摘要:在分析(xi)氣體渦輪流(liu)量計 結構和(hé)數學模型的(de)基礎上,針對(dui)渦輪葉片螺(luo)旋升角對儀(yi)表性能的影(yǐng)響,以安裝35°.45°和(he)55°三種不同葉(ye)片螺旋升角(jiao)渦輪的📐DN150型氣(qì)⛹🏻‍♀️體渦輪流量(liàng)計作爲實驗(yàn)對象,搭建儀(yí)表負壓檢測(cè)平❤️台,分别👉對(duì)儀表系數、壓(yā)力損失和計(jì)量精度進行(hang)實驗檢定🌈與(yǔ)對比分析。實(shi)驗結✔️果表明(míng)，合理設計渦(wo)輪葉片螺旋(xuán)升角能顯著(zhe)改善氣體渦(wo)輪流量🌂計的(de)性能,爲葉片(pian)螺旋升角進(jìn)一步優化及(jí)其㊙️對儀表性(xìng)能影響規律(lü)的研究提供(gong)了實驗🏒基礎(chǔ)。
0引言
　　氣體渦(wo)輪流量計是(shi)計量天然氣(qì)、氧氣、氮氣、液(yè)化氣、煤氣等(děng)氣體介質的(de)速度式計量(liàng)儀表,如圖1所(suo)示。
 
　　将渦輪(lún)置于被測的(de)氣體介質中(zhong)，當氣體流經(jīng)流量🈚計時🔞,在(zai)導流器的作(zuo)用下被整流(liú)并加速，由于(yu)渦輪的葉片(piàn)與流過的氣(qi)🏃體之❌間存在(zai)一定夾角,氣(qi)體對渦輪産(chan)🛀🏻生轉動力矩(jǔ)，使渦輪克服(fú)機械摩擦阻(zǔ)力矩、氣體流(liú)動阻力矩和(he)電磁阻力矩(ju)而旋轉,在-定(dìng)的流👄量範圍(wéi)内，渦輪的角(jiǎo)速度和通過(guo)渦輪的流量(liang)成正比。渦輪(lún)的旋轉帶動(dong)脈沖發生器(qi)旋轉,産生的(de)脈沖信号由(yóu)傳♈感器送入(ru)智能積算儀(yí)進行換算得(dé)到氣體介質(zhi)的瞬時流量(liàng)和累積流量(liàng)。其主要♈性能(néng)指标🐅有始動(dòng)流🎯量、儀表系(xì)數、壓力損🚶失(shī)和計量精度(du)。
　　近年來旨在(zai)提高儀表性(xìng)能的研究主(zhu)要圍繞前、後(hou)導流裝置和(he)渦輪等關鍵(jian)部件的結構(gòu)和型式開展(zhǎn)。劉正先等📧通(tong)過實驗分析(xī),提出改進前(qián)、後導流器結(jie)構能明顯減(jian)少儀表的🈲壓(yā)力損🥰失,改善(shan)儀表系數的(de)線性度,而葉(ye)片數量㊙️的增(zēng)減對📧流量計(ji)壓力損失的(de)🌈影響可以忽(hū)👉略不計，但葉(ye)片數量的增(zēng)加可明顯改(gǎi)善始動流量(liàng),提高儀表靈(ling)敏度,但數量(liàng)過多會使重(zhong)👨‍❤️‍👨疊度增大🌍,儀(yí)表性能急劇(ju)🔞惡化;鄭建🐕梅(méi)等對渦輪的(de)材‼️料和渦輪(lún)軸承進行了(le)改進,改善了(le)儀表系數的(de)穩定性!7;LIZ等利(li)用CFD技術與👌實(shi)驗相✉️結合驗(yàn)證了對🧑🏾‍🤝‍🧑🏼整流(liu)器的優化設(shè)計能有效減(jiǎn)少壓力損失(shi)[8]。在上述研究(jiu)📱中,還未涉及(ji)針對渦輪葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)對儀表性能(neng)的探讨。本文(wen)利用儀表負(fu)壓檢定平台(tai),對3種不同葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)的DN150型氣體渦(wo)輪流量計進(jìn)行了實驗對(duì)比分析,爲改(gai)善儀表性能(néng)和葉片螺旋(xuán)升角的優🌍化(hua)提供實驗依(yi)據。
1數學模型(xing)與渦輪參數(shu)選擇
1.1數學模(mó)型
　　氣體渦輪(lun)流量計的數(shu)學模型是根(gēn)據力矩平衡(heng)原理建立起(qǐ)💔來🙇🏻的,主要揭(jiē)示流量計輸(shu)出脈沖和流(liu)量之間的内(nèi)在關系,其計(ji)算公式爲：
 
