摘要:在分析(xī)氣體渦輪流(liú)量計 結構和(he)數學模型的(de)基礎上,針對(duì)渦輪葉片螺(luo)旋升角對儀(yí)表🔅性能的影(yǐng)響,以安裝35°.45°和(he)55°三種不同葉(ye)片螺旋升角(jiǎo)渦輪的DN150型氣(qi)體渦輪流量(liang)計作爲實驗(yàn)對象,搭建儀(yi)表負壓檢測(cè)平🌏台,分别🏃‍♂️對(dui)儀表🤟系數、壓(yā)力損失和計(ji)量精度進行(háng)實驗檢定與(yǔ)對比分析。實(shí)驗結果表明(míng)，合理設計渦(wō)輪葉❤️片螺旋(xuan)升角能顯著(zhe)改善🐆氣體渦(wō)輪流量計的(de)性能,爲葉片(piàn)螺旋升角進(jin)一步優化及(jí)其對儀表性(xìng)能影響規律(lǜ)的研究提供(gòng)了實驗基礎(chǔ)。
0引言
　　氣體渦(wo)輪流量計是(shi)計量天然氣(qi)、氧氣、氮氣、液(yè)化氣、煤氣等(deng)氣體介質的(de)速度式計量(liang)儀表,如圖1所(suǒ)示。
 
　　将渦輪(lun)置于被測的(de)氣體介質中(zhōng)，當氣體流經(jing)流量計時,在(zai)導流器的作(zuo)用下被整流(liú)并加速，由于(yu)渦輪的葉🌐片(pian)與流過🔅的氣(qi)體之間存在(zai)一定夾角,氣(qì)體對渦輪産(chǎn)🚶生轉動力矩(jǔ)，使渦輪克服(fu)機械👄摩擦阻(zǔ)力矩、氣體流(liu)動阻力矩和(hé)電磁阻力⛹🏻‍♀️矩(ju)而旋轉,在-定(ding)的流🌂量範圍(wéi)内，渦輪的角(jiao)速度和通過(guò)渦輪的流量(liàng)成正比。渦輪(lun)的旋轉帶動(dòng)脈沖發生器(qi)旋轉,産生的(de)👨‍❤️‍👨脈沖信号由(you)傳感器送🐅入(rù)智能積算儀(yi)進行換算得(de)到氣體介質(zhì)的瞬時流量(liang)和累積流量(liàng)。其主要性能(néng)指标有始動(dòng)流量、儀表系(xì)數、壓力損🥰失(shi)和計量精度(du)。
　　近年來旨在(zài)提高儀表性(xing)能的研究主(zhǔ)要圍繞前、後(hou)導流裝置和(hé)渦輪等關鍵(jian)部件的結構(gou)和型式開展(zhǎn)。劉正先等通(tong)過實驗分析(xī),提出改進前(qian)、後導流器結(jié)構能明顯減(jiǎn)少儀表的壓(ya)力損失,改善(shàn)儀表系數的(de)線性度,而葉(yè)片數量的增(zeng)減對流量計(ji)壓力損失的(de)🛀🏻影響可以忽(hu)略不計，但葉(ye)片數量的增(zēng)加可明顯改(gǎi)💞善始動流量(liàng),提高儀表靈(ling)敏度,但數量(liang)過多會使重(zhòng)疊度增大,儀(yí)表性能急劇(jù)惡化;鄭建梅(mei)等對渦輪的(de)✂️材料和渦輪(lún)軸承進❤️行了(le)改進,改善了(le)❓儀表系數的(de)穩定性!7;LIZ等🙇🏻利(lì)用CFD技術與實(shi)驗相結合驗(yan)證了對🍉整流(liú)器的優化設(shè)計能有效減(jiǎn)少壓力損失(shī)[8]。在上述研究(jiū)㊙️中,還未涉及(jí)針對渦輪葉(ye)片螺旋升角(jiao)對儀表性能(néng)的探讨。本文(wen)利用儀表負(fu)壓檢定平台(tái),對3種不同葉(ye)☎️片螺旋升🌈角(jiao)的DN150型氣體渦(wo)輪流量🤞計進(jìn)行了實驗對(dui)比分析,爲改(gai)善儀表性能(neng)和葉片螺旋(xuan)升角的優化(huà)提供實驗依(yi)據。
1數學模型(xing)與渦輪參數(shù)選擇
1.1數學模(mo)型
　　氣體渦輪(lún)流量計的數(shù)學模型是根(gen)據力矩平衡(héng)原理建立起(qǐ)來🍓的,主要揭(jiē)示流量計輸(shū)出脈沖和流(liu)量之間的内(nèi)💯在關系,其計(ji)算公式爲：
 
