摘要(yao):針對目前市(shi)場對計量高(gao)壓氣體渦輪(lun)流量計 的大(dà)量需求，設計(jì)了一種新型(xing)高壓氣體渦(wō)輪流量❌計的(de)結構方案。在(zài)常壓氣體渦(wo)輪流量計研(yan)究的基📞礎上(shàng)🍉，對殼體的材(cái)料與結構、主(zhǔ)軸承的供油(yóu)系統及其軸(zhou)向👅緩沖結構(gòu)進行研究。采(cai)用理論分析(xi)、結構設計以(yǐ)及試驗驗證(zhèng)，研㊙️制了适用(yong)于高壓環🈚境(jìng)的氣體渦輪(lun)流量計。通過(guò)耐壓試驗台(tai)裝置模拟管(guǎn)道介質壓力(lì)，對流量計🐪供(gòng)油系統及主(zhǔ)承壓殼體進(jìn)行可靠性測(cè)試;根😍據測試(shì)試驗數據，提(tí)出關于推力(li)與活塞♋面積(jī)、介質接觸面(mian)積⭐以及介質(zhì)壓力之間所(suǒ)存在的經驗(yàn)公式;通過高(gāo)壓環✉️道裝置(zhì)，在不同壓力(lì)、不同流量下(xia)，對整機進行(hang)示值誤差性(xing)能測試及分(fèn)析，以優💚化軸(zhou)向緩沖結構(gou)。測試結果表(biǎo)明，該新型高(gao)壓氣體渦輪(lun)流量計能安(an)全、準确🛀🏻，可長(zhang)期應用于高(gāo)壓介質計量(liàng)領域㊙️。
0引言
　　随(sui)着國家西氣(qi)東輸、川氣東(dōng)送等管道的(de)建成，大量的(de)高壓、 大口徑(jìng)天然氣流量(liang)計 應用于管(guǎn)道沿線的分(fen)輸計量站［1］。在(zài)煤改氣的大(dà)環💞境㊙️下，其必(bi)将刺激市場(chǎng)對氣體流量(liang)計的大量需(xū)求。氣體渦輪(lun)流量計是目(mu)前國内少數(shù)能在高壓下(xia)計量的流⛱️量(liang)計。本文将對(duì)其如何⁉️在高(gāo)壓工況條件(jiàn)下安全、可靠(kào)運行進行分(fèn)析，主要針對(duì)承壓部件(殼(ke)體)結構理論(lùn)計算、主軸承(cheng)供油功能以(yi)及高壓損時(shi)如何避免或(huò)減小軸向力(lì)對軸承的軸(zhou)向沖擊進行(háng)結🔞構研究及(ji)試驗驗證，以(yǐ)此深入積累(lèi) 氣體渦輪流(liu)量計 在高壓(ya)氣體介質中(zhōng)運行的經驗(yàn)，爲今後産品(pǐn)的改進🐅與研(yan)發🎯提☁️供理論(lùn)支持。
1環境适(shì)應性研究
1.1殼(ke)體結構和材(cai)料
　　流量計 作(zuo)爲一種具有(you)爆炸危險性(xìng)的承壓類計(ji)量器具，廣🌈泛(fàn)應🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用于工☂️業(yè)檢測與控制(zhi)、城市燃氣檢(jiǎn)測或計量等(deng)領域。在使用(yòng)過程中，其材(cái)料既承受環(huán)境或介質的(de)接觸腐蝕，又(yòu)承受複雜的(de)應力載荷。在(zài)腐蝕和載荷(hé)的共同作用(yong)下，流量計殼(ke)體材料容易(yì)🏒發生損傷🆚和(he)失效，導緻設(she)備發生結構(gòu)性破壞、洩漏(lou)或爆炸等⭐惡(e)性事故。其常(chang)🌍見的失效模(mó)式有強度失(shī)效、剛度失效(xiào)、失穩失♍效和(hé)洩❗漏失效［2］。本(běn)小節僅針對(duì)強度失效這(zhè)一現象進行(hang)分析。以TBQM-DN300焊接(jiē)殼體爲例，其(qi)結構如圖🏃🏻1所(suǒ)示。

