摘要:在分(fèn)析氣體渦(wō)輪流量計(ji)
結構和數(shù)學模型的(de)基礎上,針(zhen)對渦輪葉(ye)片螺旋升(shēng)角對儀表(biǎo)性能的影(yǐng)響,以安裝(zhuang)35°、45°和55°三種不(bú)同葉片螺(luo)旋升角渦(wō)輪的DN150型氣(qi)體渦輪流(liu)量計作爲(wei)實驗對象(xiang),搭建儀表(biǎo)負壓檢測(cè)平台,分别(bié)對儀表系(xi)數、壓力損(sun)失和計量(liàng)精度進行(háng)實驗檢定(dìng)與對比分(fèn)析。實驗結(jié)果表明,合(he)理設計渦(wo)輪葉片螺(luó)旋升角能(néng)顯著改善(shan)✏️氣體渦輪(lún)流㊙️量計的(de)性能,爲葉(yè)片螺旋升(shēng)角進一步(bù)優化及其(qí)🧑🏽🤝🧑🏻對儀表性(xìng)能影響規(gui)律的研究(jiū)提供了實(shi)驗⁉️基礎。
0引(yin)言
氣體渦(wo)輪流量計(jì)是計量天(tiān)然氣、氧氣(qì)、氮氣、液化(huà)氣、煤氣♋等(deng)氣體介質(zhì)的速度式(shi)計量儀表(biao)1-2],如圖1所示(shì)。
将渦輪(lún)置于被測(ce)的氣體介(jie)質中,當氣(qi)體流經流(liu)量⛷️計時,在(zai)😍導流器的(de)作用下被(bèi)整流并加(jia)速,由于渦(wo)輪的葉片(pian)與流過的(de)氣體之間(jian)存在--定夾(jiá)角,氣體對(dui)渦👌輪産生(sheng)轉動力矩(jǔ),使渦輪克(ke)服🧡機械摩(mo)擦阻力矩(ju)、氣❓體流動(dong)阻力矩和(hé)電磁阻力(lì)矩而旋轉(zhuan),在--定的流(liú)量範圍内(nèi),渦輪的角(jiǎo)速度和💔通(tong)過渦輪的(de)流量成正(zhèng)比。渦輪的(de)旋轉帶動(dong)脈沖發生(sheng)器旋轉,産(chǎn)生的脈沖(chòng)信号由傳(chuán)感🔆器送人(ren)智能積算(suan)儀進行換(huan)算得到氣(qì)體介質的(de)瞬時流量(liang)和✍️累積流(liu)量。
其主要(yào)性能指标(biāo)有始動流(liú)量、儀表系(xi)數、壓力損(sun)失和計⭐量(liàng)💃精度。
近年(nián)來旨在提(ti)高儀表性(xing)能的研究(jiū)主要圍繞(rào)前、後導流(liu)裝置和渦(wō)輪等關鍵(jiàn)部件的結(jie)構和型式(shì)開展。劉正(zhèng)先等通過(guo)實驗🙇🏻分析(xī)🔞,提出改進(jìn)前、後導流(liú)器結構能(néng)明顯減少(shǎo)儀表的壓(yā)力損失,改(gǎi)善儀表系(xì)數的線性(xìng)度,而葉片(pian)數量的增(zēng)減對流量(liàng)計壓📞力損(sǔn)失的⭐影響(xiang)可以忽🔞略(lue)不計,但葉(ye)片數量的(de)增加可明(míng)顯改🈚善始(shi)動流量,提(tí)🔅高儀表靈(líng)敏度,但數(shu)量過多會(hui)使重疊度(du)增大🐇,儀表(biao)性能急劇(jù)惡化[4-6];鄭建(jian)梅等對渦(wō)輪的材料(liao)和渦輪軸(zhou)承進💃行了(le)改進,改善(shàn)了儀表系(xi)數的穩定(ding)性”;lIZ等利用(yong)CFD技術與實(shi)驗相結合(hé)驗證了對(duì)整流器的(de)優化設計(jì)能有效減(jian)少壓力損(sun)失[8]。在上述(shu)研究中，還(hái)未涉及針(zhēn)對渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角對儀表(biao)性能的探(tàn)讨。本文利(lì)用儀表負(fù)壓檢定💚平(ping)台,對3種不(bu)同葉片螺(luó)旋升角的(de)DN150型氣體渦(wō)輪流量計(jì)進行了實(shi)驗對比分(fèn)析,爲改善(shan)🆚儀表性能(néng)和葉片螺(luo)🙇♀️旋升角的(de)優化提供(gòng)實驗依據(ju)。
1數學模型(xing)與渦輪參(cān)數選擇
1.1數(shù)學模型
氣(qi)體渦輪流(liu)量計的數(shù)學模型是(shi)根據力矩(jǔ)平衡原理(lǐ)建立起來(lái)的,主要揭(jiē)示流量計(jì)輸出脈沖(chòng)和流量之(zhi)間的内在(zai)關🌐系,其計(jì)算公式爲(wei)：
