針對某型號發動機試驗測量系統中的流量參數測量的異常現象， 從渦輪流量計的使用方法、 流量計前后壓力和流量參數對比、 各次試驗中測量介質的流阻等角度進行故障分析， 對故障原因進行準確定位。

引言

近年來， 渦輪流量計已在石油、 化工、 科研、國防、 計量等部門獲得廣泛應用， 尤其在液體火箭發動機試驗以及其他相關組合件試驗中， 經常使用渦輪流量計完成流量參數的測量工作。 渦輪流量計是一種速度式流量計， 具有精度高、 重復性好、 壓損小、 量程比大等優點， 缺點是易受流體物性的影響。 在火箭發動機試驗系統中， 由于試驗工況復雜多變， 且試驗中受低溫推進劑的影響， 使得渦輪

流量計更易在使用過程中發生故障或損壞。 因此，渦輪流量計的故障分析和排除對于試驗系統來說具有非常重要的意義。 此外， 這方面的分析和排除經驗對于渦輪流量計的其他使用者具有借鑒意義。

1.渦輪流量計的工作原理以及影響其工作特性的因素

渦輪流量計是利用被測介質推動渦輪流量計葉輪旋轉， 葉輪轉動后， 周期性地改變流量計表體外部磁電轉換器的磁阻值， 檢測線圈中的磁通量隨之產生周期性變化和周期性的感應電動勢。 該感應電動勢的頻率和葉輪的轉速成正比， 而葉輪的轉速又和液體的流速成正比。 在液流通道面積固定不變的情況下， 流速和流量成正比。 因此， 感應電動勢的頻率 f 和液體流量 Q 呈線性關系， 可由式 （1） 表示：

信號發生器將產生的感應電動勢轉換為相應頻率的電脈沖， 經過前置放大器放大后， 再利用二次儀表將感生電動勢的波形進行整形、 放大、 濾波轉換為晶體管邏輯電路波形 （即 TTL 方波） 遠距離傳輸， TTL 方波送至數據采集系統的頻率計數板，經計算機程序處理成穩態流量或瞬時流量。

渦輪流量計具有線性度好、 測量精度高、 測量范圍寬、 結構輕巧便于安裝和抗干擾能力強等諸多優點； 但是也受到安裝方式、 安裝地點、 流體的清潔程度和粘度、 流量計前后溫度和壓力變化等諸多因素的影響。 渦輪流量計的主要缺點之一是軸承磨損易影響使用壽命， 特別是在具有腐蝕性或者含有固體微粒的工作介質中磨損程度更加嚴重。 據統計， 目前在現有的產品中， 大約使用 2000～5000h就需要更換轉子軸承。 要想充分發揮渦輪流量計的優點， 在流量計的安裝使用時， 必須充分注意工作環境或系統對流量計性能的影響， 一般需要考慮被測介質和配管兩方面的影響。

1） 被測介質

渦輪流量計所測得的液體， 一般是低粘度（應小于 15×10-6m2 ／ s）、 低腐蝕性的。 雖然目前已經有用于各種介質測量的渦輪流量計， 但對高溫、高粘度、 強腐蝕介質的測量， 仍需仔細考慮， 采取相應的措施。 當介質粘度 v 大于 15×10-6m2 ／ s 時，流量計的儀表系數必須進行實液標定， 否則會產生較大的誤差。 汽－液兩相流、 氣－固兩相流、 濃－固兩相流均不能用渦輪流量計進行測量。

渦輪流量計對流體的清潔度有較高要求。 通常在流量計前安裝過濾器來保證流體的清潔。 可采用漏斗型的過濾器， 其本身清潔度， 可通過測量其兩端的差壓變化得到。 此外， 為保證通過流量計的液體是單相的， 即不能讓空氣或蒸氣進入流量計， 必要時應在流量計上游裝消氣器。 對于易氣化的液體， 在流量計下游必須保證一定背壓。 該背壓的大小可取***大流量下流量傳感器壓降的 2 倍， 加上***高溫度下被測液體蒸氣壓的 1.2 倍。

