摘要:在分析氣(qì)體渦輪流量計(ji)
結構和數學模(mó)型的基礎上,針(zhen)對渦輪葉片螺(luó)旋升角💛對儀表(biao)性☀️能的影響,以(yi)安裝35°.45°和55°三種不(bu)同葉片螺♈旋升(shēng)角渦輪的DN150型氣(qi)體渦輪流量計(jì)作爲實驗對象(xiàng),搭建儀表負壓(ya)檢測平台,分别(bie)🏃♂️對儀表❌系數、壓(yā)力損失和計量(liang)🧑🏽🤝🧑🏻精度進行❗實驗(yan)檢定🙇♀️與對比分(fen)析。實驗結果表(biǎo)明，合理設計渦(wo)輪葉片螺旋升(sheng)角能顯著改善(shan)氣體渦輪流量(liàng)計的性能,爲葉(ye)片螺旋升角進(jin)一步優化及其(qí)對儀表性能影(yǐng)響規律的💜研究(jiū)提供了實⚽驗基(jī)礎。
0引言
氣體渦(wo)輪流量計是計(ji)量天然氣、氧氣(qì)、氮氣、液化氣、煤(mei)氣等氣體介質(zhi)的速度式計量(liàng)儀表,如圖1所示(shì)。
将(jiāng)渦輪置于被測(cè)的氣體介質中(zhong)，當氣體流經流(liú)量計時,在🈲導流(liú)器的作用下被(bei)整流并加速，由(yóu)于渦輪✍️的葉🥰片(piàn)與流過的氣體(tǐ)之間存在一定(dìng)夾角,氣體對🌈渦(wō)輪産生轉動力(li)矩，使渦輪克服(fú)機械摩擦阻力(li)矩、氣體流動阻(zu)力矩和電磁阻(zu)力矩而旋轉📧,在(zài)-定的流量範圍(wéi)内，渦輪的角速(su)度和通過渦輪(lun)的流量成正比(bǐ)。渦輪的旋轉帶(dài)動脈沖發生器(qi)旋轉,産生的脈(mò)沖信号由傳感(gan)器送入智能👨❤️👨積(ji)算儀進行換算(suàn)得到氣體介質(zhi)的瞬時流量和(hé)累積流量。其主(zhu)要♈性能指标有(you)始動流🍓量、儀表(biǎo)系數、壓力損失(shi)和計量精度。
近(jin)年來旨在提高(gao)儀表性能的研(yán)究主要圍繞前(qian)、後導流裝置和(he)💋渦輪等關鍵部(bù)件的結構和型(xing)式開展。劉正先(xian)等通過實驗🈚分(fen)析,提出改進前(qián)、後導流器結構(gòu)能明🍉顯減少儀(yí)表的壓力損失(shi),改善儀表系數(shu)的線性度,而葉(ye)片數量的增減(jiǎn)對流量計壓力(lì)損失的影響可(ke)以忽👉略不計，但(dàn)葉片數量的增(zēng)加可明顯改善(shan)始動流量,提高(gao)儀表靈敏度👈,但(dàn)數量過多會使(shi)重🍓疊度增大,儀(yi)表性能急劇惡(è)化;鄭建梅等對(duì)渦輪的材🛀料和(he)渦輪軸承進⁉️行(háng)了改進,改善了(le)儀表系數的穩(wěn)定性!7;LIZ等利用CFD技(jì)術與😍實驗相結(jie)合驗證了對整(zheng)流器的優化設(she)計能👨❤️👨有效減少(shao)壓力損失[8]。在上(shàng)述研究中,還未(wèi)涉及針對渦輪(lún)葉🏃♀️片螺旋升角(jiao)對儀表性能的(de)探讨。本文利用(yòng)儀表負壓檢定(ding)平台,對3種不同(tong)葉片螺旋升角(jiao)的DN150型氣體渦輪(lun)流量計進行了(le)實驗對比分析(xī),爲改善🏃儀表性(xing)能和葉片螺旋(xuan)升角的優化提(ti)供實驗依據。
1數(shu)學模型與渦輪(lún)參數選擇
1.1數學(xué)模型
氣體渦輪(lún)流量計的數學(xué)模型是根據力(li)矩平衡原理📧建(jiàn)立起來的,主要(yao)揭示流量計輸(shū)出脈沖和流量(liang)之間的内在關(guān)系,其計算公式(shì)爲：
式中:K爲儀表(biao)系數;ƒ爲脈沖頻(pin)率，Hz;qv爲體積流量(liang),m³/s;Z.
