摘(zhai)要:在分(fen)析氣體(ti)渦輪流(liu)量計 結(jié)構和數(shù)學模型(xíng)的基礎(chǔ)上,針對(duì)渦輪葉(yè)片螺旋(xuan)升角對(dui)儀表性(xing)🤟能的影(ying)響,以安(ān)裝35°、45°和55°三(sān)種不同(tóng)葉片螺(luó)旋升角(jiao)渦輪的(de)DN150型氣體(ti)渦輪流(liú)量計作(zuò)爲實驗(yan)對象,搭(dā)建儀表(biǎo)負壓檢(jiǎn)測平台(tái),分别對(dui)儀表系(xì)數、壓力(lì)損失和(he)計量精(jing)度進行(hang)實驗檢(jiǎn)定與對(duì)比分析(xi)。實驗結(jie)✊果表明(míng),合理設(she)計渦輪(lun)葉片螺(luo)旋升角(jiao)能顯著(zhe)改善氣(qi)體渦輪(lún)流量計(jì)的性能(neng),爲葉片(piàn)螺旋升(shēng)角進一(yī)步㊙️優化(hua)及其對(dui)儀表性(xìng)能影響(xiang)規律的(de)😘研究提(tí)供了實(shí)驗基礎(chu)。
0引言
　　氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)是計量(liàng)天然氣(qi)、氧氣、氮(dan)氣、液化(huà)氣、煤氣(qì)📱等氣體(ti)介質的(de)速度式(shi)計量儀(yi)表1-2],如圖(tu)1所示。
 
　　将渦輪(lun)置于被(bei)測的氣(qì)體介質(zhì)中,當氣(qi)體流經(jing)流量計(ji)時✂️,在導(dao)流器的(de)作用下(xià)被整流(liu)并加速(su),由于渦(wō)輪的葉(yè)片與流(liú)過的氣(qi)體之間(jian)存在--定(dìng)夾角,氣(qi)體對渦(wō)輪産生(shēng)🌏轉動力(lì)矩,使渦(wō)💞輪克服(fu)👈機械摩(mo)✨擦阻力(li)矩、氣🏃🏻‍♂️體(tǐ)流動阻(zu)❤️力矩和(hé)電磁阻(zǔ)力矩而(ér)旋轉,在(zài)--定的流(liu)量範圍(wéi)内,渦輪(lún)的角速(su)度和通(tong)過渦輪(lun)的流量(liàng)成正比(bǐ)。渦輪的(de)旋轉🌈帶(dài)動脈沖(chong)發生器(qi)✂️旋轉,産(chan)生的脈(mò)沖信号(hào)由傳感(gǎn)器送人(ren)智能積(jī)算儀進(jin)行🔅換算(suan)得到氣(qi)體介質(zhì)的瞬時(shi)流量和(hé)✨累積流(liú)量。
　　其主(zhu)要性能(néng)指标有(yǒu)始動流(liu)量、儀表(biǎo)系數、壓(ya)力損失(shi)和計💃量(liàng)精度🌐。
　　近(jìn)年來旨(zhǐ)在提高(gao)儀表性(xìng)能的研(yan)究主要(yào)圍繞前(qian)、後👌導流(liu)裝🌈置和(he)🙇🏻渦輪等(děng)關鍵部(bù)件的結(jie)構和型(xing)式開展(zhan)。劉正先(xian)等通過(guo)實驗分(fèn)析,提出(chū)改進前(qian)、後導流(liú)器結構(gòu)能明☁️顯(xiǎn)減少儀(yí)表的壓(ya)力損失(shi),改善儀(yi)表系數(shu)的線性(xing)度,而葉(yè)片數量(liàng)的增減(jian)對流量(liang)計壓力(li)損失的(de)影響可(kě)以忽略(lue)不計,但(dan)葉片數(shu)量的增(zēng)加可明(ming)顯改善(shàn)始動流(liu)量,提高(gao)儀表靈(líng)敏度,但(dàn)數量過(guò)多會使(shi)重🔴疊度(dù)增大,儀(yí)表性能(neng)急劇惡(e)化[4-6];鄭建(jiàn)梅等對(duì)渦輪的(de)材🔴料和(he)渦輪軸(zhóu)承進💯行(hang)了改進(jìn),改善了(le)儀表系(xi)數的穩(wen)定性”;lIZ等(děng)利用CFD技(ji)術與實(shi)驗相結(jié)合驗證(zhèng)了對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻整(zhěng)流🌈器的(de)優化設(she)計能有(you)效減少(shao)壓力損(sǔn)失[8]。在☂️上(shang)述研究(jiu)☁️中，還未(wèi)涉及針(zhēn)對渦輪(lún)葉片螺(luó)旋升角(jiao)對儀表(biao)性能🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)探讨。本(běn)文利用(yòng)儀表負(fù)🛀壓檢定(ding)平台,對(duì)3種不同(tóng)葉片螺(luó)旋升角(jiao)的DN150型氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)進行了(le)實驗對(duì)比分析(xi),爲改善(shàn)儀表性(xing)能和葉(ye)片螺旋(xuán)升角的(de)優化提(ti)供實驗(yàn)依據。
1數(shù)學模型(xíng)與渦輪(lun)參數選(xuǎn)擇
1.1數學(xué)模型
　　氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)的數學(xué)模型是(shì)根據力(li)矩平衡(héng)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(liàng)之間的(de)内在關(guān)🈲系,其計(ji)算公式(shì)爲：
 
