气体流量标准装置喷嘴设计及流出系数修正(精)

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气体流量标准装置喷嘴设计及流出系数修正木

单纯利

王瑞岭

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司产品检验检测中心，沈阳１１００４３）

摘要扼要阐述了临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的基本工作原理，详细介绍了系列临界流文丘里喷嘴喉部育径设计方法；提出了喷嘴流出系数修正的必要性和计算公式。

关键词临界流文丘罩喷嘴；气体流量标准装置；喷嘴喉部直径设计；流出系数修正ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉＳＳｒＬ

１０００—０７７１．２００９．０７．０４２

Ｏ

引言

‰

黎明航发集团为满足企业能源计量需求，研制完成一套正压法音速喷嘴气体流量标准装置，标准装置核心部分采用临界流文丘里喷嘴组。

ｌ

吼。

音速文丘里喷嘴工作原理

临界点

ｐ・Ｚ如

喷嘴（管）是个孔径逐渐缩小的流道，孔径最小的流道部分称为喷嘴的喉部。不带扩张管的喷嘴称之为音速喷嘴或临界流喷嘴，形状如图１（ａ）所示；带扩张管的喷嘴称之为音速文丘里喷嘴或临界流文丘里喷嘴，形状如图ｌ（ｂ）所示。音速喷嘴和临界流文丘里喷嘴下作原理是相同的。图１中：Ｐ。为上游压力，Ｐ，为下游压力。

既

图２音速喷嘴流量、节流压力比关系图

％＝詈∥ｃｃ砌／√等

（１）

式中：ｑ。为通过临界流喷嘴的质量流量；ｄ为喷嘴喉部直径；Ｃ为喷嘴流出系数；Ｃ。为临界流函数；ＪＰｏ为喷嘴前气体的滞止压力；ｒｏ为喷嘴前气体的滞止温度；Ｒ为通用气体常数，其数值为８３１４．５１Ｊ／（ｋ・ｔｏｏｌ・Ｋ）；Ｍ为空气千摩质量，其数值为２８．９６２５ｋｇ／（ｋ・ｍ０１）。

每一种口径的喷嘴在达到临界的条件不变时，通过喷嘴的质量流量也不变，这个特性成为校准流量计的理论基础。

２

：—＝．ｐ上……．＆～’≥：二＝＝ｊ，．

（ａ）音速喷嘴

／一／——＼

（ｂ）音速文丘里喷嘴

图１音速（文丘里）喷嘴截面形状图

当气体处于亚音速时，喷嘴（管）喉部的气流将随节流压力比Ｐ１／Ｐｏ减小而增大。当Ｐ。／Ｐｏ小到

一定值时，喉部流速达到最大流速一音速，即达到

所谓的临界流。此时，若Ｐ。不变，再减小Ｐ。，流速将保持不变，即不受下游压力的影响。在临界状态下，通过喷嘴的流量如２图所示。

这Ｈ寸，通过喷嘴的质量流量ｑ。只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，而不受下游状态变化的影响。质量流量公式为

系列音速文丘里喷嘴设计

音速文丘里喷嘴在校准装置中作为流量传递

标准，应选用没有凹坑、气孔、不夹有杂质、有稳定性热膨胀特性的不锈钢材加工。音速文丘里喷嘴由标准装置和扩散段组成，之间衔接过渡要平滑，无毛刺。经过实流标定，音速文丘里喷嘴气体流量准确度应优于０．２％。在满足压力０．１—０．８ＭＰａ、温度≤５０℃的条件下，可校准的流量范围为５～

・基金项目：国防军工计量“十五”科研项日（Ｊ０５２００１ＢＯＯＧ）

・５２・

ｉ±量蕉莶！螋：№Ｚ

万方数据

３８００Ｎｍ３／ｈ，累计流量为多个喷嘴的组合值。２．１辅助计算２．１．１折合质量流量计算

查阅《流量测量节流装置手册》，在标准状态（２０。Ｃ，１０１３２５Ｐａ）下，空气的密度ｐⅣ＝

１．２０４１ｋｇ／ｍ３。

２．２．２最小喉径计算

按本装置０．１ＭＰａ表压力（绝对压力０．２ＭＰａ）为下限设计，滞止温度％取２９３．１５Ｋ（２０℃），最小喉径对应的气体流量为５Ｎｍ３／ｈ（质量流量为０．００１６７２３ｋｇ／ｓ）。２．２．３辅助计算数据

根据式（２）一（４）的计算结果，可确定最小喉径

本气体流量标准装置的流量ｑ州范围为５—３８００Ｎｍ３／ｈ，则相对应的质量流量为

ｑｍ・

ｑｍｌ－ｑｗｖｔ偏：紫０．１６７２３（ｋ／ｑｗｔ

２

对应设计条件下的各参数为

ｑ。＝０．００１６７２３ｋｇ／ｓ；Ｃ。＝０．６８５５；

×肌２—磊６ｒ

ｘ

２・

ｇ／ｓ）ｓ）

２７

肛＝１．８×１０～Ｐａ．ｓ。

ｑｖｍ

ＰＮ

２—■蔽ｒ。１・

ｇ／ｓ）８）

（２）

２．２．４计算音速喷嘴喉部２０。Ｃ条件下的尺寸屯

２．１．２临界流函数Ｃ．计算

查阅ＩＳ０９３００表Ｂ．５，在本标准装置工作温度和工作压力范围内的Ｃ．数值表如表１。表１

温度（℃）绝对压力

（ＭＰａ）

Ｏｌ

如（｝，＝（撬厝＾

／４

将式（１）变形为

Ｉ

５００．６８４９０．６８７０

ｉ×石五丽百而丽×√—１豇砸厂一Ｊ

（６）

０．００１６７２３履瓜—亓叉面ｉ■污＼Ｔ

空气临界流函数Ｃ＋（节录）

一２５０．６８５００．６９００

００．６８５００．６８８７

２５０．６８５００．６８７６

＝０．００２１２２５８９７Ｃ—Ｔ

采用迭代法求妃。先设Ｒｅ。＝∞，令Ｃ＝

０．９９３５，代入式（６）

妃＝０．００２１２２６ｍｍ

计算

根据数据规律，采用最小二乘法，可拟合为

０１埔２‘

Ｃ。＝０．６８４９６＋３．６７６×１０—３ｐｅ—ｎ

（３）

瓜ｅＪ＝一＝———————————１—————————一

。

４

４ｑ。４×０．００１６７２３

ｎ／ｚｏｄ。冗×１．８×１０—３×０．００２１２２６

式中：ｐ为绝对压力（ＭＰａ）；ｆ为温度（℃）。２．１．３空气黏度“（Ｐａ．ｓ）的计算

可按指数方程计算

口＝３．８８９

＝５．５７２９×１０４

（７）

再计算流出系数Ｃ

Ｃ＝Ｏ．９９３５—１．５２５×Ｒｅｄ０’５＝０．９８７０４

ｘ严６７２２×１０＿７

（４）

将流出系数ｃ再代入式（６），计算可得

，

１

式中：ｒ为热力学温度。２．２系列喷嘴喉径设计计算２．２．１喷嘴喉部类型选择

本标准装置音速喷嘴选用圆环形喉部结构。因为具有这种喉部的喷嘴，按ＩＳ０９３００标准规定，其流出系数Ｃ的计算公式如式（５）所示，不像圆筒型喉部那样按雷诺数大小分段使用两个公式。

Ｃ＝Ｏ．９９３５—１．５２５×Ｒｅｄ－０．５