葉片螺旋角對(duì)氣體渦輪流量計(jì)性能影響詳解

摘要: 在分析氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)渦輪葉片螺旋升角對(duì)儀表性能的影響，以安裝 35°、45°和 55°三種不同葉片螺旋升角渦輪的 DN150 型氣體渦輪流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，搭建儀表負(fù)壓檢測(cè)平臺(tái)，分別對(duì)儀表系數(shù)、壓力損失和計(jì)量精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢定與對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)渦輪葉片螺旋升角能顯著改善氣體渦輪流量計(jì)的性能，為葉片螺旋升角進(jìn)一步優(yōu)化及其對(duì)儀表性能影響規(guī)律的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
  Abstract: Based on the analysis of the structure and mathematical model of gas turbine flowmeter，the blade helix angle of im-pellor was deemed as a critical parameter affecting the flowmeter performances． The testing platform was created，and the type of DN150 flowmeter which equipped with different helix angle ( 35°，45° and 55°) impellors were tested． The results indicate that appropriate design of the blade helix angle of impellor can improve the flowmeter performances significantly．
   Key words: turbine flowmeter; blade helix angle; instrument coefficient; pressure loss; measurement accuracy; experimental a-nalysis
 

0、引言：

  氣體渦輪流量計(jì)是計(jì)量天然氣、氧氣、氮?dú)?、液化氣、煤氣等氣體介質(zhì)的速度式計(jì)量儀表，如圖 1 所示。

  將渦輪置于被測(cè)的氣體介質(zhì)中，當(dāng)氣體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在導(dǎo)流器的作用下被整流并加速，由于渦輪的葉片與流過的氣體之間存在一定夾角，氣體對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使渦輪克服機(jī)械摩擦阻力矩、氣體流動(dòng)阻力矩和電磁阻力矩而旋轉(zhuǎn)，在一定的流量范圍內(nèi)，渦輪的角速度和通過渦輪的流量成正比。渦輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)脈沖發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由傳感器送入智能積算儀進(jìn)行換算得到氣體介質(zhì)的瞬時(shí)流量和累積流量。其主要性能指標(biāo)有始動(dòng)流量、儀表系數(shù)、壓力損失和計(jì)量精度。
  近年來旨在提高儀表性能的研究主要圍繞前、后導(dǎo)流裝置和渦輪等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和型式開展。劉正先等通過實(shí)驗(yàn)分析，提出改進(jìn)前、后導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)能明顯減少儀表的壓力損失，改善儀表系數(shù)的線性度，而葉片數(shù)量的增減對(duì)流量計(jì)壓力損失的影響可以忽略不計(jì)，但葉片數(shù)量的增加可明顯改善始動(dòng)流量，提高儀表靈敏度，但數(shù)量過多會(huì)使重疊度增大，儀表性能急劇惡化［4 － 6］; 鄭建梅等對(duì)渦輪的材料和渦輪軸承進(jìn)行了改進(jìn)，改善了儀表系數(shù)的穩(wěn)定性［7］; LI Z 等利用 CFD 技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合驗(yàn)證了對(duì)整流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效減少壓力損失［8］。在上述研究中，還未涉及針對(duì)渦輪葉片螺旋升角對(duì)儀表性能的探討。本文利用儀表負(fù)壓檢定平臺(tái)，對(duì) 3 種不同葉片螺旋升角的DN150 型氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，為改善儀表性能和葉片螺旋升角的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1、數(shù)學(xué)模型與渦輪參數(shù)選擇：
1.1、數(shù)學(xué)模型：
  氣體渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)力矩平衡原理建立起來的，主要揭示流量計(jì)輸出脈沖和流量之間的內(nèi)在關(guān)系，其計(jì)算公式為［9］中: K 為儀表系數(shù); f 為脈沖頻率，Hz; qv  為體積流量，m³ /s; Z為渦輪葉片數(shù); θ 為葉片結(jié)構(gòu)角; r 為渦輪中徑，m; A 為流通面積，m² ; ρ 為流體密度，kg /m³ ; Trm 為機(jī)械摩擦阻力矩，N·m ; Trf

為流體阻力矩，N·m。
  其中，機(jī)械摩擦阻力矩 Trm 在流量一定時(shí)只與軸承和軸的選型設(shè)計(jì)有關(guān)，流體阻力矩 Trf 與流體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，這兩個(gè)力矩在此不做詳細(xì)介紹。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)一定時(shí)，儀表系數(shù)與葉片數(shù)量、葉片角度和中徑有關(guān)，所以設(shè)計(jì)合理的渦輪結(jié)構(gòu)形式對(duì)改善儀表性能有重要意義。
 
1.2、渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇：
  渦輪結(jié)構(gòu)有焊接式和整體式，焊接式渦輪將葉片和輪轂焊接，整體式渦輪利用*的 CAD /CAM 技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)直接加工成型。葉片型式主要有平板式和螺旋式，平板式葉片主要應(yīng)用于大外徑焊接式渦輪，而螺旋式葉片應(yīng)用較為廣泛; 材料主要有鋁合金和不銹鋼，鋁合金與不銹鋼相比具有自重較輕，工藝性好等特點(diǎn); 渦輪平均直徑受流量計(jì)流通管徑即型號(hào)的限制，可作為定參數(shù)處理; 葉片數(shù)量選取主要考慮重疊度對(duì)儀表性能的影響，一般取 13 ～ 20; 葉片角度直接影響氣體介質(zhì)對(duì)其產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，氣體介質(zhì)對(duì)渦輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式為：
 