式中:K爲儀(yí)表系數;f爲(wèi)脈沖頻率(lǜ),Hz;q,爲體積流(liú)量,m³/s;Z爲渦輪(lún)葉🔞片數;θ爲(wèi)葉片結構(gòu)角;r爲渦輪(lún)中徑,m;A爲流(liu)通面爲流(liú)🚶♀️體阻力矩(jǔ)🔞,N.m。
其中,機械(xiè)摩擦阻力(li)矩T.在流量(liang)-定時隻與(yu)軸承和軸(zhóu)的選⭐型設(she)計有關，流(liú)體阻力矩(ju)T與流體流(liu)動狀态有(you)關,這兩個(ge)力矩㊙️在此(ci)不做詳細(xì)介紹。當被(bèi)測介質--定(ding)☂️時,儀表系(xi)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(lún)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(gou)參數選擇(zé)
渦輪結構(gou)有焊接式(shì)和整體式(shì),焊接式渦(wo)輪将葉片(piàn)和♊輪🚩毂焊(han)接,整體式(shì)渦輪利用(yong)先進的CAD/CAM技(ji)術和數控(kòng)加工技術(shu)直接🐆加工(gong)成型。葉片(pian)型式主要(yao)有平闆式(shì)和螺旋式(shi),平闆式葉(ye)片主.要應(yīng)用于大外(wài)徑焊接式(shi)渦輪,而螺(luó)旋式葉片(pian)🈚應用較爲(wei)廣泛;材料(liào)主要有鋁(lǚ)合金和不(bu)鏽鋼,鋁合(he)金與不鏽(xiù)鋼相比具(jù)有自重較(jiào)🔞輕,工藝性(xing)好等特點(dian);渦輪平均(jun1)⛱️直徑受流(liú)量計流通(tong)管徑即型(xing)号的限制(zhì),可作爲定(dìng)參數處理(lǐ);葉片數量(liàng)選取主要(yào)考慮重疊(dié)度對儀表(biǎo)性能的㊙️影(ying)響,---般取13~20;葉(ye)片角度直(zhi)接影響氣(qì)體介質.對(dui)💞其産生驅(qu)動轉矩的(de)✏️大小，氣體(ti)介質對🌈渦(wo)輪的🐉驅動(dòng)轉矩公式(shi)爲
式中:Td爲(wèi)驅動力矩(jǔ),N.m;fd爲周向驅(qū)動力,N;u1爲介(jiè)質入口速(su)度,m/s;ɷ爲渦輪(lún)角速度,rad/s。
綜(zōng)上述所述(shu),采用整體(tǐ)式葉輪結(jie)構,螺旋型(xíng)葉片，葉片(pian)⭐數量爲20。對(dui)☔于螺旋型(xíng)葉片,需要(yào)确定葉片(pian)的螺旋角(jiao),根據式(2),要(yao)得到最大(dà)推動力矩(jǔ),葉片螺旋(xuán)角應爲45°,但(dan)力矩💃公式(shi)是根據葉(ye)栅繞流計(ji)算得♊到,難(nán)免會和✨實(shi)際工況有(yǒu)所偏差。參(cān)考常用葉(ye)片角度,選(xuan)取35°.45°和55°螺旋(xuan)升角渦輪(lún)作爲實驗(yàn)對象,渦輪(lún)結構🌏參數(shu)如圖2所示(shi)。
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(ding)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(fèn)。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(he)直管道組(zǔ)🔞成,而軟件(jian)是自行開(kāi)發的智能(neng)型流量計(jì)檢測程序(xù),各組成部(bù)分具體參(cān)數如表1所(suo)示。
由标準(zhǔn)吸風裝置(zhi)産生負壓(ya)使标準德(dé)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(shǐ)進入檢💋定(dìng)儀表的氣(qì)體📞爲充分(fen)發展的湍(tuan)流;穩壓罐(guan)補償通過(guò)氣體渦🔴輪(lun)流量計後(hòu)的氣體壓(yā)損。智能流(liu)量✔️檢測程(cheng)序接收來(lai)自🐉兩個儀(yí)表👄的輸出(chu)信号，通過(guo)渦❓輪流量(liang)計輸㊙️出的(de)脈沖數👉與(yǔ)累積流量(liang)來計算儀(yi)表😍系數,通(tong)過對比相(xiang)同數據采(cai)集點處标(biāo)準羅茨流(liu)量🏃計的輸(shū)出可獲得(dé)正确率誤(wù)差安裝在(zai)氣體渦輪(lún)流量計取(qǔ)壓口處的(de)U型管可以(yǐ)測量進、出(chu)口處的壓(ya)力,從而得(de)到儀表的(de)壓力損失(shī)。
2.2實驗流程(cheng)
