摘(zhai)要:在分(fèn)析氣體(ti)渦輪流(liú)量計 結(jie)構和數(shù)學模型(xíng)的基礎(chu)上,針對(duì)渦輪葉(yè)片螺旋(xuan)升角對(duì)儀⭐表性(xìng)能的影(ying)響,以安(ān)裝35°、45°和55°三(sān)種不同(tóng)葉片螺(luó)旋升角(jiao)渦輪的(de)DN150型氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計作(zuo)爲實驗(yan)對象,搭(dā)建儀表(biǎo)負壓檢(jian)測平台(tái),分别對(dui)儀表系(xì)數、壓力(lì)損失和(hé)計量精(jing)度進行(hang)實驗檢(jiǎn)定與對(duì)比分析(xī)。實驗結(jié)果表明(ming),合理設(she)計渦輪(lun)葉片螺(luo)旋升角(jiǎo)😘能顯著(zhe)改善氣(qi)體渦輪(lún)流量🌈計(jì)的性能(neng),爲葉片(piàn)螺旋升(sheng)角進一(yi)步優化(hua)及其對(duì)儀表性(xìng)能影響(xiǎng)規律的(de)研究提(tí)供了實(shi)驗基礎(chu)。
0引言
　　氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)是計量(liang)天然氣(qì)、氧氣、氮(dàn)氣、液化(huà)氣🔴、煤氣(qi)等🌈氣體(ti)介質的(de)速度式(shì)計量儀(yí)表1-2],如圖(tú)1所示。
 
　　将渦輪(lún)置于被(bei)測的氣(qì)體介質(zhi)中,當氣(qi)體流經(jīng)流量計(ji)時,在導(dǎo)流🌍器的(de)作用下(xià)被整流(liú)并加速(sù),由于渦(wō)輪的葉(yè)片與流(liú)過的氣(qì)✍️體之間(jiān)存在--定(dìng)夾角,氣(qi)體對渦(wo)輪産生(sheng)轉動力(lì)矩,使渦(wō)🔞輪克服(fu)👨‍❤️‍👨機械摩(mó)擦阻力(lì)矩、氣♈體(tǐ)流動阻(zu)力矩和(he)電磁阻(zu)力矩而(ér)旋轉,在(zai)--定的流(liú)量範圍(wéi)内,渦輪(lún)的角速(su)度和通(tōng)過渦輪(lun)的流量(liàng)成正比(bǐ)。渦輪的(de)旋轉帶(dài)動脈沖(chòng)發生器(qì)旋轉,産(chan)生的脈(mò)沖信💜号(hào)由傳感(gan)🍓器送人(ren)智能積(ji)算儀進(jìn)行⭐換算(suan)得到氣(qì)體介質(zhì)的瞬時(shí)流量和(he)累積流(liu)量。
　　其主(zhǔ)要性能(neng)指标有(you)始動流(liu)量、儀表(biao)系數、壓(yā)力損失(shī)和計🔴量(liang)精度。
　　近(jin)年來旨(zhǐ)在提高(gāo)儀表性(xing)能的研(yán)究主要(yào)圍繞前(qian)、後🧑🏽‍🤝‍🧑🏻導流(liú)裝🌈置和(hé)🔞渦輪等(děng)關鍵部(bù)件的結(jie)構和型(xíng)式開展(zhan)。劉正先(xian)等💁通過(guo)實驗❗分(fen)析,提出(chū)改進前(qian)、後導流(liu)器結構(gòu)能明顯(xiǎn)減少儀(yi)表的壓(ya)力損失(shī),改善儀(yi)表系數(shù)的線性(xìng)度,而葉(yè)片數量(liàng)的增減(jiǎn)對流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)影響可(kě)以忽略(luè)不計,但(dan)葉片數(shu)量的增(zeng)加可明(ming)顯改善(shan)始動流(liú)量,提高(gao)儀表靈(ling)敏度㊙️,但(dàn)數量過(guò)多會使(shǐ)重疊度(du)增大,儀(yi)表性能(néng)急劇惡(e)化[4-6];鄭建(jian)梅等對(dui)渦輪的(de)材料和(hé)渦輪軸(zhóu)承進🔴行(hang)了改進(jìn),改善了(le)儀☎️表系(xì)數的♉穩(wen)定性”;lIZ等(děng)利用CFD技(ji)術與實(shí)驗相結(jie)合驗證(zhèng)了對🈲整(zhěng)流器的(de)優化設(shè)計能有(yǒu)效減🔴少(shǎo)壓力損(sun)失[8]。在上(shang)述研究(jiu)💘中，還未(wei)涉及針(zhen)對渦輪(lún)葉片🈲螺(luo)旋升角(jiao)對儀表(biǎo)性能的(de)探讨。本(ben)文利用(yong)儀表負(fù)壓檢定(dìng)平台,對(duì)3種不同(tóng)葉片螺(luó)旋升角(jiao)的DN150型氣(qì)體渦輪(lún)流量計(ji)進行了(le)實驗對(dui)🌈比分析(xi),爲改善(shàn)儀表性(xing)能和葉(ye)片螺旋(xuan)升角的(de)優化👣提(ti)供實驗(yan)依據。
1數(shù)學模型(xíng)與渦輪(lun)參數選(xuǎn)擇
1.1數學(xué)模型
　　氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)的數學(xue)模型是(shì)根據力(lì)矩平衡(heng)原理⛹🏻‍♀️建(jian)立起來(lai)的,主要(yào)揭示流(liu)量計輸(shu)出脈沖(chòng)和流量(liang)之間的(de)内在關(guan)😘系,其計(ji)算公式(shi)爲：
 
