1 引言
渦(wō)輪流量計是葉(yè)輪式(shì)速度流量計，屬于速度式測量，即(jí)利用測量管道内介質流動速度(dù)來得到流量。置于流體中的葉輪的(de)旋轉角速度與流體流速(sù)成正比，通過測(cè)量葉輪的旋轉角速度得到流體流速，從(cóng)而得到(dào)管道内的流量值。在(zài)選擇渦輪流量計的時候，除了要(yào)求其具有準(zhǔn)确度高、量程大和起始流量(liàng)小的優點外，壓損小(xiǎo)也是一個(gè)關鍵指标。流體通過渦輪流量(liàng)計的壓力(lì)損失越小，則流體由輸入至輸(shū)出管道所消耗能量(liàng)就越小，由此可大大節約能源，降(jiàng)低輸送成本。本文(wén)将對流量(liàng)計進行實驗對比測量，找出引起壓損的主要因素，爲針對性(xìng)地改進設計提供基本實驗依據。
2 結(jié)構與壓力損失
渦輪流量計結構示(shì)意如圖1所(suǒ)示，主要組件包括整流栅(shān)、前導流器、葉輪以及後導流(liú)器等。當流體通過管道時，沖擊葉輪，對葉輪産生(shēng)驅動力矩(jǔ)，使(shǐ)葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉，在一定的流量範圍内，葉輪的旋轉角速度與(yǔ)流體流速成正比。因此，葉(yè)輪的轉速通過裝在(zài)機殼(ké)外的磁電轉換裝置轉換爲模(mó)拟電流量，進而顯示爲瞬時流量值和累積流量值。
流體從機殼進口流入，首先經過整流栅進行穩流，再進入前導流器，前導流器對流體有收斂作用，防止流體發生分離産(chǎn)生大的渦旋運動，前導流(liú)葉片對流體起導向(xiàng)作用，避免流體自旋而改變對葉(yè)輪葉片的作用(yòng)角度，保證測量的準确度。流體經葉輪後将以螺線型(xíng)方式向前流動，加入帶葉片的後導流器對其進行導流，使流體沿管壁(bì)直線流動，減少各種阻力引起的能量損失。流體通過流量計的壓力損(sǔn)失與介質的密度(dù)、流速等有關，其計算公式爲：
△P= αρv2/2 （1）
式中 △P - 壓力損失，Pa
α - 壓損系數
ρ - 介質密度(dù)，kg/m3
v - 流速(sù)，m/s
由于(yú)ρ和v爲流體流動參數，不能随意增減，因此隻能盡量(liàng)減小壓損系數α，以達到降(jiàng)低(dī)壓損的目的(de)。壓損系數(shù)除(chú)了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外，還與(yǔ)流量計内(nèi)部各(gè)部件的(de)幾何結構有關。
3 實(shí)驗測量
實(shí)驗采用口徑DN=1OOmm，量程Q=60~600m3/h的渦輪流量(liàng)計，在吸氣式試驗台上分别對(duì)介質爲空氣（常壓）、不同形狀整流栅、不同葉(yè)片數葉輪和不同結構的後(hòu)導流器進行測量。
3.1 整(zhěng)流栅
圖2爲圓孔和方孔兩種形狀整流栅，整流栅直徑爲1OOmm，寬爲15mm。方孔流通面積約爲圓孔流通面積的4/3。中間實體爲固定整流(liú)栅螺釘位置。
圖3是隻改變整流栅條件下，流體經過流量計的壓力損失曲線。由圖知，盡管方孔整流(liú)栅比圓孔增大了(le)1/3的通流面積，但對流體壓損的影響(xiǎng)并不明顯。在小于300m3/h的範圍内，兩者幾乎沒有差别，在Q=700m3/h處，方孔整流栅最大使壓損降低300Pa，比圓孔整流栅改善約10％，在工作範圍60~600m3/h内，方孔(kǒng)比圓孔平均(jun1)改進約2％，但方孔(kǒng)加工(gōng)難(nán)度大于圓孔，因此，應根據(jù)實際情況選擇整流(liú)栅。
3.2 葉輪
葉輪按(àn)照設計要求爲葉片數z=12~20，葉片傾角α=30゜~45゜，重疊度爲1~1.2，葉片與内機殼間隙爲0.5mm。爲提(tí)高流量計的靈敏度，可适(shì)當增加葉(yè)片數。
本文在允許範圍内分别選擇(zé)13和20個葉片數的葉輪進行了測量，結果如圖(tú)4所示。可看到，兩條曲線幾乎重合。說明在允許範圍内，葉輪葉片數的增減對壓(yā)力(lì)損失的影響(xiǎng)可以(yǐ)忽略。但采用13葉片(piàn)數的葉輪時，測得流量計起始流量(liàng)爲6.5m3/h，而采用(yòng)20葉片數的葉輪(lún)，其起始流量爲5.5m3/h，适當增加葉片數，可以較明顯地提高(gāo)流量計的靈敏度。值得注意(yì)的是，增加葉片數(shù)會使(shǐ)重疊度增大，過大的重疊度将(jiāng)使流量計性能惡化。