自開始測(cè)量時刻起(qi),選取50~1300m³/h範圍(wéi)内6個流量(liàng)監測點。在(zài)每個流量(liàng)監測點随(suí)機采集3個(gè)不同時刻(kè)的數據,包(bao)括某一時(shí)刻标準羅(luó)茨流量計(ji)和氣體渦(wo)輪流量計(jì)♋的累積流(liu)量及其輸(shu)出脈沖數(shu)。檢測程序(xù)對這些數(shù)據進行處(chu)理獲得流(liu)量計系數(shù)和基本誤(wu)差。監測每(mei)一-流量點(diǎn)處U型管壓(yā)差裝置的(de)指示值，獲(huo)得不同監(jian)測點處的(de)壓力損失(shi)，檢定現場(chang)如圖4所示(shi)。
3實驗測量(liang)與數據對(dui)比分析
3.1實(shí)驗測量
利(li)用上述實(shi)驗方法,分(fèn)别對安裝(zhuang)35°、45°和55°渦輪的(de)流量計進(jìn)行了♻️實🆚驗(yan)檢定,表2列(liè)出了安裝(zhuāng)35°葉片螺旋(xuan)升角表👨❤️👨渦(wō)輪流量計(ji)的檢定數(shu)據🏒,平均流(liú)量是随機(ji)設定标準(zhun)吸風裝置(zhì)的輸出流(liu)量,平均系(xì)數和誤差(cha)按公式(3)和(hé)(4)計算。
表3列(liè)出了安裝(zhuāng)3種不同螺(luo)旋角渦輪(lun)流量計在(zai)儀表取壓(ya)口處的壓(yā)力損失。
注(zhù):儀表系數(shu)K=899.06m-3;基本誤差(chà)爲0.841%;大氣壓(yā)力爲102.40kPa;環境(jìng)濕度爲㊙️45%。
3.2數(shu)據對比分(fen)析
對實驗(yàn)數據進行(háng)二次多項(xiang)式插值獲(huò)得20組數據(ju)點,對數💁據(ju)點💃🏻進行拟(nǐ)合得到各(gè)方案在檢(jian)測流量範(fàn)圍内的儀(yi)表🛀系數曲(qǔ)線、誤差曲(qǔ)線和壓力(lì)損失曲線(xian)。
3.2.1儀表系數(shù)
如圖5所示(shi),采用螺旋(xuan)升角爲35°渦(wō)輪的流量(liang)計的儀表(biao)系數💞曲🙇♀️線(xiàn)在工作區(qū)内波動較(jiào)大,對儀表(biǎo)計量的穩(wen)定性📱産生(shēng)很大的負(fù)👣面影響。而(er)45°和55°的渦輪(lún)流量計的(de)🐆儀表系數(shù)曲線在工(gōng)作區内波(bo)動較小，線(xiàn)性度較理(lǐ)想，儀表在(zài)工作區内(nei)的計量穩(wěn)定性較好(hǎo)。
3.2.2計量精度(dù)
如圖6所示(shi),采用螺旋(xuán)升角爲55°渦(wō)輪的流量(liàng)計誤差基(jī)本穩定在(zai)0.4%左右,45渦輪(lún)在0.5%左右,而(er)35°葉輪流量(liàng)計誤差曲(qǔ)線存在較(jiào)大波動,而(er)且最🤩大誤(wù)差超過0.8%,計(jì)量精度較(jiào)差。
3.2.3壓力損(sun)失
如圖7所(suǒ)示,35°渦輪流(liú)量計的最(zui)大壓損達(da)到了3500Pa以上(shang)，而55°渦輪則(ze)隻有1500Pa左右(yòu),可明顯看(kan)出55°葉輪的(de)過流性最(zui)好.壓力損(sǔn)失相比其(qí)他兩種角(jiao)度的渦輪(lun)最小。
4結束(shù)語
采用實(shi)驗檢定的(de)方法對螺(luó)旋升角爲(wei)35°.45°和55°的DN150氣體(ti)渦輪流量(liàng)計進行了(le)實驗對比(bi)分析,實驗(yàn)數據表明(ming)葉片螺旋(xuan)角度直接(jiē)影🚩響儀表(biao)的性能參(cān)數。其中，35°渦(wō)輪流量計(ji)存在着儀(yí)表系數不(bu)穩定、壓力(li)🌈損失大以(yǐ)及😍精度差(chà)等弊端，建(jiàn)議不在産(chan)品🛀🏻中應用(yòng);45°渦輪流量(liang)計,儀表系(xì)數曲🌈線呈(chéng)現良好的(de)線性特征(zheng)🧑🏾🤝🧑🏼,但壓力損(sǔn)失🍓與55°渦輪(lun)相比較大(dà);559渦輪流量(liàng)計儀表系(xi)數穩定、壓(yā)力損失小(xiao),精✍️度較高(gao),比較适合(he)對壓力損(sun)失和精度(dù)要求較高(gao)的工況。此(cǐ)外,實驗結(jie)果表明對(duì)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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