　　式(shì)中:K爲儀表系(xi)數;ƒ爲脈沖頻(pín)率，Hz;qv爲體積流(liu)量,m³/s;Z.
　　爲渦輪葉(yè)片數;θ爲葉片(pian)結構角;r爲渦(wō)輪中徑,m;A爲流(liú)通📐面爲流🔞體(tǐ)阻力矩,N.m。
　　其中(zhōng),機械摩擦阻(zǔ)力矩Trm在流量(liàng)一定時隻與(yǔ)軸承和軸㊙️的(de)選型📐設計有(yǒu)關,流體阻力(li)矩Trf與流體流(liú)動狀态有關(guān)，這兩個力矩(ju)在此不做詳(xiáng)細介紹。當被(bei)測介質--定時(shi)，儀表系數與(yǔ)葉片數量葉(ye)片角度和中(zhōng)徑有關,所以(yi)設計✉️合理的(de)渦輪結構形(xing)式對改善🛀儀(yi)表性能有重(zhòng)要意義。
1.2渦輪(lún)結構參數選(xuǎn)擇
　　渦輪結構(gou)有焊接式和(hé)整體式，焊接(jie)式渦輪将葉(yè)片✍️和輪毂焊(hàn)接🛀🏻,整體式渦(wō)輪利用技術(shu)和數控加工(gong)技術直接加(jiā)✍️工成型。葉片(pian)型♊式主要有(you)平闆式和螺(luo)旋式,平闆🈲式(shi)葉片主要應(yīng)♉用于大外徑(jìng)焊接式渦輪(lun),而螺旋式葉(ye)片應用較爲(wei)廣泛;材料主(zhǔ)要有鋁合金(jīn)和㊙️不鏽鋼,鋁(lü)合金與不鏽(xiù)鋼相比具有(you)自重較輕,工(gong)藝性好等特(te)點;渦輪平均(jun1)直徑受🌈流量(liàng)計流通管徑(jing)即👅型号的限(xian)制，可作爲定(dìng)參數處理;葉(ye)片數量選取(qu)主要考慮重(zhòng)疊度對儀表(biao)性能的影響(xiang),-般取🌈13~20;葉片角(jiǎo)度直接影響(xiǎng)氣體介質對(dui)其産生驅動(dong)轉矩的大小(xiao),氣體介質對(duì)渦輪的驅動(dong)轉矩公式爲(wèi)
 
　　式中:Td爲驅動(dòng)力矩,N·m;ƒd爲周向(xiang)驅動力,N;u1爲介(jiè)質人口速度(du)🏒,m/s;ɷ爲渦輪角速(sù)🆚度,rad/s。
　　綜上述所(suo)述,采用整體(ti)式葉輪結構(gòu),螺旋型葉片(piàn)，葉🌏片數量爲(wei)20。對于螺旋型(xíng)葉片,需要确(que)定葉片的螺(luó)旋角，根💁據式(shì)(2),要得到最大(dà)推動力矩，葉(yè)片螺旋角應(ying)爲45°,但力矩公(gōng)式是根據.葉(ye)栅繞流計算(suàn)得到,難免會(hui)和實際工況(kuang)有所偏差👅。參(can)考常用葉片(piàn)角度㊙️,選取35°.45°和(he)55螺旋升角渦(wo)輪作爲實驗(yàn)對象，渦輪結(jié)構參數如圖(tú)2所示。
 
2實驗平台(tai)搭建
2.1檢定裝(zhuāng)置與實驗原(yuán)理
　　流量計的(de)檢定采用負(fù)壓智能儀表(biǎo)測量系統,系(xì)統🥵框圖❌如圖(tu)3所示,主要包(bāo)括硬件和軟(ruan)件兩部分。硬(ying)件包括标準(zhǔn)吸風裝置、德(de)萊塞羅茨氣(qi)體流量計、穩(wen)壓罐和直管(guan)道組成，而軟(ruǎn)件是自🐕行開(kāi)發的智能型(xíng)流🏒量計檢測(ce)🆚程序,各組成(cheng)部分具體參(cān)數如表1所示(shi)。
 
　　由标準吸風(feng)裝置産生負(fù)壓使标準德(de)萊塞羅茨流(liú)💜量計和氣體(ti)渦輪流量計(jì)被同時過流(liú),直管段使進(jìn)人檢定儀表(biǎo)的氣體爲充(chong)♍分發展的湍(tuān)流;穩壓罐補(bu)償通過氣體(tǐ)渦輪流量💁計(ji)後的氣體壓(yā)損。智能流量(liàng)檢測程序接(jie)收來自兩個(ge)儀表的輸出(chu)信♈号，通過渦(wō)輪流量計輸(shu)出的脈沖數(shù)與累積流量(liàng)💋來計算儀表(biao)😄系數,通過對(dui)🔆比.相同數據(jù)采集點處标(biāo)準羅茨流量(liang)計的輸出可(kě)獲得🏃‍♀️精度誤(wù)差安裝在氣(qì)體渦輪流量(liàng)計取壓口處(chu)的U型管可以(yi)測量進、出口(kou)處🔅的壓力,從(cóng)🤩而得到儀表(biao)的壓力損失(shi)。
 
