現(xiàn)代質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法與技術(shù)詳
1、引言：
傳統(tǒng)的機(jī)載流量計(jì)常用速度式流量計(jì)，本質(zhì)上屬于體積流量計(jì)。這種流量計(jì)中有一旋轉(zhuǎn)葉輪，葉輪轉(zhuǎn)速正比于體積流量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在溫度變化大（±55）℃或在壓力、振動(dòng)以及加速度情況下精度較低。而質(zhì)量流量計(jì)能克服這些缺點(diǎn)，且由于航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)載式質(zhì)量流量計(jì)提出了新的要求[1]。國外從 60年代起就開始了對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的研究，主要集中在雙渦輪流量計(jì)，特別是在 70 年代，各國對(duì)于這種流量計(jì)的研究基本趨于成熟，提出了許多專利產(chǎn)品。例如，1962 年，美國 CharlesC.Waugh、1972年，法國的 RaymondLahaye 以及 1973 年，美國 JackHammond 和法國 PierreMarie 都各自用創(chuàng)新的方法對(duì)雙渦輪流量計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[2]。2000 年以后，我國對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的研究才有了一定的關(guān)注，例如，空軍后勤學(xué)院和空軍油料研究所運(yùn)用機(jī)翼理論和葉柵理論建立了一種雙渦輪流量計(jì)流動(dòng)理論模型，并研制出了樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)[3]。此外北京理工大學(xué)、天津大學(xué)等也都對(duì)質(zhì)量流量計(jì)有一些相關(guān)的研究，但都偏重于理論。因此到目前為止，雖然國內(nèi)外對(duì)于質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型和理論分析已經(jīng)有了許多相關(guān)研究和探討，但都只是定量說明了質(zhì)量流量計(jì)各參數(shù)的關(guān)系，并只能定性指導(dǎo)具體的設(shè)計(jì)。而這無法滿足我們現(xiàn)代工程需要定量指導(dǎo)具體設(shè)計(jì)的要求。主要就是尋求一種定量指導(dǎo)現(xiàn)代質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)的新方法、新路線。
圖 1 新型機(jī)載質(zhì)量流量計(jì)
3、質(zhì)量流量計(jì)的工作原理：
所研究的質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)雙渦輪質(zhì)量流量計(jì)原理設(shè)計(jì)的一種新型流量計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。在驅(qū)動(dòng)軸前后各有一轉(zhuǎn)動(dòng)輪，分別稱為主動(dòng)輪和質(zhì)量感應(yīng)輪。其中，主動(dòng)輪與磁鐵渦輪、前集流套筒連接在一起并和驅(qū)動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。而質(zhì)量感應(yīng)輪通過游絲彈簧與軸連接。當(dāng)流體通過質(zhì)量流量計(jì)時(shí)，由于主動(dòng)輪的邊緣處開有斜流孔，此小孔軸線與儀器旋轉(zhuǎn)軸線有一夾角 α。
當(dāng)流體經(jīng)過斜流孔時(shí)，將產(chǎn)生使兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩。而當(dāng)流體流經(jīng)質(zhì)量感應(yīng)輪后，將在周向上產(chǎn)生角速度 ω，于是質(zhì)量感應(yīng)輪將受到阻力矩的作用，其理想狀態(tài)下的阻力矩為：
| T 質(zhì)阻=r2ωqm | （1） |
式中：r—流體的等效半徑；qm—流體的質(zhì)量流量。
由于主動(dòng)輪與質(zhì)量感應(yīng)輪是通過軸和游絲彈簧連接在一起，要使主動(dòng)輪與質(zhì)量感應(yīng)輪以相同轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，必然使游絲彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，質(zhì)量流量越大，變形越大。同時(shí)彈簧將產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩 Tp 來平衡質(zhì)量感應(yīng)輪所受到的阻力矩，即 Tp=T 質(zhì)阻。而游
| 絲彈簧由于扭轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為：θ= | 12LT 質(zhì)阻 | （2） |
| E（b/h）h4 | ||
式中：L—游絲長(zhǎng)度；b—游絲寬度；h—游絲的厚度；E—游絲的彈性模量。
在主動(dòng)輪和質(zhì)量感應(yīng)輪共同達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，它們之間由于游絲的變形將產(chǎn)生一定的相位差，研究表明該相位差和油料的質(zhì)量流量成正比。為能實(shí)時(shí)檢測(cè)出這個(gè)相位差，在與主動(dòng)輪連在一起的磁鐵渦輪和質(zhì)量感應(yīng)輪上各安裝八個(gè)磁鐵，每旋轉(zhuǎn)一周，檢測(cè)器將各檢測(cè)到八個(gè)脈沖信號(hào)。通過對(duì)兩路脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)數(shù)，測(cè)得質(zhì)量感應(yīng)輪旋轉(zhuǎn)這一偏移角所需的時(shí)間差△t，則可得流體的質(zhì)量流量。將式（1）、（2）結(jié)合，可得時(shí)間差與質(zhì)量流量
| 2 | |||||
| 的理想關(guān)系為：△t= | θ | = | 12Lr | q | （3） |
| 4 | |||||
| ω | m | ||||
| E（b/h）h | |||||
4、CFD 數(shù)值仿真與主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)研究：
