摘要:在分(fèn)析氣體渦(wō)輪流量計(ji) 結構和數(shù)學模型的(de)基礎上,針(zhēn)對渦輪葉(yè)片螺旋升(shēng)角對儀表(biao)性能的影(ying)響,以安裝(zhuāng)35°、45°和55°三種不(bú)同葉片螺(luó)旋升🌐角渦(wō)輪的DN150型氣(qi)體渦輪流(liu)量計作爲(wèi)實驗對象(xiàng),搭建儀表(biǎo)負壓檢測(cè)平😘台,分别(bie)對儀表系(xì)數、壓力損(sun)失和計量(liang)精度進行(hang)實驗檢定(ding)與對比分(fèn)析。實驗結(jié)🔞果表明,合(hé)理設計渦(wō)輪葉片螺(luo)旋升角能(neng)顯著改善(shan)🍓氣體渦輪(lún)流量計的(de)性能,爲葉(yè)片螺旋升(shēng)角進一步(bu)優化及其(qí)對儀表性(xing)能影響規(gui)律的研究(jiū)提供了實(shi)驗基礎。
0引(yǐn)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(děng)氣體⁉️介質(zhì)的速度式(shì)計量儀表(biǎo)1-2],如圖1所示(shi)。
 
　　将渦輪(lun)置于被測(ce)的氣體介(jiè)質中,當氣(qi)體流經流(liú)量計時,在(zai)導流器的(de)作用下被(bei)整流并加(jia)速,由于渦(wo)輪的葉片(pian)與流過的(de)氣體之間(jian)存在--定夾(jia)角,氣體對(duì)渦🧡輪産生(sheng)轉動力💋矩(ju),使渦輪克(kè)服機械摩(mó)擦阻力矩(ju)、氣體流動(dòng)阻力矩和(hé)電✊磁阻力(li)矩而旋轉(zhuan),在🐅--定的流(liú)量範圍内(nei),渦輪的角(jiao)速度和通(tong)過渦輪的(de)流量成正(zheng)比。渦輪的(de)旋轉帶動(dòng)脈沖發生(shēng)器旋轉,産(chǎn)生的脈沖(chòng)信号由傳(chuan)感器送人(rén)智能積算(suàn)儀進行換(huàn)算得到氣(qì)體介質的(de)瞬時流量(liàng)和累積流(liu)量。
　　其主要(yào)性能指标(biāo)有始動流(liú)量、儀表系(xi)數、壓力損(sǔn)失👅和💛計量(liàng)精度。
　　近年(nián)來旨在提(ti)高儀表性(xing)能的研究(jiū)主要圍繞(rào)前、後導流(liu)☂️裝💚置☀️和渦(wo)輪等關鍵(jiàn)部件的結(jie)構和型式(shi)開展。劉正(zhèng)先等通過(guò)實驗分析(xī)🏃🏻,提出改進(jin)前、後導流(liú)器結構能(neng)明顯減少(shao)儀表的壓(ya)力損失,改(gai)善儀表系(xì)數的線性(xìng)度,而⛹🏻‍♀️葉片(pian)數量☔的增(zeng)減對流量(liang)計壓👨‍❤️‍👨力損(sun)失的影響(xiǎng)可以忽略(lue)不計,但葉(yè)片數量的(de)增加可明(míng)顯改善始(shi)動流量,提(ti)高儀表靈(ling)敏度,但數(shu)量過多會(huì)使重疊度(du)增大,儀表(biǎo)性‼️能急劇(ju)惡化[4-6];鄭建(jian)梅等對渦(wō)輪的材料(liao)和渦輪軸(zhóu)承進行了(le)改進,改善(shan)了儀表系(xi)數的穩定(ding)性”;lIZ等💃🏻利用(yòng)CFD技術與實(shi)驗相🌍結合(he)驗證了對(dui)整流🐇器的(de)優化設計(ji)能有效減(jian)少壓力損(sǔn)失[8]。在上述(shù)研究中，還(hái)未涉及針(zhēn)對渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角對儀表(biao)性能👨‍❤️‍👨的探(tan)讨。本文利(lì)用儀表負(fu)壓檢定平(píng)台,對3種不(bú)同葉片螺(luo)旋升🎯角的(de)DN150型氣體渦(wo)輪流量計(jì)進行🏃‍♂️了實(shi)驗對🔞比分(fèn)析,爲改善(shan)儀表🛀🏻性能(neng)和葉片螺(luo)旋升角的(de)優化提供(gong)實驗依據(jù)。
1數學模型(xing)與渦輪參(cān)數選擇
1.1數(shu)學模型
　　氣(qì)體渦輪流(liu)量計的數(shu)學模型是(shi)根據力矩(ju)平衡原理(lǐ)建😄立起來(lai)的,主要揭(jie)示流量計(jì)輸出脈沖(chong)和流量之(zhi)間的内🔱在(zài)關系,其計(jì)算📞公式爲(wèi)：
 
