现代质量流量计结构原理 产品设计方法与技术详
【摘 要】以研究一种新型机载质量流量计为依托，寻求一种能定量指导现代质量流量计设计的方法。首先对工作原理和主要元件结构特性进行了理论分析, 主要针对主动轮结构进行研究。然后运用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值仿真软件计算出主动轮在各种结构各种尺寸下的变化趋势并取其***优值。仿真结果表明利用该方法定量指导实际的设计是可行的，此方法能够节约研究成本，缩短设计周期，是未来流量计设计的发展趋势。
1、引言：
传统的机载流量计常用速度式流量计，本质上属于体积流量计。这种流量计中有一旋转叶轮，叶轮转速正比于体积流量。其结构简单，但在温度变化大（±55）℃或在压力、振动以及加速度情况下精度较低。而质量流量计能克服这些缺点，且由于航空航天技术的发展，对机载式质量流量计提出了新的要求[1]。国外从 60年代起就开始了对质量流量计的研究，主要集中在双涡轮流量计，特别是在 70 年代，各国对于这种流量计的研究基本趋于成熟，提出了许多专利产品。例如，1962 年，美国 CharlesC.Waugh、1972年，法国的 RaymondLahaye 以及 1973 年，美国 JackHammond 和法国 PierreMarie 都各自用创新的方法对双涡轮流量计进行了改进设计[2]。2000 年以后，我国对质量流量计的研究才有了一定的关注，例如，空军后勤学院和空军油料研究所运用机翼理论和叶栅理论建立了一种双涡轮流量计流动理论模型，并研制出了样机进行试验[3]。此外北京理工大学、天津大学等也都对质量流量计有一些相关的研究，但都偏重于理论。因此到目前为止，虽然国内外对于质量流量计的数学模型和理论分析已经有了许多相关研究和探讨，但都只是定量说明了质量流量计各参数的关系，并只能定性指导具体的设计。而这无法满足我们现代工程需要定量指导具体设计的要求。主要就是寻求一种定量指导现代质量流量计设计的新方法、新路线。
2、技术路线：
现代的流体工程设计思路已逐渐发展为将理论分析及实验研究综合，形成了一门迅速发展的新学科—计算流体力学（CFD: Computational Fluid Dynamics）。它的理论基础是理论流体力学和计算数学，它的实现依赖于适当的计算机软硬件环境。近年来，随着高速、大容量计算机的出现，以及 CFD 方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高。因此对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，替代细化建模以及耗资巨大的流体动力学实验是可行的[4]。
目的就是利用 CFD 方法对质量流量计性能以及内部流动进行预测，并对压力（差）、驱动力（矩）、阻力（矩）等参数进行数值定量计算，从而定量指导流量计的结构和参数设计，并成为改进和优化内部主要零部件设计的一个重要手段。
图 1 新型机载质量流量计
3、质量流量计的工作原理：
所研究的质量流量计是根据双涡轮质量流量计原理设计的一种新型流量计，其内部结构如图 1 所示。在驱动轴前后各有一转动轮，分别称为主动轮和质量感应轮。其中，主动轮与磁铁涡轮、前集流套筒连接在一起并和驱动轴同步转动。而质量感应轮通过游丝弹簧与轴连接。当流体通过质量流量计时，由于主动轮的边缘处开有斜流孔，此小孔轴线与仪器旋转轴线有一夹角 α。
当流体经过斜流孔时，将产生使两个转动轮旋转的驱动力矩。而当流体流经质量感应轮后，将在周向上产生角速度 ω，于是质量感应轮将受到阻力矩的作用，其理想状态下的阻力矩为：
| T 质阻=r2ωqm | （1） |
式中：r—流体的等效半径；qm—流体的质量流量。
