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        時間:2022-7-14 08:38:17

      火箭發動機用低溫渦街流量計研究

      摘要:渦街流量計具有儀表系數與介質無關的特性,可以使用常溫水介質下的標定公式,精確測量氫/氧火箭發動機試驗中的流量參數。研究了低溫渦街流量計的關鍵技術,包括:低溫壓電陶瓷材料特性、低溫渦街信號檢測技術、低溫渦街信號調理技術以及低溫渦街信號的DSP技術。最后研制了低溫渦街流量計樣機,對樣機進行了常溫水介質的標定,綜合精度達到0.5級。在某型號氫/氧火箭發動機試驗系統上,以分節式液面計為標準,對低溫渦街流量計樣機進行了液氮介質的比對試驗,其偏差為0.65%,精度優于渦輪流量計。
      引言
         在目前的氫/氧火箭發動機和液氧/煤油火箭發動機試驗系統中,低溫推進劑的流量測量主要采用渦輪流量計測量瞬時流量,用分節式電容液面計測量穩態流量。然而,渦輪流量計用水進行標定在液氫、液氧下使用時誤差較大,分節式電容液面計無法測量瞬時流量且成本昂貴。因此,隨著航天技術的發展,特別是大推力氫氧(液氧/煤油)火箭發動機的發展,必.須尋找一種儀表系數與介質無關、成本低、精度高的瞬時低溫流量測量裝置,而渦街流量計正是理想的選擇。
        根據渦街流量計的工作原理,在一定雷諾數范圍內,其輸出的頻率信號不受比如流體組分,密度、壓力、溫度的影響”,即儀其表系數只與漩渦發生體及管道的幾何尺寸有關。因此,只需在一種典型介質中標定即可適用于各種介質,即當用于低溫測量時,不進行低溫介質標定而用常溫水標定即可達到一-定的精度。
        目前,常溫下的渦街流量計技術已相當成熟,形成了系列產品,用于各種工業領域。國內外都有相當數量的公司生產此類產品。但用于低溫特別是超低溫流體測量的渦街流量計國內尚無產品和文獻報導,國外已開展研究并有少量文獻報導,還沒有成熟的產品推向市場。
        通過理論分析和試驗研究表明,超低溫下渦街流量計的難點在于信號檢測器靈敏度低,信噪弱。本研究通過對壓電材料低溫特性、檢測器結構優化、弱信號提取等技術的研究,研制了用于超低溫流體測量的高精度渦街流量測量裝置樣機,為運載火箭發動機地面試驗低溫流量測量提供高性能、高可靠性、而又價格便宜的新型測量手段。
      2渦街流量計的結構和工作原理
        一般的渦街流量計由流量計殼體、漩渦發生體、信號檢測器、信號變換器和二次儀表組成,如圖1所示。
      渦街流量計結構圖示 
        漩渦發生體用于產生穩定的漩渦,一般采用三角柱體,因為三角柱漩渦發生體是一種綜合性能比較優良的旋渦發生體,均勻而嚴密的分離機制,減小了流.體的其他擾動和噪聲,使渦街信號既強烈又穩定,便于檢測,合理設計尺寸可以得到高穩定性的渦街和量程比。正是這個原因,三角柱漩渦發生體是目前應用最廣泛的漩渦發生體形狀。信號檢測器放在漩渦發生體后檢測漩渦發生體尾流中的漩渦頻率。
        渦街流量計流量信號檢測流程是:流量-→漩渦頻率→檢測桿交變升力-+壓電陶瓷應力→交變電荷→電荷放大器→濾波整形→TTL方波→測頻→顯示輸出流量。
      3壓電陶瓷的材料研究
        壓電陶瓷作為渦街流量計的關鍵敏感元件,其低溫特性直接影響到流量計的性能,因此必須研究和選擇低溫下工作穩定、靈敏度高的材料。
        隨著溫度的降低,壓電材料的性能特性會發生一定的變化,并且由于制造方法和化學成分的不同,不同材料性能隨溫度的改變也是不同的。根據國外資料,對PZT-4、PZT-5.和PZT-8這幾種材料的低溫性能參數進行分析,初步確定它們在低溫下能夠使用,但實際情況下信號的強度和測量的靈敏度還需通過具體的試驗來確定。
        壓電陶瓷國內沒有低溫產品,而且相關科研機構也沒有進行過相關研究,國外有低溫產品和相關實驗資料,但價格昂貴,一般購買不到。與中科院硅酸鹽研究所合作,專門配制了4種材料的壓電陶瓷,分別是:
       
