一种双多孔板平衡型流量计的制作方法

1.本发明涉及一种流量测量装置，尤其涉及一种双多孔板平衡型流量计。


背景技术：

2.空间技术的快速发展对液氧、液氢等低温推进剂以及相应的流量测量技术的需求大大提高。由于低温推进剂沸点低(液氧90k，液氢20k@1bar)，往往以饱和状态保存，潜热小易汽化，虽然真空绝热但漏热不可避免，因此很容易由于漏热或者在变通道部件发生空化而变成两相流，导致系统运行不稳定，这给流量测量带来很大技术挑战。低温流体的极低温环境，导致空化现象极易发生，极大地影响了流量测量的准确性和可靠性。因此，低温推进剂系统中使用的低温流量计需具备计量精度高、压损小、量程宽、抗空化影响能力强、使用安全可靠等特点。平衡型流量计保留了孔板和文丘里流量计结构和测量原理简单的优点，且测量精度和涡轮流量计相当甚至更小，是比较理想的用以液氢测量的流量计，但也存在抗空化能力较弱的缺点。
3.现有的技术中，论文《3d numerical investigation of energy transfer and loss of cavitation flow in perforated plates》(xiaogang xu,liang fang,anjun li,zhenbo wang and shuxun li.engineering applications of computational fluid mechanics,2020,14(1),1095-1105)基于计算流体力学方法证明了多块多孔板相对单多孔板，能够遏制空化现象对测量精度的影响，但是论文没有提出多块多孔板的流量计结构。
4.论文《aerodynamics analysis of superheated steam flow through multi-stage perforated plates》(jin-yuan qian,cong-wei hou,jia-yi wu,zhi-xin gao,zhi-jiang jin,international journal of heat and mass transfer,2019,141:48-57)，基于计算流体力学方法及实验测量数据，计算了双多孔板的压降特性，证实了存在一个临界板间距，压降存在最大值。该论文计算的压降，低压取压口在第二多孔板的下游，没有提出实现该双孔板流量计的结构，且所选板间距范围内相对于单多孔板，压降损失均有显著提高。
5.中国实用新型专利201920160245.9公开了一种三块孔板平衡型流量计。除了上游的高压取压口，两两孔板之间设置有低压取压口，以提高测量的准确性及减少流量计对水流的影响。该专利没有给出流量计具体结构，也没有指定孔板间的距离，从而无法说明孔板间距的影响，取压口为三个。
6.中国实用新型专利201921822170.2公开了一种双层流量计蜂窝整流器，该结构包含第一级和第二级两块多孔板，两块多孔板都作为整流器使用，以实现流体在进入流量计前更好的整流效果。该专利并不是流量计的节流装置。
7.中国发明专利cn110793579公开了一种平衡型流量计，该平衡型流量计通过过滤板、方板和横板的配合，使得该平衡型流量计可在环境较差的场所工作；通过管体槽、加热丝和进水阀的配合，使得该平衡型流量计内部温度可进行调节，进而使得该平衡型流量计可在冬季低于0度，夏季高于45度的温度下正常工作，防止该平衡型流量计超出温度范围工
作，造成平衡型流量计算出管道中的流量数值不准确。该发明专利主要提高防尘及温度影响，本质上还是单块多孔板结构。
8.中国发明专利cn111678560公开了一种中心三孔平衡型流量计，节流件的中心周围开有三个中心通孔，三个中心通孔呈等边三角形布局，三个中心通孔的外围有一层或二层环通孔，环通孔的面积为中心通孔面积的两倍。该发明采用三孔布局的方式对流场进行调整，分散对中心的冲击力，使得均匀受力；周围的环孔设计用于调整流场，增加测量的精度，减小噪声的产生，同时减少直管段的需求。该发明本质上是单块多孔板结构。


技术实现要素：

9.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种双多孔板平衡型流量计，压降更小、抗空化影响能力更强，并具有结构合理、拆装方便的特点。