爲渦輪葉片數(shù);θ爲葉片結構角(jiǎo);r爲渦輪中徑,m;A爲(wei)流通面爲‼️流體(ti)阻力矩,N.m。
其中,機(jī)械摩擦阻力矩(ju)Trm在流量一定時(shí)隻與軸承和☁️軸(zhóu)的選型設計有(yǒu)關,流體阻力矩(ju)Trf與流體流動狀(zhuang)态有關，這兩🐅個(ge)力🤟矩在🛀🏻此不做(zuò)詳細介紹。當被(bei)測介質--定時，儀(yi)表系數與葉片(pian)🧑🏾🤝🧑🏼數量葉💞片角度(dù)和中徑有關☀️,所(suǒ)以設計合理的(de)渦輪結構形式(shì)對改善儀表性(xìng)能♍有重要意義(yì)⭕。
1.2渦輪結構參數(shù)選擇
渦輪結構(gou)有焊接式和整(zheng)體式，焊接式渦(wō)輪将葉片和輪(lún)毂🌈焊接,整體式(shì)渦輪利用技術(shu)和數控加工技(jì)術直接加♋工成(cheng)型。葉片型式主(zhǔ)要有平闆式和(hé)螺旋式,平闆式(shi)葉片主要應🙇🏻用(yong)于大外徑焊接(jiē)式渦輪,而螺旋(xuan)式葉🏒片應用較(jiao)爲廣泛;材料主(zhu)要有鋁合金和(hé)不鏽鋼,鋁合金(jīn)與不鏽鋼相比(bi)具有自重較輕(qing),工藝性好等特(tè)點;渦🎯輪平均直(zhí)徑受🌈流量計流(liu)通管🛀徑即㊙️型号(hao)的限制，可作爲(wèi)定參數處理;葉(yè)片數量選取主(zhu)要考慮重疊度(dù)對儀表性能的(de)影響,-般取13~20;葉片(piàn)角度直接影響(xiǎng)氣體介質對🌈其(qí)産生驅動轉矩(ju)的大小,氣體介(jiè)質對渦輪的驅(qu)動轉矩公式爲(wèi)
式中:Td爲驅動力(lì)矩,N·m;ƒd爲周向驅動(dong)力,N;u1爲介質人口(kou)速度🔴,m/s;ɷ爲渦🥵輪角(jiǎo)速度,rad/s。
綜上述所(suǒ)述,采用整體式(shi)葉輪結構,螺旋(xuan)型葉片，葉片數(shu)量爲20。對于螺旋(xuan)型葉片,需要确(que)定葉片的螺旋(xuan)角，根據式🔅(2),要得(dé)到最大推動力(lì)矩，葉片螺旋角(jiǎo)應爲💛45°,但力矩公(gong)式是✊根據.葉☁️栅(shān)繞流計算得到(dào),難免會和實際(ji)工況有所偏差(cha)。參考常用葉片(piàn)角度💔,選取35°.45°和55螺(luó)🌈旋升角渦輪作(zuò)爲實驗對象，渦(wō)輪結構參數如(ru)圖2所示。
2實(shí)驗平台搭建
2.1檢(jian)定裝置與實驗(yàn)原理
流量計的(de)檢定采用負壓(ya)智能儀表測量(liang)系統,系統框圖(tú)如圖💰3所示,主要(yao)包括硬件和軟(ruan)件兩部分。硬件(jiàn)包括标準吸風(fēng)裝置、德萊塞羅(luo)茨氣體流量計(ji)、穩壓罐和直管(guan)道組👉成，而軟件(jiàn)是自行開發🍓的(de)智能型流❤️量計(jì)檢測🌐程序,各組(zǔ)成部分具體參(can)數如😄表1所示。
由(you)标準吸風裝置(zhì)産生負壓使标(biāo)準德萊塞羅茨(cí)流量計和氣體(tǐ)🐕渦輪流量計被(bei)同時過流,直管(guan)段使進🍓人檢定(dìng)儀表的氣體爲(wèi)充分發展的湍(tuān)流;穩壓罐補償(cháng)通過氣體渦輪(lun)流量計後的氣(qì)體壓損。智能流(liu)量檢測程序⛱️接(jie)收來自兩個儀(yi)表💘的輸出信号(hao)，通過渦輪流量(liàng)計輸出的脈沖(chòng)數與累積流量(liàng)來計算儀表系(xi)數,通過對比.相(xiang)同數據采集點(diǎn)處标準羅茨流(liu)量計的輸出可(kě)獲得精度誤差(chà)安裝在氣體渦(wō)輪流量計取壓(ya)口處的U型管可(ke)以測量進、出口(kou)處的壓力,從而(ér)得到儀表的壓(yā)力損👣失。
2.2實驗流(liu)程
