摘要:在分析(xī)氣體渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計 結構和數學模型的(de)基礎上,針對渦(wō)輪葉片螺(luó)旋升角對(duì)儀(yí)表(biǎo)性能(néng)的影響,以安裝(zhuāng)35°、45°和55°三(sān)種不(bú)同葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)渦(wō)輪的dn150型(xíng)氣體渦輪流量計(jì)作爲(wèi)實驗(yàn)對象,搭建(jiàn)儀表負壓(yā)檢測(cè)平台,分别對儀(yí)表系數(shù)、壓力損(sǔn)失和計(jì)量(liàng)精度(dù)進行(háng)實驗(yàn)檢定(dìng)與對比分析。實(shí)驗結果(guǒ)表明,合理設計(jì)渦輪葉(yè)片螺旋(xuán)升(shēng)角能(néng)顯著改善氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計的性能,爲葉片螺(luó)旋升角(jiǎo)進(jìn)一步(bù)優化(huà)及(jí)其對儀表性(xìng)能影(yǐng)響規律的研究提供(gòng)了實驗基礎。
0引言
　　氣(qì)體(tǐ)渦輪流(liú)量計是計量天然氣、氧氣、氮氣、液化(huà)氣、煤(méi)氣等(děng)氣體介質(zhì)的速(sù)度式計量(liàng)儀表1-2],如圖(tú)1所示。
 
　　将(jiāng)渦輪置(zhì)于(yú)被(bèi)測的氣體介質中(zhōng),當氣體流經流(liú)量計(jì)時,在導流(liú)器的作用(yòng)下被(bèi)整流(liú)并(bìng)加速,由(yóu)于渦輪的(de)葉片(piàn)與流(liú)過(guò)的(de)氣體(tǐ)之間存(cún)在(zài)--定夾(jiá)角,氣(qì)體對渦輪(lún)産生轉動力矩,使渦輪克(kè)服機(jī)械摩擦阻力矩(jǔ)、氣體流動阻力矩和電磁(cí)阻力(lì)矩而(ér)旋(xuán)轉(zhuǎn),在--定的流量(liàng)範圍内,渦輪的(de)角速度(dù)和通(tōng)過(guò)渦輪的流量成正(zhèng)比。渦(wō)輪的旋轉帶動(dòng)脈沖(chòng)發生器旋轉,産(chǎn)生的(de)脈沖(chòng)信号(hào)由傳感器(qì)送人智(zhì)能(néng)積算(suàn)儀進行換算得(dé)到氣(qì)體介質的(de)瞬時(shí)流量(liàng)和累(lèi)積流(liú)量。
　　其(qí)主要性能指标(biāo)有始(shǐ)動流量、儀表系數、壓力損(sǔn)失和(hé)計量精(jīng)度。
　　近年(nián)來旨(zhǐ)在提高儀(yí)表性(xìng)能的研究(jiū)主要(yào)圍(wéi)繞前、後(hòu)導流裝置和渦(wō)輪等關(guān)鍵部件(jiàn)的結構和(hé)型式開展(zhǎn)。劉正先等(děng)通過實(shí)驗(yàn)分析,提出(chū)改(gǎi)進(jìn)前、後(hòu)導流器(qì)結構能(néng)明顯(xiǎn)減(jiǎn)少儀表(biǎo)的壓力損失,改善儀表系數(shù)的(de)線性度,而葉片(piàn)數量的(de)增減對(duì)流量計壓(yā)力損失的影(yǐng)響可以(yǐ)忽略不(bú)計(jì),但葉(yè)片數(shù)量的(de)增加(jiā)可明(míng)顯改善始(shǐ)動流(liú)量(liàng),提高儀(yí)表靈敏度,但數(shù)量過(guò)多會使重(zhòng)疊度增大,儀表(biǎo)性能(néng)急(jí)劇(jù)惡化(huà)[4-6];鄭建梅等對渦輪(lún)的(de)材料(liào)和渦(wō)輪軸承進行了(le)改進,改善了儀(yí)表系數(shù)的穩定(dìng)性”;liz等利用cfd技術與實驗相結合(hé)驗證了對整(zhěng)流(liú)器的優化設計(jì)能有(yǒu)效減少壓(yā)力損(sǔn)失[8]。在上述研究(jiū)中，還未涉(shè)及針對渦輪葉片螺旋升(shēng)角對(duì)儀表性(xìng)能(néng)的探讨。本(běn)文利用儀(yí)表負壓檢(jiǎn)定平(píng)台,對(duì)3種不同葉(yè)片螺(luó)旋(xuán)升(shēng)角的(de)dn150型氣(qì)體(tǐ)渦輪流(liú)量計(jì)進行(háng)了實(shí)驗(yàn)對比分(fèn)析,爲(wèi)改善儀表性能和葉(yè)片螺(luó)旋升(shēng)角的優化提供(gòng)實驗依據(jù)。
1數學(xué)模型與渦輪參數選擇
1.1數學模(mó)型
　　氣體渦(wō)輪流量計(jì)的數學模(mó)型是根據力矩(jǔ)平衡(héng)原理建立(lì)起來的(de),主要揭(jiē)示流量計(jì)輸出(chū)脈沖和流量之(zhī)間的内在關系(xì),其(qí)計算公(gōng)式爲：
 