10.这种双多孔板平衡型流量计，包括下游密封法兰、上游密封法兰、中间件、下游连接管道、上游连接管道、下游多孔板、上游多孔板、密封圈、高压取压管和低压取压管；下游密封法兰和上游密封法兰分别位于下游连接管道和上游连接管道上；中间件设于下游密封法兰与上游密封法兰之间，下游密封法兰与上游密封法兰通过紧固螺栓连接；中间件与上游密封法兰之间设有上游多孔板，中间件与下游密封法兰之间设有下游多孔板；上游多孔板与上游密封法兰和中间件之间均设有密封圈，下游多孔板与下游密封法兰和中间件之间均设有密封圈；上游密封法兰环向面上、轴向距上游多孔板上游端面一定距离处，开有高压取压孔，高压取压孔一端与下游连接管道和上游连接管道内表面齐平，另一端连接高压取压管；中间件环向面上、垂直于轴向中心位置，设有一个径向的低压取压孔，低压取压孔一端与下游连接管道和上游连接管道内表面齐平，另一端连接低压取压管。
11.作为优选：中间件为圆盘结构，中间件两端面设有中间件密封槽，中间件密封槽内放置有密封圈，中间件密封槽通过密封圈分别与下游多孔板和上游多孔板连接，组成密封结构；中间件两端面还设有中间件凹槽，中间件凹槽位于中间件密封槽外侧。
12.作为优选：密封圈的材料为聚四氟乙烯或金属。
13.作为优选：下游密封法兰和上游密封法兰内端面设有密封法兰凹槽，密封法兰凹槽外径和中间件凹槽外径相同，密封法兰凹槽内径和中间件凹槽内径相同，中间件凹槽与密封法兰凹槽高度齐平；上游多孔板位于上游密封法兰的密封法兰凹槽与中间件凹槽之间，下游多孔板位于下游密封法兰的密封法兰凹槽与中间件凹槽之间。
14.作为优选：下游多孔板和上游多孔板外径与中间件凹槽和密封法兰凹槽内径相同，多孔板厚度大于中间件凹槽和密封法兰凹槽深度之和。
15.作为优选：高压取压管和低压取压管在轴向的同一平面上。
16.作为优选：下游多孔板和上游多孔板结构相同，均为圆盘结构，中心开有小孔，中心小孔周围设有等环距小孔4-8个，所有小孔均位于下游连接管道和上游连接管道的流道内；下游多孔板和上游多孔板的开孔保持轴向对齐，下游多孔板与上游多孔板的轴向距离在6-12mm内。
17.作为优选：下游密封法兰、上游密封法兰、中间件、下游连接管道、上游连接管道、下游多孔板、上游多孔板、密封圈、上游管道法兰和下游管道法兰同轴布置。
18.作为优选：上游连接管道和下游连接管道分别通过上游管道法兰和下游管道法兰
连接被测管路系统。
19.这种双多孔板平衡型流量计的安装拆卸方法，包括以下步骤：
20.s1、将下游连接管道和上游连接管道分别焊接在下游密封法兰和上游密封法兰上；
21.s2、将密封圈放在其中一个密封法兰的密封法兰密封槽内，然后在密封圈一侧、密封法兰凹槽内放置一个多孔板；在另外一个密封法兰的密封法兰密封槽内放置密封圈，然后在密封圈一侧、密封法兰凹槽内放置另外一个多孔板；
22.s3、在中间件两端面的中间件密封槽内放置密封圈，然后整体放在两个密封法兰中间，径向位置调整好后，通过紧固螺栓将两个密封法兰夹紧固定，使得密封法兰、密封圈和中间件组成密封结构；
23.s4、将高压取压管焊接在上游密封法兰的环向侧面上，将低压取压管焊接在中间件的环向侧面上，使两根取压管位于轴向的同一平面上；
24.s5、拆卸时，松开紧固螺栓，将两个密封法兰分开，更换密封圈。
25.本发明的有益效果是：
26.1、本发明的双多孔板平衡型流量计，设置双多孔板，并且采用中间件壁面取压，即距上游多孔板上游端面25.4mm处作为高压取压位置，两块多孔板间的中心位置作为低压取压位置，流量系数受空化影响小，测量精度高，流量范围更广。并且将两块多孔板间距保持在6-12mm内，可以有效减小压力损失。
27.2、本发明的中间件通过密封圈分别与下游多孔板和上游多孔板连接，多孔板再通过密封圈与密封法兰连接，组成密封结构，适用于从室温到低温(液氢温区)的较大范围，密封性不受温度影响。
28.3、本发明为可拆卸式的平衡型流量计，密封法兰通过紧固螺栓连接，安装和拆卸方便，密封圈可更换。
附图说明
29.图1是本发明的双多孔板平衡型流量计结构示意图；
30.图2是双多孔板平衡型流量计的结构局部放大示意图；
31.图3是其中一块多孔板结构示意图；
32.图4是上游密封法兰结构示意图；
33.图5是中间件结构示意图；
34.图6是采用中间件壁面取压与传统法兰壁面取压时流出系数随雷诺数的变化图；
35.图7是采用单多孔板平衡型流量计和双多孔板平衡型流量计的压力损失系数随雷诺数的变化图。