自開始測量(liang)時刻起，,選取50~1300m³/h範(fan)圍内6個流量監(jian)測點。在每個流(liú)量監測點随機(jī)采集3個不同時(shí)刻的數據,包括(kuo)某⭐一時😄刻标🏃準(zhǔn)羅茨流量計和(he)氣體渦輪流量(liàng)計的累積流量(liang)及其輸出脈沖(chòng)數。檢測程序對(dui)這些數據進行(hang)處理獲得流量(liang)計系數和基本(ben)誤差。監測每一(yī)-流量點處U型管(guǎn)壓差裝💋置的指(zhi)示值,獲得不同(tong)監測點處的壓(ya)✍️力損失,檢定現(xiàn)場如圖4所示。
3實驗測量與數(shù)據對比分析
3.1實(shi)驗測量
利用上(shang)述實驗方法,分(fen)别對安裝35°、45°和559渦(wō)輪的流量計進(jìn)行了實驗檢定(ding),表2列出了安裝(zhuang)35°葉片螺旋升角(jiǎo)表🌐渦輪流量計(jì)的👨❤️👨檢定🛀數據🌈,平(píng)均流量是随機(jī)設定标準吸風(feng)⭐裝置的輸出流(liu)量,平均系數和(hé)誤差按公式(3)和(he)(4)計算。
表3列出了(le)安裝3種不同螺(luó)旋角渦輪流量(liang)計在儀表取壓(ya)口處📐的壓力損(sǔn)失。
3.2數據對比分(fèn)析
對實驗數據(jù)進行二次多項(xiang)式插值獲得20組(zu)數據點,對數據(jù)點進行拟合得(de)到各方案在檢(jian)測流量範圍🏃🏻♂️内(nèi)的儀表系數⛹🏻♀️曲(qu)線、 誤差☂️曲線和(he)壓力損失曲線(xiàn)。
3.2.1儀表系數
如圖(tu)5所示,采用螺旋(xuán)升角爲35°渦輪的(de)流量計的儀表(biao)系數曲線在工(gōng)作區内波動較(jiào)大,對儀表計量(liàng)的穩定性産生(shēng)💜很大的負🔆面影(ying)響。而45°和55°的渦輪(lun)流量計的儀表(biao)系數曲線在工(gōng)作區内波動較(jiao)小,線性度較理(li)想，儀表在工作(zuò)區内的計量穩(wen)定性較好。
3.2.2計量(liàng)精度
如圖6所示(shì),采用螺旋升角(jiǎo)爲55°渦輪的流量(liàng)計誤差基本穩(wěn)定👈在0.4%左🌈右,45°渦輪(lún)在0.5%左右,而35°葉輪(lún)流量計誤差曲(qu)線存在較🚶♀️大波(bō)🌐動,而且最大誤(wu)差超過0.8%，計量精(jīng)度較✌️差。
3.2.3壓力損(sǔn)失
如圖所示，35°渦(wo)輪流量計的最(zui)大壓損達到了(le)3500Pa以上，而55°渦輪則(zé)隻有1500Pa左右,可明(ming)顯看出55°葉輪的(de)過流性最好，壓(ya)力損失相比其(qí)他兩種角度的(de)渦輪最小。
4結束(shù)語
采用實驗檢(jian)定的方法對螺(luo)旋升角爲359.45°和55°的(de)DN150氣體渦輪流量(liàng)計進✊行了實驗(yàn)對比分析,實驗(yàn)數據表明葉📱片(piàn)螺旋角度直接(jie)影響儀表的性(xing)能參數。其中，35°渦(wo)輪🏃♀️流量計存在(zai)着儀表系數不(bú)穩定、壓力損失(shi)大以及精度差(chà)等弊端，建議不(bú)在産品中應用(yong);45°渦輪流量計,儀(yí)表系數曲線呈(chéng)現良好的線性(xìng)特征，但壓力損(sǔn)失與55°渦輪相比(bi)較大;55°渦輪流量(liang)計儀表系數穩(wěn)定、壓力損失小(xiao),精度較高，比較(jiào)适合對壓力損(sun)失和精度要求(qiu)較高的工況。此(ci)外,實驗結果表(biao)明對葉片螺旋(xuán)角🙇🏻的進-一步🥵優(you)化能明顯改善(shan)儀表性能。
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