柴油机测试技术.ppt

第四章流量测量 第一节概述第二节容积式流量计第三节涡轮流量计第四节浮子流量计第五节差压式流量计第五节柴油机燃油消耗量测量 第一节概述测定进气 排气 冷却水 燃油和润滑油等流量 为了评价柴油机经济性 要测定燃油消耗量 热平衡实验时 要测定冷却水和润滑油的流量以及空气和排气的流量 柴油机液体大多属于稳定流动 测量较简单 气体流动大多有周期性脉动性质 不能简单用稳流测量装置 采用附加的稳流措施 或选非稳流测量装置 一 流体与流量的表现形式流体 具有流动性能的物质 一般可以认为是气体和液体的总称 在热能与动力机械中 通常有单相流 气体 液体 多相流 气液混合流体 流量 单位时间内通过有效流通截面的流体数量 亦称瞬时流量 可表示为质量流量和体积流量 二者满足 工程实际中 有时需要知道某一段时间间隔内通过某流通截面的流体总量 这就是所谓的累计流量 累计流量除以相应的时间间隔 则为该段时间的平均流量 由于流体密度随其状态而变化 在表示和比较流量大小时 注意单位和量纲的统一 同时考虑压力 温度等参数对流体体积的影响 注 测量体积流量 必须指明流体状态 压力 温度等 测量单位时间流量的仪表 统称为流量计 在使用时能指示或记录当时的瞬时流量或平均流量 测量总量的仪表 称为计量表或总量计 在使用时能随时累积其瞬时流量 流量测量通常在管道内进行 除少数流量计应用自身具有的标准容积来测量流量以外 大多数流量计是根据流体在管道截面上的流动速度与容积流量成正比的关系来测量流量的 无论何种流量计 都有一定的适用范围 对流体特性与管道条件都有特定的要求 弄清流体在管道内流动的速度特性很有必要 流体在管道内的流动是流体充满管道的连续流动 一般情况下 沿管道中心线流速最大 管壁处的流速最小 等于零 在弯管和阀门后的流速分布较复杂 对流量测量有较大的影响 为此 在流量计前后要求有足够的直管段长度或加装整流器 才能使仪表前后的流速分布保持稳定 管道流速分布图 影响管道中流速分布的准则为雷诺数 雷诺数Re 表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲参数 即D 管道内径 m v 由特性尺寸所规定的横截面上的平均流速 m s 流体的运动粘度 m2 s 当Re20000时 表示惯性力较大 呈紊流状态 当2300 Re 20000时 为层流到紊流的过渡区 二 流量计的类型根据测量方法的基本特点 流量计分为三大类 1 容积型流量计 工作原理较简单 根据单位时间内被测流体充满或排出某一定容容器的次数 即适合于高粘度 低雷诺数的流体 流动状态对测量结果的影响较小 精确度较高 但不适于高温 高压和脏物介质的流量测量 属于这种类型的流量计有 椭圆齿轮流量计 腰轮 罗茨 流量计 刮板式流量计 伺服式容积流量计 皮膜式流量计 转筒流量计 2 速度型流量计 以流体一元流动的连续方程为理论依据 即当流通截面确定时 流体的体积流量与截面上的平均流速成正比 通过测量流通截面上的流体流速或与流速有关的各种物理量 就可以计算出流量 可用于高温 高压流体 但是 由于以平均流速为测量依据 因此测量结果受流动条件 如雷诺数 涡流以及截面上流速的分布等 的影响很大 这给精确测量带来困难 属于这种类型的流量计有 差压式 节流式 流量计 转子流量计 涡轮流量计 超声波流量计等 其中差压式流量计应用最广 3 质量型流量计 以测量与流体质量有关的物理效应为基础 分为直接式 推导式和温度压力补偿式三种 三 流量计的选用原则1 根据被测介质的性质选择各种流量计对被测介质的适应性不同 选择流量计时首先明确被测流体的物态及其特性 一般 测量水蒸汽可选用差压式流量计或金属转子流量计 2 