　　式中(zhōng):k爲儀表系(xì)數;f爲(wèi)脈(mò)沖(chòng)頻率,hz;q,爲體積(jī)流量,m³/s;z爲渦輪(lún)葉片(piàn)數;θ爲葉片結構角;r爲(wèi)渦輪中徑,m;a爲流通面爲流(liú)體阻(zǔ)力矩,n.m。
　　其中(zhōng),機械(xiè)摩擦(cā)阻力矩t.在流量(liàng)-定時隻與(yǔ)軸承和軸的(de)選(xuǎn)型設計有關，流體阻(zǔ)力矩t與流(liú)體流(liú)動狀态有(yǒu)關,這兩個(gè)力矩(jǔ)在此不做詳細介紹(shào)。當被測介質--定時,儀表系(xì)數與葉片數量(liàng)、葉(yè)片角度和中(zhōng)徑有(yǒu)關，所以(yǐ)設(shè)計合理的(de)渦輪(lún)結構形(xíng)式對改(gǎi)善儀表性能有(yǒu)重要意義。
1.2渦輪(lún)結構參數選擇
　　渦輪結構有焊(hàn)接式(shì)和整(zhěng)體式,焊接(jiē)式渦(wō)輪将(jiāng)葉片和輪毂焊(hàn)接,整體式渦輪(lún)利用先進(jìn)的cad/cam技術和數(shù)控加工技術直接(jiē)加工(gōng)成型(xíng)。葉片型式(shì)主要有平(píng)闆(pǎn)式(shì)和螺旋式(shì),平闆(pǎn)式葉(yè)片主(zhǔ).要應(yīng)用于大外徑焊(hàn)接式渦輪,而螺(luó)旋式(shì)葉片應用(yòng)較爲廣泛;材料(liào)主要有鋁合金(jīn)和不鏽鋼,鋁合(hé)金(jīn)與(yǔ)不鏽鋼相(xiàng)比具有(yǒu)自重(zhòng)較(jiào)輕,工藝性好等(děng)特點(diǎn);渦(wō)輪平均(jun1)直徑受流量計流通管徑即型(xíng)号的(de)限(xiàn)制,可作(zuò)爲定參(cān)數處理(lǐ);葉片數量選取(qǔ)主要(yào)考慮(lǜ)重疊(dié)度(dù)對(duì)儀表性能(néng)的影響,---般(bān)取13~20;葉片角度直接影(yǐng)響氣體介質.對(duì)其産(chǎn)生驅動轉矩的大小(xiǎo)，氣體(tǐ)介質(zhì)對渦輪的(de)驅動轉矩公式爲
 