　　式中(zhong):K爲儀表(biǎo)系數;f爲(wei)脈沖頻(pín)率,Hz;q,爲體(ti)積流量(liang),m³/s;Z爲渦輪(lún)葉片數(shù);θ爲葉片(piàn)結構角(jiao);r爲渦輪(lun)中徑,m;A爲(wei)流通面(miàn)爲流體(tǐ)阻力矩(ju)📐,N.m。
　　其中,機(jī)械摩擦(ca)阻力矩(jǔ)T.在流量(liang)-定時隻(zhi)與軸承(chéng)和軸的(de)選型❌設(shè)計有關(guan)，流體阻(zǔ)力矩T與(yǔ)流體流(liu)動狀态(tai)有關,這(zhe)兩個力(li)矩在此(ci)不做🌈詳(xiang)細介紹(shao)。當被測(cè)介質--定(dìng)時,儀表(biǎo)系數與(yǔ)✔️葉片數(shu)量、葉片(piàn)角度和(he)中徑有(you)關，所以(yi)設計合(he)理的渦(wo)輪結構(gou)形式對(dui)改善儀(yí)表性能(neng)有🈲重要(yào)意義。
1.2渦(wo)輪結構(gòu)參數選(xuǎn)擇
　　渦輪(lún)結構有(you)焊接式(shi)和整體(tǐ)式,焊接(jie)式渦輪(lún)将葉片(pian)和❓輪💞毂(gu)焊接,整(zheng)體式渦(wō)輪利用(yòng)先進的(de)CAD/CAM技術和(hé)數控加(jia)工技術(shu)直接加(jia)工成型(xing)。葉片型(xíng)式主要(yào)有平闆(pǎn)式和螺(luó)旋式,平(píng)闆🌈式葉(yè)片主.要(yào)應用于(yú)大外徑(jìng)焊接式(shi)渦輪,而(ér)螺旋式(shì)葉片應(yīng)用較爲(wèi)廣泛;材(cái)料主要(yao)有鋁合(he)金和不(bú)鏽鋼,鋁(lü)合金與(yǔ)不鏽鋼(gang)相比具(ju)有自重(zhong)較💚輕,工(gōng)藝性好(hǎo)🌈等特點(dian);渦輪平(ping)均直徑(jing)受流量(liàng)計💋流通(tong)管徑即(ji)型号的(de)限制,可(kě)作爲定(dìng)參數🈲處(chu)理;葉片(piàn)數量👣選(xuan)取主要(yào)考慮重(zhong)疊度對(dui)儀表性(xing)能的影(yǐng)響,---般取(qǔ)13~20;葉片角(jiǎo)度直接(jie)影響氣(qi)體介質(zhi).對🥰其産(chǎn)生驅動(dòng)轉矩的(de)大小，氣(qì)體介質(zhi)對渦輪(lún)的驅動(dòng)轉矩公(gōng)式爲
 
