摘要:在分析(xī)氣體渦輪流(liú)量計 結構和(he)數學模型的(de)基礎上,針對(duì)渦輪葉片螺(luo)旋升角對儀(yi)表性能的影(ying)響,以安裝35°.45°和(he)55°三種不同葉(ye)片螺旋升角(jiao)渦🚩輪的DN150型氣(qi)體渦💘輪流量(liàng)計作爲實驗(yàn)對象,搭建儀(yí)表負壓檢測(cè)平台,分别對(duì)儀表系數、壓(ya)力損失和計(jì)量精度進行(hang)實驗檢定與(yu)對比分析。實(shí)驗結㊙️果表明(míng)，合理設計渦(wō)輪葉片螺旋(xuán)升角🌈能顯著(zhe)改善☀️氣體渦(wō)輪流量♌計的(de)性能,爲葉片(piàn)螺旋升角進(jìn)一步優化及(ji)其對儀表😄性(xing)能影🌍響規律(lǜ)的研究提供(gòng)了實驗基礎(chu)。
0引言
　　氣體渦(wo)輪流量計是(shi)計量天然氣(qi)、氧氣、氮氣、液(ye)化氣、煤氣等(deng)氣體介質的(de)速度式計量(liàng)儀表,如圖1所(suǒ)示。
 
　　将渦輪(lún)置于被測的(de)氣體介質中(zhong)，當氣體流經(jing)流量🚩計時,在(zai)導流☀️器的作(zuò)用下被整流(liú)并加速，由于(yú)渦輪的葉片(pian)與流過的氣(qi)體之🔞間存在(zài)一定夾角,氣(qi)體對渦輪産(chan)生轉動力矩(jǔ)，使渦輪克服(fu)機械摩擦阻(zǔ)力矩、氣體流(liu)動阻力矩和(he)電磁阻力矩(ju)而旋轉,在-定(dìng)的流量範圍(wei)内，渦輪的角(jiao)速度和通過(guo)渦輪的流量(liang)成正比。渦輪(lun)的旋轉帶動(dong)脈沖發生器(qì)旋轉,産生的(de)脈沖信号由(you)傳感器送入(ru)智能積算儀(yi)進行換算得(dé)到氣體介質(zhi)的瞬時流量(liang)和累積流量(liang)。其主🐕要性能(neng)指标有始動(dong)流量、儀表系(xì)數、壓力損失(shi)和計量精度(du)。
　　近年來旨在(zai)提高儀表性(xing)能的研究主(zhǔ)要圍繞前、後(hòu)導流裝置和(hé)渦輪等關鍵(jian)部件的結構(gòu)和型式開展(zhan)。劉正先等🔞通(tōng)過❌實驗分析(xī),提出改進前(qián)、後導流器結(jié)構能明顯減(jian)少儀表的壓(yā)力損失,改善(shan)儀表系數的(de)線性度,而葉(ye)片數量♋的增(zēng)減對流量計(jì)壓力損失的(de)影響可以忽(hū)略不計，但葉(ye)片數量的增(zeng)加可明顯改(gǎi)☂️善始動流量(liàng),提高儀表靈(líng)敏度✂️,但數量(liàng)過多會使重(zhòng)❄️疊度增大,儀(yi)表性能急劇(ju)💰惡化;鄭建梅(mei)等對渦輪的(de)❤️材⭕料和渦輪(lún)軸承進💔行了(le)改進,改善了(le)儀表系數的(de)穩定性!7;LIZ等利(lì)用CFD技術與💋實(shi)驗相結合驗(yàn)證了對整流(liú)器的優化設(she)計能有效減(jian)少壓力損失(shi)[8]。在上述研究(jiū)🏃🏻‍♂️中,還未涉及(jí)針對渦輪葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)對儀表性能(néng)的探讨。本文(wén)利用儀表負(fù)壓檢定平台(tai),對3種不同葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)的DN150型氣體渦(wo)輪流量計進(jin)行了實驗對(dui)比分析,爲改(gai)善🚶儀表性能(neng)和葉片螺旋(xuan)升角的優✔️化(huà)提供實驗依(yi)據。
1數學模型(xing)與渦輪參數(shù)選擇
1.1數學模(mó)型
　　氣體渦輪(lún)流量計的數(shù)學模型是根(gēn)據力矩平衡(heng)原理建立起(qǐ)來🎯的,主要揭(jiē)示流量計輸(shu)出脈沖和流(liú)量之間的内(nei)在關系,其計(ji)算公式爲：
 