　　式中:td爲驅動(dòng)力矩,n.m;fd爲周(zhōu)向驅動力,n;u1爲介(jiè)質入(rù)口速度,m/s;ɷ爲(wèi)渦輪(lún)角速度,rad/s。
　　綜上述(shù)所述(shù),采(cǎi)用整體式葉(yè)輪結構,螺(luó)旋型葉片，葉片(piàn)數量爲(wèi)20。對于(yú)螺旋型(xíng)葉片(piàn),需要(yào)确定(dìng)葉(yè)片的螺(luó)旋角,根據式(2),要(yào)得(dé)到(dào)最大推動(dòng)力矩,葉片(piàn)螺旋(xuán)角應(yīng)爲(wèi)45°,但(dàn)力矩公式是(shì)根(gēn)據葉(yè)栅繞(rào)流(liú)計算得(dé)到,難免(miǎn)會(huì)和實(shí)際工(gōng)況有所偏差。參(cān)考常用葉片角(jiǎo)度(dù),選取35°.45°和(hé)55°螺旋升角渦輪作(zuò)爲實驗(yàn)對象(xiàng),渦輪結構參數如圖2所示。
 
2實驗平台搭(dā)建
2.1檢定裝(zhuāng)置與(yǔ)實驗原理
　　流量計的檢定采用(yòng)負壓智(zhì)能(néng)儀表測量(liàng)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如(rú)圖3所(suǒ)示，主要包括(kuò)硬件和軟件兩部分。硬件包(bāo)括标準(zhǔn)吸風(fēng)裝(zhuāng)置、德萊(lái)塞羅茨氣體流(liú)量計穩壓罐和直管(guǎn)道(dào)組成,而(ér)軟件是自行開發的智能型流(liú)量計檢測程序(xù),各組成部分具(jù)體參數如(rú)表1所示。
 
　　由(yóu)标準吸風(fēng)裝置産(chǎn)生(shēng)負壓(yā)使标準德萊塞(sāi)羅茨流量(liàng)計和氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計被(bèi)同時(shí)過流(liú),直管段使進入(rù)檢定(dìng)儀表的氣(qì)體爲充分(fèn)發展(zhǎn)的湍流;穩(wěn)壓罐補償通過氣體渦(wō)輪流量計後(hòu)的氣(qì)體壓損(sǔn)。智(zhì)能流(liú)量(liàng)檢(jiǎn)測程(chéng)序接收來自兩(liǎng)個儀表(biǎo)的(de)輸出(chū)信(xìn)号(hào)，通(tōng)過渦輪(lún)流量計輸出的(de)脈沖數(shù)與(yǔ)累積(jī)流量來(lái)計算儀表系數,通過對(duì)比相(xiàng)同數據采(cǎi)集點處标準羅(luó)茨流量計(jì)的輸出可獲(huò)得(dé)正确(què)率誤差安(ān)裝在(zài)氣體渦輪流量(liàng)計取壓口處的(de)u型管可以(yǐ)測量(liàng)進、出(chū)口處(chù)的壓(yā)力,從(cóng)而得到儀(yí)表的壓力(lì)損失(shī)。
 
2.2實驗流程
　　自開(kāi)始測量時(shí)刻起(qǐ),選取50~1300m³/h範圍(wéi)内6個(gè)流量(liàng)監測點。在每(měi)個(gè)流量監測(cè)點随(suí)機采集(jí)3個(gè)不同時刻(kè)的數(shù)據,包括某一時(shí)刻标(biāo)準(zhǔn)羅茨流(liú)量計和氣(qì)體渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的累(lèi)積流量及(jí)其輸(shū)出脈(mò)沖數。檢測(cè)程序對這(zhè)些數(shù)據(jù)進行處理獲(huò)得流量計(jì)系數和基(jī)本誤差。監(jiān)測每一-流(liú)量點處u型管壓差裝置的指示值，獲(huò)得不(bú)同(tóng)監測(cè)點(diǎn)處的壓力(lì)損失，檢定現場如圖(tú)4所示(shì)。
 
3實驗(yàn)測量(liàng)與數據對比分析
3.1實驗(yàn)測(cè)量
　　利用上(shàng)述(shù)實驗方(fāng)法,分别對安裝(zhuāng)35°、45°和55°渦輪的流量計進行了實驗檢定,表2列出了(le)安裝35°葉片螺旋(xuán)升角表渦輪流(liú)量計的檢定數據,平均流(liú)量是(shì)随機(jī)設(shè)定标準吸風(fēng)裝置的輸(shū)出流量,平均系(xì)數和誤差(chà)按公(gōng)式(3)和(4)計算。
 
