摘(zhai)要:在分(fèn)析氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計 結(jie)構和數(shu)學模型(xíng)的基礎(chǔ)上,針對(duì)渦輪葉(yè)片螺旋(xuán)升角對(dui)🔱儀表性(xing)能的影(yǐng)響,以安(ān)裝35°、45°和55°三(san)種不同(tong)葉片螺(luó)旋升角(jiǎo)渦輪的(de)DN150型氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計作(zuo)爲實驗(yan)對象,搭(da)建儀表(biǎo)負壓❗檢(jian)測平台(tái),分别對(dui)儀表系(xì)數、壓力(lì)損失和(hé)計量精(jīng)度進行(háng)🏃🏻實驗檢(jiǎn)定與對(duì)比分析(xī)。實驗結(jie)果表明(ming),合理✨設(she)計渦輪(lún)葉片螺(luó)旋升角(jiǎo)能顯著(zhe)改善氣(qi)體渦輪(lun)流量♌計(jì)的性能(néng),爲葉片(pian)螺旋升(sheng)角進🔞一(yī)步優化(huà)及其對(dui)儀表性(xing)能影響(xiǎng)規律的(de)研究提(tí)供了實(shí)驗🏒基礎(chǔ)。
0引言
　　氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)是計量(liang)天然氣(qì)、氧氣、氮(dan)氣、液化(huà)氣🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、煤氣(qi)等氣體(ti)介質的(de)速度式(shì)計量儀(yi)表1-2],如圖(tu)1所示。
 
　　将渦輪(lún)置于被(bèi)測的氣(qì)體介質(zhi)中,當氣(qi)體流經(jīng)流量計(ji)💔時,在導(dǎo)流器的(de)作用下(xià)被整流(liú)并加速(sù),由于渦(wō)輪的葉(yè)片與🔆流(liu)過的氣(qi)體之間(jian)存在--定(ding)夾角,氣(qi)體對渦(wō)輪産生(sheng)轉動力(li)矩,使渦(wō)輪克服(fu)☔機械摩(mo)擦阻力(lì)矩、氣🔞體(tǐ)流動阻(zu)力矩和(he)電磁阻(zǔ)力矩而(ér)旋轉,在(zai)--定的流(liú)量範圍(wei)内,渦輪(lún)的角速(su)度和通(tōng)過渦輪(lún)的流量(liang)成正比(bi)‼️。渦輪的(de)旋轉帶(dài)動脈沖(chong)發生器(qì)🐇旋轉,産(chǎn)生的脈(mò)沖信号(hào)由傳感(gǎn)器送人(rén)智能積(jī)算儀進(jin)行❗換算(suàn)得到氣(qi)體介質(zhi)的瞬時(shí)流量和(hé)累積流(liu)量。
　　其主(zhǔ)要性能(neng)指标有(you)始動流(liú)量、儀表(biǎo)系數、壓(ya)力損失(shi)♻️和計🔞量(liàng)精❓度。
　　近(jin)年來旨(zhi)在提高(gao)儀表性(xing)能的研(yán)究主要(yào)圍繞前(qian)、後🍉導流(liú)❗裝置和(he)渦輪等(děng)關鍵部(bu)件的結(jié)構和型(xíng)式開展(zhǎn)。劉正先(xian)等通過(guo)👨‍❤️‍👨實驗分(fen)析,提出(chu)改進前(qián)、後導流(liu)器結🈚構(gou)能明顯(xian)減少🧡儀(yí)表的壓(ya)力損失(shi),改善儀(yi)表系數(shu)的線性(xing)度,而葉(yè)片數量(liang)的增減(jian)對流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)影響可(ke)以忽💁略(luè)不計,但(dan)葉片數(shu)量的增(zeng)👨‍❤️‍👨加可明(míng)顯改善(shan)始動流(liú)量,提高(gāo)儀表靈(ling)敏度,但(dàn)數量過(guò)多會使(shǐ)重疊度(dù)增大,儀(yí)表性能(néng)急劇惡(e)化[4-6];鄭建(jian)梅等對(dui)渦輪的(de)材料和(he)渦輪軸(zhóu)承進🐇行(háng)了改進(jin),改善了(le)儀表系(xì)數的穩(wen)定性”;lIZ等(děng)⛹🏻‍♀️利用CFD技(jì)術與實(shí)驗相結(jie)合驗證(zheng)了對整(zhěng)流器的(de)優化設(shè)計能有(you)效減少(shǎo)壓力損(sǔn)失[8]。在上(shàng)述研究(jiū)☀️中，還未(wei)涉及針(zhen)對渦輪(lun)葉片螺(luo)旋升角(jiǎo)對儀表(biǎo)性能🙇🏻的(de)探讨。本(běn)文利用(yong)儀表負(fù)👨‍❤️‍👨壓檢定(ding)平台,對(duì)3種不同(tong)葉片螺(luo)旋升角(jiao)的DN150型氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)進行了(le)實驗對(dui)比分析(xi),爲改善(shàn)儀表性(xing)能和葉(ye)片螺旋(xuan)升角的(de)優化提(ti)供實驗(yan)依據。
1數(shu)學模型(xíng)與渦輪(lun)參數選(xuǎn)擇
1.1數學(xue)模型
　　氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)的數學(xue)模型是(shì)根據力(li)矩平衡(heng)原理建(jian)立👈起來(lái)🍉的,主要(yào)揭示流(liu)量計輸(shu)出脈沖(chong)和流量(liang)之間的(de)内🏃🏻‍♂️在關(guān)系,其計(ji)算公式(shì)爲：
 
