摘要(yao):在分析氣(qi)體渦輪流(liu)量計
結構(gou)和數學模(mo)型的基礎(chu)上,針對渦(wo)輪葉片螺(luo)旋升角對(dui)儀表性能(neng)的影響,以(yi)安裝35°、45°和55°三(san)種不同葉(ye)片螺旋升(sheng)角渦♊輪的(de)🤟DN150型氣體渦(wo)輪流量計(ji)作爲實驗(yan)對象,搭建(jian)儀表負壓(ya)檢測平台(tai),分别對儀(yi)表系數、壓(ya)力損失和(he)計量精度(du)進行實驗(yan)檢定⛷️與對(dui)比分析。實(shi)驗結☁️果表(biao)明,合理設(she)計渦輪葉(ye)🌈片螺旋升(sheng)角能顯著(zhe)改善氣體(ti)渦輪流量(liang)計的性能(neng),爲葉☔片螺(luo)旋升角進(jin)一步優化(hua)及其對儀(yi)表性能影(ying)響規律的(de)研究提供(gong)了實驗💁基(ji)礎。
0引言
氣(qi)體渦輪流(liu)量計是計(ji)量天然氣(qi)、氧氣、氮氣(qi)、液化氣💘、煤(mei)氣等氣🐅體(ti)介質的速(su)度式計量(liang)儀表1-2],如圖(tu)1所示。
将(jiang)渦輪置于(yu)被測的氣(qi)體介質中(zhong),當氣體流(liu)經流量計(ji)時,在導流(liu)器的作用(yong)下被整流(liu)并加速,由(you)于渦輪🍓的(de)葉片與流(liu)過的氣🛀🏻體(ti)之間存在(zai)--定夾角,氣(qi)體對渦輪(lun)産生轉動(dong)力矩,使渦(wo)輪克服機(ji)械摩🙇♀️擦阻(zu)力矩、氣體(ti)流動阻力(li)矩和電磁(ci)阻力矩而(er)旋轉,在--定(ding)的流量範(fan)圍内,渦輪(lun)的角速度(du)和通過渦(wo)輪的流量(liang)成正比💛。渦(wo)輪的旋轉(zhuan)帶👈動脈沖(chong)發生器旋(xuan)轉,産生的(de)脈沖信号(hao)由傳感器(qi)送人智能(neng)積算儀進(jin)行換算得(de)到氣體介(jie)質的瞬時(shi)流量和累(lei)積流量。
其(qi)主要性能(neng)指标有始(shi)動流量、儀(yi)表系數、壓(ya)力損失和(he)✏️計量精度(du)。
近年來旨(zhi)在提高儀(yi)表性能的(de)研究主要(yao)圍繞前、後(hou)導㊙️流裝置(zhi)和渦輪等(deng)關鍵部件(jian)的結構和(he)型式開展(zhan)。劉正💋先等(deng)通過實驗(yan)分析,提出(chu)改進前、後(hou)導流器結(jie)構能明顯(xian)減少儀表(biao)的壓力損(sun)🌐失,改善儀(yi)表系數的(de)線性度,而(er)葉片數量(liang)的增減對(dui)流量計壓(ya)力損失的(de)🔞影響可以(yi)忽略不計(ji),但葉片數(shu)量的增加(jia)可明顯改(gai)🌍善始動流(liu)量🈲,提高儀(yi)表靈敏度(du),但數量過(guo)多會🚩使重(zhong)疊度增大(da),儀表性能(neng)急劇惡化(hua)[4-6];鄭建💋梅等(deng)對渦輪的(de)材料和渦(wo)輪軸承進(jin)行了改進(jin),改善了☁️儀(yi)🈲表系數的(de)穩定性”;lIZ等(deng)💛利用CFD技術(shu)與🧑🏽🤝🧑🏻實驗相(xiang)結合驗證(zheng)了對整流(liu)🛀器的優化(hua)設計能有(you)效減少壓(ya)力損失[8]。在(zai)上述研究(jiu)中，還未涉(she)及針對渦(wo)輪葉片㊙️螺(luo)旋升角對(dui)儀表性能(neng)的探讨。本(ben)文利用儀(yi)表負壓檢(jian)🌍定平台,對(dui)3種不同葉(ye)片螺旋升(sheng)‼️角的DN150型氣(qi)體渦輪流(liu)量計進行(hang)了實驗對(dui)比分析,爲(wei)改善儀表(biao)性能和葉(ye)片螺旋升(sheng)角的優化(hua)提供實驗(yan)依據。
