摘要:在分析(xi)氣體渦輪流量計(jì)
結構和數學模型(xing)的基礎上,針對渦(wō)輪葉片螺旋升角(jiao)對儀表性能的影(yǐng)響,以安裝35°、45°和55°三種(zhǒng)不同葉片螺旋升(sheng)角渦🏒輪的DN150型氣‼️體(ti)渦輪流量計作爲(wei)實驗對象❗,搭建儀(yi)❤️表負壓檢測平🔴台(tái),分别👣對儀表系數(shù)、壓力損失和計量(liang)💯精度進行實驗檢(jiǎn)定🌈與對比分析。實(shí)驗結♻️果表明,合理(lǐ)設計渦輪葉⭐片螺(luó)旋升角能顯著改(gai)善氣體渦輪流📐量(liang)計的性能,爲葉👨❤️👨片(piàn)螺旋升角進一步(bu)優化及其對儀表(biǎo)性能影響規律的(de)研究提供了實驗(yan)基礎。
0引言
氣體渦(wō)輪流量計是計量(liàng)天然氣、氧氣、氮氣(qi)、液化氣、煤氣等氣(qì)體✨介質的速度式(shì)計量儀表1-2],如圖1所(suo)示。
将渦輪置于被測(ce)的氣體介質中,當(dang)氣體流經流量計(jì)⛷️時,在♊導流器的作(zuò)用下被整流并加(jia)速,由于渦輪的葉(yè)片與流過的氣體(ti)之間存在--定夾角(jiǎo),氣體對渦輪産生(shēng)轉動力矩,使渦輪(lun)克服🈲機械摩擦阻(zǔ)力矩、氣㊙️體流動阻(zu)力矩和電磁阻力(li)矩而旋轉,在--定的(de)流量範圍内,渦輪(lun)的角速度和通過(guò)渦輪的流量成正(zheng)比。渦輪的旋轉帶(dai)😘動脈沖發生器旋(xuán)轉,産生的脈沖信(xin)号由傳感器送人(rén)智能積算儀進行(háng)換算得到氣體介(jiè)質的瞬時流量和(hé)累積流量。
其主要(yào)性能指标有始動(dòng)流量、儀表系數、壓(yā)力損失和計量精(jing)度。
近年來旨在提(tí)高儀表性能的研(yán)究主要圍繞前、後(hou)💜導流裝置和渦輪(lun)等關鍵部件的結(jié)構和型式開展。劉(liú)正先等通過實驗(yàn)🍉分析,提出改進前(qián)、後導流器結🈲構能(neng)明顯減少儀表的(de)壓力損㊙️失,改善☔儀(yi)表系數的線性度(du),而葉片數量的增(zeng)減對流量計壓力(lì)損失的影響可以(yi)忽略不計,但葉片(piàn)數量的增加可明(ming)顯改善始動流量(liàng),提高儀表靈敏度(dù),但數量過多會❄️使(shi)重疊度增大,儀表(biǎo)性能急劇惡化[4-6];鄭(zheng)建梅等對渦輪的(de)✔️材料和渦輪軸承(chéng)進💜行了改進,改善(shan)了儀表系數的穩(wěn)定性”;lIZ等🚩利用CFD技術(shù)與實驗相🍓結合驗(yàn)證了對整流器的(de)優化設計能🔞有效(xiào)減少壓力損失[8]。在(zài)上述研究🌈中，還未(wei)涉及針對渦輪葉(ye)片螺旋升角對儀(yi)表性能🔆的探讨。本(běn)文利用儀表負壓(ya)檢定💯平台,對3種不(bú)同葉片螺旋升角(jiǎo)的DN150型氣體渦輪流(liú)量計進行了實驗(yàn)對比分析,爲改善(shan)❄️儀表性能和葉片(pian)螺旋升角的優化(huà)提供實驗依據。
1數(shu)學模型與渦輪參(cān)數選擇
1.1數學模型(xíng)
氣體渦輪流量計(ji)的數學模型是根(gēn)據力矩平衡原理(lǐ)建🙇♀️立起來🧑🏽🤝🧑🏻的,主要(yào)揭示流量計輸出(chū)脈沖和流量之間(jian)🌈的内在關🤩系,其計(jì)算公式爲：
式中:K爲(wei)儀表系數;f爲脈沖(chong)頻率,Hz;q,爲體積流量(liang),m³/s;Z爲渦輪葉片♌數;θ爲(wèi)🧑🏽🤝🧑🏻葉片結構角;r爲渦(wo)輪中徑,m;A爲流通面(miàn)爲流體阻☔力矩,N.m。
