一种抗振动冲击的双涡轮转子流量计的制作方法

本发明涉及一种测量仪器，尤其是涉及一种抗振动冲击的双涡轮转子流量计。

背景技术：

飞行器在飞行过程中处于强振动载荷、强温差、高压力、强电气噪声等极端恶劣环境，其中使用的燃油流量计必须能够经受住环境的考验、能够在恶劣的条件下运行、还必须适用于极其狭窄的空间，以提供高精确、可重复的测量结果。而且随着飞行速度和高度的不断增加，燃油计量环境变得更加严酷(温度更高，振动更大)，对测量设备的要求变得更加严格(更小，更轻，更稳定，更准确)，这种极端恶劣的工作环境，特别是高达几十g的强振动载荷，使得获取高精度的燃油流量数据面临巨大的挑战。

专利公开号为cn209945431u名称为“一种抗振涡街流量计”的专利：流量计壳体的一端设置有流量计入口，流量计壳体内一端固定连接涡街信号发生体，壳体的另一端上侧设置有圆孔，并在圆孔中安装有传感器。传感器只感受流体的涡街信号振动，不受管道的径向振动影响，从而达到抗振的目的。然而，上述涡街流量计抗振局限：首先，抗振方向上的局限，垂直于流动方向上的振动会导致流量失稳；其次，流量计需要很长的直管段，从而在空间狭小的地方很难应用；最后，抗振强度不足，通道流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动，使测量精度降低。

专利公开号为cn208282874u名称为“一种气体涡轮流量计”的专利，壳体通过螺栓固定流量积算仪与机芯，所述机芯由前后导流体、旋转轴和叶轮组成，此型涡轮流量计通过设置的压力传感器、流量信号传感器和温度传感器与流量积算仪之间的相互配合。然而，上述涡轮流量计存在以下缺陷：采用单涡轮的构型，振动引起的不稳定流动，导致涡轮的转速明显变化，影响流量计的精确度；叶轮采用直叶片，难以将流体动能有效转化为叶片冲击能量，对流量变化响应较低；抗振方向上的局限，垂直于流动方向上的振动会导致流量失稳；流量计需要很长的直管段，从而在空间狭小的地方很难应用。

专利号为cn100342217c名称为“在不参照粘度的情况下利用涡轮流量计测量通过它的流体流量的方法和装置”。该专利首先标定strouhal数和roshko数之间的关系，将前后涡轮的频率带入公式roc＝(f1+f2)/v*(1+2a(top-tref))，得出roc，再过strouhal数和roshko数标定表，查出对应的组合strouhal数。用公式stc＝(f1+f2)/q*(1+3a(top-tref))反算出流量q的值。从而到达在不参照粘度的情况下得出流体流量。专利号为cn204313891u，名称为“一种自校准双叶轮涡轮流量计”，该专利前后叶轮具有子校准及平衡作用，提高了可测流量上限，拓展了流量计轴承使用寿命。但是，上述两项专利只公开了如何通过叶轮转速反算流量，均没有考虑减小振动影响，导致这种结构无法在强振动环境下使用。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种抗振动冲击的双涡轮转子流量计，解决当前飞行器在高速飞行时处于强振动干扰下的高精度流量计量问题，保证精度，使其能够适用于恶劣的航空飞行环境。

技术方案：一种抗振动冲击的双涡轮转子流量计，包括连接杆、上游导流罩、下游导流罩、过度件、上游涡轮转子、下游涡轮转子、锁紧螺母、导流件、主壳体、传感器组件，主壳体内部设有凸字型腔体，上游导流罩、下游导流罩分别设置于主壳体相对两端的内部并分别与其内壁固定，连接杆两端分别穿设于上游导流罩、下游导流罩并分别通过一个锁紧螺母对应固定，上游涡轮转子、下游涡轮转子间隔套设于连接杆的外周面上并与其转动连接，导流件在上游涡轮转子与下游涡轮转子之间套设于连接杆上，上游涡轮转子和下游涡轮转子相背端分别设有一个过度件，两个过度件套设于连接杆上，传感器组件与主壳体的第三端部连接并与其腔体连通，上游涡轮转子和下游涡轮转子结构相同，转向相反。

