摘要:在分(fen)析氣體渦(wo)輪流量計(ji) 結構和數(shu)學模型的(de)基礎上,針(zhen)對渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角對儀表(biao)性能的影(ying)響,以安裝(zhuang)35°.45°和55°三種不(bu)同葉片螺(luo)🐆旋升角渦(wo)輪的DN150型氣(qi)🧡體渦輪流(liu)量計作爲(wei)實驗對象(xiang),搭建儀表(biao)負壓檢測(ce)平台,分别(bie)對儀表系(xi)數、壓力損(sun)失和計量(liang)精度進行(hang)實驗檢定(ding)與對比分(fen)析。實驗結(jie)果表明，合(he)理設計渦(wo)輪葉☂️片螺(luo)旋升角🏃🏻‍♂️能(neng)顯著改善(shan)氣體渦輪(lun)流量🏒計的(de)性能,爲葉(ye)片螺旋升(sheng)角進一步(bu)⛹🏻‍♀️優化及其(qi)對儀表性(xing)能影🏃響規(gui)律的研究(jiu)提供了實(shi)驗基礎。
0引(yin)言
　　氣體渦(wo)輪流量計(ji)是計量天(tian)然氣、氧氣(qi)、氮氣、液化(hua)氣、煤☀️氣等(deng)氣體介質(zhi)的速度式(shi)計量儀表(biao),如圖1所示(shi)。
 
　　将(jiang)渦輪置于(yu)被測的氣(qi)體介質中(zhong)，當氣體流(liu)經流量計(ji)時,在導♻️流(liu)器的作用(yong)下被整流(liu)并加速，由(you)于渦輪🔆的(de)葉片與流(liu)過的氣體(ti)之間存在(zai)一定夾角(jiao),氣體對渦(wo)輪産♋生轉(zhuan)動力矩，使(shi)渦輪克服(fu)機械摩擦(ca)阻力矩😄、氣(qi)體流動阻(zu)力矩和電(dian)磁阻力💜矩(ju)而旋轉,在(zai)-定的流量(liang)範圍内，渦(wo)☀️輪的角速(su)度和通過(guo)渦輪的流(liu)量成正👈比(bi)。渦輪的旋(xuan)轉帶動脈(mo)沖發生器(qi)旋轉,産生(sheng)的脈沖信(xin)号由傳感(gan)器送入智(zhi)能積算儀(yi)進行換算(suan)得到氣體(ti)介質的瞬(shun)時流量和(he)累積流量(liang)。其主🈲要性(xing)能指标有(you)始動流量(liang)、儀表系數(shu)、壓力損失(shi)和計量精(jing)度。
　　近年來(lai)旨在提高(gao)儀表性能(neng)的研究主(zhu)要圍繞前(qian)、後導流裝(zhuang)置和渦輪(lun)等關鍵部(bu)件的結構(gou)和型式開(kai)展。劉正先(xian)等通過🧑🏾‍🤝‍🧑🏼實(shi)驗分析,提(ti)出改進前(qian)、後導流器(qi)結構能明(ming)顯減少儀(yi)表的壓力(li)損失,改善(shan)🈲儀表系數(shu)的線性度(du),而葉片數(shu)量的增減(jian)對流量計(ji)壓力損失(shi)的🏒影響可(ke)以忽略不(bu)計，但葉片(pian)數量的增(zeng)😘加可明顯(xian)改🔴善始動(dong)流量,提高(gao)儀表靈敏(min)度,但數量(liang)過多會✍️使(shi)重疊度增(zeng)大,儀表性(xing)能急劇惡(e)化;鄭建梅(mei)等對渦輪(lun)的材料和(he)渦輪軸承(cheng)進行了改(gai)進,改善了(le)儀🔴表系數(shu)的穩定性(xing)!7;LIZ等利用CFD技(ji)術與實驗(yan)相結合驗(yan)證了對整(zheng)流器的優(you)化設計能(neng)有效減少(shao)壓力損失(shi)[8]。在☂️上述研(yan)究中,還未(wei)涉及針對(dui)渦輪葉片(pian)👌螺旋升角(jiao)對儀表性(xing)能的探讨(tao)。本文利用(yong)儀表負壓(ya)檢定平台(tai),對3種不同(tong)葉片螺旋(xuan)升🚶‍♀️角的DN150型(xing)氣體渦輪(lun)流量計進(jin)行了實驗(yan)對比分析(xi),爲改善儀(yi)表性能和(he)葉片螺旋(xuan)升角的優(you)化♉提供實(shi)驗依據。
1數(shu)學模型與(yu)渦輪參數(shu)選擇
1.1數學(xue)模型
　　氣體(ti)渦輪流量(liang)計的數學(xue)模型是根(gen)據力矩平(ping)衡原👨‍❤️‍👨理建(jian)立起來的(de),主要揭示(shi)流量計輸(shu)出脈沖和(he)流量之間(jian)的内在關(guan)👅系,其計算(suan)公式爲：
 
