摘要:在分析氣(qi)體渦輪流量計(jì) 結構和數學模(mó)型的基礎上,針(zhēn)對渦輪葉片螺(luó)旋升角對儀表(biao)性能的影響,以(yǐ)安裝35°.45°和55°三種不(bu)同葉片螺旋升(sheng)角渦🏃輪的DN150型氣(qì)體渦輪流量計(ji)作爲實驗對象(xiang),搭建儀表負壓(yā)🐇檢測平台,分别(bié)對儀表系數、壓(yā)力損失和計量(liàng)精度進行實驗(yan)檢定🍉與對比分(fen)析。實驗結🌏果表(biǎo)明，合理設計渦(wō)輪葉片螺旋升(shēng)角能顯著改善(shan)氣體渦輪流量(liàng)計的性能,爲葉(yè)片螺旋升角進(jìn)🐕一步優化及其(qí)對儀表性能影(yǐng)響規律的研究(jiu)提供了實驗☂️基(ji)礎。
0引言
　　氣體渦(wo)輪流量計是計(jì)量天然氣、氧氣(qì)、氮氣、液化氣、煤(méi)👈氣等氣體介質(zhì)的速度式計量(liang)儀表,如圖1所示(shi)。
 
　　将(jiāng)渦輪置于被測(cè)的氣體介質中(zhong)，當氣體流經流(liú)量計時,在🏃‍♀️導流(liú)器的作用下被(bèi)整流并加速，由(you)于渦輪的葉片(pian)與流過的氣🆚體(ti)之間存在一定(dìng)夾角,氣體對渦(wō)輪産生轉動力(li)矩，使🌈渦輪克服(fú)機械摩擦阻力(li)矩、氣體流動阻(zu)力矩和電磁阻(zǔ)力矩而旋轉,在(zài)-定的流📧量範圍(wéi)内，渦輪的角速(sù)度和通過渦輪(lún)的流量成正🥰比(bǐ)。渦輪的旋轉帶(dai)動脈沖發生器(qi)旋轉,産生的脈(mò)沖信号由傳感(gǎn)器送入智能積(jī)算儀進行換算(suan)得到氣體♋介質(zhì)的瞬時流量🈲和(hé)累積流量。其主(zhu)要性能指标有(yǒu)始動流量、儀表(biǎo)系數🚩、壓力損失(shī)和計量精度。
　　近(jìn)年來旨在提高(gao)儀表性能的研(yan)究主要圍繞前(qian)、後導流裝♌置和(hé)渦輪等關鍵部(bu)件的結構和型(xíng)式開展。劉正先(xian)等⭕通過實驗分(fèn)析,提出改進前(qián)、後導流器結⁉️構(gòu)能明顯減少儀(yi)表的壓力損失(shī),改善儀表系數(shu)的線性度,而葉(yè)片數量的增減(jian)對流量計壓力(lì)損失的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻影響可(kě)以忽略不計，但(dan)葉片數量的增(zēng)㊙️加可明顯改善(shàn)始動流量🤞,提高(gāo)儀表靈敏度,但(dan)數量過多會使(shǐ)重疊度增大,儀(yí)表性能急劇👄惡(e)化;鄭建梅等對(duì)渦輪的材料和(hé)渦輪軸承進⁉️行(háng)了改進,改善了(le)儀表系數的穩(wěn)定性!7;LIZ等🛀🏻利用CFD技(jì)術與實驗相結(jié)合驗證了對整(zheng)流器的優化設(she)計能有效減少(shao)壓力損失[8]。在上(shàng)述研究中,還未(wèi)涉及針對渦輪(lun)葉片螺旋升角(jiao)對儀表性能的(de)探讨。本文利用(yòng)儀表負🌏壓檢🔞定(dìng)平台,對3種不同(tóng)葉片螺旋升角(jiǎo)的DN150型氣體渦輪(lun)流量計進行㊙️了(le)實驗對💋比分析(xi),爲改善❓儀表性(xing)能和葉片螺旋(xuan)升角的優化🌏提(tí)供實驗依據。
1數(shù)學模型與渦輪(lún)參數選擇
1.1數學(xué)模型
　　氣體渦輪(lún)流量計的數學(xue)模型是根據力(lì)矩平衡原理建(jian)立起來✨的,主要(yao)揭示流量計輸(shū)出脈沖和流量(liàng)🥵之間的内在關(guān)系,其計算公式(shì)爲：
 
