摘要:在分析(xi)氣體渦輪流量計(ji) 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(zhong)不同葉片螺㊙️旋升(shēng)角渦輪的DN150型氣體(tǐ)渦🤩輪流量計作爲(wèi)實驗對象,搭建儀(yí)表負壓檢測平台(tai),分别對儀表系數(shu)、壓力損失和計量(liang)🐅精度進行實驗檢(jian)定㊙️與對比分析。實(shí)驗結果表明,合理(li)設計渦輪葉片螺(luo)旋升角能顯著改(gǎi)善👄氣體渦輪流量(liàng)計的性能,爲葉片(piàn)螺旋升角進一步(bù)優化及其對儀表(biao)性能影響規律的(de)研究提供了實驗(yan)基礎。
0引言
　　氣體渦(wo)輪流量計是計量(liàng)天然氣、氧氣、氮氣(qì)、液化氣、煤氣❗等氣(qi)體👌介質的速度式(shì)計量儀表1-2],如圖1所(suǒ)示。
 
　　将渦輪置于被測(cè)的氣體介質中,當(dāng)氣體流經流量計(ji)⭐時,在導✔️流器的作(zuo)用下被整流并加(jiā)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(lún)克服機械摩擦阻(zu)力矩、氣體流動阻(zǔ)力矩和電磁阻力(li)矩而旋轉,在--定的(de)流量🏃範圍内,渦輪(lún)💔的角速度和通過(guo)渦輪的流量成正(zheng)比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。渦輪的旋轉帶(dài)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(jie)質的瞬時流量和(hé)❗累積流量。
　　其主要(yao)性能指标有始動(dòng)流量、儀表系數、壓(ya)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(hòu)導流裝置和渦輪(lún)等關鍵部件的結(jié)構和型式開展⭐。劉(liú)正⭕先等通過實驗(yan)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(dù),而㊙️葉片數量的增(zēng)減對流量計壓力(lì)損失的影響可以(yi)忽略不計,但葉片(pian)數量的增加可明(ming)顯改👉善始動流量(liang),提高儀表靈敏度(dù),但數量過多會✔️使(shi)重疊度增大,儀表(biao)性能急劇惡化[4-6];鄭(zhèng)建梅等對渦輪的(de)材料和渦輪軸承(chéng)進💜行了改進,改善(shàn)了儀表系數的穩(wen)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(xiao)減少壓力損失[8]。在(zài)上述研究👨‍❤️‍👨中，還未(wei)涉及針對渦輪葉(yè)㊙️片螺旋升角對儀(yi)表性能🌈的探讨。本(běn)文利用儀表負壓(yā)檢定🈲平台,對3種不(bu)同葉片螺旋升角(jiao)的DN150型氣體渦輪流(liu)量👅計進行了實驗(yan)對比分析,爲改善(shan)儀表♌性能和葉片(pian)螺旋升角的優🌂化(hua)提供實驗依據。
1數(shu)學模型與渦輪參(can)數選擇
1.1數學模型(xing)
　　氣體渦輪流量計(jì)的數學模型是根(gēn)據力矩平衡原理(li)建立起來的,主要(yao)揭示流量計輸出(chu)脈沖和流量之間(jian)的内在關系,其計(jì)算💜公式爲：
 
　　式中:K爲(wèi)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(xuan)型設計有關，流體(ti)阻力矩T與流體流(liu)動狀态有關,這兩(liang)個力矩在此不做(zuò)📧詳細介紹。當被測(cè)介質--定時,儀表系(xi)數與葉片數量、葉(ye)片角度和中徑有(yǒu)關，所以設計合理(li)的渦輪結構形式(shì)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(wō)輪結構有焊接式(shi)和整體式,焊接式(shì)渦輪将葉片和輪(lún)☎️毂焊接,整體式渦(wo)輪利用先進的CAD/CAM技(ji)術和數控加工技(ji)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(yao)應用于大外徑焊(han)接式渦輪,而螺旋(xuán)式葉片應用較爲(wèi)廣泛;材料主要有(yǒu)鋁合金和不鏽鋼(gang),鋁合金與⛷️不鏽鋼(gāng)相比具有自重較(jiao)輕,工藝性好等特(te)點;渦輪平均直徑(jing)受流量計流通🚶‍♀️管(guan)徑即型号的限制(zhi),可作爲定參數處(chu)理;葉片數量選取(qu)主要考慮重疊度(dù)對儀表性能的影(ying)響,---般取13~20;葉片角度(du)直接影響氣體介(jie)質.對其産生驅動(dòng)轉矩的大小，氣體(tǐ)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(wei)周向驅動力,N;u1爲介(jie)質入口速度,m/s;ɷ爲渦(wo)輪角速🔞度,rad/s。
　　綜上述(shù)所述,采用整體式(shi)葉輪結構,螺旋型(xing)葉片，葉片數量爲(wèi)20。對🙇‍♀️于螺旋型葉片(pian),需要确定葉片的(de)螺旋角,根據式(2),要(yào)得到最🏃大推動力(li)矩,葉片螺旋角應(yīng)爲45°,但力矩公式是(shi)根據葉栅繞流🐪計(ji)算得到,難免會和(hé)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(shi)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(jian)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(tong)🐕框圖🧑🏽‍🤝‍🧑🏻如圖3所示，主(zhǔ)要包括硬件和軟(ruǎn)件兩部分。硬件包(bāo)括标準吸風裝置(zhi)、德萊塞羅茨氣體(ti)流量計穩壓罐和(hé)直管道組成,而軟(ruan)件是自行開發的(de)智能型流量計檢(jiǎn)測程序,各組🏃‍♀️成部(bù)分具體參數如表(biao)1所示。
 