由于主动轮与质量感应轮是通过轴和游丝弹簧连接在一起，要使主动轮与质量感应轮以相同转速运动，必然使游丝弹簧产生扭转变形，质量流量越大，变形越大。同时弹簧将产生一个扭转力矩 Tp 来平衡质量感应轮所受到的阻力矩，即 Tp=T 质阻。而游
| 丝弹簧由于扭转变形所产生的扭转角为：θ= | 12LT 质阻 | （2） |
| E（b/h）h4 | ||
在主动轮和质量感应轮共同达到某一转速时，它们之间由于游丝的变形将产生一定的相位差，研究表明该相位差和油料的质量流量成正比。为能实时检测出这个相位差，在与主动轮连在一起的磁铁涡轮和质量感应轮上各安装八个磁铁，每旋转一周，检测器将各检测到八个脉冲信号。通过对两路脉冲信号之间的时间差计数，测得质量感应轮旋转这一偏移角所需的时间差△t，则可得流体的质量流量。将式（1）、（2）结合，可得时间差与质量流量
| 2 | |||||
| 的理想关系为：△t= | θ | = | 12Lr | q | （3） |
| 4 | |||||
| ω | m | ||||
| E（b/h）h | |||||
4、CFD 数值仿真与主动轮结构研究：
而驱动力主要产生于主动轮上的斜流孔，其具体结构如图 2所示。
通过理论分析可知，每个斜流孔上所受到的转动力矩为：
| T主= △Kv Kα v0 tanα-r1 ω △蓦r2 ρ △v軆·n軋軋dA | （4） |
| A2 |
式中：Kv —流速不均匀系数；Kα —不重合系数；v0 —斜流孔中流体的平均速度；α—斜流孔轴线与仪器旋转轴线的夹角；r1 —斜流孔中心到转轴的距离；A2—斜流孔进口或出口面积、r2—斜流孔中任一质点到转轴的距离。由公式（4）可知优化式中的部分参数能够提高小流量下的驱动力矩。
（a）主动轮结构 （b）斜流孔轴向剖面图
图 2 主动轮
4.1、斜流孔倾角 α 的确定：
理论上小孔倾斜角 α 越大（***大为 90°），主动轮受到的转动力矩也越大，但从结构上分析就发现倾斜角不可能无限接近于90°，因此就要寻求一***优倾角。这就要构建各种倾斜角的模型，并利用 CFD 仿真，进行数值分析计算。根据仿真结果，首先对斜孔附近的流场进行了分析，并选取一个小倾角和一个大倾角的流场进行比较，如图 3 所示。
（a）小倾角流场 （b）大倾角流场图 3 主动轮上的流场分布
随着小孔倾斜角的增大，流体的能量损耗也增加，它提供给主动轮的有效动力矩就不一定越大，而应该在某一角度时有一峰值。因此通过 CFD 数值计算，结果如图 4 所示。可知在倾角为 45°时，主动轮受到的有效转动力矩***大。因此根据 CFD 计算结果，将小孔倾斜角 α 定为 45°。
图 4 倾斜角与动力矩的关系
4.1、斜流孔直径的确定：
当流体质量流量分别为 60kg/h 和 100kg/h 时，仿真数据如图 5 所示。可知，在小流量情况下，当斜流孔直径为 1.2mm 时，主动轮上的净驱动力矩达到***大。因此，根据 CFD 的仿真分析，将斜流孔直径准d 定为 1.2mm。
| 图 5 | 斜流孔直径与力矩关系 |
| 转速 ω 与驱动力矩 T 驱动的理想关系为：ω= | T 驱动 | （5） |
| 2 | ||
| r qm |
从公式（5）可知，转速是随力矩增加的。虽然公式（3）显示时间差信号△t 是与转速 ω 无关的，但据国外研究表明尽管不需保持的转速，但保持一个标称速度能够得到更高的测量精度[10]，因此需要考虑转速稳定的问题。在此将上述已定的结构和尺寸在不同流量下进行数值仿真，得到了流量与主动轮净驱动力矩 T 的关系，如图 7 所示 a净驱动曲线。随着流量的增加，驱动力矩呈非线性增加，且流量越大，力矩增加越快，显然这不利于保持转速的稳定。于是在主动轮上增加一个简单的内阀装置来控制大流量时的驱动力矩，从而保持一个标称转速，如图 1、图 6 所示。
图 6 主动轮内阀装置