　　式中:K爲儀(yí)表系數;f爲(wei)脈沖頻率(lǜ),Hz;q,爲體積流(liu)量,m³/s;Z爲渦輪(lún)葉片數;θ爲(wèi)葉㊙️片結構(gòu)角;r爲渦輪(lún)中徑,m;A爲流(liu)通面爲流(liú)體阻力矩(jǔ),N.m。
　　其中,機械(xie)摩擦阻力(li)矩T.在流量(liang)-定時隻與(yu)軸承和軸(zhóu)的選型設(shè)計有關，流(liú)體阻力矩(jǔ)T與流體流(liú)動狀态有(yǒu)關,這兩個(ge)力矩在此(ci)🌈不做詳細(xi)介紹。當被(bèi)測介質--定(ding)時,儀表🐇系(xi)數與葉片(pian)數❓量、葉片(pian)👣角度和中(zhōng)徑有關，所(suǒ)以設計合(hé)理的渦輪(lún)結構形式(shi)對改善儀(yi)表性能有(yǒu)重要意義(yi)。
1.2渦輪結構(gou)參數選擇(zé)
　　渦輪結構(gou)有焊接式(shì)和整體式(shi),焊接式渦(wō)輪将葉片(pian)和輪💛毂焊(han)❗接,整體式(shi)渦輪利用(yòng)先進的CAD/CAM技(ji)術和數控(kòng)加工♻️技術(shù)直接加工(gong)成型。葉片(piàn)型式主要(yào)有平闆式(shi)和螺旋式(shì),平闆✌️式葉(ye)片主.要應(ying)用于大🈚外(wai)徑焊接式(shì)渦輪,而螺(luo)旋式葉片(piàn)應用較爲(wei)廣泛;材料(liào)🧡主要有鋁(lǚ)合金和不(bú)鏽鋼,鋁合(hé)金與不鏽(xiù)鋼相比具(jù)有自重較(jiào)輕,工藝性(xìng)好等特點(dian);渦輪平均(jun)直徑受流(liú)量計流通(tong)管徑即型(xíng)❓号的限制(zhi),可作🏃‍♀️爲定(ding)參數處理(li);葉片數量(liàng)選取主要(yao)考慮重疊(die)✌️度對儀表(biao)性能的影(ying)響,---般取13~20;葉(ye)片角度直(zhi)接影響氣(qi)體介質.對(duì)其産生驅(qu)動轉矩的(de)大小，氣體(tǐ)介質對渦(wō)輪的驅動(dòng)轉矩公式(shì)爲
 
　　式中:Td爲(wèi)驅動力矩(ju),N.m;fd爲周向驅(qu)動力,N;u1爲介(jie)質入口速(sù)度,m/s;ɷ爲渦輪(lun)💁角速度,rad/s。
　　綜(zong)上述所述(shù),采用整體(tǐ)式葉輪結(jié)構,螺旋型(xíng)葉片，葉片(pian)數量⚽爲20。對(dui)于螺旋型(xing)葉片,需要(yào)确定葉片(pian)的螺旋角(jiao),根據式(2),要(yào)得到最大(da)推動力矩(ju),葉片螺旋(xuán)角應爲45°,但(dan)力矩🐪公式(shì)是根據葉(ye)栅繞流計(jì)算得到,難(nán)免會和🔱實(shi)際工況有(you)所偏差。參(can)考常用葉(yè)片角度,選(xuǎn)取35°.45°和55°螺旋(xuan)升角渦輪(lun)作爲實驗(yàn)對象,渦輪(lún)結構參數(shu)如圖2所示(shì)。
 
2實(shi)驗平台搭(da)建
2.1檢定裝(zhuāng)置與實驗(yàn)原理
　　流量(liang)計的檢定(dìng)采用負壓(yā)智能儀表(biao)測量系統(tong)，系統框♍圖(tú)如圖💰3所🌐示(shi)，主要包括(kuo)硬件和軟(ruǎn)件兩部分(fen)。硬件包括(kuò)🤞标準吸風(feng)裝置、德萊(lai)塞羅茨氣(qì)體流量計(jì)穩壓罐和(hé)直管道組(zǔ)成,而軟件(jiàn)是自行開(kai)發的智能(néng)型流量計(jì)檢測程序(xù),各組成部(bu)分具👅體參(can)數如表1所(suo)示。
 
　　由标準(zhǔn)吸風裝置(zhì)産生負壓(yā)使标準德(dé)萊塞羅茨(ci)流量計和(he)氣體渦輪(lun)流量計被(bèi)同時過流(liu),直管段使(shi)進入檢❗定(dìng)儀表的氣(qi)體爲充分(fèn)發展的湍(tuān)流;穩壓罐(guan)補🤟償通過(guò)🏃氣體渦輪(lun)流量👣計後(hou)的⛷️氣體壓(ya)損。智能流(liu)量檢測程(chéng)序接收來(lai)自兩個儀(yí)表的輸出(chū)信号，通過(guò)渦📱輪流量(liàng)計輸出的(de)脈沖數與(yǔ)累積流量(liang)💞來計算儀(yí)表系數,通(tōng)過對比相(xiang)同數據采(cai)集點處标(biāo)準羅茨流(liú)量㊙️計的輸(shū)出😍可獲得(de)正确率🏃誤(wù)差安裝🏃🏻在(zài)氣體渦輪(lun)流量✌️計取(qu)壓口處的(de)U型☔管可以(yǐ)測量進、出(chu)口處的壓(ya)力,從而得(de)到儀表的(de)壓力損失(shi)。
 
