摘要:在分(fèn)析氣體渦(wo)輪流量計(ji)
結構和數(shu)學模型的(de)基礎上,針(zhēn)對渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角對儀表(biǎo)性能的影(ying)響,以安裝(zhuāng)35°.45°和55°三種不(bu)同葉片螺(luo)💋旋升♋角渦(wō)輪的DN150型氣(qi)體渦輪流(liú)量計作爲(wei)實驗對象(xiang),搭建儀表(biǎo)負壓檢測(ce)平❗台,分别(bié)對儀表⭐系(xi)數、壓力損(sǔn)失和計量(liang)精度進行(háng)實驗檢定(dìng)與對比分(fen)析。實驗結(jie)果表明，合(hé)理設計渦(wo)輪葉片螺(luó)旋升角能(neng)顯著改善(shan)☂️氣體渦輪(lun)流㊙️量計的(de)性能,爲葉(ye)片螺旋升(shēng)角進一步(bù)優化及其(qi)對儀表性(xìng)能影響規(gui)律的研究(jiū)提供了實(shí)驗基礎。
0引(yǐn)言
氣體渦(wō)輪流量計(ji)是計量天(tian)然氣、氧氣(qì)、氮氣、液化(huà)氣、煤氣等(děng)氣體介質(zhi)的速度式(shi)計量儀表(biao),如圖1所示(shi)。
将(jiāng)渦輪置于(yu)被測的氣(qì)體介質中(zhong)，當氣體流(liu)經流量💞計(jì)時,在導流(liu)器的作用(yòng)下被整流(liu)并加速，由(yóu)于渦輪的(de)葉片與流(liú)過的氣體(ti)之間存在(zài)一定夾角(jiǎo),氣體對渦(wo)輪産生轉(zhuan)動力矩，使(shǐ)渦輪克服(fu)機械摩擦(ca)阻力矩、氣(qi)體流動阻(zu)力矩和電(diàn)磁阻力矩(jǔ)而旋轉,在(zài)-定的流量(liang)範圍内，渦(wo)輪的角速(sù)度🐇和通過(guo)渦輪的流(liu)量成正比(bǐ)。渦輪的旋(xuan)轉帶動脈(mò)沖發生器(qi)旋轉,産生(sheng)的🏃♂️脈沖信(xìn)号由傳感(gan)器送入智(zhì)能積算儀(yí)進行換算(suàn)得到氣體(ti)介質的瞬(shùn)時流量和(he)累積流量(liang)。其主🔴要性(xìng)能指标有(you)始動流量(liang)、儀表系數(shu)、壓力損失(shi)和計量精(jing)度。
近年來(lái)旨在提高(gao)儀表性能(néng)的研究主(zhǔ)要圍繞前(qian)、後🧡導流⭐裝(zhuāng)置🏒和♌渦輪(lún)等關鍵部(bù)件的結構(gou)和型式開(kāi)展👨❤️👨。劉正⛱️先(xian)等💃🏻通過實(shí)驗分析,提(tí)出改進前(qián)、後導流器(qì)結構能明(míng)顯減少儀(yi)表的壓力(lì)損💁失,改善(shan)儀表系數(shu)的線性度(du),而葉片數(shu)量的增減(jiǎn)對流量計(ji)壓力損失(shī)的影響可(ke)以忽略不(bú)計，但葉片(piàn)數量的增(zeng)加可明顯(xian)改善始動(dòng)流量,提🈚高(gao)儀表靈敏(mǐn)度,但數量(liang)過多會使(shi)重疊度增(zēng)大,儀表性(xìng)能急劇🤞惡(e)化;鄭建梅(mei)等對渦輪(lún)的材料和(hé)渦輪軸承(cheng)進行了改(gǎi)進,改善了(le)儀表系數(shu)的穩定性(xing)!7;LIZ等利用CFD技(ji)術與實驗(yan)相結合驗(yàn)證了對✉️整(zhěng)流器的優(you)化設計能(neng)🍓有效減少(shǎo)壓力損失(shi)[8]。在上述研(yan)究✂️中,還未(wèi)涉及針對(dui)渦輪葉片(piàn)螺旋升角(jiao)對儀表性(xìng)能的探讨(tǎo)。本文利用(yòng)儀表負壓(yā)檢定平台(tái),對3種不同(tong)葉片螺旋(xuan)升角的DN150型(xíng)氣體渦輪(lún)流量計進(jìn)行了實驗(yan)對比分析(xī),爲改善📞儀(yi)表🆚性能和(he)葉片螺旋(xuan)升角的優(you)化🐪提供實(shí)驗依據。
1數(shu)學模型與(yu)渦輪參數(shù)選擇
1.1數學(xué)模型
氣體(tǐ)渦輪流量(liang)計的數學(xue)模型是根(gēn)據力矩平(ping)衡原👨❤️👨理🤞建(jian)⭕立起來的(de),主要揭示(shi)流量計輸(shū)出脈沖和(hé)流量之間(jiān)的内在關(guan)🐉系,其計算(suan)公式爲：
式(shi)中:K爲儀表(biao)系數;ƒ爲脈(mo)沖頻率，Hz;qv爲(wei)體積流量(liang),m³/s;Z.