　　式中(zhōng):K爲儀表(biǎo)系數;f爲(wei)脈沖頻(pin)率,Hz;q,爲體(ti)積流量(liàng),m³/s;Z爲渦輪(lun)葉片數(shu);θ爲葉片(pian)結構角(jiao);r爲渦輪(lún)中徑,m;A爲(wèi)流通面(miàn)爲流體(ti)阻力矩(jǔ),N.m。
　　其中,機(jī)械摩擦(cā)阻力矩(jǔ)T.在流量(liàng)-定時隻(zhī)與軸承(cheng)和軸的(de)選型😍設(shè)計有關(guān)，流體阻(zu)力矩T與(yǔ)流體流(liú)動狀态(tai)有關,這(zhe)🌈兩個力(li)矩在此(ci)🚩不做詳(xiáng)細介紹(shao)。當被測(ce)介質--定(dìng)時,儀表(biǎo)系數與(yu)🌈葉片數(shu)量、葉片(pian)角度和(he)中徑有(you)關，所以(yi)設計合(hé)理的渦(wo)輪結構(gòu)形式對(dui)改善儀(yí)表性能(néng)有重要(yào)意義。
1.2渦(wo)輪結構(gou)參數選(xuan)擇
　　渦輪(lun)結構有(yǒu)焊接式(shì)和整體(ti)式,焊接(jie)式渦輪(lun)将葉片(piàn)和輪☂️毂(gu)焊💘接,整(zheng)體式渦(wo)輪利用(yong)先進的(de)CAD/CAM技術和(he)數控加(jiā)工‼️技術(shù)直接加(jia)工😍成型(xing)👌。葉片型(xing)式主要(yao)有平闆(pǎn)式和螺(luó)旋🏃🏻‍♂️式,平(píng)闆式葉(ye)片主.要(yào)應用于(yú)大外徑(jing)焊接式(shi)渦輪,而(er)螺旋式(shì)葉片應(yīng)用較爲(wei)廣泛;材(cái)料💋主要(yao)有鋁🈲合(hé)金和不(bú)鏽鋼,鋁(lǚ)合金與(yǔ)不鏽鋼(gāng)相比具(jù)有自重(zhòng)較輕,工(gong)藝性好(hǎo)等⛷️特點(dian);渦輪平(píng)均⭐直徑(jìng)受流量(liàng)計流通(tōng)🤞管徑即(jí)型号的(de)限制,可(kě)作爲定(ding)參數處(chu)理;葉片(pian)數量選(xuan)取主要(yao)考慮重(zhong)疊度對(dui)儀表性(xing)能的影(ying)響,---般取(qǔ)13~20;葉☔片角(jiǎo)度直接(jie)影響氣(qi)體✂️介質(zhi).對其産(chǎn)生驅動(dòng)轉矩的(de)大小，氣(qi)體介質(zhì)對渦輪(lún)的驅動(dong)轉矩公(gōng)式爲
 