根据用途选择测量精度要求较高时 可选用腰轮流量计 椭圆齿轮流量计 涡轮流量计 工业生产过程中要求有指示记录和流量自动控制时 可用差压式流量计 转子流量计 3 根据工况条件选择工况条件包括被测流体的流量变化范围 温度和压力的高低等 4 其他除上述问题外 还应考虑流量计的安装条件 包括安装位置 安装尺寸以及流通管路的振动情况等 有时要考虑测量过程中产生的永久压力损失带来额外耗能费用的大小 三 流量计的主要指标1 量程和量程比在流量计的测量范围内 可测最大流量与最小流量值之差为流量计的量程 正常使用条件下 在该范围内测量时的误差满足精度要求 量程是用来定量描述流量范围的参数 与流量计的示值范围是两个不同的概念 最大流量与最小流量之比 称为流量计的量程比 它是比较不同量程流量计的流量范围宽窄的参数 量程比大 说明流量范围宽 反之则说明流量范围窄 量程和量程比是评价流量计性能指标的重要参数 期望流量计的范围越宽越好 2 允许误差和精度等级流量计在规定正常工作条件下允许的最大误差 称为流量计的允许误差 规定正常工作条件 是指检定规程中规定的检定工作条件 允许误差可用绝对误差 相对误差 引用误差来表示 流量计的允许误差一般不用绝对误差表示 多用最大相对误差和引用误差来表示 流量计示值接近于被测流量真值 准确度 且具有较好重复性 精密度 的能力 称为流量计的精度 精确度 按精度大小区分的等级称为流量计的精度等级 目前根据流量计的现状 按国家规定的允许误差大小划分精度等级有 0 02 0 05 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 3 重复性指同一工作条件下 对同一被测量重复测量 其示值相互不一致的程度 重复性表示仪表随机误差的大小 流量计具有较高精度的充分必要条件是重复性好且准确度高 两者缺一不可 4 稳定度指在规定工作条件内 流量计的某些性能随时间保持不变的能力 稳定度是评价流量计性能优劣的一个重要参数 稳定度通常用极限相对误差来表示 5 灵敏度指流量计对被测流量值变化的反应能力 对于给定的被测流量值 流量计灵敏度S用被测流量变化增量与流量计指示增量之比来表示 6 压力损失指流体流过流量计及与流量计配套安装的阀门等阻力件时所引起的不可恢复的压力值 流量计的压力损失通常用流量计的进 出口间的静压差来表示 压力损失的大小是衡量流量计测量成本高低的重要技术指标之一 第六节柴油机燃油消耗量的测定燃油消耗量是表明柴油机运转经济性的重要指标 其测量特点是单位时间内的流量较小 而且精度要求较高 根据GB6302 86规定 船用柴油机燃油消耗量的测量精度要求在 3 以内 按测量原理划分 柴油机燃油消耗量的测量方法分为 称量法 容积法 流量计法 称量法 通过直接测量消耗一定重量的燃油G kg 所经历的时间间隔t 然后利用下式进行计算 式中 G 所消耗的燃油重量 kg t 经历的时间间隔 s 按规定不小于30s 适用 柴油机台架实验燃油消耗率 一 称量法油耗手动测量手动测量装置 a 主机b 三通阀c 燃油日用柜d 测量罐 不小于30s e 砝码f 天平刻度盘步骤 通过转换三通阀的位置 1 测量前的准备 三通阀依次置于供油 充油 供油等待测量 2 测量 开始测量时三通阀置于测量 天平第一次达到平衡状态 开始计时 天平第二次平衡时 停止计时 三通阀置于供油 在天平两次达到平衡时的计时时间t内 消耗的燃油重量G kg 计算可得燃油消耗量和燃油消耗率 称量法的测量精度一般比容积法高 称量法不需要测量燃油的密度 消除了比重变化造成的误差 称量法的测量误差 1 由于两次平衡时 油管浸入深度不同而引起力变化造成的燃油质量测量误差 2 由于测量罐为开式 