　　式中(zhong):K爲儀表(biǎo)系數;f爲(wei)脈沖頻(pin)率,Hz;q,爲體(tǐ)積流量(liàng),m³/s;Z爲渦輪(lún)葉片數(shù);θ爲🈚葉片(piàn)結構角(jiao);r爲渦輪(lun)中徑,m;A爲(wèi)流通面(miàn)爲流體(ti)阻力矩(ju),N.m。
　　其中,機(jī)械摩擦(cā)阻力矩(jǔ)T.在流量(liang)-定時隻(zhi)與軸承(chéng)和軸的(de)選型📧設(she)🏃‍♂️計有關(guān)，流體阻(zǔ)力矩T與(yu)流體流(liu)動狀态(tài)有關,這(zhè)兩個力(lì)矩在此(ci)✌️不做詳(xiang)細介紹(shao)。當被測(ce)介質--定(dìng)時,儀表(biao)📐系數與(yǔ)葉片數(shù)量、葉片(pian)角度和(hé)中徑有(yǒu)關，所♻️以(yi)設計合(he)理的渦(wō)輪結構(gòu)形式對(dui)改善儀(yí)表性能(néng)有🏃🏻‍♂️重要(yao)意義。
1.2渦(wo)輪結構(gou)參數選(xuǎn)擇
　　渦輪(lun)結構有(yǒu)焊接式(shì)和整體(ti)式,焊接(jie)式渦輪(lún)将葉片(pian)和輪毂(gū)焊🌈接💚,整(zheng)體式渦(wo)輪利用(yòng)先進的(de)CAD/CAM技術和(he)數控✉️加(jia)工技術(shu)直接加(jia)工成型(xíng)。葉片型(xing)式主要(yao)有平闆(pǎn)式和螺(luó)旋式,平(píng)闆式葉(yè)片主.要(yao)應㊙️用于(yú)大外徑(jìng)焊接式(shi)渦輪,而(er)螺旋式(shi)葉片應(ying)用較爲(wèi)廣泛;材(cai)料主要(yao)有鋁👈合(hé)金和不(bú)鏽👣鋼,鋁(lǚ)合金與(yu)不鏽鋼(gāng)相比具(ju)有自重(zhong)較♌輕,工(gong)藝性好(hǎo)👣等特點(diǎn);渦輪平(ping)均直徑(jing)受流量(liàng)計流通(tōng)管徑即(jí)型号的(de)限制,可(kě)作爲定(ding)參數處(chu)理;葉片(piàn)數量選(xuǎn)㊙️取主要(yào)考慮重(zhòng)疊度對(dui)儀表性(xìng)能的影(yǐng)🈲響,---般取(qǔ)13~20;葉片角(jiǎo)度直接(jie)影響氣(qì)體介質(zhi).對其産(chǎn)生驅動(dong)轉矩的(de)💞大小，氣(qi)體介質(zhì)對渦輪(lún)的驅動(dòng)轉矩公(gong)式☁️爲
 