其(qi)中,機械摩擦阻力(lì)矩T.在流量-定時隻(zhi)與軸承和軸的選(xuǎn)型設✏️計有關，流體(tǐ)阻力矩T與流體流(liu)動狀态有☀️關,這兩(liǎng)個力矩在此不做(zuò)詳細介紹。當被測(cè)介質--定時,儀表系(xì)數與💃🏻葉片數量、葉(yè)片角度和💔中徑有(you)關，所以設計合理(lǐ)的渦輪結構形式(shi)對改善儀表性能(néng)有⛹🏻♀️重要意義。
1.2渦輪(lun)結構參數選擇
渦(wo)輪結構有焊接式(shi)和整體式,焊接式(shi)渦輪将葉片💯和輪(lun)🚶毂👈焊接,整體式渦(wō)輪利用先進的CAD/CAM技(jì)術和數控加工技(jì)術直接💚加工成型(xíng)。葉片型式主要有(yǒu)平闆式和螺旋式(shi),平闆式葉片主.要(yào)應用于大外徑焊(hàn)接式渦輪,而螺㊙️旋(xuán)式葉片🧑🏾🤝🧑🏼應用較爲(wei)廣泛;材料主要有(you)鋁合金和不鏽💃🏻鋼(gāng),鋁合金與不鏽鋼(gang)相比具有自重較(jiào)輕,工藝性好等特(te)點;渦輪平均直徑(jìng)受流量計流通管(guǎn)徑即型号的限制(zhi),可作⭕爲定參數處(chù)理;葉片數量選取(qu)主要考慮重疊度(du)對儀表性能的影(yǐng)響,---般取13~20;葉片角度(du)直接影響氣體介(jiè)質.對其産生驅動(dong)轉矩的大小，氣體(ti)介質對渦輪的驅(qu)動轉矩公式🔱爲
式(shì)中:Td爲驅動力矩,N.m;fd爲(wèi)周向驅動力,N;u1爲介(jie)質入口速度,m/s;ɷ爲渦(wō)輪角速度,rad/s。
綜上述(shù)所述,采用整體式(shì)葉輪結構,螺旋型(xíng)葉片，葉片數量🈲爲(wei)20。對于螺旋型葉片(piàn),需要确定葉片的(de)螺旋角,根❗據式(2),要(yao)得到最大推動力(lì)矩,葉片螺旋角應(ying)爲45°,但力矩✨公式是(shì)根據葉栅繞流計(jì)算得到,難免會和(he)實際工況有所偏(piān)差。參考常用葉片(pian)角度,選取35°.45°和55°螺🌈旋(xuan)升角渦輪作爲實(shí)驗對⭐象,渦輪結構(gòu)參數如圖2所☀️示。
2實驗平台搭建
2.1檢(jiǎn)定裝置與實驗原(yuán)理
流量計的檢定(dìng)采用負壓智能儀(yi)表測量系統，系統(tǒng)框圖如🍉圖3所示，主(zhǔ)要包括硬件和軟(ruan)件兩部分。硬件包(bāo)括标準吸風裝置(zhì)、德萊塞羅茨氣體(tǐ)流量計穩壓罐和(he)直管道組成,而軟(ruan)件是自行開發的(de)智能型流量計檢(jian)測程序,各組成部(bu)分具體參數如表(biǎo)1所示。
由标準吸風(fēng)裝置産生負壓使(shi)标準德萊塞羅茨(ci)流💘量計和氣體渦(wō)輪流量計被同時(shi)過流,直管段使進(jin)入檢定儀表的氣(qi)體🏒爲充分發展的(de)湍流;穩壓罐補償(chang)通過氣體渦輪流(liú)量計後的氣體壓(yā)損。智能流量檢測(ce)程序接收來自兩(liǎng)個儀表的輸出信(xìn)号，通過渦❌輪流量(liàng)計輸出的脈沖數(shù)與累積流量🌐來計(jì)算儀表‼️系數,通過(guo)對比♊相同數據采(cai)集🛀點處标準羅茨(ci)流量計的輸出💔可(ke)獲得正确率誤差(cha)安裝在氣體渦輪(lún)流量計取壓口處(chù)的U型管可以測量(liang)進、出口處的壓力(lì),從而得到儀表的(de)壓力損失。
2.2實驗流(liú)程
