摘要(yao):在分析(xi)氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計 結構(gou)和數學(xue)模(mo)型的(de)基礎上,針對渦(wo)輪葉片(pian)螺(luo)旋升角對儀(yi)表性能(neng)的影響,以(yi)安裝(zhuang)35°、45°和55°三種不同葉(ye)片螺旋升角渦(wo)輪的DN150型氣(qi)體渦(wo)輪流量計作爲(wei)實驗(yan)對象,搭建(jian)儀表(biao)負壓(ya)檢測平台,分(fen)别(bie)對儀(yi)表系數、壓(ya)力損(sun)失和計量精度(du)進行實(shi)驗(yan)檢定(ding)與對(dui)比(bi)分析。實(shi)驗結果表(biao)明,合理設計渦輪葉(ye)片螺(luo)旋(xuan)升(sheng)角能(neng)顯著改(gai)善氣體(ti)渦輪流量計的性能(neng),爲葉片螺(luo)旋升角進(jin)一步(bu)優化(hua)及(ji)其對儀(yi)表性能影(ying)響規(gui)律的(de)研(yan)究提供(gong)了實驗基(ji)礎。
0引(yin)言
　　氣(qi)體渦輪流(liu)量計(ji)是計(ji)量天(tian)然氣(qi)、氧氣、氮氣(qi)、液化(hua)氣(qi)、煤(mei)氣等氣體介(jie)質的速(su)度式計量儀表(biao)1-2],如圖(tu)1所示。
 
　　将(jiang)渦輪置于被測(ce)的氣體介質中(zhong),當氣體(ti)流經流(liu)量計(ji)時,在(zai)導流(liu)器的(de)作用下被整流(liu)并加速,由(you)于渦輪的(de)葉片(pian)與流過的氣體(ti)之間存在--定夾(jia)角,氣(qi)體對(dui)渦輪(lun)産生轉動(dong)力矩(ju),使渦(wo)輪克(ke)服機(ji)械摩擦阻力矩(ju)、氣體(ti)流動阻力(li)矩和(he)電(dian)磁阻力矩而旋轉,在--定(ding)的流量範圍内(nei),渦輪(lun)的角速度(du)和通過渦(wo)輪的(de)流量成正(zheng)比。渦(wo)輪的旋轉(zhuan)帶動(dong)脈沖(chong)發(fa)生(sheng)器旋(xuan)轉,産生(sheng)的(de)脈沖(chong)信号由傳(chuan)感器(qi)送人(ren)智能(neng)積算(suan)儀進(jin)行換算得(de)到氣(qi)體介質的(de)瞬時(shi)流量和累(lei)積流量(liang)。
　　其主要性能(neng)指标(biao)有始(shi)動流量、儀(yi)表系(xi)數、壓力(li)損失和(he)計量精度(du)。
　　近年來旨(zhi)在(zai)提高儀(yi)表性(xing)能的(de)研究(jiu)主要(yao)圍(wei)繞前、後(hou)導流裝(zhuang)置(zhi)和渦輪等(deng)關(guan)鍵部件(jian)的結(jie)構(gou)和型式開展。劉正(zheng)先等(deng)通過實(shi)驗分析(xi),提出(chu)改進(jin)前、後(hou)導流器(qi)結(jie)構能(neng)明顯減(jian)少儀表(biao)的壓(ya)力(li)損(sun)失,改(gai)善儀表系(xi)數的(de)線性度,而(er)葉片數量的(de)增(zeng)減對(dui)流量(liang)計(ji)壓(ya)力損(sun)失的(de)影響可以(yi)忽略不計,但葉片數(shu)量的(de)增加(jia)可明顯改善始(shi)動流量,提(ti)高儀(yi)表靈(ling)敏(min)度,但數量過(guo)多(duo)會使重(zhong)疊度增大,儀表性能急劇(ju)惡化(hua)[4-6];鄭建梅等對渦(wo)輪的材料和渦(wo)輪軸(zhou)承進(jin)行了(le)改進(jin),改善了儀(yi)表系數的穩定(ding)性”;lIZ等(deng)利用CFD技術(shu)與實驗(yan)相結合驗證(zheng)了(le)對(dui)整流(liu)器的優(you)化(hua)設計(ji)能有效減(jian)少壓(ya)力損(sun)失[8]。在上述研究(jiu)中，還(hai)未涉(she)及針(zhen)對(dui)渦(wo)輪葉(ye)片螺(luo)旋(xuan)升(sheng)角對(dui)儀表(biao)性能(neng)的探讨。本(ben)文利(li)用儀(yi)表負(fu)壓檢(jian)定平(ping)台,對3種不同葉(ye)片螺旋升(sheng)角的(de)DN150型氣(qi)體渦輪流(liu)量計進行了實(shi)驗對(dui)比分析,爲(wei)改善儀表(biao)性能(neng)和葉(ye)片螺旋升(sheng)角的優化提供(gong)實驗(yan)依據(ju)。
1數學(xue)模型與渦輪參(can)數選擇(ze)
1.1數(shu)學模(mo)型
　　氣體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的數學模(mo)型是根據力矩平衡(heng)原理建立(li)起來的(de),主(zhu)要揭(jie)示流(liu)量(liang)計輸出(chu)脈沖和(he)流(liu)量之(zhi)間的内在關系(xi),其計(ji)算公式爲：
 
