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摘要：論述了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用過氧化氫作為推進(jìn)劑進(jìn)行試驗(yàn)的過程中流量測量可采用的方式。提出了壓差式孔板流量計(jì)測量和角接式取壓結(jié)構(gòu)在過氧化氫/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用技術(shù)。針對(duì)過氧化氫/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中流量測量提出了研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
1引言
　　在過氧化氫/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，因?yàn)檫^氧化氫的特殊性質(zhì)，決定了試驗(yàn)系統(tǒng)在組建時(shí)對(duì)管道、閥門等組件材料有特殊要求。又因發(fā)動(dòng)機(jī)為擠壓式工作，因此，在流量計(jì)選材時(shí)必須從過氧化氫的相容性和強(qiáng)度兩方面同時(shí)考慮。
因?yàn)?Cr18Ni9Ti與過氧化氫為二級(jí)相容，同時(shí)，它在材料方面具有很好的綜合力學(xué)性能，可用于高壓擠壓式試驗(yàn)系統(tǒng)中。因此在流量計(jì)選材時(shí)可采用1Cr18Ni9Ti材料。
　　在用于過氧化氫系統(tǒng)時(shí)，常規(guī)的流量計(jì)有渦輪流量計(jì)、靶式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。但其測量方式、密封形式及材質(zhì)方面都因?yàn)榕c過氧化氫出現(xiàn)不同程度的不相容現(xiàn)象而無法正常使用。因此，在過氧化氫/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的研制過程中，必須盡快地解決流量的測量問題，同時(shí)，應(yīng)該盡可能提高流量計(jì)的安全性和可靠性研究工作。
孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單，材質(zhì)方面可完全采用與過氧化氫相容的材料，密封的實(shí)現(xiàn)也較為容易，同時(shí)設(shè)計(jì)壓力在選擇時(shí)無局限性。孔板流量計(jì)在實(shí)際使用當(dāng)中，通過對(duì)孔板前、后壓力的測量來轉(zhuǎn)化成流量的測量。因此壓力的獲得應(yīng)力求準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)上采用了角接式取壓結(jié)構(gòu)。
　　壓差式孔板流量計(jì)適用于圓管流的流量測量。在管內(nèi)設(shè)置孔板，當(dāng)有流體流過時(shí)，在其上、下游側(cè)之間就會(huì)產(chǎn)生靜壓差。在有關(guān)參數(shù)已知的條件下，該靜壓力與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系（詳見孔板計(jì)算）。
2孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
2.1孔板的技術(shù)要求
　　孔板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。孔板的上游端面應(yīng)是平整的，其表面任何兩點(diǎn)的連線對(duì)垂直于中心線平面的斜率應(yīng)小于1％。此時(shí)，可忽略孔板表面上不可避免的、肉眼看不見的局部缺陷。在與孔板同心的直徑不小于1.5d的圓的范圍內(nèi)，應(yīng)保證孔板上游端面的粗糙度準(zhǔn)則dRa410?≤。下游端面應(yīng)是平整的，而且平行于上游面。

孔板厚度E、銳孔厚度e及斜角F的確定如下：
(1)銳孔厚度e應(yīng)在0.005D和0.02D之間，在銳孔上任何點(diǎn)所測得的e值之間的差不得大于0.001D。
(2)孔板厚度E應(yīng)在e和0.05D之間，在孔板上任何點(diǎn)所測得的E值之間的差不得大于0.001D。
(3)如果孔板厚度E超過了銳孔厚度e，則孔板下游應(yīng)做成傾斜面，斜面應(yīng)加工得光滑。斜面角應(yīng)在30°～45°之間。
(4)邊緣G、H、I應(yīng)是尖銳的既無劃痕也無毛刺。
　　銳孔應(yīng)是圓筒形的，并垂直于上游端面。孔徑d值應(yīng)至少取四個(gè)不同測量方向直徑的平均值。這四個(gè)直徑應(yīng)按彼此大致相等的角距離分布在幾個(gè)軸向平面內(nèi)。任何孔徑的單測值與平均直徑之差不應(yīng)大于0.05％。
2.2孔板流量計(jì)的安裝
　　在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，孔板應(yīng)設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu)，一種孔板不可能適應(yīng)任何工況。即在所有的工作區(qū)間，孔板的流出系數(shù)并非恒定不變。在孔板的設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)工作時(shí)，流量的測量值可信度較高，在非設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)工作時(shí)，流量的測量值可能會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。按照試驗(yàn)時(shí)貯箱的工作壓力對(duì)法蘭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連接形式見圖2。
　　 在使用中，孔板結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為放大狀態(tài)下的密封墊。兩頭采用活套法蘭結(jié)構(gòu)，與管路連接，中間為起密封作用的孔板。在孔板的前、后分別設(shè)置取壓孔，以此獲得壓力參數(shù)。用靠肩圈和孔板在對(duì)接時(shí)形成的內(nèi)腔來實(shí)現(xiàn)取壓環(huán)的結(jié)構(gòu)。
這種結(jié)構(gòu)在完成有效密封的前提下，使角接式取壓結(jié)構(gòu)在連接的過程中得到了實(shí)現(xiàn)。從而提高了孔板流量計(jì)安裝和使用的高可靠度要求。

