摘要:在(zai)分析氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji) 結構和(he)數學模(mo)型的基(ji)礎上,針(zhen)對渦輪(lun)葉片螺(luo)旋升角(jiao)對儀表(biao)性能的(de)影響,以(yi)安裝35°.45°和(he)55°三種不(bu)同葉片(pian)螺旋升(sheng)🤟角渦輪(lun)的DN150型氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)作爲實(shi)驗對象(xiang),搭建儀(yi)表負壓(ya)檢測平(ping)台,分别(bie)對儀表(biao)系數、壓(ya)力損失(shi)和計量(liang)精度進(jin)行實驗(yan)檢定🚶‍♀️與(yu)對比分(fen)析。實驗(yan)結🔞果表(biao)明，合理(li)設計渦(wo)輪葉片(pian)螺旋升(sheng)角能顯(xian)著改善(shan)氣體渦(wo)輪流量(liang)計的性(xing)能,爲葉(ye)片螺旋(xuan)升角進(jin)一步優(you)化及其(qi)對儀表(biao)性能影(ying)‼️響規律(lü)的研究(jiu)提供了(le)實驗基(ji)礎。
0引言(yan)
　　氣體渦(wo)輪流量(liang)計是計(ji)量天然(ran)氣、氧氣(qi)、氮氣、液(ye)化氣🈚、煤(mei)氣等氣(qi)體介質(zhi)的速度(du)式計量(liang)儀表,如(ru)圖1所示(shi)。
 
　　将(jiang)渦輪置(zhi)于被測(ce)的氣體(ti)介質中(zhong)，當氣體(ti)流經流(liu)量計時(shi),在導流(liu)器的作(zuo)用下被(bei)整流并(bing)加速，由(you)于渦輪(lun)的葉片(pian)與流過(guo)的氣體(ti)之㊙️間存(cun)在一定(ding)夾角,氣(qi)體對渦(wo)輪産生(sheng)轉動力(li)矩，使渦(wo)輪克服(fu)機械㊙️摩(mo)擦阻力(li)矩🛀🏻、氣體(ti)流動🎯阻(zu)力矩和(he)電磁阻(zu)力矩而(er)旋轉🈲,在(zai)-定的流(liu)🛀量範圍(wei)内，渦🐪輪(lun)的角速(su)度和通(tong)過渦輪(lun)的流量(liang)成正比(bi)。渦輪的(de)旋🏃‍♀️轉帶(dai)動脈沖(chong)發生器(qi)旋轉,産(chan)生的脈(mo)沖信号(hao)由傳感(gan)器送入(ru)智能積(ji)算儀進(jin)行換算(suan)得到氣(qi)體介質(zhi)的瞬時(shi)流量🤟和(he)累積流(liu)量。其主(zhu)要性能(neng)指标有(you)始動流(liu)量、儀表(biao)系數、壓(ya)力損失(shi)和計量(liang)精度🔞。
　　近(jin)年來旨(zhi)在提高(gao)儀表性(xing)能的研(yan)究主要(yao)圍繞前(qian)、後導流(liu)裝置✍️和(he)🔞渦輪等(deng)關鍵部(bu)件的結(jie)構和型(xing)式開展(zhan)。劉正先(xian)等通過(guo)實驗分(fen)析,提出(chu)改進前(qian)、後導流(liu)器結構(gou)能明顯(xian)減少⭕儀(yi)表的🙇‍♀️壓(ya)力損失(shi),改善☀️儀(yi)表系數(shu)的線性(xing)度,而葉(ye)片數量(liang)的增減(jian)對流量(liang)計壓力(li)損失的(de)影響可(ke)以忽略(lue)不計，但(dan)葉♋片數(shu)量的增(zeng)加可明(ming)顯改✔️善(shan)始動流(liu)量,提高(gao)儀表靈(ling)敏度,但(dan)數量過(guo)多會✂️使(shi)重疊度(du)增大,儀(yi)表性能(neng)急劇惡(e)化;鄭建(jian)梅等對(dui)渦輪的(de)材料和(he)渦輪軸(zhou)承進行(hang)了改進(jin),改善了(le)儀表系(xi)數的穩(wen)定性!7;LIZ等(deng)利用CFD技(ji)術與實(shi)驗相結(jie)合驗證(zheng)了對整(zheng)流器的(de)優化設(she)計能有(you)效減少(shao)壓力損(sun)失[8]。在上(shang)述研究(jiu)中,還未(wei)涉及針(zhen)對渦輪(lun)葉🚶‍♀️片螺(luo)旋升角(jiao)對儀表(biao)性能㊙️的(de)探讨。本(ben)文利用(yong)儀表負(fu)壓檢定(ding)平台,對(dui)3種不同(tong)葉片螺(luo)旋升角(jiao)的DN150型氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)進行了(le)實驗對(dui)比分析(xi),爲改善(shan)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(shu)學模型(xing)與渦輪(lun)參數選(xuan)擇
1.1數學(xue)模型
　　氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的數學(xue)模型是(shi)根據力(li)矩平衡(heng)原☀️理建(jian)立起來(lai)的,主要(yao)揭示流(liu)量計輸(shu)出脈沖(chong)和流量(liang)之間⛷️的(de)内在關(guan)系,其計(ji)算❗公式(shi)爲：
 
