1 引言
渦輪流量計(jì)是葉輪式(shì)速度(dù)流量計(jì)，屬于速(sù)度式測量，即利(lì)用測量管道内(nèi)介質流動(dòng)速度(dù)來得到(dào)流(liú)量。置(zhì)于流體(tǐ)中(zhōng)的葉(yè)輪的(de)旋轉角速(sù)度(dù)與流體(tǐ)流速(sù)成正比，通過測(cè)量葉輪的(de)旋轉(zhuǎn)角速(sù)度得到流(liú)體流(liú)速，從而得(dé)到(dào)管(guǎn)道内的流(liú)量值(zhí)。在選(xuǎn)擇渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的時(shí)候，除了(le)要(yào)求其(qí)具有(yǒu)準确(què)度高(gāo)、量程大和(hé)起始流量小的(de)優點(diǎn)外，壓損(sǔn)小(xiǎo)也是(shì)一個關(guān)鍵指标(biāo)。流體(tǐ)通過渦輪流(liú)量(liàng)計(jì)的(de)壓力(lì)損失越小，則(zé)流(liú)體由(yóu)輸入(rù)至輸(shū)出管(guǎn)道(dào)所(suǒ)消耗能量(liàng)就越(yuè)小，由(yóu)此(cǐ)可(kě)大大(dà)節約(yuē)能源(yuán)，降低輸送(sòng)成本。本(běn)文将對(duì)流量計進行實驗對(duì)比(bǐ)測量，找(zhǎo)出引(yǐn)起壓損的(de)主要因素(sù)，爲針(zhēn)對性(xìng)地改(gǎi)進設(shè)計提(tí)供(gòng)基本實(shí)驗依(yī)據。
2 結構與(yǔ)壓力損失
渦輪(lún)流量計結(jié)構示(shì)意如圖1所(suǒ)示，主要組(zǔ)件包括整(zhěng)流栅(shān)、前導流器、葉輪以及(jí)後導(dǎo)流器等。當流體(tǐ)通過(guò)管(guǎn)道(dào)時，沖(chòng)擊葉(yè)輪，對葉輪(lún)産生驅動力矩(jǔ)，使葉輪克服摩(mó)擦力矩(jǔ)和流體(tǐ)阻力矩(jǔ)而旋轉，在一定的流量(liàng)範圍内，葉輪的(de)旋轉角速度與(yǔ)流體流(liú)速成正比。因此(cǐ)，葉(yè)輪的(de)轉速通(tōng)過裝在(zài)機殼外的磁電(diàn)轉換裝置(zhì)轉換(huàn)爲模拟電流(liú)量(liàng)，進而顯示(shì)爲瞬時流(liú)量值(zhí)和累(lèi)積流(liú)量值。
流體從機(jī)殼進口流入，首(shǒu)先經過整(zhěng)流栅(shān)進行(háng)穩(wěn)流(liú)，再進(jìn)入(rù)前導(dǎo)流(liú)器，前(qián)導流器對流(liú)體(tǐ)有收斂作(zuò)用，防(fáng)止流(liú)體發生分(fèn)離産(chǎn)生大的渦(wō)旋運(yùn)動，前導流(liú)葉片對(duì)流體(tǐ)起(qǐ)導向(xiàng)作用，避免(miǎn)流體自(zì)旋而改變對葉輪(lún)葉片(piàn)的作(zuò)用(yòng)角(jiǎo)度，保(bǎo)證測量(liàng)的(de)準(zhǔn)确(què)度。流體經(jīng)葉輪(lún)後将以(yǐ)螺線型(xíng)方式向前流動，加(jiā)入(rù)帶葉(yè)片的(de)後導流(liú)器對(duì)其(qí)進行導流，使流(liú)體沿管壁(bì)直線流動(dòng)，減少(shǎo)各種(zhǒng)阻(zǔ)力(lì)引起的能(néng)量損(sǔn)失。流體通(tōng)過流量計的壓力損(sǔn)失與(yǔ)介質的密(mì)度、流速等(děng)有關，其(qí)計算公(gōng)式爲：
△p= αρv2/2 （1）
式中 △p - 壓力(lì)損失，pa
α - 壓損(sǔn)系數(shù)
ρ - 介質密度，kg/m3
v - 流速，m/s
由于(yú)ρ和v爲流體流(liú)動參數，不能(néng)随意增減，因此(cǐ)隻能盡量(liàng)減小壓損系(xì)數α，以達(dá)到降低壓(yā)損的目的(de)。壓損系數(shù)除了受流體粘(zhān)性、管(guǎn)徑及管長(zhǎng)等因素(sù)影(yǐng)響外，還與(yǔ)流量計内(nèi)部各部件的幾(jǐ)何結構(gòu)有(yǒu)關(guān)。
3 實驗測量
實驗采(cǎi)用口徑(jìng)dn=1oomm，量(liàng)程q=60~600m3/h的(de)渦輪流量計，在吸氣(qì)式試驗台(tái)上分别(bié)對介質(zhì)爲空氣（常(cháng)壓）、不(bú)同形(xíng)狀整流栅(shān)、不同(tóng)葉片數葉(yè)輪和不(bú)同(tóng)結構(gòu)的後導流器進(jìn)行測(cè)量。
