摘要：對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的主要組件引起的壓力損失進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較了葉輪形狀和葉片數(shù).前導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對(duì)壓損的影響程度。結(jié)果表明導(dǎo)流器和葉輪改進(jìn)后流量計(jì)的壓力損失明顯降低同時(shí)靈敏度也得以提高。
我國(guó)西氣東輸"以及南水北調(diào)"工程中各種各樣的輸送管道總管和支管均需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表即流量計(jì)來(lái)及時(shí)提供流動(dòng)參數(shù)實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。渦輪流量計(jì)是其中必不可少的一種。它是葉輪式速度流量計(jì)屬于速度式測(cè)量,即利用測(cè)量管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)速度來(lái)得到流量的測(cè)量方法。
置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比通過(guò)測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到流體流速?gòu)亩玫焦艿纼?nèi)的流量值�！ ≡谶x擇渦輪流量計(jì)的時(shí)候,除了要求其具有精度高、量程大和起始流量小的優(yōu)點(diǎn)外,壓損小也是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。流體通過(guò)渦輪流量計(jì)的壓力損失越小,則流體由輸入至輸出管道所消耗能量就越小,即所需總動(dòng)力將減少,由此可大大節(jié)約能源降低輸送成本提高利用率。將對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)量,得出主要組件對(duì)壓損的影響程度,為針對(duì)性的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力數(shù)據(jù)。
1.結(jié)構(gòu)與壓力損失
渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要組件包括整流柵、前導(dǎo)流器、葉輪以及后導(dǎo)流器等。當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí)沖擊葉輪,對(duì)葉輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉(zhuǎn),在一定的流量范圍內(nèi)葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比�！ ∫虼�,葉輪的轉(zhuǎn)速通過(guò)裝在機(jī)殼外的磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為模擬電流量,進(jìn)而顯示為瞬時(shí)流量值和累積流量值。
流體從機(jī)殼進(jìn)口流入,首先經(jīng)過(guò)整流柵進(jìn)行穩(wěn)流再進(jìn)入前導(dǎo)流器前導(dǎo)流器對(duì)流體有收斂作用，防止流體發(fā)生分離產(chǎn)生大的渦旋運(yùn)動(dòng),前導(dǎo)流葉片對(duì)流體起導(dǎo)向作用,避免流體自旋而改變對(duì)葉輪葉片的作用角度保證測(cè)量的精度。流體經(jīng)葉輪后將以螺線型方式向前流動(dòng),加入帶葉片的后導(dǎo)流器對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)流使流體沿管壁直線流動(dòng)減少各種阻力引起的能量損失。
流體通過(guò)流量計(jì)的壓力損失與介質(zhì)的密度、流速等有關(guān)其計(jì)算公式為:
△P=αxρv2/2
其中,△P,壓力損失α,壓損系數(shù)ρ,介質(zhì)密度v流速。
由于ρ和v為流體流動(dòng)參數(shù)不能隨意增減,因此只能盡量減小壓損系數(shù)α,以達(dá)到降低壓損的目的。壓損系數(shù)除了受流體粘性、管徑及管長(zhǎng)等因素影響外還與流量計(jì)內(nèi)部各部件的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。
2測(cè)量
采用口徑D=100mm,量程Q=50m³/h~600m³/h的渦輪流量計(jì),在吸氣式試驗(yàn)臺(tái)，上分別對(duì)常壓、介質(zhì)為空氣、不同結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流器、不同葉片數(shù)及形狀的葉輪進(jìn)行測(cè)量。
2.1前導(dǎo)流器
圖2和圖3分別為兩種結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流器示意圖。圖2為渦輪流量計(jì)常用結(jié)構(gòu),葉片數(shù)為6導(dǎo)流.體形狀由流入至流出呈錐形,葉片長(zhǎng)與錐體高度相同.圖3為本文改進(jìn)的前導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)示意圖其主要特點(diǎn)是將錐體改為半橢球體,葉片數(shù)增加到12并把葉片長(zhǎng)度縮小1/3.
