摘要：對氣體渦輪流量計的主要組件引起的壓力損失進(jìn)行了對比實(shí)驗測量比較了葉輪形狀和葉片數(shù).前導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對壓損的影響程度。結(jié)果表明導(dǎo)流器和葉輪改進(jìn)后流量計的壓力損失明顯降低同時靈敏度也得以提高。
　　我國西氣東輸"以及南水北調(diào)"工程中各種各樣的輸送管道總管和支管均需要數(shù)以萬計的流量測量儀表即流量計來及時提供流動參數(shù)實(shí)施動態(tài)監(jiān)測。渦輪流量計是其中必不可少的一種。它是葉輪式速度流量計屬于速度式測量,即利用測量管道內(nèi)介質(zhì)流動速度來得到流量的測量方法。
　　置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到流體流速從而得到管道內(nèi)的流量值。　　在選擇渦輪流量計的時候,除了要求其具有精度高、量程大和起始流量小的優(yōu)點(diǎn)外,壓損小也是一個關(guān)鍵指標(biāo)。流體通過渦輪流量計的壓力損失越小,則流體由輸入至輸出管道所消耗能量就越小,即所需總動力將減少,由此可大大節(jié)約能源降低輸送成本提高利用率。將對流量計進(jìn)行實(shí)驗對比測量,得出主要組件對壓損的影響程度,為針對性的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計提供有力數(shù)據(jù)。
1.結(jié)構(gòu)與壓力損失
　　渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要組件包括整流柵、前導(dǎo)流器、葉輪以及后導(dǎo)流器等。當(dāng)流體通過管道時沖擊葉輪,對葉輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉(zhuǎn),在一定的流量范圍內(nèi)葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比�！　∫虼�,葉輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為模擬電流量,進(jìn)而顯示為瞬時流量值和累積流量值。
 
　　流體從機(jī)殼進(jìn)口流入,首先經(jīng)過整流柵進(jìn)行穩(wěn)流再進(jìn)入前導(dǎo)流器前導(dǎo)流器對流體有收斂作用，防止流體發(fā)生分離產(chǎn)生大的渦旋運(yùn)動,前導(dǎo)流葉片對流體起導(dǎo)向作用,避免流體自旋而改變對葉輪葉片的作用角度保證測量的精度。流體經(jīng)葉輪后將以螺線型方式向前流動,加入帶葉片的后導(dǎo)流器對其進(jìn)行導(dǎo)流使流體沿管壁直線流動減少各種阻力引起的能量損失。
流體通過流量計的壓力損失與介質(zhì)的密度、流速等有關(guān)其計算公式為:
△P=αxρv2/2
　　其中,△P,壓力損失α,壓損系數(shù)ρ,介質(zhì)密度v流速。
　　由于ρ和v為流體流動參數(shù)不能隨意增減,因此只能盡量減小壓損系數(shù)α,以達(dá)到降低壓損的目的。壓損系數(shù)除了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外還與流量計內(nèi)部各部件的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。
2測量
　　采用口徑D=100mm,量程Q=50m³/h~600m³/h的渦輪流量計,在吸氣式試驗臺，上分別對常壓、介質(zhì)為空氣、不同結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流器、不同葉片數(shù)及形狀的葉輪進(jìn)行測量。
2.1前導(dǎo)流器
　　圖2和圖3分別為兩種結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流器示意圖。圖2為渦輪流量計常用結(jié)構(gòu),葉片數(shù)為6導(dǎo)流.體形狀由流入至流出呈錐形,葉片長與錐體高度相同.圖3為本文改進(jìn)的前導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)示意圖其主要特點(diǎn)是將錐體改為半橢球體,葉片數(shù)增加到12并把葉片長度縮小1/3.
 
