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一种新型机载质量流量计的原理及特性
发布日期:2019/5/10 15:54:24
机载环境要求质量流量计有足够大的转动力矩,同时压力差及能量损失要小目前影响质量感应轮所受阻力矩的相关问题尚未解决,这也是设计机载质量流量计的难点.本文针对以上问题研究机载质量流量计的主要元件的结构,得出影响转动力矩、压力差质量感应轮阻力矩以及测量灵敏度等相关参数,利用CFD( computational fluid dynamics)数值仿真软件计算质量流量计的主要性能参数,并测试相关参数的性能。
 
质量流量计工作原理
新型机载质量流量计结构如图1所示.在同一转动轴线O-O′上安装两个可转动的轮子,分别称为主动轮和质量感应轮,两轮之间利用扭转弹簧连接主动轮的边缘处开有小孔,此小孔轴线与仪器旋转轴线成一定角度a,如图2所示.当流体经过小孔时,在主动轮圆周方向产生分力,此分力为整个仪器提供转动力矩质量感应轮的作用是流体流经质量感应轮后,流体产生角速度ω,使得质量感应轮受到阻力矩Mi(i=1~6).要使主动轮与质量感应轮以相同转速运动,必须使扭簧上产生1个扭转力矩来平衡质量感应轮所受到的阻力矩M.因此在主动轮和质量感应轮达到某一转速时,两轮间将产生一定的相位差为能实时检测出主动轮和质量感应轮之间的相位差,在这两个轮上各安装8个磁铁,每旋转1周,检测器将检测出8个脉冲信号.通过对两轮脉冲信号之间时间差计数,得到时间差Δ,则可测得被测流体质量流量。
质量感应轮结构特性
质量感应轮的作用是直接检测油料质量流量,因此形状对检测质量流量精度起到关键作用.经反复验证和测试,最后可得其外形结构,如图所示

 
2.流量计结构CFD仿真
仿真中所用控制方程一般包括连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程.由于所研究被测介质为燃油,令其为不可压缩的流体,由于热交换量很小,可忽略不计,所以本文中不考虑能量守恒方程
2.1建立求解模型
由于机载质量流量计的结构复杂且尺寸较小,所以选用 Solidworks软件进行三维建模.主动轮和质量感应轮釆用四面体对其进行网格划分.根据机载工作环境,入口边界条件和出口边界条件分别设为速度入口和速度出口.考虑实际流动和迭代时间,选取隐式分离求解器,速度方程采用绝对速度方程。.根据质量流量计内部流动情况,采用湍流模型来计算内部流场”.目前判断收敛性常用的方法是将残差值减小到三阶量级以下,但这种要求不适合本文中的质量流量计流场.经分析采用CFD仿真方法不仅需要用残差来判断收敛性,而且还要用监视出口压力、流量、转矩等相关的量
2.2计算结果与分析
(1)静压计算
设置仿真参数时,质量流量设置在40~900kg/h,通过仿真计算,可求出仪器静压差并判断能否满足性能指标要求图(a),(b)分别为仿真计算后,质量流量计中主动轮和质量感应轮附近的速度场.从图(a),(b)可看出质量流量计的流场分布与设计相近,仿真能反映出流场的实际情况.根据机载环境要求,被测燃油流体通过质量流量计主动轮后,压力差小于8.0kPa.通过质量感应轮后,压力差小于2.0kPa,燃油能在油路中顺利传递.质量流量计在测量大流量时,主动轮与质量感应轮出口压力差可看出,质量感应轮的静压差能够满足设计要求.但从图仿真结果可得出,燃油流经主动轮后的静压差过大,超过规定值,能量在此处损失严重,不能满足机载要求,应考虑改变主动轮结构改变后第二代主动轮表面流道网格和其仿真后的速度矢量场如图所示.从图8中可看出,在主动轮中部开有多个小孔,高流速时将减小主动轮对流体的阻力和能量损耗.燃油流经改进后主动轮的静压变化,静压差大幅度下降,下降了2kPa左右。
 
(2)主动轮转动力矩计算
主动轮的转动力矩对质量流量计的正常工作起关键作用,若旋转力矩太小,整个仪器将不能转动.为此改变主动轮上小孔孔径和倾斜角建立起相应的几何模型,质量流量在40~900kgh范围内,计算主动轮的转矩。主动轮的转动力矩.主动轮所受到的转矩与倾斜角有关,倾斜角越大,主动轮受到转动力矩越大,但随着小孔倾斜角的增大,在主动轮附近流场变得混乱,呈湍流状态,流体内部质点间增加互相干扰碰撞,摩擦碰撞导致流体质点间发生混合及分裂,使流体的物理量(动量、能量、热量等)与主动轮的表面发生交换,能量损耗增大,在小孔倾斜角增大时,流体提供给主动轮的有效动力矩减小,经实验可得倾斜角与动力矩关系可知,在倾斜角为45°时,主动轮所受到的转动力矩最大在其它条件不变条件下,分别改变孔径和质量感应轮叶片高度,可得到不同的力矩及阻力矩,结果见表1和表2.

由表1中可知,随着孔径的增大,主动轮上所受到的力矩也随之增加,与式一致从表2可看出,在质量感应轮其它参数不变条件下,随着叶片的高度增加,质量感应轮的阻力矩与仪表灵敏度也随之增加.通过仿真计算可得,改进主动轮后,质量流量在40~900kg/h范围内,主动轮的驱动力矩大于各种阻力矩,
量流量计能够进行正常的运转和测量.
 
3.试验
根据CFD仿真结果,已研制出两台原理样机,并完成相关的标定测试工作标定测试试验采用静态质量法液体标准装置,该试验装置由稳压燃油源、夹表器、调节阀、换向器和标准量器等组成油路循环测试系统.标准量器由1个正方体容器和1个高精度标准秤组成,能够精确的测得标准油料质量,该试验装置的测试精度达到0.05%,测试时,首先保持被测机载质量流量计稳定在所标定的相位差上,然后在规定时间内由高精度标准秤秤出流入标准量器的油料重量,用其所测出油料重量除以测试时间即可得瞬时流量,求出相位差与所测油料质量流量的内在关系,由此测定流量计的仪表常数和精度,试验结果如图所示.从下图中可看出,质量流量在48-890kg/h范围内,线性度较好,仪表精度可达1级在此流量范围内,主动轮所受力矩均大于质量
感应轮阻力矩,静压差为30-6.0kPa,表明仿真计算主动轮所受力矩与实际情况相同,设计满足要求。
 
4.结论
(1)主动轮上小孔为整个仪表装置提供转动力矩,转动力矩大小由小孔倾斜角度和小孔直径所决定,可通过适当增加小孔倾斜角度和小孔直径来增加转动力矩,当其倾斜角为45°时,仪表处于zui jia状态。
(2)为降低压力差,在主动轮和导流装置的中部开孔,从数值计算的结果可看出,在测量大流量时,经过主动轮的压力降将大幅度降低。
(3)增加质量感应轮的叶片高度,可提高质量感应轮所受到的阻力矩和仪表灵敏度,因此测量弹簧刚度的选取与对应的叶片的高度有关。
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