3.1 整流栅
圖2爲圓孔和方孔兩(liǎng)種形狀整(zhěng)流栅，整流栅直(zhí)徑爲1oomm，寬爲(wèi)15mm。方孔流通面積(jī)約爲(wèi)圓孔流通面積的4/3。中間實體爲(wèi)固定整流栅螺(luó)釘位(wèi)置。
圖3是隻改變(biàn)整流栅條件下，流(liú)體經過流量(liàng)計的壓力損失(shī)曲線(xiàn)。由圖知，盡(jìn)管方孔(kǒng)整(zhěng)流栅比圓(yuán)孔增大了(le)1/3的通(tōng)流面積，但(dàn)對流體壓損的(de)影響并不明顯(xiǎn)。在小(xiǎo)于(yú)300m3/h的範圍(wéi)内，兩(liǎng)者(zhě)幾乎沒有差(chà)别，在q=700m3/h處，方(fāng)孔整(zhěng)流栅最大使壓損降(jiàng)低300pa，比(bǐ)圓孔整(zhěng)流栅改善約(yuē)10％，在工作範圍60~600m3/h内，方(fāng)孔比圓(yuán)孔平均(jun1)改進約(yuē)2％，但方(fāng)孔(kǒng)加工難(nán)度大于圓孔，因(yīn)此，應根據(jù)實際情況(kuàng)選(xuǎn)擇(zé)整流(liú)栅。
3.2 葉(yè)輪
葉輪(lún)按照設(shè)計要求爲葉片(piàn)數z=12~20，葉片傾(qīng)角α=30゜~45゜，重(zhòng)疊度爲1~1.2，葉(yè)片(piàn)與(yǔ)内機殼間隙爲(wèi)0.5mm。爲提(tí)高(gāo)流量計(jì)的靈敏(mǐn)度，可适(shì)當(dāng)增加葉片數(shù)。
本文在允許範(fàn)圍内(nèi)分别選擇(zé)13和20個葉片(piàn)數的(de)葉輪(lún)進行了測(cè)量，結果如圖4所(suǒ)示。可看到(dào)，兩條曲線(xiàn)幾(jǐ)乎(hū)重合。說明在允許範圍内(nèi)，葉輪葉片數的增減對壓(yā)力損失的影響(xiǎng)可以(yǐ)忽略。但采(cǎi)用13葉片(piàn)數的葉(yè)輪時，測(cè)得(dé)流量(liàng)計(jì)起始流量爲(wèi)6.5m3/h，而采用20葉片數(shù)的葉輪，其(qí)起始流量爲5.5m3/h，适當增(zēng)加葉(yè)片(piàn)數(shù)，可以(yǐ)較明(míng)顯地提高(gāo)流量計的靈(líng)敏度。值得(dé)注意的是，增加(jiā)葉片數會使(shǐ)重疊度增(zēng)大(dà)，過(guò)大的重疊(dié)度将使流量計(jì)性能惡(è)化。
3.3 後(hòu)導流器(qì)
圖(tú)5（a）、（b）分别爲(wèi)全封(fēng)閉和(hé)半開(kāi)式(shì)兩(liǎng)種結構的(de)後導(dǎo)流器示(shì)意(yì)圖。導流葉(yè)片(piàn)數均爲(wèi)8，内導(dǎo)流(liú)體(tǐ)幾何(hé)形狀(zhuàng)爲橢球形。兩者不(bú)同(tóng)之處(chù)在于(yú)全封(fēng)閉式(shì)導流葉片由導流器(qì)進口(kǒu)延伸(shēn)至出(chū)口，而(ér)半開式導流葉片則(zé)由導(dǎo)流器(qì)中間起到(dào)出口處。
作者(zhě)在(zài)半開式基(jī)礎上(shàng)設計加工了另(lìng)一種(zhǒng)改進(jìn)的後(hòu)導流器：把半開(kāi)式葉(yè)片部分縮短一半(bàn)，同時将(jiāng)葉片數(shù)減少爲(wèi)4，在原(yuán)無葉段增(zēng)加與有葉段數(shù)目相(xiàng)同位(wèi)置均(jun1)勻相(xiàng)錯的(de)葉片(piàn)，但不加外筒。目(mù)的是盡量在不(bú)增加(jiā)摩擦和阻(zǔ)塞損失(shī)情況(kuàng)下(xià)，加強(qiáng)對經(jīng)過葉(yè)輪後旋(xuán)轉流體(tǐ)的整(zhěng)直(zhí)作用。如圖6所(suǒ)示。