1數學(xue)模型與渦(wo)輪參數選(xuan)擇
1.1數學模(mo)型
氣體渦(wo)輪流量計(ji)的數學模(mo)型是根據(ju)力矩平衡(heng)原🐉理建立(li)起來的,主(zhu)要揭示流(liu)量計輸出(chu)脈沖和流(liu)量之間✔️的(de)内在關系(xi),其計算🔴公(gong)式爲：
式中(zhong):K爲儀表系(xi)數;f爲脈沖(chong)頻率,Hz;q,爲體(ti)積流量,m³/s;Z爲(wei)渦輪葉片(pian)數;θ爲葉片(pian)結構角;r爲(wei)渦輪中徑(jing),m;A爲流通面(mian)爲流體阻(zu)力矩📐,N.m。
其中(zhong),機械摩擦(ca)阻力矩T.在(zai)流量-定時(shi)隻與軸承(cheng)和軸的選(xuan)型設計👅有(you)關，流體阻(zu)力矩T與流(liu)體流動狀(zhuang)态有關,這(zhe)兩個力矩(ju)在此不做(zuo)詳細介紹(shao)。當被測介(jie)質--定⁉️時,儀(yi)表系數與(yu)葉片數量(liang)、葉片👉角度(du)和👈中徑有(you)關，所以設(she)計合理的(de)渦輪結構(gou)形式對改(gai)善儀表性(xing)能有重要(yao)意義。
1.2渦輪(lun)結構參數(shu)選擇
渦輪(lun)結構有焊(han)接式和整(zheng)體式,焊接(jie)式渦輪将(jiang)葉片和輪(lun)毂焊接,整(zheng)體式渦輪(lun)利用先進(jin)的CAD/CAM技術和(he)數控加工(gong)技術直接(jie)加工成型(xing)。葉片型式(shi)主要有平(ping)闆式和螺(luo)旋式,平闆(pan)式葉片🌈主(zhu).要應用于(yu)大外徑焊(han)接式渦輪(lun),而螺旋式(shi)葉片♻️應用(yong)較爲廣泛(fan);材料主要(yao)有鋁合金(jin)和不鏽🈲鋼(gang),鋁合金與(yu)不鏽鋼相(xiang)比具有自(zi)重較輕,工(gong)藝性好等(deng)💯特點;渦輪(lun)平均直徑(jing)受流量計(ji)流通管徑(jing)即型号的(de)限✍️制,可作(zuo)爲定參數(shu)處理;葉片(pian)數量選取(qu)主要考慮(lü)重疊🐪度對(dui)儀表性能(neng)的影響,---般(ban)取13~20;葉片角(jiao)度直接影(ying)響氣體介(jie)質.對🌂其産(chan)生驅動轉(zhuan)矩的大小(xiao)，氣體介質(zhi)對渦輪的(de)🈲驅動轉矩(ju)公式爲
式(shi)中:Td爲驅動(dong)力矩,N.m;fd爲周(zhou)向驅動力(li),N;u1爲介質入(ru)口速度,m/s;ɷ爲(wei)渦輪角速(su)度,rad/s。
綜上述(shu)所述,采用(yong)整體式葉(ye)輪結構,螺(luo)旋型葉片(pian)，葉🧑🏾🤝🧑🏼片數量(liang)爲20。對于螺(luo)旋型葉片(pian),需要确定(ding)葉片的螺(luo)旋角,根💰據(ju)式(2),要得到(dao)最大推動(dong)力矩,葉片(pian)螺旋角應(ying)爲🌂45°,但力矩(ju)公式是✉️根(gen)據葉栅繞(rao)流計算得(de)到,難免會(hui)和實際工(gong)況有所偏(pian)差。參考常(chang)用葉片角(jiao)度,選取35°.45°和(he)55°螺✨旋升角(jiao)渦輪🆚作爲(wei)實驗對象(xiang),渦輪結構(gou)參數如圖(tu)2所示。
