摘要:在分(fen)析氣體渦(wo)輪流量計(jì) 結構和數(shu)學模型的(de)基礎上,針(zhēn)對渦輪葉(yè)片螺旋升(sheng)❓角🧡對儀表(biao)性能的影(yǐng)響,以安裝(zhuang)35°.45°和55°三種不(bú)同葉片螺(luó)旋升🔅角渦(wō)㊙️輪的DN150型氣(qi)體渦輪流(liú)量計作爲(wèi)實驗對象(xiang),搭建儀表(biao)負壓檢測(cè)平台,分别(bie)對儀表系(xì)數、壓力損(sǔn)失和計量(liàng)精度進行(hang)實驗檢定(dìng)與對比分(fen)💁析。實驗結(jie)🙇🏻果表明，合(hé)理設計渦(wo)輪葉片螺(luo)旋升角能(néng)顯著改善(shan)🔅氣體渦輪(lun)流量計的(de)性能,爲葉(ye)片螺旋升(shēng)角進一步(bù)♻️優化及其(qí)對儀表性(xing)能影響規(guī)律的研究(jiū)提供了實(shí)驗基礎。
0引(yin)言
　　氣體渦(wō)輪流量計(jì)是計量天(tian)然氣、氧氣(qi)、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),如圖1所示(shì)。
 
　　将(jiang)渦輪置于(yu)被測的氣(qì)體介質中(zhong)，當氣體流(liú)經流量計(jì)時,在導流(liu)✏️器的作用(yong)下被整流(liú)并加速，由(you)于渦輪🏃‍♀️的(de)葉片與流(liu)過的氣🥰體(tǐ)之間存在(zài)一定夾角(jiao),氣體對㊙️渦(wō)輪産生轉(zhuan)動力矩，使(shi)渦輪克服(fu)機械摩擦(ca)阻力矩、氣(qì)體流動阻(zu)力矩和電(dian)磁阻力矩(ju)而旋轉,在(zai)-定的流✌️量(liang)範圍内，渦(wo)輪的角速(sù)度⛹🏻‍♀️和通過(guò)渦輪的流(liú)量成正比(bǐ)。渦輪的旋(xuán)轉⛱️帶動脈(mo)沖發生器(qì)旋轉,産生(sheng)的😄脈沖信(xìn)号由傳感(gan)器送入智(zhì)能積算儀(yi)進🍉行換算(suàn)得到氣體(ti)🤩介質的瞬(shun)時流量🍉和(he)累積流量(liàng)。其主👨‍❤️‍👨要性(xìng)能指标有(yǒu)始動流量(liàng)、儀表系數(shu)、壓力損失(shi)和計量精(jīng)度。
　　近年來(lái)旨在提高(gao)儀表性能(néng)的研究主(zhǔ)要圍繞前(qian)、後導流❄️裝(zhuang)置和渦輪(lun)等關鍵部(bu)件的結構(gou)和型式開(kai)展。劉正⭕先(xiān)等通過實(shi)驗分析,提(ti)出改進前(qian)、後導流器(qì)結構能明(míng)顯減少儀(yi)表的壓力(lì)損失,改善(shan)儀表系數(shu)的線性度(dù),而葉片數(shu)量的增減(jiǎn)對流量計(jì)壓力損失(shī)的👈影響可(kě)以忽🏃‍♀️略不(bú)計，但葉片(pian)數量的增(zeng)加可明顯(xian)改㊙️善始動(dong)流量,提✌️高(gāo)儀表靈敏(mǐn)度🈲,但數量(liang)過多會使(shi)重疊度增(zeng)大,儀表性(xing)能急劇惡(è)化;鄭建💃🏻梅(mei)等對渦輪(lun)的材料和(hé)渦輪軸承(chéng)進🥵行了改(gǎi)進,改善了(le)儀表系數(shu)的穩定性(xìng)!7;LIZ等✏️利用CFD技(ji)術與實驗(yan)相📧結合驗(yan)證了對整(zheng)流器的優(yōu)化設計能(neng)✏️有效減🤩少(shǎo)壓力損失(shī)[8]。在上述研(yán)究中,還未(wèi)涉及針對(dui)渦輪葉片(pian)螺旋升角(jiǎo)對儀表性(xing)能❗的探讨(tao)。本文利用(yong)儀表負💛壓(yā)檢定🔴平台(tái),對3種不同(tóng)葉片螺旋(xuán)升角的DN150型(xíng)氣體渦輪(lun)流量計進(jìn)行了實驗(yan)對比分析(xī),爲改善儀(yi)表性能和(he)葉片螺旋(xuan)升角的優(yōu)化㊙️提供實(shi)驗依據。
1數(shù)學模型與(yu)渦輪參數(shù)選擇
1.1數學(xue)模型
　　氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計的數學(xue)模型是根(gēn)據力矩平(ping)衡原理建(jian)✍️立起來的(de),主要揭示(shi)流量計輸(shu)出脈沖和(hé)流量之間(jian)的内在關(guan)系,其計算(suan)公式爲：
 
