摘要(yao):在分(fen)析氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 結構(gou)和數(shu)學模(mo)型的(de)基礎(chu)上,針(zhen)對渦(wo)輪葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)🈲角🐉對(dui)儀表(biao)性能(neng)的影(ying)響,以(yi)安裝(zhuang)35°、45°和55°三(san)種不(bu)同葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)角渦(wo)輪的(de)DN150型氣(qi)體渦(wo)🐅輪流(liu)量計(ji)作爲(wei)實驗(yan)對象(xiang),搭建(jian)儀表(biao)負壓(ya)檢測(ce)平台(tai),分别(bie)對儀(yi)表系(xi)數、壓(ya)力損(sun)失和(he)計量(liang)精度(du)進行(hang)實驗(yan)檢定(ding)與對(dui)比分(fen)析。實(shi)驗結(jie)✍️果表(biao)明,合(he)理🔞設(she)計渦(wo)輪葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)角能(neng)顯著(zhe)改善(shan)🤞氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)性能(neng),爲葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)角進(jin)一步(bu)優化(hua)及其(qi)對儀(yi)表性(xing)能影(ying)響規(gui)律的(de)研究(jiu)提供(gong)了實(shi)驗㊙️基(ji)礎。
0引(yin)言
　　氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)是計(ji)量天(tian)然氣(qi)、氧氣(qi)、氮氣(qi)、液化(hua)氣、煤(mei)氣等(deng)氣體(ti)介質(zhi)的速(su)度式(shi)計量(liang)儀表(biao)1-2],如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　将(jiang)渦輪(lun)置于(yu)被測(ce)的氣(qi)體介(jie)質中(zhong),當氣(qi)體流(liu)經流(liu)量計(ji)時,在(zai)導流(liu)器的(de)作用(yong)下被(bei)整流(liu)并加(jia)速,由(you)于渦(wo)輪的(de)葉片(pian)與✍️流(liu)過的(de)氣體(ti)之間(jian)存在(zai)--定夾(jia)角,氣(qi)體對(dui)渦輪(lun)産生(sheng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻轉動(dong)力矩(ju),使渦(wo)輪克(ke)服♌機(ji)械摩(mo)擦阻(zu)力矩(ju)、氣體(ti)流動(dong)阻力(li)矩和(he)電磁(ci)阻力(li)矩而(er)旋轉(zhuan),在--定(ding)的流(liu)量範(fan)圍内(nei),渦輪(lun)的角(jiao)速度(du)和通(tong)過渦(wo)輪的(de)🔞流量(liang)成正(zheng)比。渦(wo)輪的(de)旋轉(zhuan)☀️帶動(dong)脈沖(chong)發生(sheng)器旋(xuan)轉,産(chan)生的(de)脈沖(chong)信号(hao)由傳(chuan)感器(qi)送人(ren)智能(neng)積算(suan)儀進(jin)行換(huan)算得(de)到氣(qi)體介(jie)質的(de)瞬時(shi)流量(liang)和💁累(lei)積流(liu)量。
　　其(qi)主要(yao)性能(neng)指标(biao)有始(shi)動流(liu)量、儀(yi)表系(xi)數、壓(ya)力損(sun)失和(he)計量(liang)精度(du)。
　　近年(nian)來旨(zhi)在提(ti)高儀(yi)表性(xing)能的(de)研究(jiu)主要(yao)圍繞(rao)前、後(hou)導流(liu)裝置(zhi)和渦(wo)輪等(deng)關鍵(jian)部件(jian)的結(jie)構和(he)型式(shi)開展(zhan)。劉正(zheng)先等(deng)通過(guo)實驗(yan)分析(xi),提出(chu)改進(jin)前、後(hou)導流(liu)器結(jie)構能(neng)明顯(xian)減少(shao)儀表(biao)的壓(ya)力損(sun)失,改(gai)善⛹🏻‍♀️儀(yi)表系(xi)數的(de)線性(xing)度,而(er)葉片(pian)數量(liang)的增(zeng)減對(dui)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失的(de)影響(xiang)可以(yi)忽略(lue)不計(ji),但葉(ye)片數(shu)量的(de)增加(jia)可明(ming)顯改(gai)⭕善始(shi)動流(liu)量,提(ti)🈲高儀(yi)表靈(ling)敏度(du),但數(shu)量過(guo)多會(hui)⭐使重(zhong)疊度(du)增大(da),儀表(biao)性能(neng)急劇(ju)惡化(hua)[4-6];鄭建(jian)梅等(deng)對渦(wo)輪的(de)材料(liao)和渦(wo)輪軸(zhou)承進(jin)🆚行了(le)改進(jin),改善(shan)了儀(yi)表系(xi)數的(de)穩定(ding)性”;lIZ等(deng)利用(yong)CFD技術(shu)與🔴實(shi)驗相(xiang)結合(he)驗證(zheng)了對(dui)整流(liu)器的(de)優化(hua)設計(ji)能有(you)效減(jian)少壓(ya)力損(sun)失[8]。在(zai)上述(shu)研究(jiu)💃中，還(hai)未涉(she)及針(zhen)對渦(wo)輪葉(ye)片😄螺(luo)旋升(sheng)角對(dui)儀表(biao)性能(neng)🆚的探(tan)讨。本(ben)文利(li)用儀(yi)表負(fu)壓檢(jian)定平(ping)台,對(dui)3種不(bu)同葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)🈚角的(de)DN150型氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)🈲了實(shi)驗對(dui)比分(fen)析,爲(wei)改善(shan)儀表(biao)性能(neng)和葉(ye)片螺(luo)旋升(sheng)角的(de)優化(hua)♻️提供(gong)實驗(yan)依據(ju)。
1數學(xue)模型(xing)與渦(wo)輪參(can)數選(xuan)擇
1.1數(shu)學模(mo)型
　　氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的數(shu)學模(mo)型是(shi)根據(ju)力矩(ju)平衡(heng)原理(li)建立(li)🏃起來(lai)的,主(zhu)要揭(jie)示流(liu)量計(ji)輸出(chu)脈沖(chong)和流(liu)量之(zhi)間的(de)内在(zai)關系(xi),其計(ji)算🔞公(gong)式爲(wei)：
 