圖7爲分(fèn)别采用三(sān)種(zhǒng)後導流(liú)器而其(qí)餘部件(jiàn)不變條件(jiàn)下流(liú)量計的(de)壓(yā)力(lì)損(sǔn)失曲(qǔ)線。由(yóu)圖可(kě)知，在流(liú)量爲0~100m3/h範(fàn)圍内(nèi)，三(sān)種結構(gòu)的(de)壓力損失均很小，可以認爲(wèi)壓力(lì)損失在小流量工況下對(duì)幾何結構(gòu)不敏(mǐn)感(gǎn)，即(jí)後導流器(qì)的幾何(hé)形(xíng)狀(zhuàng)變(biàn)化還沒有對壓(yā)損産生(shēng)影響。随着流(liú)量的增大(dà)，三條曲線(xiàn)明顯拉開(kāi)了距離(lí)，其中全封閉式壓(yā)損增長最快，半(bàn)開式次之，壓損(sǔn)最小的是改進(jìn)式，在額定最大(dà)流量(liàng)600m3/h處，改進式(shì)壓損僅爲700pa，約爲半開(kāi)式(shì)壓損的(de)1/2，爲全封閉式壓(yā)損的1/3。當流量進一步增大，這種(zhǒng)差距還(hái)将(jiāng)随之(zhī)增加。由(yóu)此(cǐ)可見，選擇合适的導(dǎo)流器(qì)可以(yǐ)大大(dà)降低流量(liàng)計的(de)壓力損(sǔn)失。在流(liú)量計的工程應用中，有必要對(duì)前、後(hòu)導(dǎo)流器幾何參數進(jìn)行優化，以達到最小壓損目的(de)。
3.4 儀表(biǎo)系數
考查(chá)渦輪流量(liàng)計性能的(de)另外一個(gè)重(zhòng)要指标是儀(yí)表系(xì)數。儀表系數可理解(jiě)爲流量計儀表(biǎo)的輸出流量值(zhí)與通(tōng)過(guò)流量計的實際流量值(zhí)之比。因儀表(biǎo)的(de)輸出(chū)流量(liàng)值與(yǔ)儀表内磁(cí)電轉(zhuǎn)換器(qì)輸出頻率(lǜ)成正比，故也表(biǎo)示爲輸出(chū)頻率(lǜ)與實際流量之比，即，
式中 f — 輸出(chū)頻率(lǜ)，s-1
qv— 實際流量(liàng)，m3/s
z — 葉輪(lún)葉片數(shù)
r — 葉輪平(píng)均半徑，m
f — 流(liú)通截(jié)面積(jī)，m2
θ — 葉片與軸線夾角，rad
由(yóu)式（2）可(kě)知，理(lǐ)想的儀表(biǎo)系數k與(yǔ)結構參(cān)數有(yǒu)關，與流量(liàng)變化(huà)無關。對某一流(liú)量計(jì)，k爲一(yī)常數(shù)，在(zài)k-qv圖(tú)上(shàng)爲一平行橫軸的(de)直線。但對(duì)實際(jì)的流(liú)體流動，由(yóu)于葉輪要克服軸承(chéng)的機(jī)械阻(zǔ)力矩、流體(tǐ)産生的阻力矩，并受(shòu)流動狀态(tài)等因(yīn)素的影響，使k不(bú)可能保持直線(xiàn)，而在量程(chéng)範圍(wéi)内，盡(jìn)量(liàng)保(bǎo)證k爲(wèi)一常(cháng)數是(shì)保證(zhèng)流量計(jì)精度的(de)前提(tí)條件。
作者(zhě)對改進(jìn)的(de)後導流器(qì)對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)的影(yǐng)響進行了實驗(yàn)測試(shì)，考察改變(biàn)結構(gòu)組件(jiàn)後對(duì)儀表性(xìng)能的影(yǐng)響。圖8爲分别采(cǎi)用(yòng)半開式(shì)和改(gǎi)進的後導流器，流量計儀表系數的測試結果(guǒ)。
由圖(tú)8可看(kàn)出(chū)，采用(yòng)改進的(de)後導流器(qì)後，流(liú)量計儀表(biǎo)系數(shù)比改進前(qián)有較好的(de)改善(shàn)，在量程範圍(wéi)内(nèi)（60~600m3/h），k很好(hǎo)地體現了系數(shù)的特性，甚(shèn)至在超過最大(dà)量程後(hòu)，能繼續(xù)保持(chí)水平(píng)直線(xiàn)狀态(tài)。改(gǎi)進前的流量計(jì)值(zhí)也較好，但(dàn)随着流量(liàng)增大，直線(xiàn)略向(xiàng)下傾(qīng)斜(xié)，偏(piān)離了(le)水平位(wèi)置(zhì)。
4 結論
通過對(duì)氣體渦輪流量計(jì)主要組件(jiàn)壓(yā)力損失(shī)的實驗(yàn)測量及(jí)對整流栅形狀(zhuàng)、葉輪(lún)葉(yè)片數和(hé)後導流器不同結構對壓損影(yǐng)響程度的(de)分(fèn)析(xī)得出結(jié)論(lùn)：後導(dǎo)流器(qì)相(xiàng)對整流(liú)栅和葉輪是壓(yā)力損(sǔn)失的主要(yào)因素(sù)。當采用改進的後導流結(jié)構時，測量(liàng)結果(guǒ)顯示(shì)流(liú)量(liàng)計的(de)壓損被大(dà)幅度(dù)降低(dī)，同時(shí)儀表(biǎo)系數值更(gèng)加穩(wěn)定，兩者(zhě)均使流(liú)量計的準确度得到提高。