　　式中(zhong):K爲儀表(biao)系數;ƒ爲(wei)脈沖頻(pin)率，Hz;qv爲體(ti)積流量(liang),m³/s;Z.
　　爲渦輪(lun)葉片數(shu);θ爲葉片(pian)結構角(jiao);r爲渦輪(lun)中徑,m;A爲(wei)流通面(mian)爲流體(ti)阻力矩(ju),N.m。
　　其中,機(ji)械摩擦(ca)阻力矩(ju)Trm在流量(liang)一定時(shi)隻與軸(zhou)承和軸(zhou)的選型(xing)設計有(you)關,流體(ti)阻力矩(ju)Trf與流體(ti)流動狀(zhuang)态有關(guan)👄，這兩個(ge)力矩在(zai)此不做(zuo)詳細介(jie)紹。當被(bei)測介質(zhi)--定時，儀(yi)表系數(shu)與葉片(pian)數量葉(ye)片角度(du)和中徑(jing)有關,所(suo)以設計(ji)合理的(de)渦輪結(jie)構形式(shi)對改善(shan)儀表性(xing)能有重(zhong)要意義(yi)📐。
1.2渦輪結(jie)構參數(shu)選擇
　　渦(wo)輪結構(gou)有焊接(jie)式和整(zheng)體式，焊(han)接式渦(wo)輪将葉(ye)片和輪(lun)毂焊💋接(jie),整體式(shi)渦輪利(li)用技術(shu)和數控(kong)加工技(ji)術直接(jie)加工成(cheng)型。葉💚片(pian)型式主(zhu)要有平(ping)闆式和(he)螺旋式(shi),平闆式(shi)葉片♍主(zhu)要應用(yong)于大外(wai)徑焊⛱️接(jie)式渦輪(lun),而螺旋(xuan)式葉片(pian)應用較(jiao)爲廣泛(fan);材料主(zhu)要有鋁(lü)合金和(he)㊙️不鏽鋼(gang),鋁合金(jin)與不鏽(xiu)鋼🌈相比(bi)具有自(zi)重較輕(qing),工藝性(xing)好等特(te)點;渦輪(lun)平均直(zhi)徑受流(liu)量計流(liu)通管徑(jing)即型号(hao)的限制(zhi)，可作爲(wei)定參👅數(shu)處理;葉(ye)🌍片數量(liang)選取主(zhu)要考慮(lü)重疊度(du)對儀表(biao)性能的(de)影響,-般(ban)取13~20;葉片(pian)角度直(zhi)接影響(xiang)氣體介(jie)質對其(qi)産生驅(qu)動轉矩(ju)的大小(xiao),氣體介(jie)質對渦(wo)輪的驅(qu)動轉🍓矩(ju)公式爲(wei)
 