2.2實驗流程
　　自(zi)開始測量時(shí)刻起，,選取50~1300m³/h範(fan)圍内6個流量(liàng)監測點。在每(měi)個流量監🈲測(ce)點随機采集(jí)3個不同時刻(kè)的數據,包括(kuò)某一時刻标(biāo)👄準羅茨流量(liang)計和氣體渦(wō)輪流量計的(de)累積流量及(ji)其輸出脈沖(chong)數。檢測程序(xù)對這些數據(jù)進行處理獲(huò)得流量計系(xì)數和基本誤(wu)差。監測每🌂一(yī)-流量點處U型(xíng)管壓差裝置(zhi)的指示值,獲(huò)得不同監❤️測(ce)點處的壓♉力(li)損失,檢定現(xiàn)場如圖4所示(shi)。
 
3實驗(yan)測量與數據(jù)對比分析
3.1實(shi)驗測量
　　利用(yong)上述實驗方(fang)法,分别對安(ān)裝35°、45°和559渦輪的(de)流量計進行(hang)了實🏃🏻‍♂️驗檢定(ding),表2列出了安(an)裝35°葉片螺旋(xuan)升角表🐉渦輪(lun)🏃🏻流量計的檢(jian)定數據,平均(jun1)流量是随機(jī)設定标準吸(xi)風裝置的✏️輸(shu)出流量,平均(jun1)系數和誤差(cha)按公式(3)和(4)計(ji)算。
 
　　表3列出了(le)安裝3種不同(tong)螺旋角渦輪(lun)流量計在儀(yí)表🍉取壓口處(chu)的壓力損失(shī)。
 
 
3.2數據對比分(fen)析
　　對實驗數(shu)據進行二次(ci)多項式插值(zhí)獲得20組數據(jù)點💔,對數據點(dian)進🙇‍♀️行拟合得(dé)到各方案在(zai)檢測流量範(fan)圍内的儀表(biǎo)系數曲線、 誤(wù)差曲線和壓(ya)力損失曲線(xiàn)。
3.2.1儀表系數
　　如(rú)圖5所示,采用(yòng)螺旋升角爲(wei)35°渦輪的流量(liàng)計的儀表系(xì)數曲線在工(gōng)作區内波動(dòng)較大,對儀表(biǎo)計量的穩🔴定(ding)性産生很大(da)的負面影響(xiang)。而45°和55°的渦輪(lun)流量計的儀(yí)表系數曲線(xiàn)☂️在工作區内(nei)波動較小,線(xiàn)性度較理⛱️想(xiǎng)，儀表在♌工作(zuo)區内的計量(liang)穩定性較好(hǎo)。
3.2.2計量精度
　　如(ru)圖6所示,采用(yòng)螺旋升角爲(wèi)55°渦輪的流量(liang)計誤差基本(ben)✍️穩定💘在0.4%左右(yòu),45°渦輪在0.5%左右(you),而35°葉輪流量(liang)計誤差曲線(xiàn)存在較大波(bō)動,而且最大(da)誤差超過0.8%，計(ji)量精度較差(chà)。
3.2.3壓力損失
　　如(ru)圖所示，35°渦輪(lun)流量計的最(zui)大壓損達到(dào)了3500Pa以上，而55°渦(wo)👣輪則隻📞有1500Pa左(zuo)右,可明顯看(kan)出55°葉輪的過(guò)流性最好，壓(yā)力🍉損失相比(bǐ)其他兩種角(jiǎo)度的渦輪最(zui)小。
 
4結束語
　　采(cǎi)用實驗檢定(ding)的方法對螺(luó)旋升角爲359.45°和(he)55°的DN150氣體渦輪(lun)流量計進行(háng)了實驗對比(bǐ)分析,實驗數(shù)據表明葉片(pian)螺旋角度直(zhí)接影響儀表(biǎo)的性能參數(shu)。其中，35°渦輪流(liu)量計存在着(zhe)儀表系數不(bú)穩定、壓力損(sǔn)失大以及🥰精(jīng)度差等弊端(duān)，建議不在産(chǎn)品中應用;45°渦(wō)輪流量計🌈,儀(yí)表系數曲線(xiàn)呈現良好的(de)線性特征，但(dàn)壓力損失與(yu)55°渦輪相比較(jiào)大;55°渦輪流量(liàng)計⚽儀表系數(shù)穩定、壓力損(sǔn)失小,精度較(jiào)高🈚，比較适合(hé)對壓力損失(shī)和精度要求(qiu)較高的工況(kuàng)。此外,實驗結(jie)果表明對葉(yè)片螺旋角的(de)進-一步優化(hua)能明顯改善(shàn)儀表性能。

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