36.附图标记说明：1、下游密封法兰；2、中间件；3、密封法兰凹槽；4、密封法兰密封槽；5、低压取压孔；6、下游连接管道；7、下游多孔板；8、密封圈；9、上游多孔板；10、高压取压孔；11、中间件密封槽；12、中间件凹槽；13、紧固螺栓；14、上游密封法兰；15、高压取压管；16、低压取压管；17、上游连接管道；18、上游管道法兰；19、下游管道法兰。
具体实施方式
37.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
38.实施例一
39.本技术实施例一提供一种双多孔板平衡型流量计，压降更小、抗空化影响能力更强，并具有结构合理、多孔板拆卸方便的特点，可用于液氮、液氢等低温流体流量的测量。其结构包括下游密封法兰1、上游密封法兰14、中间件2、下游连接管道6、上游连接管道17、下游多孔板7、上游多孔板9、密封圈8、紧固螺栓13、高压取压管15、低压取压管16、上游管道法兰18和下游管道法兰19。
40.所述中间件2设于下游密封法兰1和上游密封法兰14之间，下游密封法兰1和上游密封法兰14通过紧固螺栓13连接。
41.中间件2为圆盘结构，最大直径为120mm，厚度为16mm。中间件2两端面设有中间件密封槽11，深度2mm，中间件密封槽11内放置有密封圈8，中间件密封槽11通过密封圈8分别与下游多孔板7和上游多孔板9连接，组成密封结构，以适应低温下密封要求，同时达到可方便拆卸更换多孔板的目的。密封圈的材料为聚四氟乙烯或金属(例如无氧铜)，根据金属在低温下性能一般不会发生剧变的特性，该密封组件在低温环境具有可靠性；而密封圈材料为无氧铜时，耐低温性能好，同时质地较软，法兰和中间件材料为不锈钢，质地较硬，密封圈与密封法兰和中间件的配合形成软硬复合密封，密封性能好。中间件2两端面还设有中间件凹槽12，中间件凹槽12位于中间件密封槽11外侧。
42.中间件2环向面上、垂直于轴向中心位置，设有一个径向的低压取压孔5，低压取压孔5开孔直径为2-6mm，低压取压孔5一端与下游连接管道6和上游连接管道17内表面齐平，另一端连接低压取压管16，低压取压管16内径为4-8mm。
43.下游密封法兰1和上游密封法兰14内端面设有密封法兰凹槽3，深度为2mm，密封法兰凹槽3外径和中间件凹槽12外径(即中间件最大直径)相同，为120mm，密封法兰凹槽3内径和中间件凹槽12内径相同，为110mm，中间件凹槽12与密封法兰凹槽3高度保持齐平。密封法兰凹槽与中间件凹槽配合，以达到固定多孔板、密封流体的作用，同时确保密封圈的密封性能。
44.上游密封法兰14环向面上，轴向距上游多孔板9上游25.4mm处，开有高压取压孔10，高压取压孔10一端与下游连接管道6和上游连接管道17内表面齐平，另一端连接高压取压管15，高压取压孔10开孔直径为2-6mm。高压取压管15和低压取压管16大致在轴向的同一平面上。
45.下游多孔板7和上游多孔板9均为圆盘结构，中心开直径为10mm的小孔，中心小孔周围设有等环距小孔4-8个，每个小孔的直径为10mm，所有小孔都在下游连接管道6和上游连接管道17的流道内，连接管路内径50mm。
46.下游多孔板7和上游多孔板9结构相同，直径110mm，厚度3-6mm，两者开孔保持轴向对齐，下游多孔板7与上游多孔板9的轴向距离在6-12mm内。
47.下游多孔板7和上游多孔板9外径与中间件凹槽12和密封法兰凹槽3内径相同，厚
度稍大于中间件凹槽12和密封法兰凹槽3深度之和。
48.下游密封法兰1、上游密封法兰14、中间件2、下游连接管道6、上游连接管道17、下游多孔板7、上游多孔板9、密封圈8、上游管道法兰18和下游管道法兰19同轴布置。
49.下游密封法兰1、上游密封法兰14、中间件2、下游连接管道6、上游连接管道17、下游多孔板7、上游多孔板9、紧固螺栓13、高压取压管15、低压取压管16、上游管道法兰18和下游管道法兰19都为304或316不锈钢。
50.整个双多孔板平衡型流量计通过上游管道法兰18和下游管道法兰19与被测管路系统连接。
51.本发明设置两块多孔板节流元件，并保持板间距在6-12mm之间，经过计算发现，两块多孔板布置，相比于相同厚度(如3mm)的单块多孔板压降，并没有增加，相反还有可能减小。更重要的是，当流体雷诺数增加时，孔板处容易发生空化，使得作为流量计最关键的参数流量系数急剧下降，相应的测量精度急剧下降，因此作为流量计流量系数保持稳定是测量的关键。本发明设置两块多孔板，有效减小了上游多孔板下游涡流对下游的影响，从而提高了上游多孔板后低压区的压力稳定，达到减小空化影响的目的。
