CN114323535B - 一种高精度低湍流度流量供给系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度低湍流度流量供给系统及其使用方法，包括依次设置的高压气源、流量控制阀、第一稳压舱、蜂窝器、组合音速喷嘴、套管及球阀、第二稳压舱、输气管，所述第一稳压舱、第二稳压舱和发动机短舱处均设有压力传感器，所述第一稳压舱设有温度传感器。本发明通过改变音速喷嘴个数以及喷嘴上游压力，实现流量的宽范围连续调节，并且结构简单、流量调节精度高；并通过第二稳压舱径向进气和设置蜂窝器整流的方式实现装置内流场的均匀稳定。本发明可以实现试验装置流量的宽范围连续调节与测量，流量系统所测气体质量流量与喷嘴入口压力呈线性关系，测量精度高，可靠性好。

Description

一种高精度低湍流度流量供给系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及气体流量测试领域，特别是一种高精度低湍流度流量供给系统及其使用方法。

背景技术

航空航天领域对气体流量测量具有广泛的需求，并且由于飞行工况较多，不同工况下流量变化较大，需要实现气体流量的高精度宽范围供给与调节。

音速喷嘴流量计又称临界流文丘里喷嘴流量计，根据气流壅塞进行设计，具有自身体积小、结构简单、无可动部件、精度高，可靠性好，下游扰动不影响上游流场等优点，被广泛用于气流流量测量领域。音速喷嘴测量流量可以分为正压法和负压法，正压法保持喷嘴下游压力不变，提高上游压力使喷嘴达到壅塞；负压法保持喷嘴上游压力不变，通过在下游进行抽吸，减小下游压力使喷嘴达到壅塞。负压法简单稳定，但只能通过改变喷嘴管径实现流量的变化，无法实现流量的连续调节。正压法调节流量既可以通过改变喷嘴管径，也可以通过改变喷嘴上游压力，可以实现流量的连续调节。

发明内容

本发明提供了一种基于音速喷嘴的高精度低湍流度流量供给系统及使用方法，该装置既能够实现气体流量的宽范围连续调节供给，又能够实现供气流场的均匀稳定。

本发明所解决技术问题是通过以下技术方案实现的：

基于音速喷嘴的高精度低湍流度流量供给系统，包括依次设置的流量控制阀、第一稳压舱、蜂窝器、音速喷嘴、套管及球阀、第二稳压舱。所述流量控制阀用于控制进入流量计的质量流量与第一稳压舱压力；所述第一稳压舱用于将气流减速，此时稳压舱可以看作大空间，音速喷嘴可以并联安装，同时用静压孔测得静压近似等于总压；所述蜂窝器用于对两个稳压舱内气流进行整流，使稳压舱内的气流稳定均匀；所述音速喷嘴并联安装，通过球阀控制音速喷嘴开启的个数。

进一步的，所述音速喷嘴组由15个直径为14mm的音速喷嘴和1个直径为10mm的音速喷嘴组成，音速喷嘴型线根据国标GB/T 21188-2007进行设计，每个音速喷嘴均为收敛扩张式结构，收敛段与扩张段之间为等直圆筒形喉部。

进一步的，所述音速喷嘴组通过螺纹连接在第一稳压舱下游，音速喷嘴轴线之间间距大于等直圆筒形喉部直径的4倍；音速喷嘴通过套管与下游第二稳压舱连接，套管处设置球阀控制音速喷嘴开闭。

上述的高精度低湍流度流量供给系统的使用方法包括如下步骤：

第一步：根据所需供给的流量确定音速喷嘴个数以及对应的第一稳压舱压力；

第二步：逐渐打开流量控制阀，第一稳压舱压力升高，若流量控制阀全部开启而第一稳压舱压力仍未达到第一步计算的压力，则先增大音速喷嘴数目，重新计算并调整压力，直到流量达到所需；

第三步：计算此时第一稳压舱压力是否大于第二稳压舱压力的1.5倍(1.5倍是通过前期试验得到的本装置中音速喷嘴达到临界状态的临界压比)，若是则进行下一步，否则先减小第一稳压舱压力，减少音速喷嘴个数后再重新计算对应压力并重新进行第二步；

第四步：记录此时第一稳压舱的压力及温度，以及所用音速喷嘴的个数及喉道直径；

第五步：根据气体动力学流量公式计算流过试验装置的气体质量流量，公式为其中，为音速喷嘴流量系数，的计算公式根据国标GB/T21188-2007可以查得，式中，Re_nt为喉道雷诺数，对于3.5×10⁵＜Re_nt＜1.1×10⁷，a＝0.9976，b＝0.1388，n＝0.2。