　　式(shì)中:Td爲驅(qū)動力矩(ju),N.m;fd爲周向(xiang)驅動力(li),N;u1爲介質(zhì)入口速(sù)度,m/s;ɷ爲渦(wo)輪角速(su)度,rad/s。
　　綜上(shàng)述所述(shu),采用整(zheng)體式葉(yè)輪結構(gou),螺旋型(xing)葉片，葉(yè)⛹🏻‍♀️片數量(liàng)爲20。對于(yú)螺旋型(xíng)葉片,需(xu)要确定(ding)葉片的(de)螺旋角(jiǎo),根據式(shi)㊙️(2),要得到(dao)最大推(tui)動力矩(jǔ),葉片螺(luó)旋角應(ying)爲💃45°,但力(li)矩公式(shì)是💛根據(jù)葉♈栅繞(rào)流計算(suàn)得到,難(nán)免會和(he)⭕實際工(gong)況‼️有所(suǒ)偏差。參(can)考常用(yong)葉片角(jiǎo)度🍓,選取(qu)35°.45°和55°螺旋(xuán)升角渦(wo)輪作爲(wèi)實驗對(duì)象,渦輪(lún)結構🌈參(cān)數如圖(tú)2所示。
 
2實(shí)驗平台(tái)搭建
2.1檢(jiǎn)定裝置(zhi)與實驗(yan)原理
　　流(liu)量計的(de)檢定采(cai)用負壓(yā)智能儀(yi)表測量(liang)系統，系(xi)統框圖(tu)如圖3所(suo)示，主要(yào)包括硬(ying)件和軟(ruan)件兩部(bu)分。硬件(jian)包括标(biāo)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(guǎn)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(chéng)序,各組(zu)成部分(fen)具💃體參(can)數如表(biao)1所示。
 
　　由(you)标準吸(xī)風裝置(zhì)産生負(fu)壓使标(biao)準德萊(lai)塞羅茨(cí)流量計(ji)和氣💃體(ti)渦輪流(liu)量計被(bei)同時過(guò)流,直管(guǎn)段使進(jin)入檢定(dìng)儀表的(de)㊙️氣體爲(wei)充分發(fā)展的湍(tuan)流;穩壓(yā)罐補償(chang)通過氣(qì)體渦👉輪(lún)流量計(ji)後的氣(qi)體壓損(sǔn)。智能流(liú)量檢測(cè)程序接(jie)收來自(zi)兩個儀(yí)表㊙️的輸(shu)出信号(hao)，通過渦(wō)輪流量(liang)計輸出(chū)的脈沖(chòng)數與累(lèi)積流量(liàng)來計算(suàn)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(kě)獲得♌正(zheng)确率💰誤(wu)差安裝(zhuang)在氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計取(qu)壓口處(chù)的U型⛷️管(guǎn)可以測(ce)量進、出(chū)口處的(de)壓力,從(cong)而得到(dào)儀表的(de)壓力損(sun)失。
 
2.2實驗(yan)流程
　　自(zì)開始測(cè)量時刻(kè)起,選取(qǔ)50~1300m³/h範圍内(nèi)6個流量(liàng)監測點(diǎn)。在每個(ge)流量監(jiān)測點随(sui)機采集(jí)3個不同(tóng)時刻的(de)數據,包(bao)括某一(yī)時刻标(biao)🙇‍♀️準羅茨(ci)流量計(jì)和氣體(ti)渦輪流(liu)量計的(de)累積‼️流(liú)量及其(qi)輸出脈(mò)沖數。檢(jiǎn)測程🤟序(xu)對這些(xiē)數據進(jìn)行處理(li)獲得流(liu)✏️量計系(xi)數和基(jī)本誤差(cha)。監測每(měi)一-流量(liàng)點處U型(xíng)管壓差(cha)裝置的(de)指示值(zhi)，獲得不(bu)同監測(ce)點處的(de)壓🌈力損(sun)失，檢定(dìng)現場如(ru)圖4所示(shì)。
 
3實驗測(cè)量與數(shu)據對比(bi)分析
3.1實(shí)驗測量(liàng)
　　利用上(shàng)述實驗(yan)方法,分(fèn)别對安(ān)裝35°、45°和55°渦(wo)輪的流(liu)量計進(jin)🐇行了實(shí)驗檢定(ding),表2列出(chu)了安裝(zhuāng)35°葉片螺(luó)旋升角(jiǎo)表渦輪(lun)流量計(ji)的檢定(ding)數據🚶‍♀️,平(píng)均流量(liang)是随機(jī)設定标(biao)💃準吸風(fēng)裝置的(de)輸出流(liu)量,平均(jun1)系數和(hé)誤差按(àn)公式(3)和(he)(4)計算。
 