2） 安裝配管要求

流量計的安裝情況對流量計的測量準確度影響很大。 流速分布不均和管內二次流的存在是影響渦輪流量計測量準確度的重要因素。 所以， 渦輪流量計對上下游直管段有一定要求。 對于工業測量， 一

般要求上游 20D、 下游 5D 的直管長度 （D 為管道外徑）。 為消除二次流動， ***好在上游端加裝整流器。 若上游端能保證有 20D 左右的直管段， 并加裝整流器， 可使流量計的測量準確度達到標定時的準確度等級。

2.某型號液體發動機試驗中渦輪流量計故障分析

在某型號液體發動機試驗中， 液氫主管路上安裝一只口徑為 50mm、 量程為 1～20L ／ s 的渦輪流量計。 該型號共計進行了 5 次試驗。 在前 3 次試驗中， 渦輪流量計所測數據均正常。 在第四次和第五次試驗中， 試驗穩定段流量數據波動較大。 試驗關鍵參數如表 1 所示。

次～第五次試驗中的流量、 貯箱壓力測量結果如圖 1 所示。 從圖 1 可知， 在、 二、 三次試驗中， 流量參數數據均正常， 但是在第四、 五次試驗中流量參數數據波動幅度較大， 且與設計部門分析的數值有較大出入。 進一步將第四次和第五次試驗啟動前流量計前后的壓力進行對比， 結果如圖2 所示。 從圖 2 可知， 在第四次和第五次試驗中，

大約在啟動前 15s 開始程序預冷時， 流量計前后壓力測點 （Phq 和 Pvilf） 都出現一個較大的幅度波動， 2～3s 后逐漸恢復正常， 而箱壓沒有出現類似的波動。 由此可以判斷， 當流體經過渦輪流量計時， 出現了異常。 初步判斷該問題出現的原因是：

流體在通過流量計的葉輪時， 短時間內流體流通不暢， 發生了堵塞， 導致在較短時間內流量計前后的狹小空間內流體的容量增加， 造成流量計前后壓力出現急速上升波動。 此后隨著堵塞現象的逐漸緩解， 流量計前后壓力逐漸恢復正常。

為更地確定流量計故障原因， 分別選取第五次試驗中壓力和流量數據中的關鍵時間參數值與次試驗中相應的參數值進行對比，見表2，見表3.

通過分析、 二、 三次試驗穩定段數據， 以及流量計前后壓力 （Phq 和 Pvilf） 的變化情況可知， 液氫主管路流阻的變化趨勢比較穩定。 在第四次和第五次試驗中， 啟動后穩定段的流阻較前三次試驗而言發生了變化。 由表 2、 表 3 參數數值分析得出， 次試驗液氫主管路流阻在 1.013～1.024 MPa 之間變化 ， 變化幅度較小 ， 變化趨勢比較穩定。 第五次試驗液氫主管路的流阻在 0.98～0.786 MPa 之間變化， 變化的幅度較大且信號波動異常。因此可以斷定， 流量計的軸承處有磨損， 導致葉輪旋轉阻力增大。 試驗中進行程序預冷時， 短時間內， 渦輪流量計前單位體積內流體容量增大， 造成瞬間壓力升高。 而軸承磨損也是造成所測流量數據偏離理論估算值和試驗數據印證值的主要原因。 試驗結束后， 將該渦輪流量計拆卸進行檢查， 發現該流量計軸承處， 的確出現較嚴重的磨損， 葉輪旋轉卡滯。

3.總結

針對某型號發動機試驗流量數據的異常情況從試驗現場的環境和流量計的安裝狀態出發， 分析影響流量計工作特性的因素，根據流量計前后壓力測量值和管路流阻的計算分析， 對渦輪流量計的故障進行準確定位， 對其他渦輪流量計使用者具有警示和借鑒意義。