　　式(shi)中:K爲儀表(biǎo)系數;ƒ爲脈(mo)沖頻率，Hz;qv爲(wèi)體積流量(liàng),m³/s;Z.
　　爲渦輪葉(yè)片數;θ爲葉(yè)片結構角(jiao);r爲渦輪中(zhong)徑,m;A爲流通(tong)面爲流體(ti)阻力矩,N.m。
　　其(qí)中,機械摩(mo)擦阻力矩(ju)Trm在流量一(yi)定時隻與(yu)軸承和😄軸(zhou)的選👅型設(shè)計有關,流(liú)體阻力矩(ju)Trf與流體流(liú)動狀态有(you)關，這兩個(ge)力📐矩在此(cǐ)不做詳細(xì)介紹。當被(bèi)測介質--定(ding)時，儀表系(xì)數與葉片(pian)數量葉片(piàn)角度和中(zhōng)徑有關❄️,所(suo)以設計合(he)理的渦🌈輪(lún)結構形式(shì)對改善儀(yi)表性能🈲有(yǒu)重要意義(yi)。
1.2渦輪結構(gou)參數選擇(ze)
　　渦輪結構(gòu)有焊接式(shì)和整體式(shi)，焊接式渦(wo)輪将葉片(pian)和輪毂焊(han)接,整體式(shì)渦輪利用(yòng)技術和數(shù)控加工技(jì)🆚術直接加(jiā)工成型。葉(ye)片型式主(zhu)要有平闆(pan)式和螺旋(xuán)式,平闆式(shì)葉片⁉️主要(yào)應📞用于大(da)外徑焊👈接(jiē)式渦輪,而(ér)螺旋式葉(yè)片應用較(jiào)爲廣泛;材(cai)料主要有(you)鋁合金和(he)🚩不鏽鋼,鋁(lü)合🌐金與不(bu)鏽鋼相比(bǐ)具有自重(zhòng)較輕,工藝(yì)性好等特(tè)點;渦輪平(ping)均直徑受(shòu)流量計流(liú)通管🔴徑即(ji)🧡型号的限(xian)制，可作爲(wèi)定參數處(chù)理;葉片數(shù)量選取主(zhu)要考慮重(zhòng)疊度對儀(yí)🌈表性能的(de)影響,-般🈚取(qu)🔴13~20;葉片角度(dù)♋直接影響(xiang)🌏氣體介質(zhì)對其産生(sheng)驅動轉矩(jǔ)的大小,氣(qì)體介質對(dui)渦輪的驅(qū)動轉矩公(gōng)式爲
 
　　式中(zhōng):Td爲驅動力(li)矩,N·m;ƒd爲周向(xiàng)驅動力,N;u1爲(wèi)介質人口(kou)速度,m/s;ɷ爲渦(wo)💛輪角速度(dù),rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整(zheng)體式葉輪(lun)結構,螺旋(xuan)型葉片，葉(yè)片數量爲(wei)20。對于螺旋(xuan)型葉片,需(xū)要确定葉(ye)片的螺旋(xuan)角，根據式(shi)(2),要得到最(zui)大推動力(lì)矩，葉片螺(luó)旋角應爲(wèi)45°,但力矩公(gōng)式是根據(jù).葉栅繞流(liu)計算得到(dao),難免會和(hé)實際工況(kuàng)有所偏差(cha)。參考常用(yong)葉片角度(dù)㊙️,選取35°.45°和55螺(luó)旋升角渦(wo)輪作爲實(shí)驗對象，渦(wo)輪結構參(cān)數如圖2所(suo)示。
 
2實(shí)驗平台搭(dā)建
2.1檢定裝(zhuang)置與實驗(yan)原理
　　流量(liàng)計的檢定(ding)采用負壓(yā)智能儀表(biao)測量系統(tǒng),系統框圖(tu)如🈲圖3所示(shi),主要包括(kuò)硬件和軟(ruǎn)件兩部分(fen)。硬件包括(kuò)标準🐆吸風(feng)🛀裝置、德萊(lái)塞羅茨氣(qi)體流量計(ji)、穩壓🎯罐和(he)直👅管道組(zǔ)成，而軟件(jiàn)是自行開(kai)發的智能(néng)型流量計(jì)檢測程序(xu),各組成部(bù)分具體參(can)數如🍓表1所(suǒ)示。
 
　　由标準(zhun)吸風裝置(zhì)産生負壓(yā)使标準德(de)萊塞羅茨(cí)流量計和(he)氣體渦輪(lún)流量計被(bèi)同時過流(liú),直管段使(shi)進人檢定(dìng)儀表的氣(qi)體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲充分(fèn)發展的湍(tuan)流;穩壓罐(guan)補償通過(guo)氣體渦輪(lun)流量計後(hòu)的氣體壓(ya)損。智能流(liu)量檢測程(cheng)序接收來(lai)自🈚兩個儀(yi)表的輸出(chu)信号，通過(guo)渦輪流量(liàng)計輸出的(de)脈沖數與(yu)累積流量(liang)來計算儀(yi)表系數,通(tong)過對💘比.相(xiàng)同數據采(cǎi)集🚶‍♀️點處标(biao)準羅茨流(liu)量計的輸(shū)出😍可獲得(dé)精度誤差(cha)安裝在🥰氣(qì)體渦輪流(liu)量計取壓(yā)口處的U型(xíng)管可以測(ce)量進、出口(kou)處的壓力(li),從而得到(dào)儀🐉表的壓(yā)力損失。
 