　　式中:K爲儀表(biǎo)系數;ƒ爲脈沖頻(pín)率，Hz;qv爲體積流量(liang),m³/s;Z.
　　爲渦輪葉片數(shu);θ爲葉片結構角(jiǎo);r爲渦輪中徑,m;A爲(wèi)流通面爲🔆流體(tǐ)✨阻力矩,N.m。
　　其中,機(jī)械摩擦阻力矩(jǔ)Trm在流量一定時(shí)隻與軸承和軸(zhóu)🏒的🌍選型✊設計有(you)關,流體阻力矩(jǔ)Trf與流體流動狀(zhuang)态有關，這兩個(ge)力矩在此不做(zuò)詳細介紹。當被(bèi)測介質--定時，儀(yi)表系數與葉片(piàn)🈲數量葉片角度(dù)和中徑有關😍,所(suǒ)以設計合理的(de)渦輪結構形式(shi)對改善♈儀表性(xìng)能🌍有重要意義(yi)。
1.2渦輪結構參數(shù)選擇
　　渦輪結構(gòu)有焊接式和整(zhěng)體式，焊接式渦(wo)輪将葉片和💔輪(lun)🌈毂🌍焊🏃🏻接,整體式(shì)渦輪利用技術(shu)和數控加工技(ji)術直接加工成(cheng)型。葉片型🔞式主(zhu)要有平闆式和(hé)螺旋🌂式,平闆式(shì)葉片主要應用(yong)于大🌂外徑焊㊙️接(jie)式渦輪,而螺旋(xuan)式葉片應用較(jiao)爲廣泛;材料主(zhǔ)要有鋁合金和(he)不鏽鋼,鋁合金(jin)與不鏽鋼相比(bǐ)具有自重較輕(qīng),工藝性好等特(te)點🔴;渦輪平均直(zhi)徑受流量計流(liu)通管💔徑即型号(hào)的限制，可作爲(wei)定參數處理;葉(ye)片數量選取主(zhu)要考慮重疊度(dù)對儀表性能的(de)影響,-般取13~20;葉片(pian)角度直接影響(xiang)氣體介質對其(qi)産生驅動轉矩(ju)的大小,氣體介(jie)質對渦輪的驅(qū)動轉矩公式爲(wei)
 
　　式中:Td爲驅動力(lì)矩,N·m;ƒd爲周向驅動(dòng)力,N;u1爲介質人口(kou)速度,m/s;ɷ爲渦輪角(jiǎo)速度,rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整體式(shi)葉輪結構,螺旋(xuan)型葉片，葉片數(shu)量爲㊙️20。對于螺旋(xuan)型葉片,需要确(que)定葉片的螺旋(xuán)角，根據式(2),要得(dé)到最🛀大推動力(lì)矩，葉片螺旋角(jiao)應爲45°,但力矩公(gōng)式是根據.葉栅(shan)繞流計算得到(dào),難免會和實際(ji)工況有所偏差(cha)。參考常用葉片(piàn)角度,選取35°.45°和55螺(luó)旋升角渦輪作(zuo)爲實驗對象，渦(wo)輪結構參數如(ru)圖2所示。
 
2實(shi)驗平台搭建
2.1檢(jiǎn)定裝置與實驗(yàn)原理
　　流量計的(de)檢定采用負壓(yā)智能儀表測量(liàng)系統,系統框圖(tú)如圖3所🔴示,主要(yao)包括硬件和軟(ruǎn)件兩部分。硬件(jiàn)🚩包括标準吸風(fēng)裝置、德萊塞羅(luó)茨氣體流量計(ji)、穩壓👈罐和直管(guan)道組成，而軟👄件(jian)是自行開發的(de)智能型流量計(ji)檢測程序,各組(zu)成部分具體參(can)數如表1所示。
 
　　由(you)标準吸風裝置(zhi)産生負壓使标(biāo)準德萊塞羅茨(cí)流量計和㊙️氣體(ti)❌渦輪流量計被(bèi)同時過流,直管(guǎn)段使進人檢定(dìng)儀❗表的氣體爲(wèi)充分發展的湍(tuan)流;穩壓罐補償(cháng)通過氣體渦輪(lun)流量☎️計後的氣(qi)體壓損。智能流(liu)量檢測程序接(jiē)收來自兩個儀(yi)表的輸出信号(hào)，通過渦🈲輪流量(liang)計輸出的脈沖(chòng)數與累積流量(liang)來計算儀表🔞系(xì)數,通過對比.相(xiàng)同數據采集點(dian)處标準羅茨流(liu)量計的輸出可(ke)獲得精度誤差(cha)安裝在氣體渦(wō)輪流量計取壓(ya)口處的U型管可(ke)以測量進、出口(kou)🍓處的壓力,從🌈而(ér)得到儀表的壓(yā)力損失。
 