　　式(shì)中:Td爲驅(qu)動力矩(jǔ),N.m;fd爲周向(xiàng)驅動力(li),N;u1爲介質(zhì)入口速(su)度,m/s;ɷ爲🤞渦(wo)輪角速(su)度,rad/s。
　　綜上(shàng)述所述(shu),采用整(zhěng)體式葉(ye)輪結構(gou),螺旋型(xíng)葉片，葉(ye)片數🤩量(liàng)爲20。對于(yú)螺旋型(xing)葉片,需(xū)要确定(dìng)葉片的(de)螺旋角(jiǎo),根據式(shi)(2),要得到(dào)最大推(tuī)動力矩(ju),葉片螺(luo)旋角應(yīng)爲45°,但力(lì)矩公式(shì)是根據(jù)葉栅繞(rao)流計算(suàn)得到,難(nán)免會和(hé)實際工(gong)況有所(suǒ)偏差🌈。參(cān)考常用(yong)葉片角(jiǎo)度,選取(qǔ)35°.45°和55°螺⛹🏻‍♀️旋(xuán)升角渦(wo)輪🚶‍♀️作爲(wei)實驗對(dui)象,渦輪(lun)結構參(can)數如圖(tú)2所示。
 
2實(shí)驗平台(tai)搭建
2.1檢(jiǎn)定裝置(zhi)與實驗(yàn)原理
　　流(liu)量計的(de)檢定采(cǎi)用負壓(yā)智能儀(yí)表測量(liang)系統，系(xì)統框圖(tú)如圖3所(suo)😘示，主要(yào)包括硬(yìng)件和軟(ruǎn)件兩部(bu)分。硬件(jiàn)包括标(biāo)準吸風(fēng)裝置、德(dé)萊🔞塞羅(luo)茨氣體(ti)流量計(ji)穩壓罐(guàn)和直管(guǎn)道組☀️成(chéng),而軟件(jiàn)是自行(hang)開發❓的(de)智能型(xing)流量計(jì)檢測程(chéng)序,各組(zu)成部分(fen)具體參(can)數如表(biao)1所示。
 
　　由(yóu)标準吸(xī)風裝置(zhi)産生負(fu)壓使标(biao)準德萊(lai)塞羅茨(ci)流量計(ji)♻️和氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計被(bei)同時過(guo)流,直管(guǎn)段使進(jin)入檢定(ding)儀㊙️表的(de)氣體爲(wei)充分發(fā)展的湍(tuan)流;穩壓(ya)罐補㊙️償(cháng)通過氣(qì)體渦輪(lún)流量計(ji)後的氣(qi)體壓損(sǔn)。智能流(liu)量檢測(cè)程序接(jiē)收來自(zì)兩個儀(yí)表的輸(shū)出信🈲号(hào)，通過渦(wo)❌輪流量(liàng)計輸出(chū)的脈沖(chòng)數與累(lei)積流量(liàng)來計算(suàn)儀表系(xi)數,通過(guò)對🔴比相(xiang)同數據(jù)采集點(diǎn)處标準(zhun)羅茨流(liu)量計的(de)輸出🆚可(kě)獲得正(zheng)确率🚶‍♀️誤(wu)差安裝(zhuang)在氣體(ti)渦輪流(liu)量計取(qu)壓口處(chù)的U型管(guan)可以測(cè)量進、出(chu)口㊙️處的(de)壓力🏃,從(cong)而得到(dào)儀表的(de)壓力損(sun)失。
 
2.2實驗(yàn)流程
　　自(zì)開始測(ce)量時刻(ke)起,選取(qǔ)50~1300m³/h範圍内(nèi)6個流量(liang)監測點(diǎn)。在每個(ge)流量監(jian)測點随(suí)機采集(ji)3個不同(tóng)時刻的(de)數據,包(bāo)括某一(yī)時刻标(biao)準羅🈚茨(ci)流量計(jì)和氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)累積流(liu)量及🔞其(qí)輸出脈(mo)沖數📞。檢(jiǎn)測程序(xù)對這些(xiē)數♍據進(jìn)行處理(lǐ)獲得流(liu)量計系(xi)數和基(jī)本誤差(cha)。監測每(měi)一-流量(liang)點處U型(xíng)管壓差(chà)裝置的(de)指示值(zhi)，獲得不(bu)同監測(ce)點處的(de)壓力🔞損(sǔn)失，檢定(ding)現場如(rú)圖4所示(shì)。
 
3實驗測(cè)量與數(shù)據對比(bi)分析
3.1實(shi)驗測量(liang)
　　利用上(shàng)述實驗(yàn)方法,分(fèn)别對安(ān)裝35°、45°和55°渦(wō)輪的流(liú)量計進(jìn)行了實(shí)驗檢定(dìng),表2列出(chū)了安裝(zhuāng)35°葉片螺(luó)旋升角(jiao)表渦輪(lun)流量計(ji)的檢定(dìng)數據,平(ping)均流量(liàng)是随機(jī)設定标(biao)準吸風(feng)裝置的(de)輸出流(liú)量,平均(jun)系數和(he)誤差按(an)公式(3)和(he)(4)計算。
 
