摘要：對氣體渦輪流量計的主要組件引起的壓力損失進行了對比實驗測量比較了葉輪形狀和葉片數.前導流器不同結構對壓損的影響程度。結果表明導流器和葉輪改進后流量計的壓力損失明顯降低同時靈敏度也得以提高。
我國西氣東輸"以及南水北調"工程中各種各樣的輸送管道總管和支管均需要數以萬計的流量測量儀表即流量計來及時提供流動參數實施動態監測。渦輪流量計是其中必不可少的一種。它是葉輪式速度流量計屬于速度式測量,即利用測量管道內介質流動速度來得到流量的測量方法。
置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比通過測量葉輪的旋轉角速度得到流體流速從而得到管道內的流量值。 在選擇渦輪流量計的時候,除了要求其具有精度高、量程大和起始流量小的優點外,壓損小也是一個關鍵指標。流體通過渦輪流量計的壓力損失越小,則流體由輸入至輸出管道所消耗能量就越小,即所需總動力將減少,由此可大大節約能源降低輸送成本提高利用率。將對流量計進行實驗對比測量,得出主要組件對壓損的影響程度,為針對性的改進優化設計提供有力數據。
1.結構與壓力損失
渦輪流量計結構示意圖如圖1所示,主要組件包括整流柵、前導流器、葉輪以及后導流器等。當流體通過管道時沖擊葉輪,對葉輪產生驅動力矩使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉,在一定的流量范圍內葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比。 因此,葉輪的轉速通過裝在機殼外的磁電轉換裝置轉換為模擬電流量,進而顯示為瞬時流量值和累積流量值。
流體從機殼進口流入,首先經過整流柵進行穩流再進入前導流器前導流器對流體有收斂作用，防止流體發生分離產生大的渦旋運動,前導流葉片對流體起導向作用,避免流體自旋而改變對葉輪葉片的作用角度保證測量的精度。流體經葉輪后將以螺線型方式向前流動,加入帶葉片的后導流器對其進行導流使流體沿管壁直線流動減少各種阻力引起的能量損失。
流體通過流量計的壓力損失與介質的密度、流速等有關其計算公式為:
△P=αxρv2/2
其中,△P,壓力損失α,壓損系數ρ,介質密度v流速。
由于ρ和v為流體流動參數不能隨意增減,因此只能盡量減小壓損系數α,以達到降低壓損的目的。壓損系數除了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外還與流量計內部各部件的幾何結構有關。
2測量
采用口徑D=100mm,量程Q=50m³/h~600m³/h的渦輪流量計,在吸氣式試驗臺，上分別對常壓、介質為空氣、不同結構的前導流器、不同葉片數及形狀的葉輪進行測量。
2.1前導流器
圖2和圖3分別為兩種結構的前導流器示意圖。圖2為渦輪流量計常用結構,葉片數為6導流.體形狀由流入至流出呈錐形,葉片長與錐體高度相同.圖3為本文改進的前導流器結構示意圖其主要特點是將錐體改為半橢球體,葉片數增加到12并把葉片長度縮小1/3.
圖4是兩種結構下,流體經過流量計后的壓力損失曲線。由圖4可看出在流量<100m³/h時,壓力損失不受導流器結構的影響而且壓損很小。隨著流量增大,改進的導流器的壓損明顯低于錐體導流器在最大流量600m³/h處錐體的壓損約為半橢球體的2倍,可見導流器的結構對流量計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:半橢球體外形過渡更光滑,降低了流體流動分離的發生更加符合對流動條件的要求，從而使壓損大大降低。適當增加葉片數而減少葉片長度不但可以起到較好的穩流、整流作用減少因流動渦旋產生的壓力損失而且使流通面積有一個逐步減小的過程避免了流體進入導流器后由于流通面積的突然收縮引起的壓力損失的增大。結果表明以上因素的綜合結果使流體流經導流器時的壓損明顯降低。
2.2葉輪
葉輪按照設計要求為葉片數z=12~20,葉片傾角a=30°~45°,重疊度為1~1.2,葉片與內機殼間隙為0.5mm~1mm。為提高流量計的靈敏度可適當增加葉片數。
流量計常用葉輪葉片數為13,葉片形狀為矩形。為提高流量計的靈敏度作者對葉輪作了改造，將葉片數增為20,葉片形狀設計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葉片數的葉輪后流量計壓損曲線圖。可看到兩條曲線幾乎重合。說明在允許范圍內,葉輪葉片數的增減以及葉片形狀的改變對壓力損失的影響可以忽略。但通過對起始流量的測量發現，對13葉片數葉輪,測得流量計起始流量為7.5m³/h,而對20葉片數葉輪則為6.5m³/h,可見適當增加葉片數和重疊度，可以在不增加壓損的前提下較明顯地提高流量計的靈敏度。
2..3儀表系數
渦輪流量計性能的另外一個重要指標是儀表系數K。儀表系數可理解為流量計儀表的輸出流量值與通過流量計的實際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表內磁電轉換器輸出頻率成正比,故K也表示為輸出頻率與實際流量之比即:
由式可見，理想的儀表系數K與結構參數有關與流量變化無關。對某一流量計K為一常數在K-qv圖上為-平行橫軸的直線。但對實際的流體流動,由于葉輪要克服軸承的機械阻力矩.流體產生的阻力矩并受流動狀態等因素的影響使K不可能保持直線而在量程范圍內盡量保證K為一常數是保證流量計精度的前提條件。
對半橢球體導流器和梯形葉輪對流量計儀表系數的影響進行了實驗測試,考察改變結構組件后對儀表性能的影響。
圖6為分別采用錐體和半橢球體導流器,流量計儀表系數的測試結果。由圖可看出采用改進的導流器后流量計儀表系數比改進前有較好地改善在量程范圍內50m³/h~600m³/h),K很好地體現常系數的特性甚至在超過最大量程后能繼續保持水平直線狀態。改進前的流量計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結論
通過對氣體渦輪流量計主要組件性能的實驗測量得出:1）前導流器是引起流量計壓力損失的主要因素之一。當采用改進的半橢球體導流結構后流量計的壓損被大幅度降低。2）對葉輪葉片進行適當改造后,可明顯降低起始流量值提高流量計靈敏度。3）采用改進的組件后流量計具有更加穩定的儀表系數值流量計的精度得到提高。
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