通过流量控制阀调节音速喷嘴前的压力与通过球阀控制音速喷嘴开启个数相结合，可以实现流量的宽范围连续调节与测量。通过控制音速喷嘴前的压力使第一稳压舱压力与第二稳压舱压力之比大于1.5，可以保证音速喷嘴喉道达到壅塞，此时音速喷嘴下游的压力波动不能影响上游。

上述第一步中流量供给系统中喷嘴数目的预估方法包括如下步骤：

第1步：以第二稳压舱压力的1.5倍作为使音速喷嘴壅塞的第一稳压舱最小压力，高压气源所能达到的最大压力作为第一稳压舱最大压力；

第2步：根据气体动力学流量公式其中m为所需供给流量，K为系数，对于空气K＝0.0404142，P*为第一稳压舱压力，T*为第一稳压舱温度，q_(Mt)为流量函数，对于达到壅塞的音速喷嘴，q_(Mt)＝1，将预估流量以及第一步所述的第一稳压舱最大压力与最小压力带入式中，可以得到音速喷嘴喉道总面积的最小值与最大值；

第3步：将喉道总面积最小值与最大值除以喉道直径为14mm的喷嘴喉道面积，即可得到该压力工况下能使音速喷嘴达到壅塞的音速喷嘴数目范围。

本发明的有益效果是：

1、可以实现试验装置流量的宽范围连续调节与测量，流量系统所测气体质量流量与喷嘴入口压力呈线性关系，测量精度高，可靠性好；

2、通过调整喷嘴数目和喷嘴入口压力，同一流量可以对应多种喷嘴数目与喷嘴入口压力的组合，选择适当的组合，可以实现在流量宽范围调节时，既能保证高压气源压力不超过气源额定压力，又能保证音速喷嘴达到壅塞。试验装置结构简单可靠，试验方法简便易行。

附图说明

图1为本发明高进度低湍流度流量供给系统示意图。

图中标号分别代表：高压气源1、流量控制阀2、第一稳压舱3、蜂窝器4、音速喷嘴组5、套管及球阀6、第二稳压舱7、输气管8。

图2为本发明中的音速喷嘴组件装配图、图3为本发明中的喉部直径为14mm的音速喷嘴尺寸图、图4为本发明中的喉部直径为10mm的音速喷嘴尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步进行说明。

图1所示是本发明涉及的一种高精度低湍流度流量供给系统示意图，包括依次设置的高压气源1、流量控制阀2、第一稳压舱3、蜂窝器4、音速喷嘴5、套管及球阀6、第二稳压舱7、输气管8，所述第一稳压舱3、第二稳压舱7和发动机短舱处均设有蜂窝器4和压力传感器，第一稳压舱3设有温度传感器。第一稳压舱3与第二稳压舱7的压力传感器用于判断音速喷嘴是否达到临界状态，第一稳压舱3的压力及温度用于精确测量流过试验装置的流量；流量控制阀2用于控制进入第一稳压舱3的流量与压力，球阀用于对音速喷嘴进行开关控制喷嘴数目，蜂窝器4用于使气流参数分布均匀以提高压力测量的精确度；音速喷嘴组5用以通过开关喷嘴数目调整并测量空气质量流量。

该流量供给系统使用方法，包括以下步骤：

第一步：根据所需供给流量确定音速喷嘴个数以及对应的第一稳压舱压力；以第二稳压舱压力的1.5倍作为使音速喷嘴壅塞的第一稳压舱最小压力，高压气源所能达到的最大压力作为第一稳压舱最大压力；根据气体动力学流量公式其中m为所需供给流量，K为系数，对于空气K＝0.0404142，P*为第一稳压舱压力，T*为第一稳压舱温度，q_(Mt)为流量函数，对于达到壅塞的音速喷嘴，q_(Mt)＝1，将预估流量以及第一步所述的第一稳压舱最大压力与最小压力带入式中，可以得到音速喷嘴喉道总面积的最小值与最大值；将喉道总面积最小值与最大值除以喉道直径为14mm的喷嘴喉道面积，即可得到该压力工况下能使音速喷嘴达到壅塞的音速喷嘴数目范围，喷嘴数目选择该范围内的较小整数值，此时对应的第一稳压舱压力较高，喷嘴容易达到壅塞。

第二步：逐渐打开流量控制阀，第一稳压舱压力升高，若流量控制阀全部开启而第一稳压舱压力仍未达到计算值，则先增大音速喷嘴数目，并重新计算对应的第一稳压舱压力，调整压力直到第一稳压舱压力能够达到计算值供给流量达到所需；

第三步：计算此时第一稳压舱压力是否大于第二稳压舱压力的1.5倍，若是则进行下一步，否则先减小第一稳压舱压力，减少音速喷嘴个数后再重新计算对应压力并重新进行第二步；