　　式中(zhong):K爲(wei)儀表系(xi)數;f爲脈(mo)沖(chong)頻率(lü),Hz;q,爲體(ti)積流量,m³/s;Z爲(wei)渦輪葉(ye)片數;θ爲(wei)葉片結構角;r爲(wei)渦輪中徑,m;A爲流通面(mian)爲流(liu)體阻(zu)力矩(ju),N.m。
　　其(qi)中(zhong),機械(xie)摩擦(ca)阻(zu)力矩T.在(zai)流量-定時隻與(yu)軸承和(he)軸的選(xuan)型設計有(you)關，流(liu)體阻(zu)力(li)矩T與流(liu)體流動狀态有關,這兩(liang)個力矩(ju)在此不做詳細(xi)介紹(shao)。當(dang)被(bei)測介(jie)質--定時(shi),儀表系數與(yu)葉(ye)片(pian)數量(liang)、葉片(pian)角度和中(zhong)徑有(you)關，所以設(she)計合理的(de)渦輪(lun)結構(gou)形式對改(gai)善儀表性(xing)能有(you)重要意(yi)義(yi)。
1.2渦輪(lun)結構參數選擇(ze)
　　渦輪(lun)結構(gou)有焊(han)接式和(he)整(zheng)體式(shi),焊接式(shi)渦(wo)輪将(jiang)葉片(pian)和輪(lun)毂焊(han)接,整體式(shi)渦輪(lun)利用先進的CAD/CAM技(ji)術和(he)數(shu)控(kong)加工(gong)技術直接加工(gong)成型(xing)。葉(ye)片型式(shi)主要有(you)平闆式和螺(luo)旋式,平闆(pan)式葉片(pian)主(zhu).要應用于大外(wai)徑焊(han)接式渦(wo)輪(lun),而螺(luo)旋式(shi)葉(ye)片應用(yong)較爲(wei)廣泛(fan);材料(liao)主要有鋁(lü)合金(jin)和不鏽鋼(gang),鋁合金與(yu)不(bu)鏽鋼相(xiang)比具(ju)有(you)自(zi)重較(jiao)輕,工(gong)藝性好等(deng)特點(dian);渦輪(lun)平均(jun)直徑(jing)受(shou)流量計(ji)流通管徑(jing)即型(xing)号的(de)限制(zhi),可作(zuo)爲定參數(shu)處理;葉片數量選取(qu)主要考慮(lü)重疊(die)度對(dui)儀表性能(neng)的影響,---般取13~20;葉(ye)片角度直接影(ying)響氣體介(jie)質.對(dui)其産(chan)生(sheng)驅動轉(zhuan)矩的大小(xiao)，氣體(ti)介質(zhi)對渦輪的(de)驅動(dong)轉矩公式(shi)爲
 