　　式中(zhong):K爲儀(yi)表系(xi)數;f爲(wei)脈沖(chong)頻率(lü),Hz;q,爲體(ti)積流(liu)量,m³/s;Z爲(wei)渦輪(lun)葉片(pian)數;θ爲(wei)葉片(pian)結構(gou)角;r爲(wei)渦輪(lun)中徑(jing),m;A爲流(liu)通面(mian)爲流(liu)體阻(zu)力矩(ju),N.m。
　　其中(zhong),機械(xie)摩擦(ca)阻力(li)矩T.在(zai)流量(liang)-定時(shi)隻與(yu)軸承(cheng)和軸(zhou)的選(xuan)👨‍❤️‍👨型設(she)計💃🏻有(you)關，流(liu)體阻(zu)力矩(ju)T與流(liu)體流(liu)動狀(zhuang)态有(you)👈關,這(zhe)兩個(ge)力矩(ju)在此(ci)不做(zuo)💔詳細(xi)介紹(shao)。當被(bei)測介(jie)質--定(ding)☎️時,儀(yi)表系(xi)數與(yu)葉片(pian)數量(liang)、葉片(pian)角度(du)和中(zhong)徑有(you)關，所(suo)💜以設(she)計合(he)理的(de)渦輪(lun)結構(gou)形式(shi)對改(gai)善儀(yi)表性(xing)能有(you)🌏重要(yao)意義(yi)。
1.2渦輪(lun)結構(gou)參數(shu)選擇(ze)
　　渦輪(lun)結構(gou)有焊(han)接式(shi)和整(zheng)體式(shi),焊接(jie)式渦(wo)輪将(jiang)葉片(pian)和輪(lun)👈毂焊(han)接,整(zheng)體式(shi)渦輪(lun)利用(yong)先進(jin)的CAD/CAM技(ji)術和(he)數控(kong)加工(gong)技術(shu)直接(jie)加工(gong)成型(xing)。葉片(pian)型式(shi)主要(yao)有平(ping)闆式(shi)和螺(luo)旋式(shi),平闆(pan)式葉(ye)片主(zhu).要應(ying)用于(yu)大☔外(wai)徑焊(han)接式(shi)渦輪(lun),而螺(luo)旋式(shi)葉片(pian)應用(yong)較爲(wei)廣泛(fan);材料(liao)主要(yao)有鋁(lü)🌏合金(jin)和不(bu)鏽鋼(gang),鋁合(he)金與(yu)🈲不鏽(xiu)鋼相(xiang)比🌈具(ju)有自(zi)重較(jiao)㊙️輕,工(gong)藝性(xing)好等(deng)特點(dian);渦輪(lun)平均(jun)直徑(jing)受流(liu)量計(ji)流通(tong)管徑(jing)即型(xing)号的(de)限制(zhi),可作(zuo)👉爲定(ding)參數(shu)處理(li);葉片(pian)數量(liang)選取(qu)主要(yao)考慮(lü)重疊(die)🚶度對(dui)儀表(biao)性能(neng)的影(ying)響,---般(ban)取13~20;葉(ye)片角(jiao)度直(zhi)接影(ying)響氣(qi)體介(jie)質.對(dui)其産(chan)生驅(qu)動轉(zhuan)矩的(de)✊大小(xiao)，氣體(ti)介質(zhi)對渦(wo)輪的(de)驅動(dong)轉矩(ju)公式(shi)爲
 
