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)。
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?jī)x表1-2],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(guò)的氣體之間存在--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--定的流量范圍內(nèi),渦輪的角速度和通過(guò)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)由傳感器送人智能積算儀進(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(lái)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(kāi)展。劉正先等通過(guò)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(xiàn)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(guò)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”;lIZ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(lái)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：
式中:K為儀表系數(shù);f為脈沖頻率,Hz;q,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為流通面為流體阻力矩,N.m。
其中,機(jī)械摩擦阻力矩T.在流量-定時(shí)只與軸承和軸的選型設(shè)計(jì)有關(guān)，流體阻力矩T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)--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,整體式渦輪利用先進(jìn)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,---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;ɷ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),要得到最大推動(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。
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(kāi)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。
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(guò)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(guò)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(lái)自?xún)蓚�(gè)儀表的輸出信號(hào)，通過(guò)渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)與累積流量來(lái)計(jì)算儀表系數(shù),通過(guò)對(duì)比相同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)的輸出可獲得正確率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。
2.2實(shí)驗(yàn)流程
自開(kāi)始測(cè)量時(shí)刻起,選取50~1300m³/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)每一-流量點(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。
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。
表3列出了安裝3種不同螺旋角渦輪流量計(jì)在儀表取壓口處的壓力損失。
注:儀表系數(shù)K=899.06m-3;基本誤差為0.841%;大氣壓力為102.40kPa;環(huán)境濕度為45%。
3.2數(shù)據(jù)對(duì)比分析
對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式插值獲得20組數(shù)據(jù)點(diǎn),對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合得到各方案在檢測(cè)流量范圍內(nèi)的儀表系數(shù)曲線(xiàn)、誤差曲線(xiàn)和壓力損失曲線(xiàn)。
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(xiàn)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(xiàn)在工作區(qū)內(nèi)波動(dòng)較小，線(xiàn)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(xiàn)存在較大波動(dòng),而且最大誤差超過(guò)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)的最大壓損達(dá)到了3500Pa以上，而55°渦輪則只有1500Pa左右,可明顯看出55°葉輪的過(guò)流性最好.壓力損失相比其他兩種角度的渦輪最小。
4結(jié)束語(yǔ)
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(xiàn)呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性特征,但壓力損失與55°渦輪相比較大;559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。
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