        以上4種壓電陶瓷經過幾十次的“常溫→液氮→常溫"的反復升降溫試驗后發現壓電陶瓷的機械強度沒有太大的變化,PZN的電容值變化較大(6:1),NB8的電容值變化較大(3:1),其它2種電容變化較小(2:1)。說明以上壓電陶瓷均可在低溫下使用,機械強度和絕緣性能沒有明顯變化,但通過表面電容的比較認為LBNN和PMS-5兩種較好比較穩定。
      4低溫渦街信號檢測技術研究
      4.1低溫信號檢測器的傳熱學設計[4)
        低溫信號檢測器設計時,一方面需要考慮其對低溫介質的引人熱量,不能引起低溫介質的顯著氣化,從而影響漩渦的穩定性和低溫推進劑的品質,造成無法測量或無法試驗;另一方面應盡量使壓電陶瓷處的溫度不要太低,從而降低對壓電陶瓷性能的要求和提高壓電陶瓷的使用壽命。
        在設計時通過絕熱套筒減少熱量引人,通過加長桿使壓電陶瓷處溫度達到較為理想。通過傳熱計算進行了參數優化。傳熱計算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫,用于估算檢測桿溫度分布。
        基本方程采用二維穩態熱傳導方程:
       
        數值計算中采用控制容積離散化方程,即認為在一個小的控制容積中,進出的凈熱流量為零。
        該問題屬于第三類邊界條件,即給定周圍流體的溫度和換熱系數。以流體和檢測桿接觸面為例,如圖2,圖中:P、S、E、N為網格點;T為流體溫度,K。
       
        控制體的方向符合常規X軸、Y軸和Z軸定義。
        式中:k為控制容積間界面上的當量導熱系數,W/(m.K);△y為一個單元控制體Y方向的長度,mm;△x為一個單元控制體X方向的長度,mm;1為Z方向的長度,mm。
        qn、、qs則有差別,因為其控制容積側面積變為內點的一半,即:
       
        式(6)就是檢測桿溫度分布計算中第三類邊界條件在流體與桿端面接觸處的具體應用。
        程序中的數值計算方法主要采用了ADI方法。ADI方法就是分別沿軸向和徑向這兩個方向對整個溫度場做--次TDMA求解。TDMA即三對角矩陣算法,在溫度場計算中用它來求解一維離散化方程。以上方法均是數值傳熱學中常用的方法,在此不再詳細說明。
        設計了6個檢測器的結構方案,對其進行傳熱學計算,結果見表2。
       
        從計算結果看,方案1.2.5可以為壓電陶瓷提供較好的工作溫度。
        此外,在不采用絕熱措施的情況下估算的由檢測桿進入流體中的熱流量小于100W,而液氫的燕發潛熱約為453.6J/g,顯然,由檢測桿進人流體中的熱量相對于液氫的蒸發潛熱非常小,故這部分熱量不會造成液氫的大量氣化,因此不需要采用抽真空絕熱,可以考慮設計絕熱套簡,以便更有效的阻止熱量的流人。
      4.2低溫信號檢測器的動力學設計
      4.2.1漩渦發生體產生的漩渦升力估算
        據流體力學知識:環流引起的流體對柱體的升力L可表示為:
       
        式中ρ為流體密度,kg/m³;u為來流的速度,m/s;r為環量,m2/s;d為漩渦發生體迎面寬度,mm;D為表體通徑,mm;b為漩渦發生體縱向尺寸,mm;CD為阻力系數,CL為橫向升力力系數。
        ITOH&S.OHKI通過大量實驗,給出了3種截面形狀(梯形、矩形、三角形)的發生體在不同Re數下的CL值,梯形(就是習慣上所稱的三角柱)的CL≈
      2.3,基本為一常量。
      4.2.2信號檢測器的受力計算
        本研究的檢測桿置于漩渦發生體下游一定距離的位置,其上端與流動管道固定,下端為自由端,因而在受力分析時,可以將系統簡化為懸臂梁。如圖3所示。
       
        通過柱體的受力分析,可知柱體上受到的大多數都不是集中力而是局部分布力,下面就以這種情況來進行受力分析。
        取x1、x2為坐標,凡使微段沿順時針方向轉動的剪力為正,使微段彎曲成凹形的彎矩為正,由材料力學的知識可以算得(如圖3b所示):
       