3.3 後導流器
圖5（a）、（b）分别爲全封閉和半(bàn)開式兩種結構的後導流器(qì)示意圖。導流葉片(piàn)數均爲8，内導流體幾何形狀爲橢球形。兩者不同之處在于全封閉式導(dǎo)流葉片由導流器(qì)進口延伸至出口(kǒu)，而半開式導流葉(yè)片則(zé)由導流器中間起到(dào)出口處。
作者在(zài)半開式基(jī)礎上設計加工了另一種改進(jìn)的(de)後導流器：把半開(kāi)式葉片部分縮(suō)短一半(bàn)，同(tóng)時将(jiāng)葉(yè)片數減少爲4，在原無葉段增加與有葉段數目相同位(wèi)置均勻相錯的葉片，但不加外筒。目(mù)的是盡量在不增加(jiā)摩擦和(hé)阻塞損(sǔn)失情(qíng)況下，加強對經過葉輪後旋轉流體的整直作用(yòng)。如圖6所示。
圖7爲分别采用(yòng)三(sān)種後導流器而其餘部件不變條件下流(liú)量計的壓力損失曲線。由圖可知，在流量爲0~100m3/h範圍内，三種結構的壓力損失均很小，可以認爲壓力損失在小流量工況下對幾何(hé)結構不敏感，即(jí)後導流器的幾何形狀變化還沒有對壓損産生影響。随着流量的增大，三條曲線明顯拉開了距離，其(qí)中全封閉(bì)式壓損(sǔn)增長最快，半開式(shì)次之，壓損最小的(de)是改進式，在額定最大(dà)流量600m3/h處，改(gǎi)進式(shì)壓損僅爲700Pa，約(yuē)爲半開式(shì)壓損的1/2，爲全封閉式壓損的1/3。當流量進一步增大，這種差距還将随之增加(jiā)。由此可見，選擇合适的導流器可以大大降低流量計的壓力損失。在流量計的工程應用中，有必要對前、後導流(liú)器幾何參數進行優化，以達到最小壓(yā)損目的。
3.4 儀表系數
考查(chá)渦輪流量計性能的另外一個重要指标(biāo)是儀表系數。儀表系數可理解爲流量計儀表的輸出流量值與通(tōng)過流量計的實際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表内磁電轉換器(qì)輸出頻率(lǜ)成正比，故也表示爲輸出頻率與實際流量之比，即，
式中 f — 輸(shū)出頻率，s-1
qv— 實際流量，m3/s
Z — 葉輪葉片(piàn)數
r — 葉輪平均半徑(jìng)，m
F — 流通截面積，m2
θ — 葉片與軸線夾角，rad
由式（2）可知，理想的儀表系數K與結(jié)構參數有(yǒu)關，與流量變化無關。對某一流(liú)量計(jì)，K爲一(yī)常數，在K-qv圖上爲一平行橫軸的直線。但對實際的流體流動，由于葉(yè)輪要克服軸承的機械阻力矩、流(liú)體産生的阻力(lì)矩，并(bìng)受(shòu)流動狀态(tài)等因素的影響，使K不可能保持直線，而在(zài)量程範圍内，盡量保證K爲一常(cháng)數是保證流量計精度的前提條件。
作者(zhě)對改進的後導(dǎo)流器對流量計儀表系數的影響進行了實驗測試，考察改變結構組件後對儀表性能的影(yǐng)響。圖8爲分别采用(yòng)半(bàn)開式和改(gǎi)進的後導流器，流量計儀表系數的測試(shì)結果(guǒ)。
由圖8可看出，采用改進的後導流器後，流量計儀表系數比改進前有較好的改善，在量程範圍内（60~600m3/h），K很好地體現(xiàn)了系數的特性，甚至在超過最大量程後，能繼續保持水平直線狀(zhuàng)态。改進前的流量計值也較好，但随着流量增大，直(zhí)線略向下傾斜(xié)，偏離了水平位置。
4 結論
通過對氣體渦輪(lún)流量計主要組件壓力損(sǔn)失的實驗測量及對整(zhěng)流栅形(xíng)狀、葉輪葉片數和後導流器不同結構對壓損影響程度的分析得出結論：後導流器相對整流(liú)栅和葉輪是壓力損(sǔn)失的主要因素。當采用改進的後導流結構時，測量結果顯示流量計(jì)的壓損被大(dà)幅度(dù)降低，同時儀表系數值更加穩定，兩者均使流量計的準确度得到提高。