爲渦輪葉(ye)片數;θ爲葉(ye)片結構角(jiao);r爲渦輪中(zhōng)徑,m;A爲流通(tōng)面爲流體(tǐ)阻力矩,N.m。
其(qi)中,機械摩(mó)擦阻力矩(ju)Trm在流量一(yi)定時隻與(yu)軸承和軸(zhóu)☁️的選型設(she)計有關,流(liu)體阻力矩(jǔ)Trf與流體流(liu)動狀态有(yǒu)關，這兩個(gè)力矩在此(cǐ)不做詳細(xì)介紹。當被(bèi)測介質--定(dìng)時，儀表系(xì)數與葉片(pian)數量葉片(piàn)角度和中(zhong)徑有關,所(suo)以設計合(he)理的渦😘輪(lun)結構形式(shi)對改善儀(yí)表性能☁️有(you)重要意義(yi)。
1.2渦輪結構(gòu)參數選擇(ze)
渦輪結構(gou)有焊接式(shi)和整體式(shì)，焊接式渦(wō)輪将葉片(piàn)和輪🌍毂🧡焊(hàn)接,整體式(shi)渦輪利用(yong)技術和數(shù)控加工技(ji)術直接加(jiā)工成型。葉(yè)片型式主(zhǔ)要有平闆(pan)式和螺旋(xuan)式,平闆式(shi)葉片主要(yao)應用于大(da)外徑焊接(jie)式渦輪,而(er)螺旋式葉(yè)片應用較(jiào)爲廣泛;材(cai)料主要有(yǒu)鋁合金和(he)不鏽鋼,鋁(lü)合金與不(bú)鏽鋼🌐相比(bǐ)具有自重(zhong)較輕,工藝(yi)性好等特(te)點;渦輪平(píng)均直徑受(shòu)流量計流(liú)通管徑即(jí)型号的限(xiàn)制，可作爲(wèi)定參數處(chù)理;葉😄片數(shù)量選取主(zhǔ)要🧑🏽🤝🧑🏻考慮重(zhong)疊度對儀(yi)表性能的(de)影響,-般取(qǔ)🥵13~20;葉片角度(dù)直接影響(xiǎng)氣體介質(zhi)對其産生(shēng)驅動轉矩(ju)的大小,氣(qi)🌐體介質對(duì)渦輪的驅(qu)動轉矩公(gong)式爲
式中(zhong):Td爲驅動力(lì)矩,N·m;ƒd爲周向(xiàng)驅動力,N;u1爲(wèi)介質人口(kǒu)速度,m/s;ɷ爲渦(wō)🈲輪🈲角♈速度(dù),rad/s。
綜上述所(suǒ)述,采用整(zheng)體式葉輪(lun)結構,螺旋(xuan)型葉片，葉(ye)片數量爲(wei)20。對🌂于螺旋(xuan)型葉片,需(xū)要确定葉(yè)片的螺旋(xuan)角，根🛀據式(shi)(2),要得到最(zui)㊙️大推動力(li)矩，葉片螺(luo)旋角應爲(wei)45°,但力矩公(gōng)式是根據(ju).葉栅繞流(liú)計算得到(dào),難免會和(hé)♋實際工況(kuang)有所偏差(chà)。參考常用(yong)葉片角度(dù)🈲,選取35°.45°和55螺(luó)旋升角渦(wo)輪作爲實(shí)驗對象，渦(wo)輪結構參(cān)數如圖2所(suǒ)示。
2實(shí)驗平台搭(da)建
2.1檢定裝(zhuang)置與實驗(yan)原理
流量(liang)計的檢定(dìng)采用負壓(yā)智能儀表(biao)測量系統(tǒng),系統💰框圖(tú)如圖♻️3所示(shì),主要包括(kuo)硬件和軟(ruan)件兩部分(fen)。硬件包括(kuò)😍标準吸風(fēng)裝置🔱、德萊(lái)👈塞羅茨氣(qi)體流量計(jì)、穩壓罐和(hé)直管道組(zǔ)🌈成，而軟件(jian)是自行開(kāi)發的智能(neng)型流量計(ji)檢測程序(xù),各組成部(bù)分具體參(cān)數如表1所(suǒ)示。
由标準(zhun)吸風裝置(zhì)産生負壓(yā)使标準德(de)萊塞羅茨(ci)流量㊙️計和(hé)🔅氣體渦輪(lun)流量計被(bei)同時過流(liu),直管段使(shi)進人檢定(dìng)儀表的氣(qi)體爲充分(fen)發展的湍(tuān)流;穩壓罐(guan)補💞償通過(guo)氣體渦輪(lun)流量計後(hòu)的氣體壓(ya)損。智能流(liu)量檢測程(cheng)序接收來(lái)自兩個儀(yi)表的輸出(chū)信🌍号，通過(guo)渦輪流量(liàng)計輸出的(de)脈沖數與(yu)累積流量(liang)來計算儀(yi)表系數,通(tong)過對比.相(xiang)同數據采(cǎi)集點處标(biāo)準羅茨流(liú)量計的輸(shū)出可獲得(dé)精度誤♍差(chà)安裝在氣(qi)體渦輪流(liu)量計取壓(yā)口處的U型(xíng)管可以測(ce)量進、出口(kǒu)處的壓力(li),從而得到(dào)儀表的壓(yā)力損失。