而驅(qū)動(dòng)力主要產(chǎn)生于主動(dòng)輪上的斜流孔，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。
通過理論分析可知，每個(gè)斜流孔上所受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：
| T主= △Kv Kα v0 tanα-r1 ω △驀r2 ρ △v軆·n軋軋dA | （4） |
| A2 |
式中：Kv —流速不均勻系數(shù)；Kα —不重合系數(shù)；v0 —斜流孔中流體的平均速度；α—斜流孔軸線與儀器旋轉(zhuǎn)軸線的夾角；r1 —斜流孔中心到轉(zhuǎn)軸的距離；A2—斜流孔進(jìn)口或出口面積、r2—斜流孔中任一質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離。由公式（4）可知優(yōu)化式中的部分參數(shù)能夠提高小流量下的驅(qū)動(dòng)力矩。
（a）主動(dòng)輪結(jié)構(gòu) （b）斜流孔軸向剖面圖
圖 2 主動(dòng)輪
4.1、斜流孔傾角 α 的確定：
理論上小孔傾斜角 α 越大（***大為 90°），主動(dòng)輪受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也越大，但從結(jié)構(gòu)上分析就發(fā)現(xiàn)傾斜角不可能無限接近于90°，因此就要尋求一***優(yōu)傾角。這就要構(gòu)建各種傾斜角的模型，并利用 CFD 仿真，進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。根據(jù)仿真結(jié)果，首先對(duì)斜孔附近的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并選取一個(gè)小傾角和一個(gè)大傾角的流場(chǎng)進(jìn)行比較，如圖 3 所示。
（a）小傾角流場(chǎng) （b）大傾角流場(chǎng)圖 3 主動(dòng)輪上的流場(chǎng)分布
隨著小孔傾斜角的增大，流體的能量損耗也增加，它提供給主動(dòng)輪的有效動(dòng)力矩就不一定越大，而應(yīng)該在某一角度時(shí)有一峰值。因此通過 CFD 數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖 4 所示?？芍趦A角為 45°時(shí)，主動(dòng)輪受到的有效轉(zhuǎn)動(dòng)力矩***大。因此根據(jù) CFD 計(jì)算結(jié)果，將小孔傾斜角 α 定為 45°。
圖 4 傾斜角與動(dòng)力矩的關(guān)系
4.1、斜流孔直徑的確定：
當(dāng)流體質(zhì)量流量分別為 60kg/h 和 100kg/h 時(shí)，仿真數(shù)據(jù)如圖 5 所示?？芍?，在小流量情況下，當(dāng)斜流孔直徑為 1.2mm 時(shí)，主動(dòng)輪上的凈驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到***大。因此，根據(jù) CFD 的仿真分析，將斜流孔直徑準(zhǔn)d 定為 1.2mm。
| 圖 5 | 斜流孔直徑與力矩關(guān)系 |
4.3、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定問題:
| 轉(zhuǎn)速 ω 與驅(qū)動(dòng)力矩 T 驅(qū)動(dòng)的理想關(guān)系為：ω= | T 驅(qū)動(dòng) | （5） |
| 2 | ||
| r qm |
式中：r—流體的等效半徑；qm—流體質(zhì)量流量。
從公式（5）可知，轉(zhuǎn)速是隨力矩增加的。雖然公式（3）顯示時(shí)間差信號(hào)△t 是與轉(zhuǎn)速 ω 無關(guān)的，但據(jù)國外研究表明盡管不需保持的轉(zhuǎn)速，但保持一個(gè)標(biāo)稱速度能夠得到更高的測(cè)量精度[10]，因此需要考慮轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的問題。在此將上述已定的結(jié)構(gòu)和尺寸在不同流量下進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了流量與主動(dòng)輪凈驅(qū)動(dòng)力矩 T 的關(guān)系，如圖 7 所示 a凈驅(qū)動(dòng)曲線。隨著流量的增加，驅(qū)動(dòng)力矩呈非線性增加，且流量越大，力矩增加越快，顯然這不利于保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。于是在主動(dòng)輪上增加一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)閥裝置來控制大流量時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩，從而保持一個(gè)標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，如圖 1、圖 6 所示。
圖 6 主動(dòng)輪內(nèi)閥裝置
（2）選擇不同的梅花擋片傾斜角 λ，如圖 6 所示。為了保證擋片在初始狀態(tài)時(shí)是緊貼著主動(dòng)輪內(nèi)壁的，所設(shè)計(jì)的擋片傾斜角必須大于主動(dòng)輪內(nèi)壁傾斜角，即 λ＞β。
（3）改變調(diào)整墊片的個(gè)數(shù)，從而控制梅花擋片與主動(dòng)輪內(nèi)壁的貼合程度，如圖 6 所示。
（4）調(diào)整梅花擋片內(nèi)側(cè)擋板的直徑，從而控制梅花孔大小及擋片的硬度，如圖 6 所示。
| 表 1 梅花擋片***高點(diǎn)偏移距離 | |||
| 流量（kg/h） | 偏移距離（mm） | 流量（kg/h） | 偏移距離（mm） |
| 100 | 0.09 | 900 | 0.42 |
| 200 | 0.15 | 1000 | 0.45 |
| 300 | 0.2 | 1100 | 0.47 |
| 400 | 0.25 | 1200 | 0.5 |
| 500 | 0.29 | 1300 | 0.52 |
| 600 | 0.32 | 1400 | 0.55 |
| 700 | 0.36 | 1500 | 0.58 |
| 800 | 0.39 | 1600 | 0.6 |
圖 7 質(zhì)量流量與力矩關(guān)系
圖 8 質(zhì)量流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系