Venturi meter is frequently used in feed water flow control system in a nuclear power plant. Its accurate measurement plays a vital role in the safe operation of the plant. This paper firstly investigates the influence of the length of each section of pipeline, the throat inner diameter of Venturi and the flow characteristics in a single-phase flow on the accuracy of Venturi measurement by numerical calculation. Then the flow and the accuracy are discussed in a multi-phase flow. Numerical results show that the geometrical parameters and the characteristics of complex turbulent flow in the single-phase flow have little impact on the accuracy of Venturi flow rate measurement. In the multi-phase flow, the calculated flow rate of Venturi deviated from the actual flow rate and this deviation value is closely related to the amount of steam in the pipeline and increases sharply with the increase of the amount of steam. The over-reading of Venturi flow rate is present.
In disaster situations, to facilitate rapid drainage, electric underwater pumps are installed manually. This poses a high risk of electric shock accidents due to a short circuit, and a lot of time is required for hose connection and installation of electrical devices. To solve these problems, a Venturi pump using the venturi effect without external power is used. However, Venturi pumps that operate without external power make it difficult to install flow sensors such as electric devices; consequently, it is difficult to check the real-time flow rate. This paper proposes a flow estimation logic to replace the function of the flow sensor for the venturi pump . To develop the flow estimation logic, the flow characteristics of the venturi pump, according to the operating conditions, were checked. After that, the relationship with the flow rate of the venturi pump was defined using a pressure sensor corresponding to a low-cost sensor. Finally, an analysis of the estimation error was performed using the developed flow estimation logic.
액체 추진제 공급 시, 하류의 압력변동과 무관하게 일정한 유량을 공급하기 위한 캐비테이션 벤츄리의 실험적 연구가 수행되었다. 캐비테이션 벤츄리의 성능을 파악하기 위해 벤츄리를 설계, 제작하여 후단의 형상, 전단압, 그리고 배압에 따른 유량과 벤츄리 전·후단 압력비를 관찰하였다. 일반적으로 캐비테이션 벤츄리의 구조적인 형상에만 종속하는 벤츄리 임계압력비는 실험결과, 후단의 형상 및 벤츄리 전단압과 관계없이 0.74로 일정함을 확인하였다.
Venturi has long been an attractive method of measuring flow rate in a variety of engineering applications since pressure loss is relatively small compared with other measuring methods. The current study focuses on making detailed uncertainty estimations as the upstream flow disturbance affects uncertainty levels of the flow rate measurement. Upstream flow disturbance can be determined by 9 different swirl generators. Measurement uncertainty of flow rate has been estimated by a quantitative uncertainty analysis which is based on the ANSI/ASME PTC 19.1-2005 standard. The results of flow rate uncertainty analysis show that the case with systematic error has higher than that without systematic error. Especially the result with systematic error exhibits that the uncertainty of flow rate was gradually increased by swirl flow disturbance. The uncertainty of flow rate measurement can be mainly affected by differential pressure and discharge coefficient. Flow disturbance can be also reduced by increasing of the upstream straight length of Venturi.
For testing large-capacity pumps, the accurate flow rate measurement is needed in the test loop. As a measuring method of flow rate, venturi tube is recommended due to its low pressure loss. However, upstream disturbance of loop component such as a valve has an effect upon the accuracy of flow rate measurement. For controlling flow rate in case of high flow rate and large-scale piping system, a butterfly-type valve is generally used due to its compactness. However, a butterfly valve disturbs downstream flow by generating turbulence, cavities, or abrupt pressure change. In this study, the effect of downstream disturbance of butterfly valve on the flow rate measurement using a venturi tube is investigated. Test loop consists of circulation pump, reservoir, butterfly valve, venturi tube, and reference flow meter. The test is conducted with regard to a different valve opening angle of butterfly valve. According to the valve opening angle, the uncertainty of flow rate measurement is investigated.