自開始測量時(shi)刻起,選取50~1300m³/h範圍内(nei)6個流量監測點。在(zai)👨❤️👨每個流量監測點(dian)随機采集3個不同(tong)時刻的數據,包括(kuò)某一時刻标準羅(luo)茨流量計和氣體(ti)渦輪流量計📐的累(lèi)積流量及其輸出(chu)脈沖數。檢測程🚩序(xù)對這些數據進行(hang)處理獲得流量計(jì)系數和基本誤差(chà)。監測每一-流量點(diǎn)處U型管壓差裝置(zhi)的指示值，獲得不(bú)同監測點處的壓(yā)力損失，檢定現場(chǎng)如圖4所示。
3實驗測量與(yǔ)數據對比分析
3.1實(shi)驗測量
利用上述(shu)實驗方法,分别對(duì)安裝35°、45°和55°渦輪的流(liu)量計🐅進行了實驗(yàn)檢定,表2列出了安(an)裝35°葉片螺旋升角(jiǎo)表渦輪流量計的(de)檢定數據,平均流(liu)量是随機設定标(biao)㊙️準吸風🐇裝置的輸(shū)出流量,平均系數(shu)和誤差按公式(3)和(hé)(4)計算。
表3列出了安(an)裝3種不同螺旋角(jiǎo)渦輪流量計在儀(yi)表取壓☔口處的壓(ya)力損失。
注:儀表系(xi)數K=899.06m-3;基本誤差爲0.841%;大(da)氣壓力爲102.40kPa;環境濕(shī)度爲45%。
3.2數據對比分(fèn)析
對實驗數據進(jin)行二次多項式插(cha)值獲得20組數據點(dian)✏️,對☎️數據點進行拟(nǐ)合得到各方案在(zài)檢測流量範圍内(nei)的儀表系數曲線(xian)、誤差曲線和壓力(lì)損失曲線。
3.2.1儀表系(xi)數
如圖5所示,采用(yong)螺旋升角爲35°渦輪(lún)的流量計的儀表(biao)系數曲線在💃工作(zuo)區内波動較大,對(dui)儀表計量的穩定(ding)性産生🤩很大的負(fù)面影響。而45°和55°的渦(wō)輪流量計的儀表(biao)系✉️數曲線在工作(zuo)區内波動較小，線(xiàn)性度較理想，儀表(biǎo)在工作區内㊙️的計(jì)量穩定性較好☎️。
3.2.2計(ji)量精度
如圖6所示(shì),采用螺旋升角爲(wèi)55°渦輪的流量計誤(wù)差基本🔴穩定在0.4%左(zuo)👨❤️👨右,45渦輪在0.5%左右,而(er)35°葉輪流量計誤差(chà)曲線存💞在較大波(bō)動,而且最🐅大誤差(cha)超過0.8%,計量精度較(jiao)差。
3.2.3壓力損失
如圖(tu)7所示,35°渦輪流量計(jì)的最大壓損達到(dao)了3500Pa以上，而55°渦輪✨則(zé)隻🙇🏻有1500Pa左右,可明顯(xian)看出55°葉輪的過流(liu)性最好.壓力損失(shī)相比👈其他兩種角(jiao)度的渦輪最小。
4結(jie)束語
采用實驗檢(jian)定的方法對螺旋(xuan)升角爲35°.45°和55°的DN150氣體(tǐ)渦㊙️輪流量計進行(háng)了實驗對比分析(xī),實驗數據表明葉(ye)片螺旋角☂️度直接(jiē)影響儀表的性能(néng)參數。其中，35°渦輪流(liu)量計存在着儀表(biao)系數不穩定、壓力(lì)🚩損失大以及精度(du)差等弊端，建議不(bu)在産品中應用;45°渦(wō)輪流量計,儀表系(xì)數曲線呈現良好(hao)的線性特征,但壓(ya)力損失與55°渦輪相(xiàng)比較大;559渦輪流量(liang)計儀表系數穩定(ding)、壓力損失小,精度(du)較高,比較适合對(dui)壓力損失和精度(dù)要求較高的工況(kuang)。此外⭐,實驗結果表(biǎo)明對葉片螺旋角(jiao)的進一-步優化能(néng)明顯⛱️改善儀🧑🏽🤝🧑🏻表性(xìng)能。
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