一种高压孔板气体大流量校准技术研究

王慧龙 孙凤举 张 宇 王小三 焦鑫鑫

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

1 引 言

孔板是工程上应用广泛的限流元件，由于其结构简单、重量轻、耐高压、无可动部件且工作可靠，所以增压输送系统通常选择孔板作为气体限流装置。流量系数是表征孔板流通能力的一个非常重要的参数，其大小与孔板的自身结构、孔径比和雷诺数等因素相关，对于标准孔板且流体介质在整个测量段内保持亚声速流动、管道直径为(50～1000)mm、孔径比为0.2～0.75、背压比大于0.75(大于临界压比)的情况，其流量系数可查阅ISO5167规范得到，标准孔板流量系数一般在0.6左右。液体火箭增压输送系统使用的孔板孔径不大，入口压力最高达30MPa，出口压力很低，工作于临界状态，结构上为非标设计，其工作特性、流量系数的取值国内还未开展研究，也无现成资料可查阅，因此研建一套高压孔板气体大流量地面试验装置，通过试验手段研究高压孔板流量特性，为增压输送系统设计提供可靠的依据。

2 高压孔板气体大流量校准装置

液体火箭常温氦气增压输送系统采用35MPa高压氦气作为增压介质，在发动机点火后，控制系统将电磁阀打开，高压氦气经电磁阀、孔板进入贮箱[1,2]。实际应用中，根据供气流量不同，液体火箭采用的孔板孔径从0.8mm到10mm不等，孔板入口压力最高30MPa，流量约为7.2kg/h～18000kg/h(氮气)。

为准确测量如此极端工况下非标孔板的流量系数，研建了一套高压孔板气体大流量校准装置，由组合音速喷嘴(二次标准)和正压式pVTt(一次标准)组成。二次标准是限于目前高压、大流量量值无法溯源的现状，巧妙利用音速喷嘴的临界特性将高压孔板气体大流量量值转化为由分立的低压工况音速喷嘴来分担，再通过音速喷嘴的并联组合方式还原孔板总流量，而参与分担流量的单个喷嘴量值的定期溯源由一次标准来完成[3]。高压孔板气体大流量校准装置原理如图1所示。

图1 高压孔板气体大流量校准装置原理图Fig.1 Schematic of high-pressure gas flow calibration of orifice plate

2.1 二次标准

高压气源经减压稳压及流量调节后通过孔板，再流入与之串联在一起的标准表法二次标准即组合音速喷嘴式气体流量校准装置。当工作在临界状态时，利用质量流量守恒原理，约去有关常数后，有

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式中：Cs——标准喷嘴流出系数，无量纲；As——标准喷嘴喉部面积，m2；p0S——标准喷嘴入口滞止压力，(Pa)；T0S——标准喷嘴入口滞止温度，(K)；Cm——标准喷嘴流出系数，无量纲；Am——标准喷嘴喉部面积，(m2)；p0m——标准喷嘴入口滞止压力，(Pa)；T0m——标准喷嘴入口滞止温度，(K)。

由公式(1)可知，以组合标准喷嘴组的喉部面积As、流出系数CS以及温度T0S、压力p0S可得到被校孔板在高压工况下的流出系数Cm，即通过不同规格并联喷嘴的组合，可将高压、大流量转换为低压、分流量测量，从而可求得高压孔板的流量特性，图2为其测量原理图。

图2 组合音速喷嘴式气体流量测量原理图Fig.2 Measurement of combined sonic nozzle gas flow

根据实际工况特点，采用喉部通流面积成二倍关系递增的方法设计标准喷嘴组，确保标准喷嘴组入口工作压力p0S在(0.25～2)MPa范围内，便于采用一次标准对单个喷嘴的标校。

图3 组合音速喷嘴式气体流量校准装置Fig.3 Gas flow calibration facility of combined sonic nozzle

表1为标准喷嘴组，图3为组合音速喷嘴式气体流量校准装置实物图。

表1 标准喷嘴组

2.2 一次标准

一次标准用于对二次标准的单个标准音速喷嘴进行量值溯源，单个喷嘴的流量大幅低于被测孔板的最大流量，因而大大降低了一次标准的流量校准范围。一次标准采用pVTt法流量测量原理，见图4。