　　表(biao)3列出了(le)安裝3種(zhǒng)不同螺(luó)旋角渦(wo)輪流量(liang)計在儀(yí)表取壓(ya)口處的(de)壓力損(sun)失。
 
注:儀(yí)表系數(shù)K=899.06m-3;基本誤(wu)差爲0.841%;大(da)氣壓力(li)爲102.40kPa;環境(jìng)濕度爲(wèi)45%。
 
3.2數據對(duì)比分析(xī)
　　對實驗(yan)數據進(jìn)行二次(cì)多項式(shi)插值獲(huo)得20組數(shù)據點,對(duì)數❌據💯點(dian)進行拟(nǐ)合得到(dào)各方案(àn)在檢測(ce)流量範(fàn)圍内的(de)儀表系(xi)數曲線(xian)、誤差曲(qǔ)線和壓(ya)力損失(shi)曲線。
3.2.1儀(yi)表系數(shù)
　　如圖5所(suǒ)示,采用(yong)螺旋升(sheng)角爲35°渦(wō)輪的流(liu)量計的(de)儀表系(xì)數曲線(xian)在工作(zuo)區内波(bō)動較大(dà),對儀表(biǎo)計量的(de)穩定性(xìng)産生很(hen)大💯的負(fu)✍️面影響(xiǎng)。而45°和55°的(de)渦輪流(liu)量計的(de)儀表系(xì)數曲線(xian)🔞在工作(zuò)區内波(bo)動較小(xiǎo)，線性度(dù)較理⚽想(xiang)，儀表在(zài)❗工作區(qū)内的計(jì)量穩定(ding)性較好(hǎo)。
3.2.2計量精(jing)度
　　如圖(tú)6所示,采(cai)用螺旋(xuan)升角爲(wèi)55°渦輪的(de)流量計(jì)誤差基(jī)本穩定(dìng)在☔0.4%左右(you),45渦輪在(zai)0.5%左右,而(er)35°葉輪流(liú)量計誤(wù)差曲線(xiàn)存在較(jiào)大波動(dòng),而⚽且最(zui)大誤差(chà)超過0.8%,計(ji)量精度(du)較♋差。
3.2.3壓(ya)力損失(shi)
　　如圖7所(suo)示,35°渦輪(lun)流量計(ji)的最大(da)壓損達(dá)到了3500Pa以(yi)上，而🔅55°渦(wō)🧡輪則隻(zhi)有1500Pa左右(you),可明顯(xiǎn)看出55°葉(yè)輪的過(guo)流性最(zui)好.壓力(lì)損失相(xiang)比其他(tā)兩種✉️角(jiao)度的渦(wō)輪最小(xiǎo)。
 
4結束語(yu)
　　采用實(shi)驗檢定(ding)的方法(fǎ)對螺旋(xuan)升角爲(wei)35°.45°和55°的DN150氣(qì)體渦輪(lún)流量💃🏻計(ji)進行了(le)實驗對(duì)比分析(xī),實驗數(shu)據表明(míng)葉🈲片螺(luó)🤞旋角度(du)直💘接影(yǐng)響儀表(biǎo)的性能(néng)參數。其(qí)中，35°渦輪(lun)🍓流量計(jì)存在着(zhe)儀表系(xi)數不穩(wen)㊙️定、壓力(lì)損失大(dà)以及精(jīng)度差等(deng)弊端，建(jian)議不在(zai)産品✊中(zhōng)應用;45°渦(wo)輪流量(liang)計,儀表(biao)系數曲(qǔ)線呈現(xiàn)良好的(de)線性特(te)征🔞,但壓(yā)力損失(shī)與55°渦輪(lun)相比📧較(jiao)大;559渦輪(lún)流量計(jì)儀表系(xi)數穩定(ding)、壓力🔞損(sǔn)失小,精(jīng)度較高(gāo)❤️,比較适(shi)合對壓(yā)力損失(shi)和精度(du)要求較(jiào)高的工(gong)況。此外(wai),實驗結(jié)果表明(míng)對葉片(pian)螺旋角(jiǎo)的進一(yī)-步優化(hua)能明顯(xiǎn)改善儀(yi)🔞表性能(néng)。

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