　　式(shi)中:K爲儀表(biao)系數;ƒ爲脈(mo)沖頻率，Hz;qv爲(wei)體積流量(liang),m³/s;Z.
　　爲渦輪葉(ye)片數;θ爲葉(ye)片結構角(jiao);r爲渦輪中(zhong)徑,m;A爲流通(tong)面爲流♈體(ti)阻力矩,N.m。
　　其(qi)中,機械摩(mo)擦阻力矩(ju)Trm在流量一(yi)定時隻與(yu)軸承和軸(zhou)的🐉選型設(she)👣計有關,流(liu)體阻力矩(ju)Trf與流體流(liu)動狀态有(you)關，這兩個(ge)力矩在此(ci)不做詳細(xi)介紹。當被(bei)測介質--定(ding)時，儀表系(xi)數與葉片(pian)數量葉片(pian)角度和中(zhong)徑有關,所(suo)以設計合(he)理的渦輪(lun)結構形式(shi)對改善儀(yi)表性能有(you)重要意義(yi)。
1.2渦輪結構(gou)參數選擇(ze)
　　渦輪結構(gou)有焊接式(shi)和整體式(shi)，焊接式渦(wo)輪将葉片(pian)和輪毂👣焊(han)🔴接,整體式(shi)渦輪利用(yong)技術和數(shu)控加工技(ji)術直接加(jia)工成✉️型。葉(ye)✨片型式主(zhu)要有平闆(pan)式和螺旋(xuan)🈲式,平闆式(shi)葉片主要(yao)應🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用于大(da)外徑焊接(jie)式渦輪,而(er)🙇‍♀️螺旋式葉(ye)片應用較(jiao)爲廣泛;材(cai)料主要有(you)🙇‍♀️鋁合金和(he)不鏽鋼,鋁(lü)合金與不(bu)鏽鋼相比(bi)具有自🚶重(zhong)較輕,工藝(yi)性好等特(te)點;渦輪平(ping)均直徑受(shou)流量計流(liu)通管徑即(ji)型号的限(xian)制，可作爲(wei)定參數處(chu)理;葉片數(shu)量選取主(zhu)要考慮重(zhong)疊度對儀(yi)表性能的(de)影響,-般取(qu)13~20;葉片角度(du)直接影響(xiang)氣體介質(zhi)對其産生(sheng)驅動轉矩(ju)的大小,氣(qi)體介質對(dui)渦輪的🌏驅(qu)動轉👌矩公(gong)式爲
 
　　式中(zhong):Td爲驅動力(li)矩,N·m;ƒd爲周向(xiang)驅動力,N;u1爲(wei)介質人口(kou)速度👄,m/s;ɷ爲渦(wo)輪角速🛀度(du),rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整(zheng)體式葉輪(lun)結構,螺旋(xuan)型葉片，葉(ye)片數量👨‍❤️‍👨爲(wei)20。對于螺旋(xuan)型葉片,需(xu)要确定葉(ye)片的螺旋(xuan)角，根據式(shi)(2),要得到最(zui)大推動力(li)矩，葉片螺(luo)旋角應爲(wei)45°,但力矩公(gong)式是根據(ju).葉栅繞流(liu)🤞計算得到(dao),難免會和(he)實際工況(kuang)✍️有所偏差(cha)💜。參考常用(yong)葉片角度(du),選取35°.45°和55螺(luo)旋升角渦(wo)輪作爲實(shi)驗對象，渦(wo)輪結構參(can)數如圖2所(suo)示。
 
2實(shi)驗平台搭(da)建
2.1檢定裝(zhuang)置與實驗(yan)原理
　　流量(liang)計的檢定(ding)采用負壓(ya)智能儀表(biao)測量系統(tong),系統💞框圖(tu)🐇如圖3所示(shi),主要包括(kuo)硬件和軟(ruan)件兩部分(fen)。硬件包括(kuo)标準吸風(feng)裝置、德萊(lai)塞羅茨氣(qi)體流量計(ji)、穩壓罐和(he)直管道組(zu)成，而軟🈚件(jian)是自行開(kai)發的智能(neng)型流⚽量計(ji)檢測程序(xu),各組成部(bu)分具體參(can)數如表1所(suo)示。
 
　　由标準(zhun)吸風裝置(zhi)産生負壓(ya)使标準德(de)萊塞羅茨(ci)流量計和(he)氣體渦輪(lun)流量計被(bei)同時過流(liu),直管段使(shi)進人檢定(ding)儀表的🛀氣(qi)體爲充分(fen)發展的湍(tuan)流;穩壓罐(guan)補償通過(guo)氣體渦輪(lun)流量計後(hou)的🌈氣體壓(ya)損。智能流(liu)量檢測程(cheng)序接收來(lai)自🌂兩個儀(yi)表的輸出(chu)信💔号，通過(guo)渦輪流量(liang)計輸出的(de)脈沖數與(yu)累積流量(liang)來計算儀(yi)表系數,通(tong)過對比.相(xiang)同數據采(cai)集點處标(biao)準羅茨流(liu)量計的輸(shu)出可獲得(de)精度誤差(cha)安裝在氣(qi)體渦輪流(liu)量計取壓(ya)口處的U型(xing)管可以測(ce)量進、出口(kou)處的壓力(li),從而得到(dao)儀表的壓(ya)力損失。
 