2.3角接取壓形式
　　孔板流量計(jì)在實(shí)際的使用過程中，不但應(yīng)實(shí)現(xiàn)管路的連接和密封，同時(shí)應(yīng)滿足角接式取壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。
　　取壓的方式較多，將孔板用于流量測量時(shí)，為降低流量的測量誤差，采取了角接取壓結(jié)構(gòu)。角接取壓的結(jié)構(gòu)形式見圖3所示。

　　取壓口的中心線與孔板的相應(yīng)端面之間的間距等于取壓口直徑的一半或等于取壓口本身寬度之半，這樣，穿透管壁的取壓口與孔板兩端面正好取平。圖3參數(shù)的取值如下：a為環(huán)隙寬度，對(duì)任意β值在測量清潔流體的流量時(shí)，1mm≤a≤10mm；C和C′為上游和下游的環(huán)的長度，不應(yīng)大于0.5D；f為厚度，應(yīng)大于或等于環(huán)隙寬度a的兩倍；g×h為環(huán)室的橫截面積，應(yīng)大于或等于連接環(huán)室與管子內(nèi)部的開口總面積的一半；j為直徑，連接環(huán)室和二次裝置的取壓口是管壁取壓，穿透處呈圓形，j應(yīng)在4～10mm之間.
3壓差式孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算
流量的計(jì)算公式如下：

　　w為管道橫截面積上流體運(yùn)動(dòng)的平均速度，m/s；d為孔板孔徑；D為管道直徑；υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；L1=l1/D是上游取壓口到孔板上游端面的距離除以管徑的商；L2′=l2′/D是下游取壓口到孔板下游端面的距離除以管徑的商（角接取壓時(shí)L1和L2′取0）；β=d/D，為直徑比；ρ=1390kg/m3，為過氧化氫的密度；E為漸近速度系數(shù)；ε為膨脹系數(shù)；?p為孔板上、下游側(cè)之間的壓差；p1是上游側(cè)壓力；k為等熵系數(shù)。
　　在已知各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如質(zhì)量流量qm、壓差?p、上游側(cè)壓力p1及推進(jìn)劑各種性能參數(shù)的情況下，代入流量計(jì)算公式，反求β或d，既可確定孔板的尺寸。
在使用工質(zhì)為過氧化氫時(shí)，流量計(jì)算的公式可簡化為：

表1是在預(yù)設(shè)的三種設(shè)計(jì)狀態(tài)下（其余參數(shù)已知）計(jì)算程序得到的孔板結(jié)構(gòu)尺寸。

4壓差式孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證
　　試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，按上述工況2和工況3分別計(jì)算的結(jié)果制作孔板各一個(gè)，參照要求的流量，在冷調(diào)時(shí)，流量接近工況3狀態(tài)。因此，在試驗(yàn)系統(tǒng)上安裝這種設(shè)計(jì)狀態(tài)的孔板，冷調(diào)時(shí)系統(tǒng)上串接一渦輪流量計(jì)，用它來校準(zhǔn)孔板流量計(jì)。通過多種流量的調(diào)整發(fā)現(xiàn)，在小流量和大流量兩種狀態(tài)下工作時(shí)，孔板的流出系數(shù)差異較大。在額定流量下進(jìn)行三次調(diào)試（額定流量接近設(shè)計(jì)流量），流出系數(shù)為恒定值。這樣，也進(jìn)一步驗(yàn)證了孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)的有效性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，該孔板流量計(jì)參加了兩次過氧化氫/煤油試驗(yàn)，對(duì)該種流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性也得到了驗(yàn)證。

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