　　式(shi)中:Td爲(wei)驅動(dong)力矩(ju),N.m;fd爲周(zhou)向驅(qu)動力(li),N;u1爲介(jie)質入(ru)口速(su)度,m/s;ɷ爲(wei)渦輪(lun)角速(su)度,rad/s。
　　綜(zong)上述(shu)所述(shu),采用(yong)整體(ti)式葉(ye)輪結(jie)構,螺(luo)旋型(xing)葉片(pian)，葉片(pian)🌏數🌐量(liang)爲20。對(dui)于螺(luo)旋型(xing)葉片(pian),需要(yao)确定(ding)葉片(pian)的螺(luo)旋角(jiao),根💰據(ju)式(2),要(yao)得🏃‍♀️到(dao)最大(da)推❄️動(dong)力矩(ju),葉片(pian)螺旋(xuan)角應(ying)爲🧡45°,但(dan)力矩(ju)公式(shi)是根(gen)據葉(ye)📞栅繞(rao)流計(ji)算得(de)到,難(nan)免會(hui)和實(shi)際工(gong)況有(you)所偏(pian)差。參(can)考常(chang)用🔞葉(ye)片角(jiao)度,選(xuan)取35°.45°和(he)55°螺旋(xuan)升角(jiao)渦輪(lun)作爲(wei)實驗(yan)對㊙️象(xiang),渦輪(lun)結構(gou)參數(shu)如圖(tu)2所示(shi)。
 
2實(shi)驗平(ping)台搭(da)建
2.1檢(jian)定裝(zhuang)置與(yu)實驗(yan)原理(li)
　　流量(liang)計的(de)檢定(ding)采用(yong)負壓(ya)智能(neng)儀表(biao)測量(liang)系統(tong)，系統(tong)框🐆圖(tu)🏃‍♀️如圖(tu)3所示(shi)，主要(yao)包括(kuo)硬件(jian)和軟(ruan)件兩(liang)部分(fen)。硬件(jian)包括(kuo)🔞标準(zhun)吸風(feng)♍裝置(zhi)、德萊(lai)🔞塞羅(luo)茨氣(qi)體流(liu)量計(ji)穩壓(ya)罐和(he)直❄️管(guan)道組(zu)成,而(er)軟🚶‍♀️件(jian)是自(zi)行開(kai)發的(de)智能(neng)型流(liu)🔱量計(ji)檢測(ce)程序(xu),各組(zu)成部(bu)分具(ju)體參(can)數如(ru)表1所(suo)示。
 