 
 式中: Td 為驅(qū)動(dòng)力矩，N·m; fd 為周向驅(qū)動(dòng)力，N; u1 為介質(zhì)入口速度，m /s; ω 為渦輪角速度，rad /s。
 綜上述所述，采用整體式葉輪結(jié)構(gòu)，螺旋型葉片，葉片數(shù)量為 20。對(duì)于螺旋型葉片，需要確定葉片的螺旋角，根據(jù)式( 2) ，要得到***大推動(dòng)力矩，葉片螺旋角應(yīng)為 45°，但力矩公式是根據(jù)葉柵繞流計(jì)算得到，難免會(huì)和實(shí)際工況有所偏差。參考常用葉片角度，選取 35°、45°和 55° 螺旋升角渦輪作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2 所示。

圖 2  整體葉輪結(jié)構(gòu)圖

2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建：
2.1、檢定裝置與實(shí)驗(yàn)原理：
 流量計(jì)的檢定采用負(fù)壓智能儀表測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3 所示，主要包括硬件和軟件兩部分。硬件包括標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置、德萊塞羅茨氣體流量計(jì)、穩(wěn)壓罐和直管道組成，而軟件是自行開發(fā)的智能型流量計(jì)檢測(cè)程序，各組成部分具體參數(shù)如表 1 所示。

圖 3 智能型儀表測(cè)量系統(tǒng)框圖

  由標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置產(chǎn)生負(fù)壓使標(biāo)準(zhǔn)德萊塞羅茨流量計(jì)和氣體渦輪流量計(jì)被同時(shí)過流，直管段使進(jìn)入檢定儀表的氣體為充分發(fā)展的湍流; 穩(wěn)壓罐補(bǔ)償通過氣體渦輪流量計(jì)后的氣體壓損。智能流量檢測(cè)程序接收來自兩個(gè)儀表的輸出信號(hào)，通過渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)與累積流量來計(jì)算儀表系數(shù)，通過對(duì)比相同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)的輸出可獲得準(zhǔn)確度誤差。安裝在氣體渦輪流量計(jì)取壓口處的 U 型管可以測(cè)量進(jìn)、出口處的壓力，從而得到儀表的壓力損失。

表 1 負(fù)壓檢測(cè)平臺(tái)各部件參數(shù)
 

2.2、實(shí)驗(yàn)流程：
 自開始測(cè)量時(shí)刻起，選取 50 ～ 1 300 m³ /h 范圍內(nèi) 6 個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨機(jī)采集 3 個(gè)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，包括某一時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)和氣體渦輪流量計(jì)的累積流量及其輸出脈沖數(shù)。檢測(cè)程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得流量計(jì)系數(shù)和基本誤差。監(jiān)測(cè)每量點(diǎn)處 U 型管壓差裝置的指示值，獲得不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力損失，檢定現(xiàn)場(chǎng)如圖 4 所示。

圖 4氣體渦輪流量計(jì)檢定現(xiàn)場(chǎng)

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)對(duì)比分析：
3.1、實(shí)驗(yàn)測(cè)量：
  利用上述實(shí)驗(yàn)方法，分別對(duì)安裝 35°、45°和 55°渦輪的流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢定，表 2 列出了安裝 35°葉片螺旋升角表渦輪流量計(jì)的檢定數(shù)據(jù)，平均流量是隨機(jī)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置的輸出流量，平均系數(shù)和誤差按公式( 3) 和( 4) 計(jì)算。

3.2.1、儀表系數(shù)：
  如圖 5 所示，采用螺旋升角為 35° 渦輪的流量計(jì)的儀表系數(shù)曲線在工作區(qū)內(nèi)波動(dòng)較大，對(duì)儀表計(jì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。而 45°和 55° 的渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)曲線在工作區(qū)內(nèi)波動(dòng)較小，線性度較理想，儀表在工作區(qū)內(nèi)的計(jì)量穩(wěn)定性較好。
 
3.2.2、計(jì)量精度：
 如圖 6 所示，采用螺旋升角為 55°渦輪的流量計(jì)誤差基本穩(wěn)定在 0.4% 左右，45°渦輪在 0.5% 左右，而 35°葉輪流量計(jì)誤差曲線存在較大波動(dòng)，而且***大誤差超過 0.8% ，計(jì)量精度較差。
 
3.2.3、壓力損失：
 如圖 7 所示，35°渦輪流量計(jì)的***大壓損達(dá)到了3 500 Pa 以上，而 55°渦輪則只有1 500 Pa 左右，可明顯看出 55° 葉輪的過流性***好，壓力損失相比其他兩種角度的渦輪***小。


圖 6 不同螺旋角儀表誤差曲線 圖 5 不同螺旋角儀表系數(shù)曲線 圖 7 不同螺旋角儀表壓力損失曲線

4、結(jié)束語：
  采用實(shí)驗(yàn)檢定的方法對(duì)螺旋升角為 35°、45° 和 55° 的 DN150 氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明葉片螺旋角度直接影響儀表的性能參數(shù)。其中， 35°渦輪流量計(jì)存在著儀表系數(shù)不穩(wěn)定、壓力損失大以及精度差等弊端，建議不在產(chǎn)品中應(yīng)用; 45° 渦輪流量計(jì)，儀表系數(shù)曲線呈現(xiàn)良好的線性特征，但壓力損失與 55°渦輪相比較大; 55°渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)穩(wěn)定、壓力損失小，精度較高，比較適合對(duì)壓力損失和精度要求較高的工況。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)葉片螺旋角的進(jìn)一步優(yōu)化能明顯改善儀表性能。