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摘要：論述了液體火箭發(fā)動機用過氧化氫作為推進劑進行試驗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測量和角接式取壓結(jié)構(gòu)在過氧化氫/煤油發(fā)動機試驗中的應(yīng)用技術(shù)。針對過氧化氫/煤油發(fā)動機試驗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)動機試驗中，因為過氧化氫的特殊性質(zhì)，決定了試驗系統(tǒng)在組建時對管道、閥門等組件材料有特殊要求。又因發(fā)動機為擠壓式工作，因此，在流量計選材時必須從過氧化氫的相容性和強度兩方面同時考慮。
因為1Cr18Ni9Ti與過氧化氫為二級相容，同時，它在材料方面具有很好的綜合力學性能，可用于高壓擠壓式試驗系統(tǒng)中。因此在流量計選材時可采用1Cr18Ni9Ti材料。
　　在用于過氧化氫系統(tǒng)時，常規(guī)的流量計有渦輪流量計、靶式流量計、質(zhì)量流量計等。但其測量方式、密封形式及材質(zhì)方面都因為與過氧化氫出現(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)動機試驗的研制過程中，必須盡快地解決流量的測量問題，同時，應(yīng)該盡可能提高流量計的安全性和可靠性研究工作。
孔板流量計的結(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，密封的實現(xiàn)也較為容易，同時設(shè)計壓力在選擇時無局限性。孔板流量計在實際使用當中，通過對孔板前、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)力求準確，在設(shè)計上采用了角接式取壓結(jié)構(gòu)。
　　壓差式孔板流量計適用于圓管流的流量測量。在管內(nèi)設(shè)置孔板，當有流體流過時，在其上、下游側(cè)之間就會產(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（詳見孔板計算）。
2孔板流量計的設(shè)計結(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�？装宓纳嫌味嗣鎽�(yīng)是平整的，其表面任何兩點的連線對垂直于中心線平面的斜率應(yīng)小于1％。此時，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�？讖絛值應(yīng)至少取四個不同測量方向直徑的平均值。這四個直徑應(yīng)按彼此大致相等的角距離分布在幾個軸向平面內(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孔板流量計的安裝
　　在實際的設(shè)計當中，孔板應(yīng)設(shè)計為可拆卸式結(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)計區(qū)內(nèi)工作時，流量的測量值可信度較高，在非設(shè)計區(qū)內(nèi)工作時，流量的測量值可能會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。按照試驗時貯箱的工作壓力對法蘭進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。連接形式見圖2。
　　 在使用中，孔板結(jié)構(gòu)可設(shè)計為放大狀態(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接時形成的內(nèi)腔來實現(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現(xiàn)。從而提高了孔板流量計安裝和使用的高可靠度要求。

2.3角接取壓形式
　　孔板流量計在實際的使用過程中，不但應(yīng)實現(xiàn)管路的連接和密封，同時應(yīng)滿足角接式取壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。
　　取壓的方式較多，將孔板用于流量測量時，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，對任意β值在測量清潔流體的流量時，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壓差式孔板流量計的設(shè)計計算
流量的計算公式如下：

　　w為管道橫截面積上流體運動的平均速度，m/s；d為孔板孔徑；D為管道直徑；υ為流體的運動粘性系數(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)。
　　在已知各項設(shè)計參數(shù)如質(zhì)量流量qm、壓差?p、上游側(cè)壓力p1及推進劑各種性能參數(shù)的情況下，代入流量計算公式，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，流量計算的公式可簡化為：

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

4壓差式孔板流量計的設(shè)計驗證
　　試驗準備階段，按上述工況2和工況3分別計算的結(jié)果制作孔板各一個，參照要求的流量，在冷調(diào)時，流量接近工況3狀態(tài)。因此，在試驗系統(tǒng)上安裝這種設(shè)計狀態(tài)的孔板，冷調(diào)時系統(tǒng)上串接一渦輪流量計，用它來校準孔板流量計。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，孔板的流出系數(shù)差異較大。在額定流量下進行三次調(diào)試（額定流量接近設(shè)計流量），流出系數(shù)為恒定值。這樣，也進一步驗證了孔板流量計設(shè)計的有效性和準確性。同時，該孔板流量計參加了兩次過氧化氫/煤油試驗，對該種流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性也得到了驗證。

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