　　表(biǎo)3列出了(le)安裝3種(zhong)不同螺(luo)旋角渦(wō)輪流量(liàng)計在儀(yí)表取壓(ya)🔞口處的(de)壓力損(sǔn)失。
 
注:儀(yí)表系數(shù)K=899.06m-3;基本誤(wù)差爲0.841%;大(da)氣壓力(lì)爲102.40kPa;環境(jing)濕度爲(wei)🈚45%。
 
3.2數據對(duì)比分析(xi)
　　對實驗(yan)數據進(jin)行二次(cì)多項式(shì)插值獲(huò)得20組數(shù)據點,對(dui)🐆數據💃🏻點(diǎn)進🔴行拟(ni)合得到(dào)各方案(an)在檢測(cè)流量範(fan)圍内的(de)儀表系(xì)數曲線(xian)、誤差曲(qu)線和壓(ya)力損失(shī)曲線。
3.2.1儀(yi)表系數(shù)
　　如圖5所(suǒ)示,采用(yòng)螺旋升(shēng)角爲35°渦(wō)輪的流(liú)量計的(de)儀表系(xi)數曲線(xian)在工作(zuò)區内波(bo)動較大(dà),對儀表(biao)計量的(de)穩🐅定性(xing)🏃産生很(hen)大的負(fù)面影響(xiǎng)。而45°和55°的(de)渦輪流(liu)量計的(de)儀表系(xì)數曲線(xiàn)在工作(zuò)區内波(bō)動較小(xiǎo)，線性度(du)較理🐇想(xiǎng)，儀表在(zài)工作區(qu)内的計(jì)量穩定(dìng)性較好(hǎo)。
3.2.2計量精(jing)度
　　如圖(tú)6所示,采(cai)用螺旋(xuan)升角爲(wèi)55°渦輪的(de)流量計(jì)誤差基(ji)本穩✏️定(ding)🆚在0.4%左📐右(yòu),45渦輪在(zài)0.5%左右,而(er)35°葉輪流(liú)量計誤(wù)差曲❌線(xiàn)存⭐在較(jiao)大波動(dong),而且最(zuì)🐪大誤差(chà)超過0.8%,計(ji)量精度(du)較差。
3.2.3壓(ya)力損失(shi)
　　如圖7所(suo)示,35°渦輪(lún)流量計(ji)的最大(dà)壓損達(da)到了3500Pa以(yǐ)上，而55°渦(wō)輪則隻(zhi)有1500Pa左右(you),可明顯(xian)看出55°葉(yè)輪的過(guò)流性最(zui)好.壓力(lì)損失相(xiàng)比其他(ta)兩種角(jiao)度的渦(wo)輪最小(xiao)。
 
4結束語(yu)
　　采用實(shí)驗檢定(dìng)的方法(fǎ)對螺旋(xuan)升角爲(wei)35°.45°和55°的DN150氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)🌈進行了(le)實驗對(dui)比分析(xi),實驗數(shù)據表明(ming)葉片螺(luó)⭕旋角度(dù)直接影(ying)響儀表(biǎo)的性能(neng)參數。其(qí)中，35°渦輪(lun)流量計(ji)存在着(zhe)儀表系(xì)數不穩(wěn)定、壓力(lì)損失大(da)以及精(jing)度差等(děng)弊端，建(jian)議不在(zai)産品🌈中(zhong)應用;45°渦(wō)輪流量(liàng)計🔴,儀表(biao)系數曲(qu)線呈現(xiàn)良好的(de)線性特(te)征,但壓(ya)力損失(shi)🆚與55°渦輪(lun)相比較(jiao)大;559渦輪(lún)流量計(ji)儀表系(xì)數穩定(dìng)、壓力損(sǔn)失小,精(jīng)度較高(gāo),比較适(shi)合對壓(yā)力損失(shi)和精度(du)要求較(jiào)高的工(gong)況。此外(wai),實驗結(jie)果表明(míng)對葉片(pian)螺旋角(jiǎo)🎯的進一(yī)-步優化(hua)能明顯(xiǎn)改善儀(yi)表性能(neng)。

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