　　在高壓(yā)介質的工況(kuàng)環境下，對主(zhǔ)承壓零件———殼(ké)體的材質選(xuǎn)💋型以及強度(du)校核應進行(hang)理論計算分(fèn)析及校核。其(qi)壁厚的🈲計算(suàn)公式依據标(biāo)準《工業金屬(shǔ)管道💘設計規(guī)範》(GB50316-2000)［3］。當直管計(jì)算♈厚度ts小于(yú)直管外徑D0的(de)1/6時，承受内壓(ya)直管的計算(suan)厚度不應小(xiǎo)于式(1)的計算(suan)值。設✂️計厚度(dù)tsd應按式(3)計算(suàn)。

　　式中:ts爲直管(guan)計算厚度，mm;P爲(wèi)設計壓力，MPa;D0爲(wèi)直管外徑，mm;［σ］t爲(wèi)🐆在🙇‍♀️設計溫度(dù)下材料的許(xu)用應力，MPa;Ej爲焊(hàn)接接頭系數(shù)✍️;tsd爲直管設計(jì)厚度，mm;C爲❌厚度(dù)🐇附加量之和(he)，mm;C1爲厚度減薄(bao)附加量，mm;C2爲腐(fu)蝕或腐蝕附(fù)加量，mm;Y爲計算(suan)系數。
　　設計溫(wēn)度根據流量(liàng)計使用溫度(du)選取，一般爲(wei)－20～+80℃;設計壓力P根(gēn)據ANSI600法💃🏻蘭公稱(cheng)壓力，選取爲(wèi)11MPa;鋼管外徑及(jí)公稱壁厚分(fèn)别爲377mm與22mm，其餘(yu)參數按《工業(ye)金屬管道設(shè)計規範》與《壓(yā)力管道規範(fàn)-工業管道第(di)2部分:材料》标(biāo)準選取。将以(yǐ)上相關參數(shù)按式(1)計算。厚(hou)度附加量C1與(yu)腐蝕附加量(liang)C2取值按《流體(ti)輸送❌用不鏽(xiu)鋼無縫鋼管(guan)》與《鋼制對焊(han)管件規範》标(biāo)準選取，并代(dai)入式(3)。由此可(ke)得直管厚度(du)校🙇‍♀️核計算參(can)數，如表1所示(shi)。
圖表1直管厚(hòu)度校核計算(suan)參數表

　　由表(biǎo)1可知，鋼管的(de)公稱壁厚大(dà)于設計壁厚(hou)，故所選鋼管(guan)的壁厚符合(he)要求。因許用(yong)應力已考慮(lǜ)到安全系數(shu)，故建議公稱(cheng)壁厚選擇可(ke)按設計厚度(du)的1.1倍選擇即(jí)可。不難看出(chu)，流量💔計殼體(tǐ)在選材時，應(yīng)滿足殼體的(de)高壓‼️工作條(tiao)件，并需考慮(lǜ)内部介質腐(fu)蝕及載荷沖(chong)擊等失效形(xíng)式，同時結合(hé)産品成本等(deng)相關因🈲素。綜(zōng)上所述，本文(wen)流量計殼體(tǐ)采用Q345材質，最(zuì)小壁厚爲22mm。
1.2供(gong)油系統結構(gou)設計優化
　　渦(wō)輪流量計 屬(shǔ)于速度式流(liu)量計量儀器(qi)。其通過采集(jí)渦輪旋轉♍頻(pín)率并結🔱合溫(wēn)度、壓力傳感(gǎn)器相關參數(shù)，計量流過🆚流(liú)量計的标況(kuàng)體積量。其㊙️旋(xuán)轉部件一般(ban)選用深溝♍球(qiu)滾珠軸承。其(qí)💛正常運行時(shí)需🔞要潤滑，否(fou)則幹摩擦會(hui)很快損壞軸(zhou)承。本小節所(suo)研究的是如(rú)何克服在高(gao)壓介質工況(kuàng)條件下産🈲生(sheng)的反作用力(lì)對潤滑油的(de)進入造成🔞的(de)不良影響。
　　假(jia)設軸承腔體(ti)内部的油路(lu)結構如圖2所(suǒ)示。其中:2爲潤(run)🈲滑油💯與介質(zhì)接觸的噴嘴(zuǐ)直徑，前噴嘴(zui)與軸向成60°夾(jia)角。
圖2軸承腔(qiang)體油路結構(gòu)圖