2.2實(shi)驗流程
自(zi)開始測量(liàng)時刻起，,選(xuan)取50~1300m³/h範圍内(nei)6個流量監(jiān)測點。在每(mei)個流量監(jian)測點随機(ji)采集3個不(bu)同時刻的(de)數據,包括(kuò)某一時刻(ke)标💔準羅🈲茨(ci)流量計和(he)氣體渦輪(lún)流量計的(de)累積🔴流量(liàng)及❌其輸出(chu)脈沖數。檢(jiǎn)測程序對(dui)這些數據(jù)進行處理(lǐ)獲得流量(liàng)計系數和(hé)基本誤差(chà)。監測每一(yi)-流量點處(chu)U型管壓差(chà)裝置的指(zhǐ)示值,獲得(dé)不同監測(cè)點處的壓(yā)力損失,檢(jian)定現場❄️如(ru)圖4所示。
3實驗測量(liang)與數據對(dui)比分析
3.1實(shi)驗測量
利(lì)用上述實(shí)驗方法,分(fèn)别對安裝(zhuāng)35°、45°和559渦輪的(de)流量計👣進(jin)行了實驗(yan)檢定,表2列(liè)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(liu)量,平均❗系(xi)數和誤差(cha)按公式♉(3)和(he)(4)計算。
表3列(liè)出了安裝(zhuāng)3種不同螺(luo)旋角渦輪(lún)流量計在(zài)儀表取壓(yā)口處的壓(yā)力損失。
3.2數(shu)據對比分(fèn)析
對實驗(yan)數據進行(hang)二次多項(xiàng)式插值獲(huò)得20組數據(jù)點,對數🏃🏻據(ju)㊙️點進行拟(ni)合得到各(gè)方案在檢(jian)測流量範(fàn)圍内的儀(yí)表系數曲(qǔ)線、 誤差曲(qu)線和壓力(li)損失曲線(xian)。
3.2.1儀表系數(shù)
如圖5所示(shì),采用螺旋(xuán)升角爲35°渦(wō)輪的流量(liàng)計的儀表(biǎo)系數☁️曲線(xian)在工作區(qu)内波動較(jiao)大,對儀表(biao)計量的穩(wen)定性産生(sheng)很大㊙️的負(fù)面影響。而(ér)45°和55°的渦輪(lun)流量計的(de)儀表系數(shu)曲線在工(gōng)作區内波(bo)動較小🏒,線(xiàn)性度較理(li)✊想，儀表在(zài)工作區内(nèi)🈲的計量穩(wen)定性較好(hao)。
3.2.2計量精度(dù)
如圖6所示(shì),采用螺旋(xuán)升角爲55°渦(wo)輪的流量(liàng)計誤差基(jī)本👌穩定在(zài)0.4%左右,45°渦輪(lún)在0.5%左右,而(er)35°葉輪流量(liang)計誤差曲(qu)線存在較(jiào)大波動,而(ér)且最大誤(wu)差超過0.8%，計(ji)量精度較(jiào)差。
3.2.3壓力損(sǔn)失
如圖所(suǒ)示，35°渦輪流(liú)量計的最(zui)大壓損達(dá)到了3500Pa以上(shàng)，而55°渦輪則(ze)隻有1500Pa左右(you),可明顯看(kàn)出55°葉輪的(de)過流性最(zui)好，壓力損(sun)失相比其(qí)他💜兩種💁角(jiǎo)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(wèi)359.45°和55°的DN150氣體(tǐ)渦🐉輪🍉流量(liang)計進行了(le)實驗對比(bǐ)分析,實驗(yan)數據表明(ming)葉片螺旋(xuán)角度直接(jiē)影響儀🙇🏻表(biǎo)的性能參(cān)數。其中，35°渦(wo)輪🐅流量計(jì)存在着儀(yí)表系數不(bu)穩定、壓力(lì)損失大以(yi)及精度差(cha)等弊端，建(jian)議🐉不在産(chan)品中應用(yong);45°渦輪流量(liàng)計🙇♀️,儀表系(xi)數曲線呈(cheng)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);55°渦輪流量(liang)計儀表系(xì)數穩定、壓(yā)力損失小(xiǎo),精度較高(gāo)，比較适👣合(hé)對壓力損(sǔn)失和精度(du)要求較高(gāo)的工況。此(cǐ)外♻️,實驗結(jié)果表明對(dui)葉片螺旋(xuan)角的進-一(yi)步優化能(néng)明顯💁改善(shan)儀表性能(neng)。
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