2.2實(shi)驗流程
　　自(zi)開始測量(liang)時刻起，,選(xuan)取50~1300m³/h範圍内(nei)6個流量監(jian)測點。在每(mei)個❓流量監(jian)測點随機(ji)采集3個不(bu)同時刻的(de)數據,包括(kuo)某一時❄️刻(ke)标準羅🐉茨(ci)流量計和(he)氣體渦輪(lun)流量計🔴的(de)累積⭕流量(liang)及其輸出(chu)脈沖數。檢(jian)測程序對(dui)這些數據(ju)進行處理(li)獲得流量(liang)計系數和(he)基本誤差(cha)。監測每一(yi)-流量點處(chu)U型管壓差(cha)裝置的指(zhi)示值,獲得(de)不同監測(ce)點處的壓(ya)力損失,檢(jian)定現場如(ru)圖4所示。
 
3實驗測量(liang)與數據對(dui)比分析
3.1實(shi)驗測量
　　利(li)用上述實(shi)驗方法,分(fen)别對安裝(zhuang)35°、45°和559渦輪的(de)流量計進(jin)行了實驗(yan)檢定,表2列(lie)出了安裝(zhuang)35°葉片螺旋(xuan)升角表渦(wo)輪流量計(ji)的檢定數(shu)據,平均流(liu)量是随機(ji)設定标準(zhun)吸風🔴裝置(zhi)的輸出流(liu)量,平均系(xi)數和誤差(cha)按公式👅(3)和(he)(4)計算。
 
　　表3列(lie)出了安裝(zhuang)3種不同螺(luo)旋角渦輪(lun)流量計在(zai)儀表⭐取壓(ya)口處的壓(ya)力損失。
 
 
3.2數(shu)據對比分(fen)析
　　對實驗(yan)數據進行(hang)二次多項(xiang)式插值獲(huo)得20組數據(ju)點,對數👅據(ju)點♻️進行拟(ni)合得到各(ge)方案在檢(jian)測流量範(fan)圍内的㊙️儀(yi)表系數曲(qu)線、 誤差曲(qu)線和壓力(li)損失曲線(xian)。
3.2.1儀表系數(shu)
　　如圖5所示(shi),采用螺旋(xuan)升角爲35°渦(wo)輪的流量(liang)計的儀表(biao)系數曲線(xian)㊙️在工作區(qu)内波動較(jiao)大,對儀表(biao)計量的穩(wen)定性産生(sheng)㊙️很大的負(fu)面影響。而(er)45°和55°的渦輪(lun)流量計的(de)儀表系數(shu)曲線在工(gong)作區内波(bo)動較小,線(xian)性度較理(li)想，儀表在(zai)工作區内(nei)的計量穩(wen)定性較好(hao)。
3.2.2計量精度(du)
　　如圖6所示(shi),采用螺旋(xuan)升角爲55°渦(wo)輪的流量(liang)計誤差基(ji)本💁穩定在(zai)0.4%左♍右,45°渦輪(lun)在0.5%左右,而(er)35°葉輪流量(liang)計誤差曲(qu)線存在較(jiao)大波動,而(er)且最大誤(wu)差超過0.8%，計(ji)量精度較(jiao)💃差。
3.2.3壓力損(sun)失
　　如圖所(suo)示，35°渦輪流(liu)量計的最(zui)大壓損達(da)到了3500Pa以上(shang)，而55°渦輪則(ze)隻🐆有✂️1500Pa左右(you),可明顯看(kan)出55°葉輪的(de)過流性最(zui)好，壓力🌈損(sun)失相比其(qi)他兩種角(jiao)度的渦輪(lun)最小。
 
4結束(shu)語
　　采用實(shi)驗檢定的(de)方法對螺(luo)旋升角爲(wei)359.45°和55°的DN150氣體(ti)渦輪流🔞量(liang)計進🌐行了(le)實驗對比(bi)分析,實驗(yan)數據表明(ming)葉片螺旋(xuan)角度直接(jie)影響儀表(biao)的性能參(can)數。其中，35°渦(wo)輪流量計(ji)存在着儀(yi)表系數不(bu)穩定、壓力(li)🧡損失大以(yi)及精度差(cha)等弊端，建(jian)議不在産(chan)品中應用(yong);45°渦輪流量(liang)計❗,儀表系(xi)數曲線呈(cheng)現良好的(de)線性特征(zheng)，但壓力損(sun)失與55°渦輪(lun)相比較大(da);55°渦輪流量(liang)計儀表系(xi)數穩定、壓(ya)力損失小(xiao),精度較高(gao)，比較适🚶‍♀️合(he)對壓力損(sun)失和精度(du)要☁️求☂️較高(gao)的工況。此(ci)外,實驗結(jie)果表明對(dui)⛱️葉✂️片螺旋(xuan)角🆚的進-一(yi)步優化能(neng)明顯改善(shan)儀💃🏻表性能(neng)。

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