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密封装置微小气体泄漏流量计测量方法

时间:2018/06/16来源:未知

  在差压法测量气体流量的基础上, 提出一种新的基于恒压恒容积差压法的微小泄漏流量测量方法, 为消除系统误差, 该方法使气流入口的压力在测量前后保持不变, 从而可实现航空发动机密封件微小气体泄漏流量高精度测量, 且流量越小测量误差越小。先容微小气体泄漏流量测量方法的测量原理、高精度温度传感器、压力传感器、数据采集卡的选择, 并通过试验验证恒压恒容积差压法测量微小泄漏流量的可行性。

  随着航空发动机性能的提高, 气体通路密封在提高发动机总体性能和效率方面起到越来越重要的作用[1]。气体泄漏量是衡量密封装置性能好坏的重要指标, 在密封装置研制过程中, 须进行气体泄漏密封性能试验, 来检验密封装置性能, 其中气体泄漏量的测量是密封试验中最关键的一个环节。

  传统的气体泄漏量测量方法通常是在密封件泄漏侧安装质量流量计, 比如热式质量流量计和科氏力质量流量计等进行泄漏量测量。当泄漏量比较大时 (大于1 g/s) , 这种方法具有不错的测量精度。但航空发动机对密封装置要求越来越高, 对特殊部位的密封装置要求接近零泄漏量, 传统的气体泄漏量测量方法已不能满足这些密封装置泄漏测量要求。本文编辑针对航空发动机密封装置微小泄漏量的测量, 研究设计了一种高精度微小气体泄漏量测量方法和装置。

1、密封泄漏流量测量原理:

  密封泄漏流量测量模型如图1所示, 将密封装置安装于一个密闭腔体, 密闭腔体被密封装置分隔成A腔和B腔[2]。往A腔通入高压气体形成高压腔, A腔气体通过密封件泄漏到B腔, 泄漏气体通过引管接至泄漏量测量装置进行测量[3]。

图1 密封泄漏试验原理图Fig 1 Measurement model of seal leakage flow

图1 密封泄漏试验原理图Fig 1 Measurement model of seal leakage flow

  泄漏量测量装置采用新型微小泄漏流量精确测量方法, 该方法为改进的差压测量方法, 即恒压恒容积差压法。系统结构图如图2所示, 从泄漏腔泄漏的气体通过管路进入收集腔收集测量。若采用定时收集气体, 然后使用差压法原理计算收集的气体质量的方法测量泄漏量, 由于泄漏腔的体积不可精确计量, 而差压法必然导致泄漏腔及管路压力发生变化, 部分泄漏气体留存在泄漏腔和管路里, 泄漏量测量误差比较大。为了提高泄漏量测量精度, 在差压法基础上进行了改进, 通过控制收集腔入口压力在测量前后保持一致, 使测量前后泄漏腔和管路里的气体总质量保持不变[4]。

  如图2所示在进气管路上设置管路压力传感器, 测量前先将放气阀门打开通大气, 关闭进气阀门, 使管路压力憋至特定背压, 当管路压力传感器检测到压力等于特定背压时, 打开进气阀门, 关闭放气阀门, 同时开始计时, 并记录此时的收集腔压力p0和温度T0。当管路压力下降后重新上升到特定背压时, 关闭进气阀门并停止计时, 计时为t, 等待收集腔内压力和温度稳定后记录此时的收集腔压力p1和温度T1。最后打开进气阀和放气阀准备下一次测量。为了防止打开进气阀时泄漏腔压力下降太快影响A、B腔的差压控制, 在进气管路上设置合适的节流阀。

  由于测量前后管路压力均为特定背压, 可以认为泄漏腔和进气管路的压力分布和温度分布在测量前后保持一致, 即气体总质量不变。于是在时间t内的气体泄漏量等于收集腔里增加的气体质量。根据气体状态方程, 测量前收集腔内气体的总质量[5]为

计算公式

  测量后收集腔内气体的总质量为:

计算公式

  式中:M为气体的摩尔质量, g/mol, 文中的气体为干燥空气, 摩尔质量为28.958 6 g/mol;V为收集腔体积, 通过标定得到;R为气体常数, 值为8.314 41J/ (mol·K) 。

  时间t内的气体泄漏量为

计算公式

  时间t秒内的平均气体泄漏量流量为

计算公式

图2 测量原理结构图Fig 2 Measurement principle structure

图2 测量原理结构图Fig 2 Measurement principle structure

 

2、微小气体泄漏流量测量装置设计:

