直接校准和量值溯源的低压音速喷嘴校准装置，可实现被测音速喷嘴的滞止压力低至10kPa的测试条件。该装置将并联的5块标准音速喷嘴与被测音速喷嘴串联实现对被测音速喷嘴在多个较低压力点下的流量校准，从而实现对音速喷嘴无法在超低压、大流量条件下进行直接校准和量值溯源。本发明建立了一种可实现在超低压、大流量条件下对音速喷嘴进行量值溯源的校准装置。

附图说明

图1低压临界流文丘里喷嘴校准装置的测试原理简图；

图2低压临界流文丘里喷嘴校准装置的结构示意图；

图3被检音速喷嘴的流出系数与喉部雷诺数的平方根倒数间的关系示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

流出系数C_d作为音速喷嘴流出特性的重要参数之一，是关联流过音速喷嘴实际质量流量和理想质量流量的重要参数，也是保证气体流量计量准确可靠和量值统一的关键参数。该标准装置的测试原理简图如图1所示，基于质量守恒，流过标准音速喷嘴的质量流量与通过被检音速喷嘴的质量流量相等，由标准音速喷嘴的滞止温度T_0,m、滞止压力P_0,m及流出系数C_d,m等重要参数可以求得通过标准音速喷嘴的质量流量q_m,u，即通过被检音速喷嘴的实际质量流量，而被检音速喷嘴的理想质量流量q_mi,u可通过其相应的物理参数计算得到，因此，被检音速喷嘴的流出系数计算公式如下：

基于上述原理，构建了本发明的校准装置，图2为本发明的低压临界流文丘里喷嘴校准装置的结构示意图。本发明的低压临界流文丘里喷嘴校准装置包括用于连接的管段、标准音速喷嘴、气动阀门和待测音速喷嘴等一系列的组件，如图2所示的结构只是为了便于帮助理解本发明的构思，其并不作为对发明内容的唯一性限定，本领域人员可以对其结构组件进行适当的替换和变更，以及相互的连接关系中可以是直接接触也可以是通过中间部件间接接触等情况，在本领域人员的合理预期范围内的置换或替代或省略均应落入本发明的范围之内。

如图2所示，入口管段1，所述入口管段1一端直接连接到大气，所述入口管段1的另一端延伸连接到汇管4，在所述入口管段1的管道延伸长度上依次设置有标准音速喷嘴滞止温度取温口2和标准音速喷嘴滞止压力取压口3，第一温度测量仪表通过所述标准音速喷嘴滞止温度取温口2获取对应位置的温度数据；第一压力测量仪表通过标准音速喷嘴滞止压力取压口3获得对应位置的压力数据。

所述汇管4为单入口多出口方式，优选所述汇管包括1个入口和5个出口，如图1所示的所述汇管4包括第一入口和第一出口、第二出口、第三出口、第四出口和第五出口。所述第一出口、第二出口、第三出口、第四出口和第五出口均通过管道连接到气动阀门5，每个气动阀门5对应一个出口，每个所述气动阀门5对应连接到一个标准音速喷嘴6的入口端。

对应于汇管4具有5个出口的情况，所述第一出口、第二出口、第三出口、第四出口和第五出口中的每个出口对应连接有一个所述标准音速喷嘴6，所述标准音速喷嘴6的出口端连接到反向汇管的入口，多个所述反向汇管的出口通过管道进行反向汇集到一个出口，所述反向汇管的出口连接到被检音速喷嘴9的入口端。

在所述反向汇管的出口和被检音速喷嘴的入口端之间的管道上依次设置有被检音速喷嘴滞止温度取温口7和被检音速喷嘴滞止压力取压口8，第二温度测量仪表通过所述被检音速喷嘴滞止温度取温口7获取对应位置的温度数据；第二压力测量仪表通过所述被检音速喷嘴滞止压力取压口8获得对应位置的压力数据。所述被检音速喷嘴9的出口端连接到真空泵10，通过真空泵10的作用使得被检音速喷嘴9的出口处于真空状态。

所述标准音速喷嘴滞止温度取温口2和所述被检音速喷嘴滞止温度取温口7位置处对应的第一温度测量仪表和第二温度测量仪表均连接到温度数据采集器11，所述标准音速喷嘴滞止压力取压口3和被检音速喷嘴滞止压力取压口8处的第一压力测量仪表和第二压力测量仪表均连接到数显压力采集器13。所述校准装置进一步包括控制部分12，所述控制部分12对标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的温度和压力进行测量，所述测量通过取温口和取压口来实现，所述温度数据采集器11和所述数显压力采集器13均连接到控制部分12，所述控制部分12还对所述启动阀门5的开启和关闭进行控制，所述真空泵10与所述控制部分12相连。

基于上述校准装置的结构，优选在第一出口至第五出口对应的管路中依次设置将5块并联的不同喉径的标准音速喷嘴，开始通过控制部分12气动真空泵10，在所述待测音速喷嘴的出口端形成真空环境；通过控制对应通路中的气动阀门5，选择预定喉径的标准音速喷嘴与被检音速喷嘴串联，通过第一温度测量仪表和第二温度测量仪表采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取温口的温度数据，通过第一压力测量仪表和第二压力测量仪表采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取压口的压力数据，实现在多个点、5个或更多流量点下对被检音速喷嘴进行校准，得到被检音速喷嘴在各个喉部雷诺数下的流出系数。5块标准音速喷嘴的喉径均比被检音速喷嘴的喉径小，标准音速喷嘴在作为标准表的同时，也作为节流件，可实现被测音速喷嘴的滞止压力低至10kPa的测试条件，实现对低压、大流量的条件模拟，同时又可以进行校准，测量准确性和方便性明显提高。