　　式(shi)中:K爲儀表系(xì)數;ƒ爲脈沖頻(pin)率，Hz;qv爲體積流(liú)量,m³/s;Z.
　　爲渦輪葉(ye)片數;θ爲葉片(pian)結構角;r爲渦(wō)輪中徑,m;A爲流(liu)通面爲流體(ti)♋阻力矩,N.m。
　　其中(zhōng),機械摩擦阻(zǔ)力矩Trm在流量(liang)一定時隻與(yǔ)軸承和軸的(de)選型設計有(you)關,流體阻力(lì)矩Trf與流體流(liú)動狀态🔴有關(guān)，這兩🐅個力矩(jǔ)在⛱️此不做詳(xiang)細介紹。當被(bèi)測介質--定時(shi)，儀表系數與(yu)葉片數量葉(ye)片角度和中(zhong)徑有關,所以(yǐ)設計🈲合理的(de)渦輪結構形(xing)式對改善☂️儀(yi)表性能有重(zhòng)要意義。
1.2渦輪(lun)結構參數選(xuan)擇
　　渦輪結構(gou)有焊接式和(hé)整體式，焊接(jie)式渦輪将葉(ye)片🔞和輪毂焊(hàn)接,整體式渦(wo)輪利用技術(shu)和數控加工(gōng)技術直接加(jia)🍉工成型。葉片(piàn)型式主要有(you)平闆式和螺(luo)旋式,平闆❤️式(shì)葉片主要應(ying)用于大外徑(jìng)焊接式渦輪(lun),而‼️螺旋式葉(ye)片應用較爲(wei)廣泛;材🏃🏻料主(zhǔ)要有鋁合金(jīn)和⭐不鏽鋼,鋁(lǚ)合金與不鏽(xiu)鋼相比具有(you)自重較輕,工(gōng)藝性好等特(tè)點;渦輪平均(jun1)直徑受流量(liang)計流通管徑(jìng)即型号的限(xian)制，可作✌️爲定(dìng)參數處理;葉(ye)片數量選取(qu)主要考慮重(zhòng)疊度對儀表(biǎo)性能的影響(xiang),-般取13~20;葉片角(jiǎo)度👨‍❤️‍👨直接影響(xiang)氣體介質對(dui)其産生驅動(dòng)轉矩的大小(xiao),氣體介質對(duì)渦輪的驅動(dong)轉💋矩公式爲(wei)
 
　　式中:Td爲驅動(dòng)力矩,N·m;ƒd爲周向(xiang)驅動力,N;u1爲介(jie)質人口速度(du),m/s;ɷ爲渦輪🔞角速(su)度,rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整體(ti)式葉輪結構(gou),螺旋型葉片(piàn)，葉片數量爲(wèi)20。對于螺旋型(xing)葉片,需要确(que)定葉片的螺(luo)旋角，根據式(shi)(2),要得到最大(da)推動力矩，葉(ye)片螺旋角應(ying)爲45°,但力矩公(gōng)式是根據.葉(yè)🚶‍♀️栅繞流計算(suàn)得到,難免會(huì)和實際工況(kuang)🐇有所偏差。參(can)考常用葉片(pian)角度💋,選取35°.45°和(he)55螺💯旋升角渦(wō)輪作爲實驗(yàn)對象，渦輪結(jie)構參數如圖(tu)2所示。
 
2實驗平台(tai)搭建
2.1檢定裝(zhuang)置與實驗原(yuan)理
　　流量計的(de)檢定采用負(fù)壓智能儀表(biao)測量系統,系(xi)統框🍓圖如圖(tu)3所💚示,主要包(bāo)括硬件和軟(ruan)件兩部分。硬(yìng)件包括标準(zhǔn)吸風裝置、德(dé)萊塞羅茨氣(qì)體流量計、穩(wěn)壓罐和直✨管(guan)道組成，而軟(ruǎn)件是自行開(kāi)發⛱️的智能型(xíng)流量計檢測(cè)程序,各組🚶‍♀️成(cheng)部分具體參(can)數如表1所示(shi)。
 
　　由标準吸風(feng)裝置産生負(fu)壓使标準德(dé)萊塞羅茨流(liú)量計和氣體(ti)渦輪流量計(ji)被同時過流(liu),直管段使進(jìn)人檢定儀表(biǎo)的氣體爲充(chong)分發展的湍(tuān)流;穩壓罐補(bǔ)償通過氣體(tǐ)渦🛀輪流量計(ji)後的🏃‍♀️氣體壓(ya)損。智能流量(liàng)⭕檢測程序接(jie)收來自兩個(gè)儀表的輸出(chu)信号，通過渦(wo)🎯輪流量計輸(shū)出的脈沖數(shu)🍓與累積流量(liang)來計算儀表(biǎo)系數,通過對(dui)比.相同數據(jù)采集點處标(biāo)準羅茨🐕流量(liang)計的輸出✏️可(kě)獲得精度誤(wù)差安裝在氣(qi)體渦輪流量(liang)計取壓口處(chu)的U型管可以(yǐ)測量進、出口(kǒu)⭐處的壓力,從(cong)👅而得到儀表(biao)的壓力損失(shī)。
 