2.2實(shí)驗流程
　　自(zi)開始測量(liang)時刻起，,選(xuan)取50~1300m³/h範圍内(nèi)6個流量監(jian)測點。在每(měi)個流量監(jiān)測點随機(ji)采集3個不(bu)同時刻的(de)數據,包括(kuo)某一時刻(ke)标準羅茨(cí)流量計和(he)氣體渦輪(lun)流量計的(de)累積流量(liàng)及其輸出(chu)脈沖數。檢(jiǎn)測程序對(duì)這些數據(jù)進行處理(lǐ)獲得流量(liang)計系數和(hé)基本誤差(cha)。監測每一(yī)-流量點處(chù)🥵U型管壓差(chà)裝置的指(zhǐ)示值,獲得(dé)不同監測(ce)點處的壓(yā)力損失,檢(jiǎn)定現場如(ru)圖4所示。
 
3實驗測量(liang)與數據對(dui)比分析
3.1實(shi)驗測量
　　利(lì)用上述實(shi)驗方法,分(fen)别對安裝(zhuang)35°、45°和559渦輪的(de)流量計進(jìn)行💁了❌實驗(yàn)檢定,表2列(liè)出了安裝(zhuang)35°葉片螺旋(xuan)升角表💛渦(wo)輪流量計(ji)的檢定數(shù)據,平均流(liu)量是随機(jī)設定标♈準(zhǔn)吸風裝置(zhì)的🏃‍♂️輸出流(liu)量,平均系(xì)數和誤差(chà)按公式🌈(3)和(he)(4)計算。
 
　　表3列(lie)出了安裝(zhuang)3種不同螺(luó)旋角渦輪(lun)流量計在(zài)儀表取壓(ya)❄️口處的壓(ya)力損失。
 
 
3.2數(shu)據對比分(fen)析
　　對實驗(yan)數據進行(háng)二次多項(xiàng)式插值獲(huò)得20組數據(ju)點,對數🌂據(jù)🌏點進行拟(ni)合得到各(gè)方案在檢(jiǎn)測流量範(fàn)圍内的儀(yi)表系數曲(qu)線、 誤差曲(qǔ)線和壓力(li)損失曲線(xian)。
3.2.1儀表系數(shu)
　　如圖5所示(shì),采用螺旋(xuán)升角爲35°渦(wō)輪的流量(liàng)計的儀表(biǎo)系🏃‍♀️數㊙️曲線(xiàn)在工作區(qū)内波動較(jiao)大,對儀表(biǎo)計量的穩(wěn)🛀定性産生(shēng)很大的負(fù)面影響。而(ér)45°和55°的渦輪(lún)流量計的(de)儀表系數(shù)曲線在工(gong)作區内波(bo)動較小,線(xian)性度較理(li)想，儀表在(zai)工作區内(nei)的計量穩(wěn)定性較好(hao)🐅。
3.2.2計量精度(dù)
　　如圖6所示(shì),采用螺旋(xuán)升角爲55°渦(wo)輪的流量(liang)計誤差基(ji)本穩定在(zài)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(wu)差超過0.8%，計(ji)量精度較(jiao)✔️差。
3.2.3壓力損(sǔn)失
　　如圖所(suo)示，35°渦輪流(liú)量計的最(zuì)大壓損達(da)到了3500Pa以上(shàng)，而🌂55°渦輪🔅則(zé)隻有1500Pa左右(yòu),可明顯看(kàn)出55°葉輪的(de)過流性最(zui)好，壓力損(sun)失💋相比其(qí)他兩種角(jiao)度的渦輪(lún)最小。
 
4結束(shù)語
　　采用實(shi)驗檢定的(de)方法對螺(luo)旋升角爲(wèi)359.45°和55°的DN150氣體(ti)渦輪流量(liàng)計進🛀🏻行了(le)實驗對比(bǐ)分析,實驗(yàn)數據表明(ming)葉片螺旋(xuan)角度直接(jie)影響儀表(biao)的性能參(can)數。其中，35°渦(wō)輪流量計(jì)存在着儀(yí)表系♈數不(bu)穩定、壓力(lì)損失大以(yi)及精度差(cha)等♊弊端，建(jian)議不在産(chǎn)品中應用(yòng);45°渦輪流量(liàng)計,儀表系(xì)數曲線呈(chéng)現良好的(de)線性特征(zhēng)，但壓力損(sǔn)失與55°渦輪(lun)相比較大(da);55°渦輪流量(liàng)計儀表系(xi)數穩定、壓(yā)力🥰損失小(xiao),精度較高(gāo)，比較适🔅合(hé)對壓力損(sun)失和精度(du)要求🛀🏻較高(gāo)的工況。此(ci)外,實驗結(jie)果表明對(dui)💋葉片螺旋(xuan)角的進-一(yī)步優化能(neng)明顯改善(shàn)儀表性能(neng)。

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