图4 pVTt法流量测量原理Fig.4 Flow measurement of pVTt

pVTt分别代表四个物理量：压力、容积、温度和时间，通过四个物理量的组合测量实现气体质量流量的量值复现。为了确保量值准确可靠，本项目的二次标准需在真实的工况条件下进行校准，因此与常规装置不同，本pVTt装置工作在正压方式，即容器入口压力大于大气压。其工作原理为：在换向器的控制下，从某一时刻开始，气体流入封闭的标准容器，同时开始计时，经过时间t后，换向器换向，停止计时，设气体常数为R，容器容积为V，初始状态的绝对压力为p1，绝对温度T1，结束状态的绝对压力为p2，绝对温度为T2，则其质量流量qm由式(2)计算[4]

(2)

通过控制标准喷嘴背压比，使孔板始终工作于临界流状态，确保校准过程中流过的质量流量不随容器内压力的升高而发生变化，保证校准所需的稳定流条件。通过对各标准喷嘴在真实工况下的校准，找到各标准喷嘴流出系数变化规律，进而为其组合使用测量高压孔板流量提供量传依据。

图5 正压pVTt法气体流量标准装置实物图Fig.5 Gas flow standard facility of positive pressure pVTt

2.3 气源调制装置

高压孔板气体大流量校准装置以两个3m3、35MPa高压贮气罐作为气源，气源调制装置用于准确控制孔板入口压力，模拟孔板实际工况，其设计既要满足压力控制指标还要兼顾宽范围的流量输出要求。

由于大减压阀可输出大流量，但自动调压的精细度不够，在小流量条件下工作时，容易出现超调，从而导致流量及压力波动，而小减压阀又无法提供较大的流量输出。为此，在管路配置上按流量大小分成三路，分别用三个不同规格的减压阀进行减压，输出各自的压力和流量，三台减压阀共用一台减压控制器，其中最小的一台减压阀的输出可以单独提供工作气体，也可以为其它两台减压阀提供控制气源，见图6。

图6 气源调制原理图Fig.6 Schematic of gas source modulation

主管路为DN40，根据所检测的流量范围需要，将配气管路分为三路，均为自动减压控制，流通管径为别为DN40、DN25和DN10，采用TESCOM的ER5000控制器分别控制三个减压阀。系统中最大流量发生在DN40管路中，约为18000kg/h(氮气)，此时减压器入口压力35MPa，出口压力即孔板前压力30MPa，安装孔板的喉径为10mm，经管路流阻计算，同时考虑到留有足够余量，选用Cv12的减压阀，留有足够余量的目的，主要是考虑在以最大流量校准孔板的过程中，耗气量大，减压阀前压力下降很快，Cv12的减压阀可确保在较低压差(约为3MPa)下仍能输出足够流量的气体，DN25管路中采用Cv3.3减压阀，DN10管路中采用Cv0.06减压阀； Cv0.06的输出气可经两个二位三通电磁换向阀以实现单独供气和分别为Cv12和Cv3.3提供控制气等工况间的自动切换，这样便具备了宽范围的压力和流量调节能力，使任意流量下实现更加精细的压力自动调节成为可能，管路流量分解配置及减压器调压控制如图7所示。

图7 气源调制装置Fig.7 Device of gas source modulation

3 校准装置量值传递框图及不确定度分析

3.1 校准装置的量值传递框图

高压孔板气体大流量校准装置采用音速喷嘴组作为标准表，对高压孔板流出系数进行标校，单个音速喷嘴实际工况下的流出系数则采用正压pVTt校准装置进行标定。整体量值传递框图如图8所示。

图8 装置量值溯源关系框图Fig.8 Traceability diagram of calibration facility

3.2 校准装置的不确定度分析

由测量重复性引入的不确定度ur=0.19%，由正压pVTt量传得到音速喷嘴组的流出系数引入的不确定度uc=0.13%，其中正压pVTt法一次标准的流量测量不确定度为U=0.09%(k=2)，由音速喷嘴组前滞止压力、滞止温度的测量不准引入的不确定度分别为up=0.05%，uT=0.08%，则

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4 结束语

高压孔板气体大流量校准装置采用组合音速喷嘴实现高-低压工况转化，以各并联低压工况音速喷嘴的组合还原总流量，各音速喷嘴工况下的流出系数由正压式pVTt法流量标准装置检定获得，填补了国内入口压力30MPa、最大流量18000kg/h(氮气)的高压气体大流量计量测试空白，流量测量不确定度达到U=0.5%(k=2)。

因此，该装置的研制成功，既为液体火箭贮箱高压增压孔板的流量系数提供了计量保障，也解决了其他武器系统、民用天然气等领域高压气体大流量的计量问题。