　　式(shi)中:Td爲驅(qū)動力矩(jǔ),N.m;fd爲周向(xiang)驅動力(li),N;u1爲介質(zhi)入口速(sù)度,m/s;ɷ爲渦(wō)輪角速(su)度,rad/s。
　　綜上(shàng)述所述(shù),采用整(zhěng)體式葉(ye)輪結構(gou),螺旋型(xíng)葉片，葉(yè)片數量(liàng)爲20。對✏️于(yu)螺旋型(xing)葉片,需(xū)要确定(dìng)葉片的(de)螺旋角(jiǎo),根據式(shì)(2),要得到(dao)最大推(tui)動力矩(ju),葉片螺(luó)旋角應(ying)爲45°,但力(li)矩公式(shì)是🐅根據(ju)葉栅繞(rao)流♈計算(suan)得到,難(nán)免會和(he)實際工(gōng)況有所(suo)偏差。參(can)考常用(yòng)葉片角(jiao)度,選取(qu)35°.45°和55°螺旋(xuán)升角渦(wō)輪作爲(wei)實驗對(duì)🐆象,渦輪(lún)結構✊參(cān)數如圖(tu)2所示。
 
2實(shi)驗平台(tái)搭建
2.1檢(jiǎn)定裝置(zhi)與實驗(yan)原理
　　流(liú)量計的(de)檢定采(cǎi)用負壓(ya)智能儀(yí)表測量(liang)系統，系(xì)統框圖(tu)如圖3所(suǒ)示，主要(yào)包括硬(yìng)件和軟(ruǎn)件兩部(bu)分。硬件(jian)包括🛀🏻标(biāo)準吸風(feng)裝置、德(dé)萊塞羅(luó)茨氣體(ti)流量計(jì)穩壓罐(guan)和直管(guǎn)道組㊙️成(chéng),而軟😍件(jian)是自行(hang)開發的(de)智能型(xíng)流量計(jì)檢測程(cheng)序,各組(zu)💔成部分(fen)具體參(can)數如表(biǎo)1所示。
 
　　由(yóu)标準吸(xī)風裝置(zhi)産生負(fu)壓使标(biāo)準德萊(lái)塞羅茨(cí)流量☎️計(ji)和氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計被(bèi)同時過(guò)流,直管(guǎn)段使進(jin)入檢✍️定(dìng)儀表的(de)氣體爲(wèi)充分發(fa)展的湍(tuan)流;穩壓(yā)罐補✊償(cháng)通過氣(qì)體渦☎️輪(lun)流量計(jì)後的氣(qi)體壓損(sǔn)。智能流(liu)量🚩檢測(ce)程序接(jie)收來自(zi)兩個儀(yí)表的輸(shū)出信号(hao)，通過渦(wō)輪流量(liang)計輸出(chū)的脈沖(chòng)數與累(lei)積流量(liang)💞來計算(suan)儀表系(xì)數,通過(guo)對比相(xiang)同數據(jù)采集點(dian)處标準(zhun)羅茨流(liu)量計的(de)輸出可(ke)獲得正(zheng)确率誤(wu)差安裝(zhuāng)在氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計取(qu)壓口處(chù)的U型🔞管(guǎn)可以測(ce)量進、出(chū)口處的(de)壓力,從(cong)而得到(dao)儀表的(de)壓力損(sun)失。
 
2.2實驗(yan)流程
　　自(zì)開始測(cè)量時刻(kè)起,選取(qǔ)50~1300m³/h範圍内(nèi)6個流量(liàng)監測點(diǎn)。在每個(ge)流量監(jiān)🙇🏻測點随(sui)機采集(jí)3個不同(tong)時刻的(de)數據,包(bao)括某一(yi)時刻标(biāo)準羅茨(ci)流量計(jì)和氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)累積流(liu)量及其(qí)輸出🤩脈(mo)沖數。檢(jian)測程序(xù)對這些(xiē)數🔴據進(jin)行處理(lǐ)獲得流(liú)✏️量計系(xi)數和基(jī)本誤💃差(cha)。監測每(měi)一-流量(liang)點處U型(xing)管壓差(chà)裝置的(de)指示值(zhi)，獲得不(bú)同監❗測(ce)點處的(de)壓力💋損(sǔn)失，檢定(dìng)現場如(rú)圖4所示(shi)。
 
3實驗測(cè)量與數(shu)據對比(bi)分析
3.1實(shí)驗測量(liàng)
　　利用上(shang)述實驗(yan)方法,分(fèn)别對安(an)裝35°、45°和55°渦(wō)輪的流(liú)量計進(jin)行了實(shi)驗📞檢定(dìng),表2列出(chu)了安裝(zhuang)35°葉片螺(luo)旋升角(jiǎo)表渦輪(lún)流量計(ji)的🌈檢定(ding)數據🎯,平(píng)均流量(liang)是随機(jī)設定标(biao)準吸風(fēng)裝置的(de)輸出流(liu)量,平均(jun1)系數和(hé)誤差按(àn)公式(3)和(hé)(4)計算。
 