　　由(you)标準(zhun)吸風(feng)裝置(zhi)産生(sheng)負壓(ya)使标(biao)準德(de)萊塞(sai)羅茨(ci)流量(liang)💘計和(he)氣🙇‍♀️體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計被(bei)同時(shi)過流(liu),直管(guan)段使(shi)進入(ru)檢🔆定(ding)儀表(biao)的氣(qi)體爲(wei)充👈分(fen)發展(zhan)的湍(tuan)流;穩(wen)壓罐(guan)補🐕償(chang)通過(guo)氣體(ti)渦⛹🏻‍♀️輪(lun)流量(liang)計後(hou)的💁氣(qi)體壓(ya)🌐損。智(zhi)能流(liu)量檢(jian)測程(cheng)序接(jie)收來(lai)自🔅兩(liang)個儀(yi)表的(de)輸出(chu)信🥰号(hao)，通過(guo)渦輪(lun)流量(liang)計輸(shu)出的(de)脈沖(chong)數與(yu)累積(ji)流量(liang)來計(ji)算儀(yi)表♊系(xi)數,通(tong)過對(dui)👣比相(xiang)同數(shu)據采(cai)集點(dian)處标(biao)準羅(luo)茨🐪流(liu)量計(ji)的輸(shu)出可(ke)獲得(de)正确(que)率誤(wu)差安(an)裝在(zai)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計取(qu)壓口(kou)處的(de)U型管(guan)可以(yi)測量(liang)進、出(chu)口處(chu)的壓(ya)力🎯,從(cong)而得(de)到㊙️儀(yi)表的(de)壓力(li)損失(shi)。
 
2.2實驗(yan)流程(cheng)
　　自開(kai)始測(ce)量時(shi)刻起(qi),選取(qu)50~1300m³/h範圍(wei)内6個(ge)流量(liang)監測(ce)點。在(zai)每個(ge)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量(liang)監測(ce)點随(sui)機采(cai)集3個(ge)不同(tong)時刻(ke)的數(shu)據,包(bao)括某(mou)一時(shi)✔️刻标(biao)準羅(luo)⛷️茨流(liu)量計(ji)和氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的累(lei)積流(liu)量及(ji)其輸(shu)出🌈脈(mo)沖數(shu)。檢測(ce)程序(xu)對這(zhe)些數(shu)據進(jin)行處(chu)理獲(huo)得流(liu)量計(ji)系數(shu)和基(ji)本誤(wu)差。監(jian)測每(mei)一-流(liu)量點(dian)處U型(xing)管壓(ya)差裝(zhuang)置的(de)指示(shi)值⛱️，獲(huo)得不(bu)同監(jian)測點(dian)處的(de)壓力(li)損失(shi)，檢定(ding)現場(chang)如圖(tu)4所示(shi)。
 
3實驗(yan)測量(liang)與數(shu)據對(dui)比分(fen)析
3.1實(shi)驗測(ce)量
　　利(li)用上(shang)述實(shi)驗方(fang)法,分(fen)别對(dui)安裝(zhuang)35°、45°和55°渦(wo)輪的(de)流量(liang)計進(jin)行了(le)實㊙️驗(yan)檢定(ding),表2列(lie)出了(le)安裝(zhuang)35°葉片(pian)螺旋(xuan)升角(jiao)表渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的檢(jian)定數(shu)據,平(ping)均流(liu)量是(shi)随機(ji)設定(ding)标🏃🏻準(zhun)吸風(feng)🌈裝置(zhi)的輸(shu)出流(liu)量,平(ping)均系(xi)數和(he)誤差(cha)按公(gong)式(3)和(he)(4)計算(suan)。
 
　　表3列(lie)出了(le)安裝(zhuang)3種不(bu)同螺(luo)旋角(jiao)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)儀表(biao)取壓(ya)🐇口處(chu)的壓(ya)力損(sun)失。
 
注(zhu):儀表(biao)系數(shu)K=899.06m-3;基本(ben)誤差(cha)爲0.841%;大(da)氣壓(ya)力爲(wei)102.40kPa;環境(jing)濕度(du)爲45%。
 