圖4是兩種結(jié)構(gòu)下,流體經(jīng)過(guò)流量計(jì)后的壓力損失曲線。由圖4可看出在流量<100m³/h時(shí),壓力損失不受導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的影響而且壓損很小。隨著流量增大,改進(jìn)的導(dǎo)流器的壓損明顯低于錐體導(dǎo)流器在最大流量600m³/h處錐體的壓損約為半橢球體的2倍,可見(jiàn)導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)壓力損失有不容忽視的影響作用。
使半橢球體壓損降低的主要原因是:半橢球體外形過(guò)渡更光滑,降低了流體流動(dòng)分離的發(fā)生更加符合對(duì)流動(dòng)條件的要求，從而使壓損大大降低。適當(dāng)增加葉片數(shù)而減少葉片長(zhǎng)度不但可以起到較好的穩(wěn)流、整流作用減少因流動(dòng)渦旋產(chǎn)生的壓力損失而且使流通面積有一個(gè)逐步減小的過(guò)程避免了流體進(jìn)入導(dǎo)流器后由于流通面積的突然收縮引起的壓力損失的增大。結(jié)果表明以上因素的綜合結(jié)果使流體流經(jīng)導(dǎo)流器時(shí)的壓損明顯降低。
2.2葉輪
葉輪按照設(shè)計(jì)要求為葉片數(shù)z=12~20,葉片傾角a=30°~45°,重疊度為1~1.2,葉片與內(nèi)機(jī)殼間隙為0.5mm~1mm。為提高流量計(jì)的靈敏度可適當(dāng)增加葉片數(shù)。
流量計(jì)常用葉輪葉片數(shù)為13,葉片形狀為矩形。為提高流量計(jì)的靈敏度作者對(duì)葉輪作了改造，將葉片數(shù)增為20,葉片形狀設(shè)計(jì)成葉頂寬葉根窄的倒梯形形狀梯形尺寸以保證相同重疊度為原則。圖5為分別采用13和20葉片數(shù)的葉輪后流量計(jì)壓損曲線圖�？煽吹絻蓷l曲線幾乎重合。說(shuō)明在允許范圍內(nèi),葉輪葉片數(shù)的增減以及葉片形狀的改變對(duì)壓力損失的影響可以忽略。但通過(guò)對(duì)起始流量的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，對(duì)13葉片數(shù)葉輪,測(cè)得流量計(jì)起始流量為7.5m³/h,而對(duì)20葉片數(shù)葉輪則為6.5m³/h,可見(jiàn)適當(dāng)增加葉片數(shù)和重疊度，可以在不增加壓損的前提下較明顯地提高流量計(jì)的靈敏度。
2..3儀表系數(shù)
渦輪流量計(jì)性能的另外一個(gè)重要指標(biāo)是儀表系數(shù)K。儀表系數(shù)可理解為流量計(jì)儀表的輸出流量值與通過(guò)流量計(jì)的實(shí)際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表內(nèi)磁電轉(zhuǎn)換器輸出頻率成正比,故K也表示為輸出頻率與實(shí)際流量之比即:
由式可見(jiàn)，理想的儀表系數(shù)K與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)與流量變化無(wú)關(guān)。對(duì)某一流量計(jì)K為一常數(shù)在K-qv圖上為-平行橫軸的直線。但對(duì)實(shí)際的流體流動(dòng),由于葉輪要克服軸承的機(jī)械阻力矩.流體產(chǎn)生的阻力矩并受流動(dòng)狀態(tài)等因素的影響使K不可能保持直線而在量程范圍內(nèi)盡量保證K為一常數(shù)是保證流量計(jì)精度的前提條件。
對(duì)半橢球體導(dǎo)流器和梯形葉輪對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,考察改變結(jié)構(gòu)組件后對(duì)儀表性能的影響。
圖6為分別采用錐體和半橢球體導(dǎo)流器,流量計(jì)儀表系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。由圖可看出采用改進(jìn)的導(dǎo)流器后流量計(jì)儀表系數(shù)比改進(jìn)前有較好地改善在量程范圍內(nèi)50m³/h~600m³/h),K很好地體現(xiàn)常系數(shù)的特性甚至在超過(guò)最大量程后能繼續(xù)保持水平直線狀態(tài)。改進(jìn)前的流量計(jì)K值也較好,但隨著流量增大直線略向下傾斜偏離了水平位置。
3結(jié)論
通過(guò)對(duì)氣體渦輪流量計(jì)主要組件性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出:1）前導(dǎo)流器是引起流量計(jì)壓力損失的主要因素之一。當(dāng)采用改進(jìn)的半橢球體導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后流量計(jì)的壓損被大幅度降低。2）對(duì)葉輪葉片進(jìn)行適當(dāng)改造后,可明顯降低起始流量值提高流量計(jì)靈敏度。3）采用改進(jìn)的組件后流量計(jì)具有更加穩(wěn)定的儀表系數(shù)值流量計(jì)的精度得到提高。
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