　　表(biǎo)3列出了(le)安裝3種(zhong)不同螺(luo)旋角渦(wo)輪流量(liang)計在儀(yi)表取壓(ya)口處的(de)📞壓力損(sǔn)失。
 
注:儀(yi)表系數(shù)K=899.06m-3;基本誤(wù)差爲0.841%;大(dà)氣壓力(lì)爲102.40kPa;環境(jing)濕度爲(wei)45%。
 
3.2數據對(dui)比分析(xī)
　　對實驗(yàn)數據進(jin)行二次(ci)多項式(shi)插值獲(huo)得20組數(shù)據點🔞,對(dui)數據點(diǎn)💯進行拟(nǐ)合得到(dào)各方案(an)在檢測(ce)流量範(fàn)圍内的(de)🚶‍♀️儀表系(xì)數曲線(xiàn)、誤差👌曲(qu)線和壓(yā)力損失(shi)曲線。
3.2.1儀(yí)表系數(shu)
　　如圖5所(suo)示,采用(yong)螺旋升(sheng)角爲35°渦(wō)輪的流(liú)量計的(de)儀表系(xi)數曲線(xiàn)在工作(zuo)區内波(bo)動較大(da),對儀表(biǎo)計量的(de)穩定性(xìng)産生很(hen)大的負(fù)面影響(xiang)。而45°和55°的(de)渦輪流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數曲線(xian)在工作(zuò)區内波(bo)動較小(xiǎo)，線性度(du)較理想(xiǎng)，儀表在(zài)☀️工作區(qu)内的計(ji)量穩⛹🏻‍♀️定(ding)性較好(hǎo)。
3.2.2計量精(jing)度
　　如圖(tú)6所示,采(cai)用螺旋(xuan)升角爲(wei)55°渦輪的(de)流量計(jì)誤差基(ji)本穩定(dìng)在0.4%左右(you),45渦輪在(zài)0.5%左右,而(er)35°葉輪流(liu)量計誤(wu)差曲線(xian)存在較(jiao)大波動(dong),而且最(zui)大誤差(cha)超過0.8%,計(ji)量精度(du)較差。
3.2.3壓(yā)力損失(shi)
　　如圖7所(suǒ)示,35°渦輪(lun)流量計(ji)的最大(da)壓損達(dá)到了3500Pa以(yǐ)上，而55°渦(wō)輪🚶則隻(zhī)有1500Pa左右(you),可明顯(xiǎn)看出55°葉(yè)輪的過(guò)流性最(zui)好📱.壓力(lì)損失相(xiang)比其他(tā)兩種角(jiǎo)度的渦(wo)輪最小(xiǎo)。
 
4結束語(yǔ)
　　采用實(shi)驗檢定(ding)的方法(fǎ)對螺旋(xuán)升角爲(wèi)35°.45°和55°的DN150氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)進行了(le)實驗對(dui)比分析(xi),實驗數(shù)據表明(ming)葉片螺(luo)旋角度(dù)直接影(yǐng)響儀表(biǎo)的性能(neng)參數。其(qi)中，35°渦輪(lún)流量計(jì)存在着(zhe)儀表系(xì)數不穩(wen)定、壓力(li)損失大(dà)以及♍精(jīng)度差等(děng)弊端，建(jiàn)議不在(zai)産品中(zhong)應用;45°渦(wo)輪流量(liàng)計,儀表(biǎo)系數曲(qǔ)線呈現(xiàn)良好的(de)線性特(tè)征㊙️,但壓(ya)力損失(shi)與55°渦輪(lún)相比較(jiao)大;559渦輪(lún)流量計(jì)儀表系(xi)數穩定(ding)、壓力損(sun)失小,精(jing)🈲度較高(gao),比較适(shì)合對壓(ya)力🈚損失(shī)和精度(dù)要求較(jiao)高的工(gong)況。此外(wài)✉️,實驗結(jié)果表明(ming)對葉片(pian)螺旋角(jiǎo)的進一(yī)-步⁉️優化(hua)能明顯(xian)改善儀(yí)🥰表性能(neng)。

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