3.2數(shu)據對(dui)比分(fen)析
　　對(dui)實驗(yan)數據(ju)進行(hang)二次(ci)多項(xiang)式插(cha)值獲(huo)得20組(zu)數據(ju)點,對(dui)💯數據(ju)點進(jin)行拟(ni)合得(de)到各(ge)方案(an)在檢(jian)測流(liu)量範(fan)圍内(nei)的儀(yi)表系(xi)數曲(qu)線⭕、誤(wu)差🈲曲(qu)線和(he)壓力(li)損失(shi)曲線(xian)。
3.2.1儀表(biao)系數(shu)
　　如圖(tu)5所示(shi),采用(yong)螺旋(xuan)升角(jiao)爲35°渦(wo)輪的(de)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)曲線(xian)在工(gong)作區(qu)内波(bo)動較(jiao)大,對(dui)儀表(biao)計量(liang)的穩(wen)定性(xing)産生(sheng)🐆很大(da)🌐的負(fu)面影(ying)響。而(er)45°和55°的(de)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)💰儀表(biao)系數(shu)曲線(xian)在工(gong)作區(qu)内波(bo)動較(jiao)小🐉，線(xian)性度(du)較理(li)想，儀(yi)表在(zai)工作(zuo)區内(nei)的計(ji)量穩(wen)定性(xing)較好(hao)。
3.2.2計量(liang)精度(du)
　　如圖(tu)6所示(shi),采用(yong)螺旋(xuan)升角(jiao)爲55°渦(wo)輪的(de)流量(liang)計誤(wu)差基(ji)本🤩穩(wen)定在(zai)0.4%左右(you),45渦輪(lun)在0.5%左(zuo)右,而(er)35°葉輪(lun)流量(liang)計誤(wu)差曲(qu)線存(cun)在較(jiao)大波(bo)動,而(er)🥵且最(zui)🙇‍♀️大誤(wu)差超(chao)過0.8%,計(ji)量精(jing)度較(jiao)差。
3.2.3壓(ya)力損(sun)失
　　如(ru)圖7所(suo)示,35°渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的最(zui)大壓(ya)損達(da)到了(le)3500Pa以上(shang)，而55°渦(wo)輪則(ze)隻有(you)1500Pa左右(you),可明(ming)顯看(kan)出55°葉(ye)輪的(de)過流(liu)性最(zui)好♉.壓(ya)力損(sun)失相(xiang)比其(qi)他👉兩(liang)種🥰角(jiao)度的(de)渦輪(lun)最小(xiao)。
 
4結束(shu)語
　　采(cai)用實(shi)驗檢(jian)定的(de)方法(fa)對螺(luo)旋升(sheng)角爲(wei)35°.45°和55°的(de)DN150氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計🎯進(jin)行了(le)實驗(yan)對比(bi)分析(xi),實驗(yan)數據(ju)表明(ming)葉片(pian)螺旋(xuan)角度(du)直接(jie)影響(xiang)儀表(biao)的性(xing)能參(can)數。其(qi)中，35°渦(wo)輪流(liu)量計(ji)存在(zai)着儀(yi)表系(xi)數不(bu)穩定(ding)、壓力(li)🈚損失(shi)大以(yi)及精(jing)度差(cha)等弊(bi)端，建(jian)議不(bu)在産(chan)品中(zhong)應用(yong);45°渦輪(lun)流量(liang)計🐕,儀(yi)表系(xi)數曲(qu)線呈(cheng)現良(liang)好的(de)線性(xing)特征(zheng),但壓(ya)力損(sun)失🍓與(yu)55°渦輪(lun)相比(bi)較大(da);559渦輪(lun)流量(liang)計🔴儀(yi)表系(xi)數穩(wen)定🌈、壓(ya)力損(sun)失小(xiao),精度(du)較高(gao),比較(jiao)适合(he)對壓(ya)力損(sun)失和(he)精度(du)要求(qiu)🔅較高(gao)的工(gong)況。此(ci)外,實(shi)驗結(jie)果表(biao)明對(dui)葉片(pian)螺旋(xuan)角的(de)進一(yi)-步優(you)化能(neng)明顯(xian)改善(shan)儀☎️表(biao)性能(neng)。

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