　　式(shi)中:K爲儀表系(xì)數;ƒ爲脈沖頻(pín)率，Hz;qv爲體積流(liu)量,m³/s;Z.
　　爲渦輪葉(ye)片數;θ爲葉片(pian)結構角;r爲渦(wo)輪中徑,m;A爲流(liu)通面爲流體(tǐ)阻力矩,N.m。
　　其中(zhōng),機械摩擦阻(zu)力矩Trm在流量(liang)一定時隻與(yu)軸承和🔞軸的(de)選型設♊計有(yǒu)關,流體阻力(lì)矩Trf與流體流(liu)動狀态有關(guan)，這兩個力矩(ju)在此不做詳(xiáng)細介紹。當被(bèi)測介質☀️--定時(shi)，儀表系數與(yǔ)葉片❌數量葉(ye)片角度和中(zhong)徑有關,所以(yi)設計合理的(de)渦輪結構形(xing)式對改善儀(yi)表性能有重(zhong)要意義🐇。
1.2渦輪(lún)結構參數選(xuan)擇
　　渦輪結構(gòu)有焊接式和(hé)整體式，焊接(jie)式渦輪将葉(yè)片和輪毂👄焊(hàn)💃🏻接,整體式渦(wo)輪利用技術(shù)和數控加工(gōng)技🔞術直🔞接加(jia)工成型。葉片(pian)型式主要有(yǒu)平闆式和螺(luo)旋式,平闆式(shì)葉片🔴主要應(yīng)✔️用于大外徑(jìng)焊接式渦輪(lún),而🚩螺旋式葉(yè)片應用較爲(wei)廣泛;材料主(zhu)要有🤞鋁合金(jīn)和不鏽鋼,鋁(lǚ)合金與不鏽(xiù)鋼相比具有(you)自重較輕,工(gōng)藝性好等特(te)點🌈;渦輪平均(jun1)直徑受💯流量(liang)計流通管徑(jìng)即✏️型号的限(xian)制，可作爲定(dìng)參♈數處理;葉(ye)片數量選取(qu)主要考慮重(zhong)疊度對儀📱表(biǎo)性能的影響(xiang),-般🆚取13~20;葉片角(jiao)度直接影響(xiang)氣體介質對(duì)其産生☔驅動(dong)轉矩的大小(xiao),氣體介質對(dui)渦輪的驅動(dòng)轉矩公式爲(wèi)
 
　　式中:Td爲驅動(dòng)力矩,N·m;ƒd爲周向(xiàng)驅動力,N;u1爲介(jiè)質人口速度(du)💜,m/s;ɷ爲渦輪角🙇🏻速(su)度,rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整體(ti)式葉輪結構(gou),螺旋型葉片(pian)，葉片數量爲(wei)20。對于螺旋型(xíng)葉片,需要确(què)定葉片的螺(luó)旋🥰角，根據式(shì)(2),要得到最大(da)推動力矩，葉(yè)片螺旋角應(yīng)爲45°,但力矩公(gōng)式是根據.葉(yè)⭐栅繞流計算(suan)得到,難免會(huì)和實際工況(kuàng)有所偏差。參(cān)考常用葉片(piàn)角度,選取35°.45°和(he)55螺旋升角渦(wo)輪作爲實驗(yàn)對象，渦輪結(jie)構參數如圖(tú)2所示。
 
2實驗平台(tai)搭建
2.1檢定裝(zhuāng)置與實驗原(yuan)理
　　流量計的(de)檢定采用負(fù)壓智能儀表(biao)測量系統,系(xì)統框圖如圖(tú)🌈3所示,主要包(bao)括硬件和軟(ruan)件兩部分。硬(yìng)件✂️包括❗标準(zhun)吸風裝置、德(dé)萊塞羅茨氣(qì)體流量計、穩(wěn)壓罐和直管(guan)道組成，而軟(ruan)件是自🐕行開(kāi)發的智能型(xing)流量計檢測(cè)程序,各組成(chéng)部分具體參(can)數如表1所示(shi)。
 
　　由标準吸風(fēng)裝置産生負(fu)壓使标準德(dé)萊塞羅茨流(liú)💃🏻量計和氣體(ti)渦輪流量計(ji)被同時過流(liu),直管段使進(jin)人檢定儀表(biǎo)的氣體爲充(chōng)分發展的湍(tuan)流;穩壓罐補(bǔ)🔞償通過氣體(ti)渦輪流量計(ji)後的氣體壓(yā)損。智能流量(liàng)檢測程序接(jie)收來自兩個(ge)儀表🐆的輸出(chu)信💋号，通過渦(wo)輪流量計輸(shu)出的脈沖數(shu)與累積流量(liang)來計算儀表(biao)系數,通過對(duì)比.相同數據(jù)采集點處标(biāo)準羅茨流量(liàng)❄️計的輸出可(ke)獲得⭕精度誤(wu)差安裝在氣(qi)體渦輪流量(liàng)計取壓口處(chù)的U型管✂️可以(yi)測量進、出口(kou)處💚的壓力,從(cong)而得到儀💛表(biao)的壓力損失(shi)。
 