　　式中:Td爲(wei)驅動力(li)矩,N·m;ƒd爲周(zhou)向驅動(dong)力,N;u1爲介(jie)質人口(kou)速度❗,m/s;ɷ爲(wei)渦輪角(jiao)速🈚度,rad/s。
　　綜(zong)上述所(suo)述,采用(yong)整體式(shi)葉輪結(jie)構,螺旋(xuan)型葉片(pian)，葉片數(shu)量爲20。對(dui)于螺旋(xuan)型葉片(pian),需要确(que)定葉片(pian)的螺旋(xuan)角，根據(ju)式(2),要得(de)到最大(da)推⭐動力(li)矩，葉片(pian)螺旋角(jiao)應爲45°,但(dan)力矩公(gong)式是根(gen)據.葉㊙️栅(shan)繞流計(ji)算得到(dao),難免會(hui)和實際(ji)工況有(you)所偏差(cha)。參考常(chang)用葉片(pian)角度,選(xuan)取35°.45°和55螺(luo)旋升角(jiao)渦輪🌈作(zuo)爲實驗(yan)對象，渦(wo)輪結構(gou)參數如(ru)圖2所示(shi)。
 
2實(shi)驗平台(tai)搭建
2.1檢(jian)定裝置(zhi)與實驗(yan)原理
　　流(liu)量計的(de)檢定采(cai)用負壓(ya)智能儀(yi)表測量(liang)系統,系(xi)統⭐框圖(tu)💘如⛱️圖3所(suo)⁉️示,主要(yao)包括硬(ying)件和軟(ruan)件兩部(bu)分。硬件(jian)包括标(biao)準吸風(feng)🌈裝置、德(de)萊塞羅(luo)茨氣體(ti)流量計(ji)、穩壓罐(guan)和直管(guan)道組成(cheng)，而軟件(jian)是自行(hang)開發的(de)智能型(xing)流量計(ji)檢測程(cheng)序,各組(zu)⭐成部分(fen)具體參(can)數如表(biao)1所示。
 
　　由(you)标準吸(xi)風裝置(zhi)産生負(fu)壓使标(biao)準德萊(lai)塞羅茨(ci)流量❌計(ji)和氣❌體(ti)渦輪流(liu)量計被(bei)同時過(guo)流,直管(guan)段使進(jin)人檢定(ding)儀🏃‍♂️表的(de)氣體✉️爲(wei)充分發(fa)展的湍(tuan)流;穩壓(ya)罐補⛷️償(chang)通過氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)後的💜氣(qi)體壓損(sun)。智能流(liu)量檢測(ce)程序接(jie)收來自(zi)兩個儀(yi)表💋的輸(shu)出信号(hao)，通過渦(wo)❓輪流量(liang)計輸出(chu)的脈沖(chong)數🔴與累(lei)積流量(liang)來計算(suan)儀表系(xi)數,通過(guo)對比.相(xiang)同數據(ju)采集點(dian)處标準(zhun)羅茨流(liu)量計的(de)輸出可(ke)獲得精(jing)度誤差(cha)安裝在(zai)氣體渦(wo)輪流量(liang)計取壓(ya)口處的(de)U型管可(ke)以測量(liang)進、出口(kou)處🌈的壓(ya)力,從🍓而(er)得到儀(yi)表的壓(ya)力損失(shi)。
 
2.2實驗流(liu)程
　　自開(kai)始測量(liang)時刻起(qi)，,選取50~1300m³/h範(fan)圍内6個(ge)流量監(jian)測點。在(zai)每個流(liu)量監測(ce)點随機(ji)采集3個(ge)不同時(shi)刻的數(shu)據,包括(kuo)某一時(shi)刻标準(zhun)羅茨流(liu)量計和(he)氣體渦(wo)輪流量(liang)計🔞的累(lei)積流量(liang)及其輸(shu)出脈沖(chong)數🌈。檢測(ce)程序對(dui)這些數(shu)⭐據進行(hang)處㊙️理獲(huo)得流🎯量(liang)計系數(shu)♉和基本(ben)誤差。監(jian)測每❄️一(yi)-流量點(dian)處U型管(guan)壓差裝(zhuang)置的指(zhi)示值,獲(huo)得不同(tong)監🚶‍♀️測點(dian)處的壓(ya)力損失(shi),檢定現(xian)場✏️如圖(tu)4所示。
 