　　表3列(liè)出了安(ān)裝3種不(bú)同螺(luó)旋角(jiǎo)渦輪(lún)流量(liàng)計(jì)在儀表(biǎo)取壓口(kǒu)處(chù)的壓力損失。
 
注:儀表系數k=899.06m-3;基本(běn)誤差(chà)爲0.841%;大(dà)氣壓(yā)力爲(wèi)102.40kpa;環境濕度爲45%。
 
3.2數據對比分析
　　對實驗數據(jù)進行二次多項(xiàng)式插(chā)值獲(huò)得20組(zǔ)數據(jù)點,對數據點進(jìn)行拟合(hé)得到各方案在檢測流(liú)量範圍(wéi)内(nèi)的儀表系(xì)數曲線、誤(wù)差曲線(xiàn)和(hé)壓力(lì)損失(shī)曲線。
3.2.1儀表(biǎo)系數
　　如圖5所示,采用螺旋升角(jiǎo)爲35°渦輪的流量計(jì)的儀表系數(shù)曲線在(zài)工作區内波(bō)動較大,對(duì)儀表計量的穩定性(xìng)産生(shēng)很大(dà)的負面影響。而(ér)45°和55°的(de)渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計的儀(yí)表(biǎo)系數(shù)曲線在工作區(qū)内波動(dòng)較(jiào)小，線(xiàn)性(xìng)度較理想，儀(yí)表在(zài)工作(zuò)區内的計(jì)量穩定性(xìng)較好(hǎo)。
3.2.2計(jì)量精度(dù)
　　如圖6所(suǒ)示,采用(yòng)螺(luó)旋(xuán)升角爲55°渦(wō)輪的流量計誤(wù)差基本穩定在(zài)0.4%左右(yòu),45渦(wō)輪(lún)在0.5%左(zuǒ)右,而(ér)35°葉輪流量計誤差曲線存(cún)在較大波(bō)動,而(ér)且最(zuì)大誤(wù)差超(chāo)過0.8%,計量精(jīng)度較差。
3.2.3壓(yā)力(lì)損失
　　如圖7所示,35°渦輪流(liú)量計的最大壓損達到了(le)3500pa以上(shàng)，而55°渦(wō)輪則隻有(yǒu)1500pa左右(yòu),可(kě)明(míng)顯看(kàn)出55°葉(yè)輪的過流(liú)性最好(hǎo).壓力損失相比其他兩種角(jiǎo)度的渦輪(lún)最小。
 
4結束語
　　采(cǎi)用實(shí)驗(yàn)檢(jiǎn)定的(de)方法對螺旋升(shēng)角爲35°.45°和(hé)55°的(de)dn150氣體渦輪流(liú)量計進(jìn)行了(le)實驗對比分析,實驗數據(jù)表明葉片螺旋(xuán)角度(dù)直(zhí)接(jiē)影響(xiǎng)儀表的(de)性能參(cān)數。其中，35°渦輪流(liú)量計(jì)存在着儀(yí)表系數不穩定(dìng)、壓力損失大以及精(jīng)度差(chà)等弊(bì)端，建(jiàn)議不在産(chǎn)品中應用;45°渦輪(lún)流量計,儀表系(xì)數曲線(xiàn)呈(chéng)現良(liáng)好的線(xiàn)性特征,但壓(yā)力損失與(yǔ)55°渦(wō)輪相比較大(dà);559渦輪流量(liàng)計儀表系數(shù)穩(wěn)定、壓(yā)力損失(shī)小,精度較高,比較适合對壓(yā)力(lì)損(sǔn)失和(hé)精度要求(qiú)較高的工況。此外,實(shí)驗結(jié)果表(biǎo)明對(duì)葉片螺旋角的(de)進一-步優(yōu)化能(néng)明顯改善(shàn)儀(yí)表(biǎo)性能。

以上内容(róng)源于網(wǎng)絡，如有(yǒu)侵權(quán)聯系(xì)即删(shān)除!