고압의 불활성 기체를 이용하여 엔진에 추진제를 공급하는 액체로켓의 경우, 추진제 탱크의 압력은 정상연소상태의 연소압을 기준으로 하여 설계한다. 그러나 연소초기의 연소실 압력은 대기압 상태이므로 과도한 유량이 공급되어 이로 인해 hard-start가 발생하며, 최악의 경우 엔진의 파손을 가져온다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 안정된 연소를 위하여 개선된 추진제 공급시스템을 제안하며, 이는 실제 연소실험을 통해 그 성능을 규명 하였다. 이 공습시스템은 연소 초기 및 연소 중의 일정한 유량공급을 위해 Cavitating Venturi를 사용하는 시스템이다. Cavitating Venturi는 오직 공급압력에 의해서만 유량이 결정되며, 출구압력에 영향을 받지 않으므로 연소 초기는 물론이고, 연소 중 이상 연소에 의해 연소압이 떨어져도 설계치 이상의 유량이 공급되지 않는다. 본 실험을 통해서 Cavitating Venturi의 설계 영역에서의 유량에 대한 안정성이 입증되었기 때문에, Cavitating Venturi는 액체로켓 이외의 압력강하량 변화가 큰 시스템에서 매우 효과적일 것이다.
Characteristics of flow rate control has been studied for a cavitating venturi adopted in a liquid rocket propellant feed system. Numerical simulation has been peformed to give about $10\%$ discrepancy of mass flow rate to the experimental data for cavitating flow regime. Mass flow rate is confirmed to be saturated for pressure difference higher than $3\times10^5$pa when the upstream pressure is fixed to $22.8\times10^5$pa and the downstream pressure is varied. The evaporation amount depends substantially to non-condensable gas concentration. However the mass flow rate characteristic is relatively insensitive to the mass fraction of non-condensable gas. So it is reduced by only $2\%$ when the non- condensable gas concentration is increased from 1.5PPM to 150PPM. From the previous comparison the expansions of the non-condensable gas and the evaporation of liquid are verified to have same effect to pressure recovery.
The steam generator feedwater flow rate in a nuclear power plant was estimated by means of artificial neural networks with the wavelet analysis for enhanced information extraction. The fouling of venturi meters, used for steam generator feedwater flow rate in pressurized water reactors, may result in unnecessary plant power derating. The backpropagation network was used to generate models of signals for a pressurized water reactor. Multiple-input single-output heteroassociative networks were used for evaluating the feedwater flow rate as a function of a set of related variables. The wavelet was used as a low pass filter eliminating the noise from the raw signals. The results have shown that possible fouling of venturi can be detected by neural networks, and the feedwater flow rate can be predicted as an alternative to existing methods. The research has also indicated that the decomposition of signals by wavelet transform is a powerful approach to signal analysis for denoising.
캐비테이션 벤츄리는 후단 압력에 상관없이 액체의 유량을 일정하게 유지시켜주는 장치로, 일정한 추진제 유량의 공급을 필요로 하는 액체로켓엔진 시스템에 성공적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 축소되는 유입각과 팽창하는 출구각 만이 다른 네 개의 캐비테이션 벤츄리를 설계, 제작하였다. 압력을변경시켜가며 벤츄리를 통과하는 유량과 전/후단의 압력을 측정하였다. 실험결과로부터 각 벤츄리에 대한 유량계수와 임계 압력비를 계산하였다. 캐비테이션 벤츄리의 입구각과 출구각은 유량계수에 영향을 주었으며, 출구각은 임계 압력비에도 영향을 주는 것을 확인하였다.
In liquid rocket engine, propellant feed rate is proportional to approximately square root of the pressure difference between injector head and combustion chamber. This ΔP depends on the engine design, but in general on the order of 50psi. However, during ignition period, especially for the pressurized feed system, combustion chamber pressure is almost atmospheric and large ΔP causes over flow of propellants which may lead to catastrophic accident due to hard start. Hard start may be prevented by applying cavitating venturi or/and two step ignition. In cavitating venturi, evaporated propellants near the venturi throat become chocked and flow rate depends on only upstream condition. In two step ignition propellants are supplied to the liquid engine in two different flow rate. First step, to avoid hard start, small amount of propellants are supplied to build up chamber pressure in safe zone, then full propellants to ensure design pressure. In this study, both cavitating venturi and two step ignition method were used for the hot test and hard start problem was completely solved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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