　　由(yóu)圖2可知，其流(liú)量計外部需(xu)配套油泵組(zǔ)件及外部外(wai)管，由單向閥(fa)、活塞、手柄、油(you)杯等組成。假(jia)設活塞直徑(jing)爲12mm，對流量計(jì)内部👈按照氣(qì)密性試驗要(yao)求進行加🌐壓(ya)并測試，同時(shí)🐅在單向閥與(yǔ)活塞的潤💚滑(huá)油腔室中檢(jiǎn)測其潤滑油(you)液體壓力，數(shu)據記錄如表(biǎo)2所示。
圖表2壓(ya)力數據表（12mm活(huó)塞）

　　從表2數據(jù)可知，供油壓(yā)差與介質壓(yā)力的比值爲(wei)0.059～0.061，平均值爲0.06。而(ér)潤滑油和氣(qì)體介質接觸(chù)噴嘴面積S1與(yu)供油活塞的(de)⭕面積S2比值相(xiàng)近☀️。按圖2噴嘴(zuǐ)幾何尺寸，并(bìng)結合活塞直(zhí)徑，計算面積(jī)之比:

　　油杯供(gong)油阻力來自(zi)氣體介質壓(yā)力的反作用(yòng)力、密封圈♊摩(mó)♈擦以及沿程(chéng)阻力、壓縮彈(dan)簧所産生的(de)反作🔞用力等(děng)。其中，最👨‍❤️‍👨爲明(míng)☁️顯的是氣體(tǐ)介質壓力的(de)反作用力。其(qi)在活塞處的(de)受力情況爲(wèi):
F=P2S2=(S1+S2)P1(5)
　　P1來自法蘭公(gōng)稱壓力等級(ji)，其按設計要(yào)求進行選取(qu)。若需降低👨‍❤️‍👨氣(qi)體介質壓力(lì)對供油的阻(zǔ)力，可對S1、S2的相(xiàng)關參❗數進行(háng)調整。如将供(gòng)油活塞的外(wai)徑按8mm設計，相(xiàng)😍關數據記錄(lu)如表3所示。
圖(tu)表3壓力數據(jù)表(8mm活塞）

　　從表(biǎo)3數據可知，供(gòng)油壓差與氣(qì)體介質壓力(lì)的比值在0.134～0.135範(fàn)圍☀️内，平均值(zhi)爲0.134。而潤滑油(you)和氣體介質(zhì)接觸面積S1與(yǔ)⭐供油活塞的(de)面🌐積比值相(xiang)近。按圖2噴嘴(zuǐ)幾何尺寸，并(bìng)結合活塞直(zhí)徑，計🔞算面積(ji)之比:
式6