两个过度件以及一个导流件均与对应的上游涡轮转子、下游涡轮转子之间具有一定的间隙，从而保证三者在安装后不影响上游涡轮转子、下游涡轮转子的正常转动。

进一步的，上游涡轮转子和下游涡轮转子分别通过轴承与连接杆转动连接。

最佳的，轴承为陶瓷球轴承或红宝石轴承。此类轴承圆度高、抗腐蚀性能好、硬度性能好。

进一步的，上游涡轮转子和下游涡轮转子的外周设有一圈叶片，叶片形状为螺旋叶片，叶片数量为6～8个。上游涡轮转子、下游涡轮转子的轮毂和叶片结构相同且轴向对称，目的是为了流量计内部流动中产生一个方向相反、动态过程相同的非稳态流动结构，使上游涡轮转子的旋转叶片的受迫振动和边界层流动的动量与下游涡轮转子的旋转叶片的动量协同匹配，从而可以减弱或抵消振动对流体的影响。

进一步的，上游导流罩为断截面呈十字形或y字形的板状结构，连接杆穿设于上游导流罩的中心部，上游导流罩的厚度d2与上游涡轮转子轮毂直径d1的关系为d1/5≤d2≤d1/3，其长度l1与主壳体的流道内径d3的关系为d3≤l1≤2d3，从而使得稳定来流和出流的效果最佳，上游导流罩与过度件之间的间距为l2，l2≥l1/2，使得流体在流过上游导流罩的尾流时不会影响上游涡轮转子的运动，下游导流罩结构与上游导流罩结构相同。

进一步的，过度件的外轮廓呈半球形，其平面端直径与上游涡轮转子轮毂直径d1相等，并分别贴合上游涡轮转子和下游涡轮转子。目的是避免产生渐扩结构，其厚度l3为最小额定流量下不产生回流的厚度，从而可以避免引起回流，避免流量计受迫振动影响回流的状态导致流动失稳，使流量测量准确。

进一步的，导流件为圆柱体，连接杆穿设于导流件的中心，其直径与上游涡轮转子轮毂直径d1相同，目的是避免产生渐扩结构，其厚度l4大于或等于上游涡轮转子轮毂直径d1，参数d1和l4设定的目的为避免引起回流，从而避免流量计受迫振动影响回流的状态导致流动失稳，使流量测量准确。

进一步的，主壳体相对两端分别通过螺纹或法兰与外部管道相连。

进一步的，传感器组件包括传感器壳体、嵌入式传感线圈、热敏电阻，嵌入式传感线圈设有两个，两个嵌入式传感线圈及热敏电阻分别与传感器壳体的内端壁连接，三者连接点的连线呈三角形，传感器壳体与主壳体的第三端部连接，使两个嵌入式传感线圈以及热敏电阻插入主壳体的腔体中，三者的感应端分别朝向连接杆的外周面。

最佳的，嵌入式传感线圈为电磁传感器或电涡流传感器，热敏电阻材料为ntc，可以测量-150℃～400℃的温度。通过热敏电阻测量流体温度，使本流量计可以测量宽温域的流量数据。

通过电磁传感器或电涡流传感器提供更好的线性度和更宽的调节范围以及更高的量程能力，感应两个涡轮转子叶片并产生脉冲输出。为了在变化的温度条件下执行此操作，布线线圈和软钎焊/钎焊必须能够承受通常高达400℃的过程温度。嵌入式传感线圈通过流体产生转动切割磁感线自主产生电，不需要电源，从而在涡轮转子上产生电磁制动效果，该电磁制动效果在低流量时会被检测到。模块化的嵌入式传感线圈需要功率，但不影响涡轮转子的旋转，从而提供更好的线性度和更宽的调节范围以及更低的量程能力。