2.2實驗流(liu)程
　　自開始測量(liàng)時刻起，,選取50~1300m³/h範(fàn)圍内6個流量監(jiān)測點。在每個流(liú)量監測點随機(ji)采集3個不同時(shí)刻的數據,包括(kuo)某一時刻标準(zhun)羅茨流量計和(he)氣體渦輪流量(liang)計的累積流量(liang)及其輸出脈沖(chong)數。檢測程💃序對(dui)這些數據進行(háng)處理獲得流量(liang)計系數和基本(ben)誤差。監測每一(yī)-流量點處U型管(guǎn)壓差裝置的指(zhi)示值,獲得不同(tong)監測點處的壓(ya)㊙️力損失,檢定現(xiàn)場如圖4所示。
 
3實驗測量與數(shù)據對比分析
3.1實(shi)驗測量
　　利用上(shàng)述實驗方法,分(fèn)别對安裝35°、45°和559渦(wo)輪的流量計進(jin)行🎯了實驗檢定(dìng),表2列出了安裝(zhuāng)35°葉片螺旋升角(jiǎo)表🈲渦輪流量計(jì)的檢定♋數據,平(ping)均流量是随機(ji)設定标🎯準吸風(feng)裝置的輸出流(liu)量,平均系數和(hé)🌈誤差按公式(3)和(hé)(4)計算。
 
　　表3列出了(le)安裝3種不同螺(luó)旋角渦輪流量(liàng)計在儀表取壓(ya)口處的壓力損(sun)失。
 
 
3.2數據對比分(fen)析
　　對實驗數據(ju)進行二次多項(xiàng)式插值獲得20組(zu)數據點,對數據(jù)點進行拟合得(dé)到各方案在檢(jian)測流量範圍内(nèi)的儀表系數✔️曲(qu)線、 誤差曲線和(he)壓力損失曲線(xian)。
3.2.1儀表系數
　　如圖(tu)5所示,采用螺旋(xuán)升角爲35°渦輪的(de)流量計的儀表(biǎo)系數🐪曲🏃‍♂️線♊在工(gong)作區内波動較(jiào)大,對儀表計量(liàng)的穩定性♈産生(shēng)很大👨‍❤️‍👨的負面影(ying)響。而45°和55°的渦輪(lun)流量計的儀表(biao)系數曲線在工(gōng)作♈區内波動較(jiào)小㊙️,線性度較理(lǐ)想，儀表在工作(zuò)區内的計量穩(wen)定性較好。
3.2.2計量(liàng)精度
　　如圖6所示(shì),采用螺旋升角(jiǎo)爲55°渦輪的流量(liang)計誤差基本穩(wen)定在0.4%左右,45°渦輪(lún)在0.5%左右,而35°葉輪(lún)流量計誤差曲(qu)線存在較大波(bō)動,而且最大誤(wu)差超過0.8%，計量精(jing)度較差。
3.2.3壓力損(sun)失
　　如圖所示，35°渦(wo)輪流量計的最(zuì)大壓損達到了(le)3500Pa以上，而55°渦輪♈則(ze)隻有1500Pa左右,可明(ming)顯看出55°葉輪的(de)過流性最好，壓(yā)力損失💃相比其(qí)他兩種💛角度的(de)渦輪最小。
 
4結束(shù)語
　　采用實驗檢(jian)定的方法對螺(luó)旋升角爲359.45°和55°的(de)DN150氣體渦輪流🈲量(liang)⛱️計⭐進行了實驗(yan)對比分析,實驗(yan)數據表明葉片(pian)螺旋角度直接(jie)影響儀表的性(xing)能參數。其中，35°渦(wo)輪流量計存在(zài)着💚儀表系數不(bú)穩定、壓力損失(shī)大以及精度差(chà)等弊端，建議不(bu)在産品中應用(yòng);45°渦輪流量計,儀(yi)表系數曲📐線呈(cheng)現良好的線性(xing)特征🙇🏻，但壓力損(sǔn)失與55°渦輪相比(bǐ)較🔅大;55°渦輪流量(liàng)計儀表系數穩(wen)定、壓力損失小(xiǎo),精🐪度較高，比較(jiào)适合對壓力損(sǔn)失和精度要🏃‍♂️求(qiú)較高的工況。此(cǐ)外㊙️,實驗結果表(biao)明對葉片螺旋(xuán)角的進-一步優(yōu)化能明顯😍改善(shan)儀表性能。

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