2.1、设计指标:

测量范围:0~1 g/s;

最大测量误差:0.02 g/s;

空气温度范围:0~200℃。

2.2、背压设计:

  为了使收集的气体尽可能接近理想气体, 要求收集腔内的压力越低越好, 同时考虑到压力太低需要设计更大体积的收集腔, 给收集腔的加工和标定增加了难度。综合考虑, 将背压设计为20 k Pa。

2.3、收集腔体积设计:

  将极端工况下最大泄漏流量 (1 g/s) 的测量时间确定为100 s, 即在200℃空气温度条件下, 收集腔在压差为20 k Pa时收集的气体质量为100 g。根据气体状态方程可计算出收集腔的体积为

计算公式

将收集腔体积设计为0.68 m3。

2.4、测试系统设计:

  该装置的测试系统包括温度传感器、压力传感器、数据采集卡、测试计算机及App, 系统结构如图3所示。数据采集卡采集传感器数据后上传给数采计算机, 由数采计算机处理计算出平均泄漏流量。

图3 测试系统结构Fig 3 Test system structure

图3 测试系统结构Fig 3 Test system structure

  温度传感器选用AA级铂电阻, 0~200℃范围内最大测量误差为0.44℃。

  压力传感器选用高精度压力传感器, 测试精度为0.1%。

  数据采集卡选用NI CompactRIO系列产品, 采集精度优于0.05%。

3、测量误差分析:

  为了便于进行误差分析, 将设计的装置的测量链分解成若干个独立测量节点串行组合, 模型如图4所示。泄漏流量变化时, 泄漏质量基本不变, 只是收集时间不一样, 而收集时间最短100 s, 计时误差为毫秒级, 可以忽略不计。于是, 可先对泄漏质量测量误差进行分析, 再计算泄漏流量测量误差。

  根据测量误差叠加原理, 泄漏质量测量误差由收集腔体积标定误差、测量前温度测量误差、测量后温度测量误差、测量前压力测量误差、测量后压力测量误差、泄漏质量计算误差相加得到[6]。

  收集腔体积标定误差一般优于0.1%, 取0.1%;根据测试系统的设计选型, 温度、压力测量精度分别为0.27%、0.15%。

图4 误差分析模型Fig 4 Error analysis model

图4 误差分析模型Fig 4 Error analysis model

  泄漏质量计算采用的是理想气体状态方程, 而实际空气只是接近理想气体, 为了得到最大计算误差, 查询了NIST数据库, 得到了涵盖全工况的4个工况下空气密度计算值与实际值的对比结果, 如表1所示。

表1 空气密度计算误差分析表Table 1 Air density calculation error analysis

表1 空气密度计算误差分析表Table 1 Air density calculation error analysis

从表1中可以得到如下结论:在设计的装置工况范围内, 使用理想气体状态方程计算空气密度最大误差为0.070 4%, 计算泄漏质量时要使用2次理想气体状态方程, 于是计算误差优于0.140 8%, 取0.15%。

综上所述, 设计有装置的综合泄漏质量测量误差为

计算公式

泄漏流量测量误差绝对值为

计算公式

  可见泄漏流量误差绝对值与被测流量大小成正比, 设计的装置最大测量流量为1 g/s, 于是最大泄漏流量测量误差绝对值为0.010 9 g/s。

4、微小气体泄漏流量测量装置应用:

  设计的测量装置在航空发动机W形金属封严环密封试验装置上进行了试验验证, 并与某知名进口品牌质量流量计测量结果进行了对比。使用W形金属封严环密封试验装置将某型W封严环压缩到一定压缩量, 改变W封严环两侧的压差, 分别使用设计的装置和质量流量计对泄漏流量进行测量, 测量结果如图5所示。

图5 测量结果Fig 5 Measurement results

图5 测量结果Fig 5 Measurement results

 

  从图5可以看出设计的装置的测量结果与E+H质量流量计测量结果很接近, 但具有更好的灵敏度。

5、结论:

(1) 在差压法的基础上提出了恒压恒容积差压法, 使泄漏腔以及气流管路里的压力分布在测量前后保持一致, 消除因泄漏腔以及气流管路里所滞留的空气引起的系统误差。

(2) 通过优化设计, 选用高精度温度传感器、压力传感器、数据采集卡, 实现微小泄漏流量的高精度测量。试验结果表明:恒压恒容积差压法测量微小泄漏流量是可行的;基于恒压恒容积差压法的微小泄漏流量测量装置具有较高的测量精度, 流量越小测量误差越小。


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