       
        式中:d31為極化方向與外力方向垂直的壓電系數。
        對6個設計方案的計算結果見表3。
       
        從計算結果可以看出,方案2.3.5的電荷輸出最大,結合傳熱學計算結果,方案2.5較為理想。從結構上看,方案5比方案2結構簡單,易于加工,因此最終確定了檢測器的設計方案為方案5。方案5特點為:(1)采用加長桿設計;(2)不采用抽真空絕熱,但增加絕熱套簡;(3)對加長檢測桿結構的固有頻率進行估算,在500Hz以上,而渦街頻率則在40-100Hz這個范圍內,判斷不會發生共振問題。
      5低溫渦街信號調理技術研究
        由于壓電式信號檢測器輸出電荷量的大小與流體流速近似成平方關系變化,因此輸出電壓信號的幅值變化范圍也相當大[5],此外,要求研制的渦街流量計既能用于試車的極低溫環境,又能用于水介質標定的常溫環境,而渦街流量計檢測探頭在極低溫下的輸出信號是常溫下的1/5以下,因此要求變送器的信號調理部分要能夠適應大范圍的信號幅值變化。在火箭發動機試車現場存在各種強振動的干擾,信噪比極差,因此還要求其濾波電路是銳截止的窄帶濾波器。目前流行的渦街流量計信號調理電路無法滿足要求。研制過程中,通過各種.方案的比較和多次實驗改進,最后確定在研制的信號調理電路中應用ALC自動電平控制技術和高性能窄帶濾波技術。與YDN80-1樣品連接,在流量塔進行現場調試,比較試驗證明,其性能優于國內其他型號渦街流量計。輸人信號在8m-2000mV有效值范圍內的情況下,該電路輸出信號基本穩定在6000mV上。
      6低溫渦街信號的DSP(DigitalSignalProcessing)技術
      6.1低溫渦街流量計噪聲分析
        管道內介質流動紊流、脈動、流場的不穩定及不均勻性對旋渦發生體施加不規則的附加作用力。附.加作用力引起的噪聲的幅度.頻率均不規則,帶有很大的隨機性。其結果相當于在渦街頻率信號中疊加了一個隨機噪聲。當噪聲頻率落人工作頻段時,其影響難以消除。
        有些動力源,如水泵、風機、壓縮機等工作時都會引起管道振動。若管道安裝不當,流體流動時管道有時會自振。這些振動傳遞到傳感器上可造成漩渦發生體上產生附加的慣性應力,形成振動噪聲。這些振動往往持續時間長或強度大,對渦街流量計的影響大。
        壓電晶體輸出的電荷信號很弱.容易引人電磁串;蚬材8蓴_。
        除上述外界產生的噪聲外,渦街本身還會產生低頻擺動和信號衰減,如圖5所示。
       
        綜上所述,渦街傳感器輸出信號可由下式表示:
      y(t)=S(t)+n(t)
        其中S(t)渦街頻率信號,n(t)為隨機干擾信號,由于其成分復雜,頻譜寬廣,處理是可假定為零均值的高斯分布。圖6是微機采集到的經模擬濾波電路處理后的渦街傳感器信號。由圖看出,用普通的模擬濾波和整形電路很難提取準確可靠穩定的流量信號。

       
      6.2DSP算法研究
        深人分析發現渦街傳感器輸出信號中的噪聲信號n(1)為隨機干擾信號,處理時高于流量計量程范圍的頻率成分,可以通過前置模擬低通濾波電路加以消除,效果很好。但n(t)中處于量程范圍內的頻率成分不可能通過模擬濾波器或常規數字濾波器(如窄帶濾波器)加以消除。
        解決這個問題的途徑有兩條:-是改進漩渦發生體和信號檢測器,也就是改進傳感器,使其輸出信號的信噪比盡可能高;二是采用數字信號處理方法,將渦街頻率信號從有噪聲的傳感器輸出信號中提取出來。
        之前的研究基本上集中在第一條途徑上,取得了一定效果,但這畢竟是局部的,沒有完全解決問題,傳感器輸出信號依然不可避免地帶有大量噪聲,在有干擾的環境下,渦街流量計仍然工作不穩定,因此必須研究第二條途徑,目前數字信號的處理方法歸納起來主要包括:小波變換、自適應陷波濾波和頻譜分析方法。
        小波變換可以看成是一.組帶通濾波器,在低頻段有很高的分辨率,而在高頻段分辨率低,其實時性和功耗也都存在一定的缺陷。自適應陷波針對不同頻率的信號建立不同參數的模型,在非整周期采樣、諧波和噪聲干擾情況下頻率測量都能達到很好的精度,但是如果流量信號發生突變,而采樣頻率沒有及時跟蹤,就會造成較大的測量誤差。譜分析方法是近年來的研究熱點之一,經典譜分析算法對屬于正態分布的噪聲有很好的抑制作用,而且易于編程實現,但是在非整數周期采樣時誤差比較大,需要更多的計算和操作來進行頻譜校正。而現代譜分析方法,也就是最大熵譜分析法更適合處理短序列的譜分析,對噪聲的抑制能力更強,精度也更高[6]。
        本研究采用了現代功率譜估計中的最大熵譜估計法提取噪聲中的渦街頻率。對設計的算法進行計算機仿真計算,結果如圖7所示。
       
        由計算結果可以看出,當信噪比為1:0.5時普通變送器的輸出就會產生數據不穩,當信噪比為1:1時,其輸出數據已基本不可用。而采用研究的DSP算法,即使在信噪比為1:10時仍能從頻域獲取有用的渦街信號,從而獲得較為準確的流量數據。
      7試驗驗證及效果
        采用本研究的關鍵技術,研制了低溫渦街流量計樣機DW-80,在流量塔對該樣機進行了常溫水介質的標定.綜合精度達到0.5級。
      采用某型號氫氧火箭發動機試驗系統,以分節液面計測得的流量為標準,分別對低溫渦街流量計和低溫渦輪流量計進行比對試驗,結果如下:
       

        從表中可見渦街流量計所測流量比液面計測的流量數據平均偏大0.65%,而渦輪流量數據比液面計測的流量數據平均偏大1.3%。若以液面計為標準,則可以認為渦街流量計的測量精度優于渦輪流量計。

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