　　由标準吸風(feng)裝置産生負壓使(shǐ)标準德萊塞羅茨(ci)流量♉計🥵和氣體渦(wō)輪流量計被同時(shí)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(cháng)通過氣體渦輪流(liu)量計後的氣體壓(ya)損。智能流量檢測(cè)程序接收來自兩(liǎng)個儀表的輸出信(xin)号，通過渦輪流量(liang)計輸出的脈沖數(shù)與累積流量❤️來計(jì)算儀表系數,通過(guò)對比相同數據采(cǎi)集💔點處标準羅茨(ci)流量計的輸出可(kě)獲得正确率誤差(cha)安裝在氣體渦輪(lun)流🈲量計取壓口處(chu)的U型管可以測量(liàng)進、出口處的壓力(li),從而得到儀表的(de)壓力🏃🏻‍♂️損失。
 
2.2實驗流(liu)程
　　自開始測量時(shí)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(luó)茨流量計和氣體(ti)渦輪流量計的累(lei)積流量及其輸出(chū)脈沖數。檢測程序(xù)對這些數據進行(hang)處理獲得流量計(ji)系數和基本誤差(chà)。監測每一-流量點(dian)處U型管壓差裝置(zhì)的指示值，獲得不(bú)同監測點處的壓(ya)力損失，檢定現場(chang)如圖4所示。
 
3實驗測量與(yǔ)數據對比分析
3.1實(shí)驗測量
　　利用上述(shù)實驗方法,分别對(dui)安裝35°、45°和55°渦輪的流(liu)量計進🈲行了實驗(yan)💛檢定,表2列出了安(ān)裝35°葉片螺旋升角(jiao)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(shu)出流量,平均系數(shu)和誤差按公式👈(3)和(he)(4)計算。
 
　　表3列出了安(ān)裝3種不同螺旋角(jiao)渦輪流量計在儀(yi)表🌐取壓口處的壓(yā)力損失。
 
注:儀表系(xi)數K=899.06m-3;基本誤差爲0.841%;大(dà)氣壓力爲102.40kPa;環境濕(shi)度爲45%。
 
3.2數據對比分(fen)析
　　對實驗數據進(jin)行二次多項式插(cha)值獲得20組數據點(diǎn)🌈,對數據點進行拟(nǐ)合得到各方案在(zai)檢測流量範圍内(nei)的儀表系數曲線(xiàn)、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(biǎo)系😄數曲🤞線在工作(zuo)區内波動較大,對(duì)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(biǎo)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(ji)量穩🈲定性較好。
3.2.2計(jì)量精度
　　如圖6所示(shi),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(cha)曲線存在較大波(bo)動,而且最大誤差(chà)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(ze)隻有1500Pa左右,可明顯(xiǎn)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(jiǎn)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(hang)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(neng)參數。其中，35°渦輪流(liu)量計👈存在着儀表(biǎo)系數不穩定、壓力(li)損失大以及精度(du)差等弊端，建議不(bú)在産品中應用;45°渦(wo)輪流量計,儀表系(xi)數曲線呈現良好(hao)的線性特征💛,但壓(yā)力損失與55°渦輪相(xiàng)比較大;559渦輪流量(liàng)計儀表系數穩定(dìng)🔴、壓力💜損失小,精度(du)較高,比較适合對(duì)壓力損失和精度(du)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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