摘要：对气体涡轮流量计的主要组件引起的压力损失进行了对比实验测量比较了叶轮形状和叶片数.前导流器不同结构对压损的影响程度。结果表明导流器和叶轮改进后流量计的压力损失明显降低同时灵敏度也得以提高。
我国西气东输"以及南水北调"工程中各种各样的输送管道总管和支管均需要数以万计的流量测量仪表即流量计来及时提供流动参数实施动态监测。涡轮流量计是其中必不可少的一种。它是叶轮式速度流量计属于速度式测量,即利用测量管道内介质流动速度来得到流量的测量方法。
置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比通过测量叶轮的旋转角速度得到流体流速从而得到管道内的流量值。 在选择涡轮流量计的时候,除了要求其具有精度高、量程大和起始流量小的优点外,压损小也是一个关键指标。流体通过涡轮流量计的压力损失越小,则流体由输入至输出管道所消耗能量就越小,即所需总动力将减少,由此可大大节约能源降低输送成本提高利用率。将对流量计进行实验对比测量,得出主要组件对压损的影响程度,为针对性的改进优化设计提供有力数据。
1.结构与压力损失
涡轮流量计结构示意图如图1所示,主要组件包括整流栅、前导流器、叶轮以及后导流器等。当流体通过管道时冲击叶轮,对叶轮产生驱动力矩使叶轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而旋转,在一定的流量范围内叶轮的旋转角速度与流体流速成正比。 因此,叶轮的转速通过装在机壳外的磁电转换装置转换为模拟电流量,进而显示为瞬时流量值和累积流量值。
流体从机壳进口流入,首先经过整流栅进行稳流再进入前导流器前导流器对流体有收敛作用，防止流体发生分离产生大的涡旋运动,前导流叶片对流体起导向作用,避免流体自旋而改变对叶轮叶片的作用角度保证测量的精度。流体经叶轮后将以螺线型方式向前流动,加入带叶片的后导流器对其进行导流使流体沿管壁直线流动减少各种阻力引起的能量损失。
流体通过流量计的压力损失与介质的密度、流速等有关其计算公式为:
△P=αxρv2/2
其中,△P,压力损失α,压损系数ρ,介质密度v流速。
由于ρ和v为流体流动参数不能随意增减,因此只能尽量减小压损系数α,以达到降低压损的目的。压损系数除了受流体粘性、管径及管长等因素影响外还与流量计内部各部件的几何结构有关。
2测量
采用口径D=100mm,量程Q=50m³/h~600m³/h的涡轮流量计,在吸气式试验台，上分别对常压、介质为空气、不同结构的前导流器、不同叶片数及形状的叶轮进行测量。
2.1前导流器
图2和图3分别为两种结构的前导流器示意图。图2为涡轮流量计常用结构,叶片数为6导流.体形状由流入至流出呈锥形,叶片长与锥体高度相同.图3为本文改进的前导流器结构示意图其主要特点是将锥体改为半椭球体,叶片数增加到12并把叶片长度缩小1/3.
图4是两种结构下,流体经过流量计后的压力损失曲线。由图4可看出在流量<100m³/h时,压力损失不受导流器结构的影响而且压损很小。随着流量增大,改进的导流器的压损明显低于锥体导流器在最大流量600m³/h处锥体的压损约为半椭球体的2倍,可见导流器的结构对流量计压力损失有不容忽视的影响作用。
使半椭球体压损降低的主要原因是:半椭球体外形过渡更光滑,降低了流体流动分离的发生更加符合对流动条件的要求，从而使压损大大降低。适当增加叶片数而减少叶片长度不但可以起到较好的稳流、整流作用减少因流动涡旋产生的压力损失而且使流通面积有一个逐步减小的过程避免了流体进入导流器后由于流通面积的突然收缩引起的压力损失的增大。结果表明以上因素的综合结果使流体流经导流器时的压损明显降低。
2.2叶轮
叶轮按照设计要求为叶片数z=12~20,叶片倾角a=30°~45°,重叠度为1~1.2,叶片与内机壳间隙为0.5mm~1mm。为提高流量计的灵敏度可适当增加叶片数。
流量计常用叶轮叶片数为13,叶片形状为矩形。为提高流量计的灵敏度作者对叶轮作了改造，将叶片数增为20,叶片形状设计成叶顶宽叶根窄的倒梯形形状梯形尺寸以保证相同重叠度为原则。图5为分别采用13和20叶片数的叶轮后流量计压损曲线图。可看到两条曲线几乎重合。说明在允许范围内,叶轮叶片数的增减以及叶片形状的改变对压力损失的影响可以忽略。但通过对起始流量的测量发现，对13叶片数叶轮,测得流量计起始流量为7.5m³/h,而对20叶片数叶轮则为6.5m³/h,可见适当增加叶片数和重叠度，可以在不增加压损的前提下较明显地提高流量计的灵敏度。
2..3仪表系数
涡轮流量计性能的另外一个重要指标是仪表系数K。仪表系数可理解为流量计仪表的输出流量值与通过流量计的实际流量值之比。因仪表的输出流量值与仪表内磁电转换器输出频率成正比,故K也表示为输出频率与实际流量之比即:
由式可见，理想的仪表系数K与结构参数有关与流量变化无关。对某一流量计K为一常数在K-qv图上为-平行横轴的直线。但对实际的流体流动,由于叶轮要克服轴承的机械阻力矩.流体产生的阻力矩并受流动状态等因素的影响使K不可能保持直线而在量程范围内尽量保证K为一常数是保证流量计精度的前提条件。
对半椭球体导流器和梯形叶轮对流量计仪表系数的影响进行了实验测试,考察改变结构组件后对仪表性能的影响。
图6为分别采用锥体和半椭球体导流器,流量计仪表系数的测试结果。由图可看出采用改进的导流器后流量计仪表系数比改进前有较好地改善在量程范围内50m³/h~600m³/h),K很好地体现常系数的特性甚至在超过最大量程后能继续保持水平直线状态。改进前的流量计K值也较好,但随着流量增大直线略向下倾斜偏离了水平位置。
3结论
通过对气体涡轮流量计主要组件性能的实验测量得出:1）前导流器是引起流量计压力损失的主要因素之一。当采用改进的半椭球体导流结构后流量计的压损被大幅度降低。2）对叶轮叶片进行适当改造后,可明显降低起始流量值提高流量计灵敏度。3）采用改进的组件后流量计具有更加稳定的仪表系数值流量计的精度得到提高。
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