　　由此(cǐ)可初步驗證(zhèng)經驗公式(3)的(de)正确性。與此(cǐ)同時，當🐕氣㊙️體(tǐ)㊙️介質壓力爲(wei)9.45MPa時，其活塞受(shou)力與其外徑(jìng)息息相☁️關。活(huó)塞外徑尺寸(cun)分别爲12mm與8mm時(shí)，其所承受的(de)反作用力爲(wei)1132.74N與538.98N。
2推力軸承(chéng)研究試驗
　　随(sui)着氣體介質(zhi)壓力的增加(jiā)，在管道上進(jìn)行計量的氣(qi)體渦輪流量(liàng)計前後壓差(cha)必将增大。壓(ya)差的變化🍓将(jiāng)影💔響葉輪的(de)受力🚩狀況。通(tong)常情況下，氣(qì)體介質的壓(ya)力并不是穩(wen)定增加或減(jiǎn)小，頻繁變💔化(hua)的壓差容易(yi)使葉輪受到(dào)沖擊，從而無(wú)法計量流量(liang)［4］。
　　工業生産中(zhōng)的大型旋轉(zhuan)機械由徑向(xiàng)軸承支承，并(bìng)配以推☎️力軸(zhou)承以抵消軸(zhou)向力。通常在(zài)對此類機械(xie)進行研究💛時(shí)，注意力集中(zhong)在徑向軸承(chéng)的行爲上，而(er)忽視了⭐推力(li)軸⁉️承對系統(tǒng)橫向振動的(de)影響［5］。
　　深溝球(qiú)軸承加推力(lì)軸承的組合(he)，可在承受很(hen)高徑向負荷(hé)的同💁時承受(shou)一定的軸向(xiang)負荷。根據以(yǐ)往的經驗，組(zu)合軸承理論(lùn)上能保證葉(yè)輪在受到氣(qi)體的🙇‍♀️軸向沖(chòng)㊙️擊時，由推力(lì)軸承抵消✏️部(bu)分作用在深(shen)溝球軸承的(de)軸向力，以保(bao)🔴護深溝球軸(zhóu)承免于損壞(huài)［6］。
　　本文接下來(lái)将對氣體渦(wō)輪流量計進(jìn)行氣體沖擊(ji)試驗🔴，研究對(dui)比氣體渦輪(lún)流量計在配(pèi)有推力軸承(cheng)和沒有推力(li)軸承的情況(kuàng)下的檢定數(shù)據，以此探索(suǒ)和驗證推力(lì)軸承在高壓(ya)氣體渦輪流(liú)🌂量計應用的(de)可行性。
2.1檢定(ding)所用的裝置(zhì)
　　本文帶壓檢(jian)定所用裝置(zhi)是高壓環道(dao)氣體流量标(biao)準裝置。其🔆以(yǐ)❓空氣爲介質(zhi)，工作壓力範(fan)圍爲0.1～2.0MPa，其流量(liàng)範圍爲1～2500m3/h，檢測(cè)口徑爲DN20～DN250，不确(què)定度爲0.33%。
2.2試驗(yan)對象
　　試驗對(duì)象爲2台TBQM-G160-DN100渦輪(lún)流量計。流量(liang)範圍爲20～400m3/h，壓力(li)等級爲PN16。爲🚩了(le)便于區分，将(jiang)殼體編号爲(wei)17110971的渦輪流量(liàng)計标記爲TA，殼(ké)體編号爲17110957的(de)渦輪流量計(ji)标記爲TB。其中(zhong):TA按照标準裝(zhuāng)配工藝，不配(pei)推💞力軸承;TB在(zai)TA的基礎上加(jiā)裝了一隻推(tui)力軸承。TB的機(jī)芯結構如圖(tú)3所示。
圖3機械(xiè)芯結構圖

2.3試驗(yàn)步驟
2.3.1常壓檢(jian)定
　　首先，對2台(tai)流量計進行(háng)常壓檢定。檢(jiǎn)定參照JJG1037-2008《渦輪(lun)流量計檢🐕定(dìng)規程》［7］，檢定的(de)流量點爲7點(dian)。
2.3.2
　　氣體沖擊試(shì)驗與高壓檢(jiǎn)定爲了研究(jiu)加裝推力軸(zhou)☁️承的流量計(jì)在高壓情況(kuàng)下的計量特(tè)性，以及其抗(kang)氣體沖擊的(de)能力是否達(dá)到預期的效(xiao)果，本試驗将(jiāng)在高壓環道(dao)氣體流量标(biāo)準裝置中進(jin)行。同時，爲達(da)👈到試驗要求(qiu)，在裝置上加(jia)裝一個手動(dòng)球閥，如圖4所(suǒ)示，以有效避(bi)免标準裝置(zhi)損壞。
圖4高壓(yā)沖擊試驗裝(zhuāng)置結構圖