2.2實驗流程
　　自(zì)開始測量時(shi)刻起，,選取50~1300m³/h範(fan)圍内6個流量(liàng)監測點。在每(měi)⛱️個流量監測(cè)點随機采集(ji)3個不同時刻(kè)的數據,包括(kuò)某一時刻标(biao)準羅茨流量(liang)計和氣體渦(wo)輪流量計的(de)累積流量及(ji)其輸出脈沖(chòng)數😘。檢測程序(xu)對這些數據(ju)進行處理獲(huò)得流量計系(xì)數♉和基本誤(wù)差。監測每一(yi)-流量點處U型(xíng)管壓差裝置(zhi)的指示值,獲(huò)得不同監測(ce)點處的壓力(lì)⛱️損失,檢定現(xiàn)場如圖4所示(shi)。
 
3實驗(yàn)測量與數據(ju)對比分析
3.1實(shí)驗測量
　　利用(yòng)上述實驗方(fang)法,分别對安(an)裝35°、45°和559渦輪的(de)流量計🐅進行(hang)了實驗📱檢定(dìng),表2列出了安(ān)裝35°葉片螺旋(xuán)升角表渦輪(lun)流量計的檢(jiǎn)定數據,平均(jun)流量是随機(jī)設定标🐪準吸(xī)風😘裝置的🐇輸(shū)出流量,平均(jun1)系數和🏃誤差(chà)按公式😘(3)和(4)計(jì)算。
 
　　表3列出了(le)安裝3種不同(tong)螺旋角渦輪(lún)流量計在儀(yí)表取壓口處(chù)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓力損失(shi)。
 
 
3.2數據對比分(fen)析
　　對實驗數(shu)據進行二次(cì)多項式插值(zhi)獲得20組數據(ju)點,對數據點(diǎn)進行拟合得(de)到各方案在(zai)檢測流量範(fàn)圍内的🔴儀表(biǎo)系數曲線、 誤(wu)差✂️曲線和壓(yā)力損失曲線(xiàn)。
3.2.1儀表系數
　　如(ru)圖5所示,采用(yòng)螺旋升角爲(wei)35°渦輪的流量(liàng)計的儀表系(xi)數曲線在工(gōng)作區内波動(dòng)較大,對儀表(biao)計量的穩定(ding)性産生很大(da)的負面影響(xiǎng)。而45°和55°的渦輪(lun)流量計的☂️儀(yi)表系數曲線(xian)在工作區内(nèi)波⁉️動較小🌈,線(xian)性度較理🤩想(xiang)，儀表在工作(zuo)區内的計量(liàng)穩定性較好(hǎo)。
3.2.2計量精度
　　如(ru)圖6所示,采用(yòng)螺旋升角爲(wei)55°渦輪的流量(liàng)計誤差基🏒本(běn)穩定🥰在🛀0.4%左右(you),45°渦輪在0.5%左右(yòu),而35°葉輪流量(liang)計誤差曲😘線(xiàn)存在較大波(bō)動,而且最大(da)誤差超過0.8%，計(jì)量精度較差(cha)。
3.2.3壓力損失
　　如(rú)圖所示，35°渦輪(lún)流量計的最(zui)大壓損達到(dào)了3500Pa以上，而🐆55°渦(wō)輪則隻有1500Pa左(zuo)右,可明顯看(kan)出55°葉輪的過(guo)流性最好，壓(yā)力損失相比(bǐ)其他兩種角(jiao)度的渦輪最(zui)小。
 
4結束語
　　采(cǎi)用實驗檢定(ding)的方法對螺(luo)旋升角爲359.45°和(hé)55°的DN150氣體渦輪(lún)流量計進行(hang)了實驗對比(bi)分析,實驗數(shù)據表明葉片(piàn)螺👉旋角度直(zhi)接影響儀❄️表(biǎo)的性能參數(shu)。其中，35°渦輪流(liu)量計存在着(zhe)儀表系數不(bu)穩定、壓力損(sǔn)失大以及精(jing)度差等弊端(duan)，建議🏒不在産(chǎn)品中應用;45°渦(wo)輪流量計㊙️,儀(yi)表系數曲線(xiàn)呈現良好的(de)線性特征，但(dan)壓力損失💛與(yǔ)55°渦輪相比較(jiao)✌️大;55°渦輪流量(liàng)計儀表系數(shu)穩定👄、壓力💰損(sun)失小,精度較(jiao)高，比較适🍉合(he)對壓力損失(shī)和精度要求(qiu)❓較高的工況(kuàng)。此外,實驗結(jié)果表明對👣葉(ye)片螺旋角的(de)進-一步優化(huà)能明顯改善(shan)儀表性能。

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