2.2實驗流程
　　自(zì)開始測量時(shi)刻起，,選取50~1300m³/h範(fan)圍内6個流量(liang)監測點。在每(mei)個流量♊監⁉️測(cè)點随機采集(jí)3個不同時刻(ke)的數據,包☁️括(kuo)某一時刻标(biāo)準羅茨流量(liàng)計和氣體渦(wō)輪流量計的(de)累積流量及(jí)其輸出脈沖(chòng)數。檢測程序(xù)對這些數據(ju)進行處🤩理獲(huò)得流量計系(xi)數🔅和基本誤(wu)差。監測每一(yi)-流量點處U型(xíng)管壓差裝置(zhì)的指示值,獲(huo)得不同監測(cè)點處的壓力(li)損失,檢定現(xiàn)場如圖4所示(shì)。
 
3實驗(yàn)測量與數據(jù)對比分析
3.1實(shi)驗測量
　　利用(yong)上述實驗方(fāng)法,分别對安(ān)裝35°、45°和559渦輪的(de)流量計進行(háng)了實驗檢定(dìng),表2列出了安(ān)裝35°葉片螺旋(xuán)升角表渦輪(lún)流量計的檢(jiǎn)定數據,平均(jun)流量是随機(jī)設定标準吸(xī)風裝置的👨‍❤️‍👨輸(shu)出流量,平均(jun1)系數和🌍誤差(chà)按公式(3)和(4)計(ji)算。
 
　　表3列出了(le)安裝3種不同(tóng)螺旋角渦輪(lun)流量計在儀(yí)表取壓📧口處(chù)的壓力損失(shi)。
 
 
3.2數據對比分(fèn)析
　　對實驗數(shu)據進行二次(cì)多項式插值(zhi)獲得20組數據(jù)點,對數據點(diǎn)🎯進行拟合得(de)到各方案在(zai)檢測流量範(fan)圍内的儀表(biao)系數🐅曲線㊙️、 誤(wù)差曲線和壓(yā)力損失曲線(xiàn)。
3.2.1儀表系數
　　如(ru)圖5所示,采用(yong)螺旋升角爲(wèi)35°渦輪的流量(liàng)計的儀表系(xi)數曲線在工(gōng)作區内波動(dong)較大,對儀表(biao)計量的穩定(ding)性産生很大(da)的負面影響(xiǎng)。而45°和55°的渦輪(lún)流量計的儀(yí)表系數曲線(xian)在工作區内(nèi)波🔱動較小,線(xian)性度較理想(xiǎng)，儀表在工作(zuo)區内的計量(liang)穩定性較好(hao)🍉。
3.2.2計量精度
　　如(ru)圖6所示,采用(yong)螺旋升角爲(wei)55°渦輪的流量(liang)計誤差基本(běn)穩定🐉在0.4%左右(you),45°渦輪在0.5%左右(yòu),而35°葉輪流量(liang)計誤差曲線(xiàn)存在較大波(bō)🌐動,而且最大(dà)誤差超過0.8%，計(jì)量精度較差(cha)。
3.2.3壓力損失
　　如(ru)圖所示，35°渦輪(lun)流量計的最(zui)大壓損達到(dào)了3500Pa以上，而55°渦(wo)輪則隻有1500Pa左(zuǒ)右,可明顯看(kan)出55°葉輪的過(guo)流性最好，壓(ya)力損失🤟相比(bǐ)其他✊兩種✉️角(jiao)度的渦輪最(zui)小。
 
4結束語
　　采(cǎi)用實驗檢定(dìng)的方法對螺(luó)旋升角爲359.45°和(hé)55°的DN150氣體渦✏️輪(lun)😄流量計進行(hang)了實驗對比(bi)分析,實驗數(shu)據表明葉片(piàn)螺旋角🌈度直(zhí)接影響儀表(biǎo)的性能參數(shù)。其中，35°渦輪🧡流(liú)量計存在着(zhe)🆚儀表系數不(bu)穩定、壓力損(sǔn)失大以及精(jing)度差等弊端(duān)，建議不在産(chan)品中應用;45°渦(wo)輪流量計,儀(yi)表系數曲線(xiàn)呈現良好🔱的(de)線性特征，但(dan)壓力損失💚與(yǔ)55°渦輪相比較(jiao)大;55°渦輪流量(liang)計儀表系數(shù)穩定、壓力損(sun)失小,精度較(jiào)高💋，比較适合(hé)對壓力損失(shi)和精度要求(qiu)較高的工況(kuàng)。此外,實驗結(jié)果表明對葉(yè)片螺旋角的(de)進-一步優化(huà)能明顯改善(shàn)儀表性能。

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