2.2實驗流程(chéng)
　　自開始測(cè)量時刻起(qǐ),選取50~1300m³/h範圍(wei)内6個流量(liàng)監測點。在(zai)每個流量(liang)監測點随(suí)機采集3個(ge)不同時刻(ke)的數據,包(bāo)括某一時(shi)刻标準羅(luó)茨流量計(ji)和氣體渦(wō)輪流量計(ji)的累積流(liú)量及其輸(shū)出脈沖數(shù)。檢測程序(xù)對這些數(shù)據進行處(chù)理獲得流(liu)量計系數(shù)和基本誤(wù)差。監測每(mei)一-流量點(diǎn)處🚶U型管壓(ya)差裝置的(de)指示值，獲(huò)得不同監(jian)測點處的(de)壓力損失(shi)，檢定現場(chǎng)如圖4所示(shi)。
 
3實驗測量(liàng)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55°渦輪的(de)流量計🐕進(jìn)行✔️了實驗(yan)💞檢定,表2列(lie)出了安裝(zhuāng)35°葉片螺旋(xuán)升角表❄️渦(wo)輪🛀流量計(ji)的檢定數(shu)據,平均流(liu)量是随機(jī)設定标準(zhǔn)吸風裝置(zhì)的輸出流(liú)量,平均系(xi)數和誤差(cha)按公式(3)和(hé)(4)計算。
 
　　表3列(lie)出了安裝(zhuang)3種不同螺(luó)旋角渦輪(lun)流量計在(zài)儀表取壓(ya)🔆口處的👉壓(yā)力損失。
 
注(zhu):儀表系數(shu)K=899.06m-3;基本誤差(cha)爲0.841%;大氣壓(ya)力爲102.40kPa;環境(jìng)濕度爲45%。
 
3.2數(shù)據對比分(fèn)析
　　對實驗(yàn)數據進行(hang)二次多項(xiàng)式插值獲(huo)得20組數據(ju)點,對數據(jù)🐇點㊙️進行拟(nǐ)合得到各(ge)方案在檢(jiǎn)測流量範(fàn)圍内的儀(yí)表系數曲(qu)線、誤差曲(qǔ)線和壓力(li)損失曲線(xiàn)。
3.2.1儀表系數(shu)
　　如圖5所示(shì),采用螺旋(xuán)升角爲35°渦(wō)輪的流量(liang)計的儀表(biǎo)系數🍓曲㊙️線(xiàn)在工作區(qu)内波動較(jiào)大,對儀表(biao)計量的穩(wěn)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(shù)曲線🈚在工(gōng)作區内波(bō)動較小，線(xian)性度較理(lǐ)🔞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(dù)
　　如圖6所示(shi),采用螺旋(xuán)升角爲55°渦(wō)輪的流量(liàng)計誤差基(jī)本🐪穩定在(zài)0.4%左右,45渦輪(lun)在0.5%左右,而(ér)35°葉輪流量(liàng)計誤差曲(qu)線存在較(jiao)大波動,而(ér)且最大誤(wù)差超過0.8%,計(ji)量精度較(jiào)差。
3.2.3壓力損(sǔn)失
　　如圖7所(suo)示,35°渦輪流(liú)量計的最(zuì)大壓損達(dá)到了3500Pa以上(shàng)，而55°渦輪則(ze)隻🌈有1500Pa左右(yòu),可明顯看(kan)出55°葉輪的(de)過流性最(zui)好.壓力損(sǔn)失相比⁉️其(qí)他兩種角(jiao)度的渦輪(lún)最小。
 
4結束(shù)語
　　采用實(shí)驗檢定的(de)方法對螺(luo)旋升角爲(wei)35°.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(yàn)數據表明(ming)葉片螺旋(xuán)角度直接(jie)影響儀表(biǎo)的性能參(can)數。其中，35°渦(wō)輪流量計(ji)存在着儀(yí)表系數不(bu)穩定、壓力(lì)損失大以(yǐ)及精度差(chà)等弊端，建(jiàn)議不在産(chǎn)品😘中應用(yong);45°渦輪流量(liang)計,儀表系(xì)數曲線呈(chéng)現良好㊙️的(de)線性特征(zhēng),但壓力損(sǔn)失與55°渦輪(lun)相比📞較😘大(da);559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(dù)要求較高(gāo)的工況。此(cǐ)外♍,實驗結(jié)果表明對(dui)葉❗片螺旋(xuán)角的進一(yī)-步💰優化能(neng)明顯改善(shàn)儀表性能(neng)。

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