作为进一步的优选，与前面相同的条件不再赘述，其全部被引用在此，作为进一步的变形实施方式，汇管4的管路出口数量可以选择为2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、甚至更多个，其中汇管4的出口数量与反向汇管的入口数量相对应，在汇管4的一个出口与反向汇管的一个对应连接方入口之间构成一个通路，如上第一出口至第五出口分别对应的是第一通路至第五通路，及第一出口对应第一通路，第二出口对应第二通路，第三出口对应第三通路，第四出口对应第四通路，第五出口对应第五通路，在每个通路中设置不同喉径的标准音速喷嘴，作为进一步的选择也可以在一个通路中设置一个以上的标准音速喷嘴，如两个标准音速喷嘴串联在一个通路中。

经试验测试，当喉部雷诺数低于1×10⁶时，音速喷嘴的边界层处于层流状态，在该状态下，音速喷嘴的流出系数与喉部雷诺数的平方根倒数间为线性关系。根据这一特性，该方法将至少5组实验数据进行线性拟合，得到的线性拟合程度越高，趋势线的可靠性就越高。基于拟合程度较高的线性拟合结果，验证了该校准方法的可行性和准确性。为保证量值统一和再次验证方法的可行性及准确性，使用中国计量科学研究院的pVTt法气体流量基准装置在大气压条件下对被检音速喷嘴进行校准，如图3所示，将这一组实验结果与上述至少5组数据结合起来，从而保证量值统一和准确可靠。

本发明建立了可实现超低压、大流量条件下对音速喷嘴进行直接校准和量值溯源的校准装置。以较小喉径的标准音速喷嘴作为标准表和节流件，实现对较大喉径的音速喷嘴在滞止压力低至10kPa压力下进行直接校准。本发明的该装置可实现至少5个流量点下的校准，并可通过拟合-反演法保证量值统一和准确可靠以及得到音速喷嘴在目标压力点和相应喉部雷诺数下的流出系数。根据音速喷嘴在层流状态下其流出系数与喉部雷诺数的平方根倒数间为线性关系这一特性作为判定校准方法准确可靠和保证量值统一的重要依据，将pVTt法原级标准装置与低压音速喷嘴法标准装置的实验数据结合起来，保证量值统一。

本发明可通过较小喉径的标准音速喷嘴对较大喉径音速喷嘴进行校准，实现了在超低压、大流量条件下对音速喷嘴的量值传递与溯源。通过标准音速喷嘴来传递量值的方法可避免原级标准装置本身及空间的限制，可连续测量，响应时间快，不需要足够长的时间等待气体稳定，校准的效率更高。通过该套装置可较容易地得到被检音速喷嘴在层流状态下流出系数与喉部雷诺数平方根之间的关系。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种低压临界流文丘里喷嘴校准装置，其包括：

入口管段，所述入口管段一端直接连接到大气，所述入口管段的另一端延伸连接到汇管的入口；

所述汇管的出口和反向汇管的入口之间包括多个通道，在每个通道中设置有气动阀门和标准音速喷嘴，所述多个通道中的标准音速喷嘴具有不同的喉径；

所述多个通道连接到待测音速喷嘴，所述待测音速喷嘴的出口端为真空环境；控制部分对标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的温度和压力进行测量，所述测量通过取温口和取压口来实现，在所述入口管段的管道延伸长度上设置有标准音速喷嘴滞止温度取温口和标准音速喷嘴滞止压力取压口；在所述反向汇管的出口和待测音速喷嘴的入口之间的管道上设置有待测音速喷嘴滞止温度取温口和待测音速喷嘴滞止压力取压口；所述标准音速喷嘴滞止温度取温口和所述待测音速喷嘴滞止温度取温口位置处对应的第一温度测量仪表和第二温度测量仪表均连接到温度数据采集器，所述标准音速喷嘴滞止压力取压口和待测音速喷嘴滞止压力取压口处的第一压力测量仪表和第二压力测量仪表均连接到数显压力采集器，所述温度数据采集器和所述数显压力采集器均连接到控制部分，所述多个通道中的气动阀门连接到所述控制部分。

2.如权利要求1所述的低压临界流文丘里喷嘴校准装置，其特征在于：第一温度测量仪表通过所述标准音速喷嘴滞止温度取温口获取对应位置的温度数据；第一压力测量仪表通过标准音速喷嘴滞止压力取压口获得对应位置的压力数据。

3.如权利要求1所述的低压临界流文丘里喷嘴校准装置，其特征在于：第二温度测量仪表通过所述待测音速喷嘴滞止温度取温口获取对应位置的温度数据；第二压力测量仪表通过所述待测音速喷嘴滞止压力取压口获得对应位置的压力数据。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的低压临界流文丘里喷嘴校准装置的校准方法，其特征在于：

启动真空泵，在所述待测音速喷嘴的出口端形成真空环境；

控制对应通道中的气动阀门，选择预定喉径的标准音速喷嘴与待测音速喷嘴串联；

采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取温口的温度数据，采集对应标准音速喷嘴和待测音速喷嘴的取压口的压力数据，

实现在多个流量点下对待测音速喷嘴进行校准，得到待测音速喷嘴在各个喉部雷诺数下的流出系数。