　　式(shi)中:Td爲驅動(dong)力矩(ju),N.m;fd爲(wei)周向驅(qu)動力(li),N;u1爲(wei)介(jie)質入(ru)口速(su)度,m/s;ɷ爲(wei)渦輪(lun)角速度,rad/s。
　　綜(zong)上述(shu)所述,采(cai)用(yong)整體式葉輪結構,螺(luo)旋型葉片(pian)，葉片(pian)數量(liang)爲(wei)20。對于螺(luo)旋型葉片(pian),需要确定葉片的螺(luo)旋角,根(gen)據(ju)式(2),要(yao)得到(dao)最(zui)大推動(dong)力矩(ju),葉(ye)片(pian)螺旋角應爲45°,但(dan)力矩(ju)公式是(shi)根(gen)據葉(ye)栅繞(rao)流(liu)計(ji)算得(de)到,難免(mian)會(hui)和實(shi)際工(gong)況有所偏(pian)差。參考(kao)常(chang)用葉片角度(du),選取35°.45°和(he)55°螺旋升(sheng)角渦輪(lun)作爲實驗(yan)對象(xiang),渦輪(lun)結構(gou)參數(shu)如圖(tu)2所示。
 
2實(shi)驗(yan)平(ping)台搭(da)建
2.1檢定(ding)裝(zhuang)置與(yu)實驗(yan)原理(li)
　　流量(liang)計的(de)檢定(ding)采用(yong)負壓智能(neng)儀表(biao)測量(liang)系統，系統(tong)框圖(tu)如圖3所示(shi)，主要包(bao)括(kuo)硬件(jian)和軟件(jian)兩(liang)部分(fen)。硬件(jian)包括标準(zhun)吸風裝置、德萊(lai)塞羅(luo)茨氣體流(liu)量計(ji)穩壓罐和(he)直管(guan)道(dao)組成,而(er)軟件是(shi)自行開發的(de)智(zhi)能型流(liu)量計檢(jian)測(ce)程序,各組(zu)成部分具(ju)體參(can)數(shu)如表1所(suo)示。
 
　　由(you)标(biao)準吸風(feng)裝置(zhi)産(chan)生(sheng)負壓使标(biao)準德萊塞(sai)羅茨流量(liang)計和氣體(ti)渦輪流量(liang)計被同時(shi)過流,直管(guan)段使(shi)進入(ru)檢定(ding)儀(yi)表(biao)的氣(qi)體爲(wei)充(chong)分發展(zhan)的湍流;穩壓罐補償(chang)通(tong)過(guo)氣體(ti)渦輪(lun)流(liu)量(liang)計後的氣體(ti)壓損。智(zhi)能流量(liang)檢(jian)測程(cheng)序接(jie)收來自兩(liang)個儀表的(de)輸出(chu)信号(hao)，通過渦輪(lun)流量(liang)計(ji)輸(shu)出的(de)脈沖數與累積(ji)流量來計(ji)算儀(yi)表系(xi)數(shu),通過對(dui)比相同數(shu)據采集點(dian)處(chu)标準羅(luo)茨流(liu)量計的輸出可(ke)獲得正确(que)率誤差(cha)安(an)裝在氣體(ti)渦輪流量(liang)計取壓口處的(de)U型管(guan)可以測量(liang)進、出口(kou)處的壓(ya)力,從(cong)而(er)得到儀(yi)表的壓力(li)損失(shi)。
 
2.2實驗(yan)流程
　　自開(kai)始測(ce)量(liang)時刻起(qi),選取(qu)50~1300m³/h範圍(wei)内6個(ge)流量監測(ce)點。在(zai)每個(ge)流量監測(ce)點随機采(cai)集3個不同時刻的數(shu)據,包括(kuo)某(mou)一時(shi)刻标準羅茨流(liu)量計和氣體渦輪流量(liang)計的累(lei)積流(liu)量及其輸(shu)出脈沖(chong)數。檢測(ce)程序(xu)對這些數據進行(hang)處理獲(huo)得流量(liang)計(ji)系數(shu)和基(ji)本誤(wu)差。監(jian)測每一-流(liu)量點處U型管壓(ya)差裝(zhuang)置的指示(shi)值，獲得不(bu)同(tong)監測點(dian)處的(de)壓力(li)損失(shi)，檢定(ding)現場(chang)如圖(tu)4所示。
 
3實驗(yan)測量(liang)與數(shu)據對比分(fen)析
3.1實(shi)驗測(ce)量
　　利用上(shang)述(shu)實驗方(fang)法,分别對安裝(zhuang)35°、45°和55°渦(wo)輪的流量(liang)計進(jin)行了實驗(yan)檢定(ding),表2列出了(le)安裝(zhuang)35°葉片(pian)螺旋(xuan)升角(jiao)表渦輪流(liu)量計的(de)檢(jian)定數(shu)據,平(ping)均流量是(shi)随機設(she)定(ding)标準(zhun)吸風裝置的輸(shu)出流(liu)量,平(ping)均系(xi)數和(he)誤差按公(gong)式(3)和(4)計算。
 