　　圖4是兩種結(jié)構(gòu)下,流體經(jīng)過流量計后的壓力損失曲線。由圖4可看出在流量<100m³/h時,壓力損失不受導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的影響而且壓損很小。隨著流量增大,改進(jìn)的導(dǎo)流器的壓損明顯低于錐體導(dǎo)流器在最大流量600m³/h處錐體的壓損約為半橢球體的2倍,可見導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)對流量計壓力損失有不容忽視的影響作用。
 
　　使半橢球體壓損降低的主要原因是:半橢球體外形過渡更光滑,降低了流體流動分離的發(fā)生更加符合對流動條件的要求，從而使壓損大大降低。適當(dāng)增加葉片數(shù)而減少葉片長度不但可以起到較好的穩(wěn)流、整流作用減少因流動渦旋產(chǎn)生的壓力損失而且使流通面積有一個逐步減小的過程避免了流體進(jìn)入導(dǎo)流器后由于流通面積的突然收縮引起的壓力損失的增大。結(jié)果表明以上因素的綜合結(jié)果使流體流經(jīng)導(dǎo)流器時的壓損明顯降低。
2.2葉輪
　　葉輪按照設(shè)計要求為葉片數(shù)z=12~20,葉片傾角a=30°~45°,重疊度為1~1.2,葉片與內(nèi)機(jī)殼間隙為0.5mm~1mm。為提高流量計的靈敏度可適當(dāng)增加葉片數(shù)。
　　流量計常用葉輪葉片數(shù)為13,葉片形狀為矩形。為提高流量計的靈敏度作者對葉輪作了改造，將葉片數(shù)增為20,葉片形狀設(shè)計成葉頂寬葉根窄的倒梯形形狀梯形尺寸以保證相同重疊度為原則。圖5為分別采用13和20葉片數(shù)的葉輪后流量計壓損曲線圖�？煽吹絻蓷l曲線幾乎重合。說明在允許范圍內(nèi),葉輪葉片數(shù)的增減以及葉片形狀的改變對壓力損失的影響可以忽略。但通過對起始流量的測量發(fā)現(xiàn)，對13葉片數(shù)葉輪,測得流量計起始流量為7.5m³/h,而對20葉片數(shù)葉輪則為6.5m³/h,可見適當(dāng)增加葉片數(shù)和重疊度，可以在不增加壓損的前提下較明顯地提高流量計的靈敏度。
 
2..3儀表系數(shù)
　　渦輪流量計性能的另外一個重要指標(biāo)是儀表系數(shù)K。儀表系數(shù)可理解為流量計儀表的輸出流量值與通過流量計的實(shí)際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表內(nèi)磁電轉(zhuǎn)換器輸出頻率成正比,故K也表示為輸出頻率與實(shí)際流量之比即:
 
　　由式可見，理想的儀表系數(shù)K與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)與流量變化無關(guān)。對某一流量計K為一常數(shù)在K-qv圖上為-平行橫軸的直線。但對實(shí)際的流體流動,由于葉輪要克服軸承的機(jī)械阻力矩.流體產(chǎn)生的阻力矩并受流動狀態(tài)等因素的影響使K不可能保持直線而在量程范圍內(nèi)盡量保證K為一常數(shù)是保證流量計精度的前提條件。
　　對半橢球體導(dǎo)流器和梯形葉輪對流量計儀表系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗測試,考察改變結(jié)構(gòu)組件后對儀表性能的影響。
　　圖6為分別采用錐體和半橢球體導(dǎo)流器,流量計儀表系數(shù)的測試結(jié)果。由圖可看出采用改進(jìn)的導(dǎo)流器后流量計儀表系數(shù)比改進(jìn)前有較好地改善在量程范圍內(nèi)50m³/h~600m³/h),K很好地體現(xiàn)常系數(shù)的特性甚至在超過最大量程后能繼續(xù)保持水平直線狀態(tài)。改進(jìn)前的流量計K值也較好,但隨著流量增大直線略向下傾斜偏離了水平位置。
 
3結(jié)論
　　通過對氣體渦輪流量計主要組件性能的實(shí)驗測量得出:1）前導(dǎo)流器是引起流量計壓力損失的主要因素之一。當(dāng)采用改進(jìn)的半橢球體導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后流量計的壓損被大幅度降低。2）對葉輪葉片進(jìn)行適當(dāng)改造后,可明顯降低起始流量值提高流量計靈敏度。3）采用改進(jìn)的組件后流量計具有更加穩(wěn)定的儀表系數(shù)值流量計的精度得到提高。

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