本流量计采用结构完全相同的上游涡轮转子和下游涡轮转子通过动量协同匹配效应可以减小振动影响，使振动的影响相互抵消；上游导流罩、下游导流罩可以稳定来流，使流体平稳的进入上下游涡轮转子区域，其厚度d1/5≤d2≤d1/3，其长度d3≤l2≤2d3，稳定来流和出流的效果最佳；过度件直径最大处为d1，其厚度l3为最小额定流量下不产生回流的厚度，参数d1和l3设定的目的为避免引起回流；导流件为直径最大处为d1，本流量计内部夹紧系统有助于保持高重复性，这些整体结构使流量计免受振动的影响，使流量在振动条件下测量准确。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：提供了一种面向航空领域的双涡轮燃油流量计量计，利用该流量计能够测量宽温域(-150℃～400℃)、宽量程比(1:500)和的精确流量数据；不需要直管道，可以在狭小空间内进行使用；可以在强振动、强电磁干扰，强温差等恶劣航空飞行环境中进行使用，提高抗振效果；填补国内强振动载荷下高精度流量计量技术的空白，为航空恶劣环境中燃油精确调控技术提供新方法和新原理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3为图1的b-b剖面图；

图4为图1的c-c剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种抗振动冲击的双涡轮转子流量计，如图1～4所示，包括连接杆1、上游导流罩2、下游导流罩3、过度件4、上游涡轮转子5、下游涡轮转子6、锁紧螺母8、导流件9、主壳体10、传感器组件，传感器组件包括传感器壳体11、嵌入式传感线圈12、热敏电阻13。

主壳体10内部设有凸字型腔体，上游导流罩2、下游导流罩3分别设置于主壳体10相对两端的内部并分别与其内周壁固定，上游导流罩2为断截面呈十字形或y字形的板状结构，中间设有倒角，使罩壳的内部划分为多个沿轴向延伸的通腔，上游导流罩2的厚度d2与上游涡轮转子5轮毂直径d1的关系为d1/5≤d2≤d1/3，其长度l1与主壳体10的流道内径d3的关系为d3≤l1≤2d3，上游导流罩2与过度件4之间的间距为l2，l2≥l1/2，下游导流罩3结构与上游导流罩2结构相同。上游导流罩2和下游导流罩3用于稳定来流和出流。

连接杆1两端分别穿设于上游导流罩2的中心部以及下游导流罩3的中心部，其两端分别通过设有一个锁紧螺母8，使上游导流罩2、下游导流罩3分别与连接杆1固定，主壳体10内部流道存在凸台结构，使其直径d3略小于上游导流罩2及下游导流罩3的宽度和高度，因此连接杆1可以通过上游导流罩2、下游导流罩3和锁紧螺母8进行锁紧固定。上游涡轮转子5、下游涡轮转子6间隔套设于连接杆1的外周面上，两者分别通过轴承7与连接杆1转动连接，轴承7为陶瓷球轴承或红宝石轴承，采用自润滑方式，此类轴承圆度高、抗腐蚀性能好、硬度性能好。导流件9在上游涡轮转子5与下游涡轮转子6之间套设于连接杆1上并与其连接，导流件9为圆柱体，连接杆1穿设于导流件9的中心，其直径与上游涡轮转子5轮毂直径d1相同，其厚度l4大于或等于上游涡轮转子5轮毂直径d1。上游涡轮转子5和下游涡轮转子6相背端分别设有一个过度件4，两个过度件4套设于连接杆1上并连接，过度件4的外轮廓呈半球形，朝向上游涡轮转子5或下游涡轮转子6方向弯曲，其平面端直径与上游涡轮转子5轮毂直径d1相等。