测量时的供油压力和柴油机正常运转时的供油压力不同而产生的误差 3 三通阀的密封问题 测量时日用油箱向柴油机和充油罐的漏泄而产生的误差 4 包括秒表和人工操作时的时间测量误差 二 自动测量装置 用光电元件在天平达到两次平衡时刻发出计时开始和结束的控制信号 自动完成测量过程 2 容积法 测量消耗一定容积的燃油Vt所经历的时间间隔t 用下式进行计算 式中 Vt 所消耗的燃油容积 l t 所经历的时间间隔 s 按规定不小于30s 容积法燃油消耗测量仪原理 测量腔由A B C三个容器组成 A B C间以细管连接 连接管上标有测量容积始末的刻度线A0 A0 A B B C C0 C0 测量时根据需要选择A A B A B C作为测量容积 稳压腔作用 测量时尽管测量腔向柴油机供油 但压力仍保持与正常运转时日用油箱的压力相同 还起到安全保护作用 放气旋塞适当调节稳压腔中的油面原始高度 使测量时当测量腔中油面降到测量容积结束线以下时 稳压腔中油面高于连通管顶端 燃油通过连通管进入测量腔 防止供油中断而突然停车 测量步骤 1 准备 三通阀置供油位置 正确选择测量容积 保证最大负荷工况下燃油量能维持运转不少于30秒 测量前调节放气旋塞 调整稳压腔的初始液面高度 使测量时消耗完测量容积的燃油后 稳压腔油面刚好上升到超过连通管顶端开口 进入测量腔 2 充油 三通阀转到充油位置 油箱供油同时也向测量腔充油 当测量腔油面略高于A0 A0时 三通阀转到供油位置 3 测量 三通阀转到测量位置 液面达到选定测量容积的开始刻度 开始计时 降到结束线刻度时停止计时 三通阀转到供油位置 容积法的测量误差 1 选定容积的标定 刻度以及由于容器材料温度特性产生的测量误差 2 秒表精度和人工操作时的测量误差 3 三通阀密封问题 测量时油箱中燃油向柴油机漏泄产生误差 4 燃油密度误差 燃油密度随燃油的成分 温度而变化 比重计的测量误差 误差较大 需进行修正 测定条件下可用密度计进行现场测定 或按修正公式计算 测量工况下 温度t 的燃油密度 燃油在标准状态下 20 的燃油密度 3 质量流量计 测定液体的质量流量 特点 测量精度高 响应快 压力损失小 测量精度不受被测液体的温度 密度 粘度的影响 逐渐用于对液体流量作精密测量 已用于燃油消耗量的测量 原理 主管路1中液体流量为Q 齿轮泵的循环流量都为q 区间2中流体的主流量为Q q 区间3中流体的总流量为Q q 若忽略摩擦损失 这一流动用伯努力方程表示 流体密度 g 重力加速度p2 区间2中流体压力 p3 区间3中流体压力v2 区间2中流体流速 v3 区间3中流体流速区间2和区间3的压差 管路1横截面积A 压差 管路1中的液体质量流量 只要保证齿轮泵的循环流量恒定 用压差计测出压差 可求得质量流量 第二节冷却水和机油流量的测量柴油机冷却水和机油流量的测量方法归纳为两类 直接测量 容积法 重量法 和间接测量 目前常用的流量计多属间接测量法 通过测量与流量有函数关系的物理量的变化而得到流量 一 机油消耗量的测量1 油标尺法 柴油机油底壳装有测量油底壳油位高度的游标尺 实验前测量滑油面高度 实验结束后向油底壳内加入已知量 重量 容积 滑油 使液面达到实验前游标尺所示的水平 可求出滑油消耗量 特点 方法简单 方便 但误差大 受船舶航行区域海况的影响较大 适用于 实船 2 重量法和容积法 分别测出柴油机试验前 后滑油的重量或容积 并计算其差值得到 作法 保持冷却水和机油温度试验前后一致 泄放机油并测量 计及已知的机油加入量 差值是消耗的油量 特点 较准确 但操作复杂适用 柴油机台架实验二 润滑油流量测量和容积式流量计 受流体粘度和流量大小的影响很小 测量精度高 量程较大 仪表前后直管段要求不高 安装方便 