①在(zai)高壓環道氣(qi)體流量标準(zhun)裝置上，對2台(tái)流量計進行(hang)🈲多種壓力情(qing)況下的标定(dìng)，壓力分别爲(wèi)常壓、0.8MPa、1.6MPa。
②進行氣(qi)體沖擊試驗(yan)，而後進行檢(jian)定。本文要試(shi)驗流量計在(zài)👌壓力波動情(qíng)況下的抗沖(chòng)擊能力，但是(shi)受限于目✊前(qián)的技術和設(she)㊙️備，暫🌐時沒辦(bàn)法完全按照(zhào)試驗✉️要求來(lai)配置裝置。天(tian)信儀表集團(tuán)的高壓環道(dao)氣體流量标(biāo)準裝置可以(yǐ)⭕分别對每段(duan)管段或🔴者不(bu)同區域進行(háng)單獨加壓，以(yi)實現不同壓(ya)力的氣體對(duì)渦輪流量計(ji)的沖擊。首先(xiān)，将圖4中的自(zì)動閥1、2關閉，同(tóng)時手動關閉(bi)手動閥;然後(hou)對單獨加壓(yā)區加壓到測(cè)試壓力值。由(you)于被檢表正(zhèng)🤞處于常壓情(qíng)況下，可⛹🏻‍♀️瞬間(jiān)打開手動閥(fa)，以保證流量(liàng)計瞬時壓⭐差(cha)達到測試壓(yā)👣力值(即對被(bei)檢表進行軸(zhou)向沖擊，以模(mó)拟因人👨‍❤️‍👨爲誤(wu)操作✔️而形成(chéng)對高🌈壓渦輪(lun)流量計葉輪(lun)的沖擊)。
③分别(bie)對2台渦輪流(liu)量計進行0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa的(de)壓力沖擊，在(zai)每個壓力沖(chòng)擊完成後進(jìn)行常壓檢定(dìng)，并對比數據(ju)。
2.4試驗數據及(jí)分析
2.4.1常壓檢(jiǎn)定數據
　　常壓(yā)檢定數據如(rú)表5所示。以其(qi)作爲基準數(shu)據，便于與高(gāo)壓、沖擊後測(ce)試數據進行(hang)比對分析，從(cong)中發現規律(lǜ)并對♍其結構(gou)進行優化［8］。
圖(tu)表5常壓檢定(dìng)數據

表5中:TA的(de)儀表系數爲(wèi)13599.17;TB的儀表系數(shu)爲13488.77。
2.4.2高壓與沖(chong)擊後檢定數(shù)據
①TA在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓(ya)力下的示值(zhí)誤差曲線如(ru)圖5所示。圖5中(zhong)，上限和下限(xiàn)💯折線表示合(he)格示值誤差(chà)的臨界點，合(he)格的流量計(jì)産品的示值(zhí)誤差必須在(zai)上限和下限(xiàn)之✉️間。
圖5示值(zhi)誤差曲線

TA每(měi)次經過高壓(yā)氣體沖擊後(hòu)再進行常壓(yā)檢定的示值(zhí)誤差曲線🚶如(rú)圖6所示。
圖6不(bu)同壓力沖擊(ji)後的示值誤(wù)差曲線