52.实施例二
53.本技术实施例二提供一种双多孔板平衡型流量计的安装拆卸方法，包括以下步骤：
54.s1、将下游连接管道6、上游连接管道17分别焊接在下游密封法兰1、上游密封法兰14上；
55.s2、将密封圈8放在其中一个密封法兰的密封法兰密封槽4内，然后在密封圈8一侧、密封法兰凹槽3内放置一个多孔板；同理，另外一个密封法兰的密封法兰密封槽4内放置密封圈8，然后在密封圈8一侧、密封法兰凹槽3内放置另外一个多孔板；
56.s3、在中间件2两端面的中间件密封槽11内放置密封圈8，然后整体放在两个密封法兰中间，径向位置调整好后，通过八颗紧固螺栓13将两个密封法兰夹紧固定，使得密封法兰、密封圈8和中间件2组成紧密的连接结构；
57.s4、将高压取压管15焊接在上游密封法兰14的环向侧面上，将低压取压管16焊接在中间件2的环向侧面上，注意使两根取压管尽量在轴向的同一平面上，以利于差压传感器的安装。
58.s5、拆卸时，松开八颗紧固螺栓13，便可将两个密封法兰分开，从而可以更换密封圈8。
59.实施例三
60.本实施例三中将传统的法兰取压方式与本发明的双多孔板平衡型流量计的中间件壁面取压方式进行对比。本实施例中，多孔板的特征是由一个中心孔和四个分布均匀的周围孔组成，其开孔直径均为8.944mm；多孔板的外径为50mm；等效直径比为0.4；两块多孔板的厚度均为6mm；两块多孔板之间的间距为6mm；两块多孔板上的开孔保持对齐；上游直管段长度为500mm，下游直管段长度为750mm。采用过冷液氮为工质，管道内温度为77k，管道壁面保持绝热，管道入口的平均雷诺数为2.5e 5至9.0e 5。
61.本实施例中通过调整入口管道的液氮速度，来调整管道入口的平均雷诺数的变化。传统的法兰取压，即距多孔板上游端面25.4mm处作为高压取压位置，距多孔板下游端面
25.4mm处作为低压取压位置。本实施例的双多孔板平衡型流量计采用低压中间件壁面取压，即距上游多孔板上游端面25.4mm处作为高压取压位置，两块多孔板间的中心位置作为低压取压位置。对本发明的双多孔板平衡型流量计的流出系数稳定性能进行理论计算。
62.不同取压方式下的流出系数的稳定性对比的计算结果如图6所示。本发明的双多孔板平衡型流量计的中间件壁面取压方式相比于传统的法兰取压方式，流出系数的稳定性得到了较大的提高，波动变化由12％降低至4.4％。随着雷诺数的升高，本发明的取压方式的优势越明显，流出系数的稳定性越高，本发明的双多孔板流量计的测量精度越高，测量范围也越大。
63.实施例四
64.本实施例四中将传统单多孔板平衡型流量计与本发明的双多孔板平衡型流量计的永久压力损失性能进行对比。两种流量计的多孔板的特征相同，均是由一个中心孔和四个分布均匀的周围孔组成，其开孔直径均为8.944mm；多孔板的外径为50mm；等效直径比为0.4；本发明的两块多孔板的厚度均为6mm；双多孔板之间的间距为6mm；双多孔板平衡型流量计的两块多孔板上的开孔保持对齐；上游直管段长度为500mm，下游直管段长度为750mm。采用过冷液氮为工质，管道内温度为77k，管道壁面保持绝热，管道入口的平均雷诺数为2.0e 5至7.0e 5。
65.本实施例中通过调整入口管道的液氮速度，来调整管道入口的平均雷诺数的变化，将上游多孔板上游处50mm和下游多孔板下游处300mm位置分别作为高压取压位置和低压取压位置，对单多孔板平衡型流量计和本发明的双多孔板平衡型流量计进行理论计算。
66.两种流量计的永久压力损失的对比计算结果如图7所示。本发明的双多孔板平衡型流量计相比于传统单多孔板平衡型流量计的永久压力损失有了明显的下降，平均永久压力损失系数由68.94下降到59.9。随着雷诺数的升高，相比于传统单多孔板平衡型流量计，本发明的双多孔板平衡型流量计的永久压力损失系数呈降低趋势，且其值的大小更为稳定。
67.综上所述，本发明提供的一种双多孔板平衡型流量计，通过两块多孔板加快了对流体的收缩性能和压力恢复性能，使剧烈的压力降低和压力恢复的位置发生在两块多孔板间，下游多孔板同时可以起到改善上游多孔板下游的涡流区状况，降低了流体的永久压力损失。本发明设计的双多孔板平衡型流量计的中间件壁面取压方式，通过在两块多孔板间进行取压，板间随雷诺数变化的压力波动相对于下游多孔板后的压力波动较小，尤其当流速过大引起空化时，传统的取压方式的波动性变化更为剧烈，严重影响流量计的测量精度与范围。