常用于测量高粘度或变粘度液体的容积测量 但当流体中含有固体物质时 会妨碍仪表的正常运转 在柴油机试验中 常用容积式流量计测量经过滤器后的润滑油流量 容积式流量计的基本原理都相同 测量腔类似一种标准容器 仪表内部的运动元件在入口和出口压差的作用下动作 把充满在运动元件和壳体之间 测量腔 的流体排向出口 运动元件与计算机构连接 计数器的读数与容积总量成比例 椭圆齿轮流量计壳体内部是一对啮合的椭圆齿轮 与盖板构成密封的月牙型空腔 作为流量的计量单位 两齿轮交替相互驱动 每转1周 空腔中排出4份液体 计算单位时间的齿轮转数 即知流量 容积式流量计的选用和安装 容积式流量计用精密测量体积的办法来测定流量 运动元件与壳体之间存在的间隙和测量腔的加工误差 造成漏泄 产生测量误差 容积式流量计不宜测量小流量和大流量 应根据要求选则适当量程 小流量时漏泄相对严重 误差较大 大流量时 加速元件磨损 压力损失增加而使间隙漏泄增加 为防止滑油混入气泡 在流量计前安装气体分离器 三 冷却水流量测量方法冷却水流量除了可用重量法和容积法外 可用涡轮流量计测量 涡轮流量计 是一种速度式流量仪表 利用在被测流体中自由旋转的叶轮的转速与管路中流体的流速成正比的原理将流量转换为叶轮转速测量 r 叶轮平均半径S 叶栅有效流通面积 涡轮叶片与涡轮轴线夹角n 涡轮转速 特点 精度高 反应快 耐压好 量程宽特点 用来测量瞬时脉动流量或总量 由于对被测介质的洁净度要求高 受粘度影响大 常用测量冷却水流量 涡轮流量计使用时应正确安装 连接流量计的上游段直管长度应不小于15D 下游段直管长度不小于5D 才能消除测量管道内的涡流或旋流 以保证涡轮流量计流量系数为常数 使流量计在线性区运行 第三节空气流量的测量通常用节流压差法来测量 即在流体通道中安装节流装置以形成压差来测量 节流式流量计特点 结构简单 测量精确 使用寿命长 适用性广 积累的试验数据丰富可靠 安装要求较严格 上下游需要足够的直管段长度 测量范围窄 量程比 可测最大流量与最小流量之比 一般为3 压力损失大 增加能量消耗 刻度非线性 测量进气流量时 柴油机与流量计之间要装一个稳压箱 不低于1个气缸容积200倍 稳压箱一端装橡皮膜 抑制气流的脉动 目前常用标准孔板流量计和双纽线流量计 1 标准孔板流量计是国家标准规定的标准节流装置 由标准孔板 取压装置 测量管等组成 测量原理 标准孔板的中心为圆孔 安装于流体的管道中 中心线完全重合 圆孔直径小于管道直径 流束流经标准孔板圆孔时 流通截面积收缩 流速增加 静压力减少 孔板前后形成压差 其大小取决于流速 只要测出压差 可算出平均流速 最后算出流量 试验指出 流量愈大 平均流速也愈大 通过节流元件时静压力降低也愈显著 标准孔板的结构标准孔板的结构设计 加工制造 安装使用 流量计算实现了标准化 称为标准孔板 中间带有圆孔的薄圆盘 开口中心和管道中心重合 孔板开口在流束进入一侧制成圆柱形 流束排出一侧制成圆锥形 2 双纽线流量计 属于节流式流量计 进口部分轮廓为双纽线 出口部分为圆柱形直管 流场均匀 流量系数大 压力损失小 结构简单 制造容易 特别是测量增压柴油机空气流量时 由于标准孔板流量计的压力损失较大 会影响增压器正常工作 采用双纽线流量计 二 空气流量的测量误差1 进气脉动产生的误差 进气脉动使得节流元件前后压差的平均值与平均流量随脉动振幅大小而变化 按基本流量方程求得的流量值偏大 为抑制气流脉动 在稳压箱一端装橡皮膜 2 节流装置产生的误差3 空气测量系统的漏泄误差 测量系统各接头和焊缝处不应有漏泄 须进行漏泄试验 测定出实际漏泄量 节流式流量计可用来测量废气流量 由于废气温度高且变化大 含有水蒸汽 先除湿降温至10 左右 再导入流量计测量