　　圖6中:A爲(wèi)常壓檢定示(shì)值誤差曲線(xian);B～I分别爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力(li)沖擊後的常(chang)壓檢定示值(zhi)誤差曲線。與(yu)常壓下所測(cè)的數據對比(bǐ)，當氣體壓力(lì)大于或等于(yú)0.4MPa時，經過氣體(tǐ)沖擊的氣體(ti)渦輪流量計(jì)的示值誤差(chà)曲線斜率增(zēng)加，主要表現(xian)在小流量的(de)示值誤差與(yu)流量計沒經(jing)過沖🛀🏻擊時測(cè)的數據相差(cha)甚多，小流量(liang)示值誤差接(jie)近EN12261所規定的(de)最大允🚶許誤(wu)差(±2%)。而當氣體(ti)壓力爲0.8MPa時，小(xiǎo)流量示值誤(wu)差達到峰值(zhí)，爲－1.824%。
②編号爲TB的(de)表在0.1MPa(常壓)、0.8MPa、1.6MPa壓(ya)力下的示值(zhi)誤差曲線如(rú)圖7所示♍。
圖7示(shì)值誤差曲線(xian)

　　對比圖7和(he)圖5可知，在沒(méi)有高壓氣體(ti)沖擊而僅在(zài)高壓介質下(xia)的檢定，相較(jiao)于普通渦輪(lún)流量計，帶推(tui)力軸承的氣(qi)體渦輪流量(liang)計在不同壓(ya)力下的線性(xing)曲🐕線更加穩(wen)定。
TB每次經過(guo)高壓氣體沖(chòng)擊後再進行(háng)常壓檢定的(de)示值誤差曲(qu)⚽線如圖8所示(shi)。
圖8不同壓力(li)沖擊後的示(shi)值誤差曲線(xian)

　　圖8中:A’爲常壓(yā)檢定示值誤(wu)差曲線;B’～I’分别(bié)爲0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa壓力沖擊(jī)後的常壓檢(jiǎn)定示值誤差(chà)曲線。
　　從圖8中(zhōng)可以看出，大(da)部分的曲線(xian)都在上下限(xian)之間，曲📧線穩(wen)定，且與常壓(ya)下的檢定數(shu)據相差不大(da)。唯獨在壓力(lì)1.6MPa的㊙️氣體🔆沖擊(ji)🥵後，小流量的(de)示值誤差較(jiào)大，爲－1.306%，但其在(zai)最大允許誤(wù)差限之内。從(cóng)數據上看，TB的(de)抗沖擊能力(lì)優于TA。
3結束語(yu)
　　本文對目前(qián)氣體渦輪流(liú)量計在高壓(ya)工況下的幾(jǐ)個問題進行(hang)了分析改進(jin)和試驗驗證(zheng)。首先，根據計(ji)算及理論分(fen)析，選擇材質(zhì)以及設計壁(bì)厚。其次，設計(jì)😄改進的油泵(beng)結🏒構可在高(gao)壓狀🔴況下更(geng)輕松地對軸(zhou)承供油，保證(zhèng)高效穩定，避(bi)免了㊙️高壓下(xià)無法給軸承(chéng)供油的極端(duān)情況;同時，根(gen)據測試試驗(yan)數據，推導出(chū)關于推力與(yu)活塞面積、介(jiè)質接🚶‍♀️觸面積(ji)以及介質壓(yā)力之間所存(cun)在的經驗公(gōng)式，爲後期油(yóu)泵系統的結(jie)⛷️構優化提供(gong)了理論👄基礎(chǔ)。通過上述受(shou)力情況分析(xi)并結合人體(ti)工程學對手(shou)動加油手柄(bǐng)進行結構優(yōu)化設計，使其(qí)滿足🏃🏻高壓氣(qi)體介質的供(gong)油功能。最後(hou)⭐，安裝了推力(li)軸承後的氣(qi)體渦輪流量(liàng)計，在高壓下(xià)有更強的抗(kàng)沖擊能力。目(mu)⛷️前，在1.6MPa壓力沖(chong)擊下，示值誤(wù)差能滿足要(yào)求。鑒于目前(qian)的試驗研究(jiu)還不夠系統(tǒng)和全面，未來(lai)将進行更多(duō)的改進及試(shi)驗，使産品🛀🏻能(néng)夠承受更高(gāo)的壓力沖擊(jī)，實現流量計(ji)量更精确、更(gèng)可靠的目标(biāo)❄️。

以上内容來(lai)源于網絡，如(ru)有侵權請聯(lian)系即删除!