3實驗測(ce)量與數(shu)據對比(bi)分析
3.1實(shi)驗測量(liang)
　　利用上(shang)述實驗(yan)方法,分(fen)别對安(an)裝35°、45°和559渦(wo)輪的流(liu)量計進(jin)行了✏️實(shi)驗檢定(ding),表2列出(chu)了安裝(zhuang)35°葉片螺(luo)旋升角(jiao)表渦輪(lun)⭐流量計(ji)的💚檢定(ding)💁數據,平(ping)均流量(liang)是随機(ji)設定标(biao)準吸風(feng)裝置的(de)輸出流(liu)量,平均(jun)系數和(he)誤差按(an)公式(3)和(he)(4)計算。
 
　　表(biao)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(sun)失。
 
 
3.2數據(ju)對比分(fen)析
　　對實(shi)驗數據(ju)進行二(er)次多項(xiang)式插值(zhi)獲得20組(zu)數據點(dian),對數據(ju)點進行(hang)拟合得(de)到各方(fang)案在檢(jian)測流量(liang)範圍内(nei)的儀表(biao)♈系數♻️曲(qu)線、 誤差(cha)曲線和(he)壓力損(sun)失曲線(xian)。
3.2.1儀表系(xi)數
　　如圖(tu)5所示,采(cai)用螺旋(xuan)升角爲(wei)35°渦輪的(de)流量計(ji)的儀表(biao)系數曲(qu)線在🚶工(gong)作區内(nei)波動較(jiao)大,對儀(yi)表計量(liang)的穩定(ding)性産生(sheng)很大的(de)負面影(ying)響。而45°和(he)55°的渦輪(lun)流量計(ji)的儀表(biao)系數曲(qu)線🚶‍♀️在工(gong)作區内(nei)波動較(jiao)小❤️,線性(xing)度較理(li)想，儀表(biao)在🏃🏻工作(zuo)區内的(de)計量穩(wen)♍定性較(jiao)好。
3.2.2計量(liang)精度
　　如(ru)圖6所示(shi),采用螺(luo)旋升角(jiao)爲55°渦輪(lun)的流量(liang)計誤差(cha)基本穩(wen)🔴定在🤟0.4%左(zuo)右,45°渦輪(lun)在0.5%左右(you),而35°葉輪(lun)流量計(ji)誤差曲(qu)線存在(zai)較大波(bo)🛀🏻動,而且(qie)最大誤(wu)差超過(guo)0.8%，計量精(jing)度較差(cha)。
3.2.3壓力損(sun)失
　　如圖(tu)所示，35°渦(wo)輪流量(liang)計的最(zui)大壓損(sun)達到了(le)3500Pa以上，而(er)55°渦輪則(ze)隻有1500Pa左(zuo)右,可明(ming)顯看出(chu)55°葉輪的(de)過流性(xing)最好，壓(ya)力損失(shi)相比其(qi)他🔴兩種(zhong)角度的(de)渦輪最(zui)小。
 
4結束(shu)語
　　采用(yong)實驗檢(jian)定的方(fang)法對螺(luo)旋升角(jiao)爲359.45°和55°的(de)DN150氣體渦(wo)輪流量(liang)🏃🏻計進行(hang)了實驗(yan)對比分(fen)析,實驗(yan)數據表(biao)明葉💃🏻片(pian)螺旋角(jiao)度直接(jie)影響儀(yi)表的性(xing)能參數(shu)。其中，35°渦(wo)輪✨流量(liang)計存在(zai)着儀表(biao)系數不(bu)穩定、壓(ya)力損失(shi)大以及(ji)精度差(cha)等弊端(duan)，建議不(bu)在産品(pin)中應用(yong);45°渦輪流(liu)量計🌂,儀(yi)表系數(shu)曲線呈(cheng)現良好(hao)的線性(xing)特征，但(dan)壓力損(sun)失🔞與55°渦(wo)輪相比(bi)較大;55°渦(wo)輪流量(liang)計♊儀表(biao)系數穩(wen)定、壓力(li)🏃‍♀️損失小(xiao),精度較(jiao)高，比較(jiao)适合對(dui)壓力損(sun)失和精(jing)度要求(qiu)較高的(de)工況。此(ci)外♊,實驗(yan)結果表(biao)明對葉(ye)片螺旋(xuan)角的進(jin)-一步優(you)化能明(ming)顯改善(shan)儀表性(xing)能。

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