嵌入式传感线圈12设有两个，两个嵌入式传感线圈12及热敏电阻13置于传感器壳体11内部并分别与传感器壳体11的内端壁连接，三者连接点的连线呈三角形，传感器壳体11与主壳体10的第三端部螺纹连接，使两个嵌入式传感线圈12以及热敏电阻13插入主壳体10的腔体中，三者的感应端分别朝向连接杆1的外周面。嵌入式传感线圈12电磁传感器或电涡流传感器，为铜芯线圈，胶装在传感器壳体11内部，热敏电阻13材料为ntc。主壳体10相对两端的外周面(d面)分别通过螺纹或法兰与外部管道相连。

上游涡轮转子5和下游涡轮转子6结构相同，转向相反，上游涡轮转子5和下游涡轮转子6的外周设有一圈叶片，叶片形状为螺旋叶片，叶片数量为6～8个。上游涡轮转子5和下游涡轮转子6由17-4ph马氏体沉淀硬化不锈钢加工而成，构型为螺旋结构。

连接杆1、上游导流罩2、下游导流罩3、过度件4、主壳体10、传感器壳体11均采用316不锈钢加工而成。

上游涡轮转子和下游涡轮转子结构完全一致，液压耦合且旋转方向轴向相反，使振动对螺旋叶片处流动分离的影响相互抵消，其原理如下：燃油流过两个结构相同且对称的涡轮转子，若振动改变上游涡轮转子的叶片和轮毂区域二次流、分离和漩涡等非稳态流动结构的生成和演化，诱导上游涡轮转子叶片区域和轮毂区域的流动失稳，也会相应的改变下游涡轮转子区域的非稳态流动结构，诱导下游涡轮转子叶片区域和涡轮轮毂区域的流动失稳。由于上游涡轮转子和下游涡轮转子的结构在轴向对称，其非稳态流动结构在轴向上也是对称的，振动对上下游涡轮转子附近区域的非稳态流动结构的影响也应是轴向对称的(上游涡轮转子顺时针旋转，下游涡轮转子逆时针旋转，振动引起的不稳定流动如果导致上游涡轮转子加速，那么会导致下游涡轮转子减速)，上游涡轮转子和下游涡轮转子的转速之和不变，从而减小振动的影响。

通过双涡轮结构消除漩涡效应，从而可以减小振动影响且取消直管道。具有两个液压耦合的转子，它们以相反的方向旋转，使得流体旋流影响在很宽的调节范围内都可忽略不计，这是因为即使前面的上游涡轮转子由于旋涡而加速，但相反的效果发生在后面的下游涡轮转子上，通过对两个转子求和并平均输出，可以消除涡旋效应，这样就可以将精确流量计安装在狭窄的空间中，而无需使用整流器。

由于流体通过扩张结构时，流动在逆压梯度作用下，则会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生回流区，通过将过度件设计成流线型，避免回流的生成，将导流件设计成和涡轮轮毂直径尺寸一致，也可避免回流。因此，通过过度件和导流件的设计避免振动对回流区的扰动，从而避免振动对流量测量的影响。

本流量计的流量计算原理是：通过嵌入式传感线圈12测得上游涡轮转子5的转动频率f1，下游涡轮转子6的转动频率f2。热敏电阻13测得流量计的操作温度t。根据频率f1、频率f2和温度t求得罗什科数，计算求得的罗什科数通过流量计标定的r-s图确定对应的斯特劳哈尔数，由斯特劳哈尔数公式反算出流量q。

本流量计采用结构完全相同的上游涡轮转子和下游涡轮转子通过动量协同匹配效应可以减小振动影响，使振动的影响相互抵消；上游导流罩、下游导流罩可以稳定来流，使流体平稳的进入上下游涡轮转子区域，其厚度d1/5≤d2≤d1/3，其长度d3≤l2≤2d3，稳定来流和出流的效果最佳；过度件直径最大处为d1，其厚度l3为最小额定流量下不产生回流的厚度，参数d1和l3设定的目的为避免引起回流；导流件为直径最大处为d1，本流量计内部夹紧系统有助于保持高重复性，这些整体结构使流量计免受振动的影响，使流量在振动条件下测量准确。