　　表3列(lie)出了(le)安(an)裝3種不(bu)同螺(luo)旋(xuan)角渦輪(lun)流量計(ji)在儀表(biao)取壓(ya)口處(chu)的壓(ya)力損(sun)失(shi)。
 
注:儀表(biao)系數K=899.06m-3;基本(ben)誤差(cha)爲0.841%;大氣壓力爲(wei)102.40kPa;環境濕(shi)度(du)爲45%。
 
3.2數據對比(bi)分析
　　對(dui)實驗數據進行二次多(duo)項式插(cha)值獲得20組數據點,對(dui)數據(ju)點進(jin)行拟合得(de)到各(ge)方案在檢(jian)測流(liu)量範圍内的儀表系(xi)數(shu)曲線、誤(wu)差曲(qu)線和(he)壓力(li)損失(shi)曲線。
3.2.1儀表(biao)系數
　　如圖(tu)5所示(shi),采用螺旋(xuan)升角(jiao)爲35°渦(wo)輪的(de)流量計的儀表(biao)系數(shu)曲線在工作區(qu)内波(bo)動較(jiao)大,對(dui)儀表計(ji)量(liang)的穩(wen)定性(xing)産(chan)生很大(da)的負(fu)面影(ying)響。而45°和55°的渦輪流量(liang)計的儀表(biao)系數(shu)曲線在(zai)工(gong)作區(qu)内波動(dong)較(jiao)小，線(xian)性度較理想，儀(yi)表在工作(zuo)區内(nei)的計(ji)量穩定性(xing)較好。
3.2.2計(ji)量(liang)精度
　　如圖6所示,采用(yong)螺旋升角(jiao)爲55°渦(wo)輪的(de)流(liu)量(liang)計誤(wu)差基本穩(wen)定在(zai)0.4%左右(you),45渦輪在0.5%左(zuo)右,而35°葉輪流量(liang)計誤(wu)差曲(qu)線存(cun)在較(jiao)大波(bo)動,而(er)且最大(da)誤(wu)差超(chao)過0.8%,計(ji)量精(jing)度較(jiao)差。
3.2.3壓(ya)力損失
　　如(ru)圖7所示(shi),35°渦輪流(liu)量計的最大壓(ya)損達到了3500Pa以上(shang)，而55°渦輪(lun)則隻有(you)1500Pa左右(you),可明(ming)顯看(kan)出55°葉(ye)輪(lun)的(de)過流(liu)性最好.壓(ya)力損(sun)失相比(bi)其他兩(liang)種角(jiao)度的(de)渦輪(lun)最小。
 
4結束(shu)語
　　采(cai)用實驗檢(jian)定的(de)方法對螺旋升(sheng)角爲(wei)35°.45°和55°的(de)DN150氣體(ti)渦輪流量(liang)計進(jin)行了(le)實驗(yan)對比分析,實(shi)驗(yan)數據(ju)表明葉片螺旋(xuan)角度直接影響(xiang)儀表(biao)的(de)性能參數。其(qi)中(zhong)，35°渦輪流(liu)量計(ji)存在(zai)着儀表系數不(bu)穩定(ding)、壓力損失大以及精(jing)度(du)差(cha)等弊(bi)端，建(jian)議(yi)不在産(chan)品中應用;45°渦輪(lun)流量計(ji),儀表系數曲(qu)線呈現良(liang)好的線性(xing)特征(zheng),但壓(ya)力(li)損(sun)失與(yu)55°渦輪相(xiang)比(bi)較大(da);559渦輪流(liu)量(liang)計儀(yi)表系(xi)數穩(wen)定、壓(ya)力損(sun)失小,精度(du)較高(gao),比(bi)較(jiao)适合對壓(ya)力(li)損失和(he)精度(du)要求較高(gao)的工(gong)況。此外,實(shi)驗結果表明對葉片螺(luo)旋(xuan)角的(de)進一(yi)-步優(you)化能明顯改善儀表(biao)性能。

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