（1）选择适当的梅花挡片的硬度，即选择适当的弹性模量、厚度、长宽比等。
（2）选择不同的梅花挡片倾斜角 λ，如图 6 所示。为了保证挡片在初始状态时是紧贴着主动轮内壁的，所设计的挡片倾斜角必须大于主动轮内壁倾斜角，即 λ＞β。
（3）改变调整垫片的个数，从而控制梅花挡片与主动轮内壁的贴合程度，如图 6 所示。
（4）调整梅花挡片内侧挡板的直径，从而控制梅花孔大小及挡片的硬度，如图 6 所示。
（2）选择不同的梅花挡片倾斜角 λ，如图 6 所示。为了保证挡片在初始状态时是紧贴着主动轮内壁的，所设计的挡片倾斜角必须大于主动轮内壁倾斜角，即 λ＞β。
（3）改变调整垫片的个数，从而控制梅花挡片与主动轮内壁的贴合程度，如图 6 所示。
（4）调整梅花挡片内侧挡板的直径，从而控制梅花孔大小及挡片的硬度，如图 6 所示。
对于以上内阀调整方案的有效性，必需进行 CFD 数值计算加以验证。仿真时选择 0.2mm 厚，弹性模量为 200GPa 的梅花挡片，通过建模仿真计算后的数据，如表 1 及图 7、图 8 所示。
| 表 1 梅花挡片***高点偏移距离 | |||
| 流量（kg/h） | 偏移距离（mm） | 流量（kg/h） | 偏移距离（mm） |
| 100 | 0.09 | 900 | 0.42 |
| 200 | 0.15 | 1000 | 0.45 |
| 300 | 0.2 | 1100 | 0.47 |
| 400 | 0.25 | 1200 | 0.5 |
| 500 | 0.29 | 1300 | 0.52 |
| 600 | 0.32 | 1400 | 0.55 |
| 700 | 0.36 | 1500 | 0.58 |
| 800 | 0.39 | 1600 | 0.6 |
量感应轮上的阻力矩 T 以及二者之差 T 。比较曲线 a 和 b，发现净质阻力矩差驱动力矩的增加幅度有效地减小了，这都证实了之前的分析：随着流量的增加，梅花挡片被冲开的角度也增大，流体就更多的从梅花孔流走，从而减缓了主动轮上净驱动力矩的增大。而这一趋势也反映在转速变化上，如图 8 所示。曲线 e 是主动轮未进行***优设计前流量与转速的关系，可知流量较小时，主动轮几乎是转不动的，即仪表不能工作。且随着流量的增加，转速变化范围较大。而如图 8 所示中曲线 f 是进行***优设计后的仿真结果，可知小流量时，转速有了很大的提高，且随着流量的增加，转速只在小范围内变化。这些数据都说明，之前对主动轮的***优设计是很有成效的。但在实际应用中，还需考虑轴承上的阻力矩 T 和之前为提取信号而安装的磁铁由于产生电磁能量及磁如表 1 所示，随着流量的增加，梅花挡片***高点偏离主动轮内壁的距离。如图 7 所示 a 曲线，表示开梅花孔前主动轮上的净驱动力矩′ 分别表示开梅花孔后主动轮上的净驱动力矩 T净驱动、质能积变化引起的阻力矩 T ，它们与实际产品有关，无法利用 CFD 计
电磁算其大小，因此在 CFD 中仿真出一个稳定的转速没有意义，如图 8 所示曲线 f 所示，只需知道其变化趋势即可。
图 7 质量流量与力矩关系
图 8 质量流量与转速关系
5、结语 :
以 CFD 数值仿真为主要手段，以研制新型机载双涡轮质量流量计为目的，主要介绍了对流量计的驱动部件主动轮的优化设计。并以此为依据总结出了一套能够定量指导现代质量流量计设计的方法：就是先进行基本的理论分析，再将数值仿真与实际试验相结合，利用数值计算的结果定量指导主体结构及重要部件的***优设计，然后通过实验的配合来调整一些无法仿真或易加工、拆装方便的零部件。这样的方法为研究设计提供了很大的方便和帮助，节省了大量的成本，缩短了研发周期，因此是值得尝试和推广的。
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