第四步：记录此时第一稳压舱的压力及温度，以及所用音速喷嘴的个数及喉道直径；

第五步：根据气体动力学流量公式计算流过试验装置的气体质量流量，公式为其中，为音速喷嘴流量系数，的计算公式根据国标GB/T21188-2007可以查得，式中，Re_nt为喉道雷诺数，对于3.5×10⁵＜Re_nt＜1.1×10⁷，a＝0.9976，b＝0.1388，n＝0.2。

第六步：改变流量阀开度，调整到下一压力工况点继续试验，得到该泄漏单元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第七步：更换不同面积的泄漏单元，重复第二步到第五步，得到所有泄漏单元在不同压力工况点下的流量及流量系数；

第八步：拟合出单个泄漏单元流量系数随面积及压比的变化规律，并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法得到平均流量系数或泄漏流量与舱体泄漏流量与泄漏面积以及压力工况的关系图；

第九步：更换试验件，安装待测发动机短舱，密封两个端面，对发动机短舱进行流量测量试验，得到短舱在不同工况下的流量；

第十步：并按照等流量系数评估方法或变流量系数评估方法对泄漏面积进行评估。

以上结合附图所阐明的仅是本发明的优选实例之一，不能用于限制本发明所包含的权利范围，应当指出，任何依照本发明原理做出的等价修改，都涵盖在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度低湍流度流量供给系统，其特征是：包括依次设置的高压气源(1)、流量控制阀(2)、第一稳压舱(3)、音速喷嘴组(5)、套管及球阀(6)、第二稳压舱(7)、输气管(8)，输气管(8)接发动机短舱；所述的第一稳压舱(3)、第二稳压舱(7)和发动机短舱的直径大于来流管道直径；所述第一稳压舱(3)、第二稳压舱(7)和发动机短舱处均设有蜂窝器(4)和压力传感器，第一稳压舱(3)设有温度传感器；第一稳压舱(3)与第二稳压舱(7)的压力传感器用于判断音速喷嘴是否达到临界状态，第一稳压舱(3)的压力及温度用于精确测量流过系统的流量；流量控制阀(2)用于控制进入第一稳压舱(3)的流量与压力，球阀用于控制音速喷嘴开启的个数，蜂窝器(4)用于使气流参数分布均匀以提高压力测量的精确度；音速喷嘴用于调节供给的空气质量流量；音速喷嘴组(5)中音速喷嘴并联安装；

所述音速喷嘴组(5)由15个直径为14mm的音速喷嘴和1个直径为10mm的音速喷嘴组成，音速喷嘴型线根据国标GB/T 21188-2007进行设计，每个音速喷嘴均为收敛扩张式结构，收敛段与扩张段之间为等直圆筒形喉部；

所述音速喷嘴组(5)通过螺纹连接在第一稳压舱(3)下游，音速喷嘴轴线之间间距大于等直圆筒形喉部直径的4倍；音速喷嘴通过套管与下游第二稳压舱(7)连接，套管处设置球阀控制音速喷嘴开闭。

2.一种基于如权利要求1所述的高精度低湍流度流量供给系统的使用方法，其特征是：包括如下步骤：

第一步：根据所需供给的流量确定第一稳压舱压力及音速喷嘴数目并通过球阀进行控制；

第二步：逐渐打开流量控制阀，第一稳压舱压力升高，若流量控制阀全部开启而第一稳压舱仍未到所需压力，则先增大音速喷嘴数目，再调整压力，直到发动机短舱内压力为所需压力

第三步：计算此时第一稳压舱压力是否大于第二稳压舱压力的1.5倍，若是则进行下一步，否则先减小第一稳压舱压力，减少音速喷嘴个数后再升高压力至供给流量达到所需；

第四步，记录此时第一稳压舱的压力及温度，以及所用音速喷嘴的个数及喉道直径；

第五步：根据气体动力学流量公式计算流过试验装置的气体质量流量。

3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征是：第一步中，确定音速喷嘴数目的方法包括如下步骤：

第1步：以第二稳压舱压力的1.5倍作为使音速喷嘴壅塞的第一稳压舱最小压力，高压气源所能达到的最大压力作为第一稳压舱最大压力；

第2步：根据气体动力学流量公式其中m为所需供给流量，K为系数，对于空气K＝0.0404142，P*为第一稳压舱压力，T*为第一稳压舱温度，q_(Mt)为流量函数，对于达到壅塞的音速喷嘴，q_(Mt)＝1，将预估流量以及第一步所述的第一稳压舱最大压力与最小压力带入式中，得到音速喷嘴喉道总面积的最小值与最大值；

第3步：将喉道总面积最小值与最大值除以喉道直径为14mm的喷嘴喉道面积，即可得到该压力工况下能使音速喷嘴达到壅塞的音速喷嘴数目范围。