2實驗平(ping)台搭建
2.1檢(jian)定裝置與(yu)實驗原理(li)
流量計的(de)檢定采用(yong)負壓智能(neng)儀表測量(liang)系統，系統(tong)框圖如圖(tu)3所示，主要(yao)包括硬件(jian)和軟件兩(liang)部分。硬件(jian)包括标準(zhun)吸風裝置(zhi)、德萊塞羅(luo)茨氣體流(liu)量計穩壓(ya)罐和直管(guan)道組成,而(er)軟件是自(zi)行開發的(de)智能型流(liu)量計檢測(ce)程序,各組(zu)成部分具(ju)體參數如(ru)表1所示。
由(you)标準吸風(feng)裝置産生(sheng)負壓使标(biao)準德萊塞(sai)羅茨流量(liang)計和氣體(ti)渦輪流量(liang)計被同時(shi)過流,直管(guan)段使進入(ru)檢定儀表(biao)的氣體爲(wei)充分發展(zhan)的湍流;穩(wen)壓罐補償(chang)通過氣體(ti)渦輪流量(liang)計後的氣(qi)體壓損。智(zhi)能流量檢(jian)測程序接(jie)收來自兩(liang)個儀表的(de)輸出信♌号(hao)，通過渦輪(lun)流量計輸(shu)出的脈沖(chong)數㊙️與累積(ji)流量來計(ji)算儀表🔞系(xi)數,通過對(dui)比相同數(shu)據采集點(dian)處标準羅(luo)茨流量計(ji)的輸出👄可(ke)獲得正确(que)率誤差安(an)裝在氣體(ti)渦輪流量(liang)計取壓口(kou)處的U型管(guan)可以測量(liang)進、出口處(chu)的壓力,從(cong)而得到儀(yi)表的壓力(li)損失。
2.2實驗(yan)流程
自開(kai)始測量時(shi)刻起,選取(qu)50~1300m³/h範圍内6個(ge)流量監測(ce)點。在每個(ge)流量監📧測(ce)點随機采(cai)集3個不同(tong)時刻的數(shu)據,包括某(mou)一時刻标(biao)準羅茨流(liu)量計和氣(qi)體渦輪流(liu)量計的累(lei)積流量及(ji)其輸出⭐脈(mo)沖數。檢測(ce)程序對這(zhe)些數據進(jin)行處理獲(huo)得流量計(ji)系數和基(ji)本誤差。監(jian)測每🏃一-流(liu)量點處❤️U型(xing)管壓差裝(zhuang)置的指示(shi)值，獲得不(bu)同監📧測點(dian)處的壓力(li)損失，檢定(ding)現場如圖(tu)4所示。
3實驗(yan)測量與數(shu)據對比分(fen)析
3.1實驗測(ce)量
利用上(shang)述實驗方(fang)法,分别對(dui)安裝35°、45°和55°渦(wo)輪的流量(liang)計進行了(le)實驗檢定(ding),表2列出了(le)安裝35°葉片(pian)螺旋升角(jiao)表🎯渦輪流(liu)量計的檢(jian)定數據,平(ping)均流量是(shi)随機設定(ding)标準吸風(feng)裝置的❗輸(shu)出流♉量,平(ping)均系數和(he)💞誤差按公(gong)式✔️(3)和(4)計算(suan)。
表3列出了(le)安裝3種不(bu)同螺旋角(jiao)渦輪流量(liang)計在儀表(biao)取壓口處(chu)的壓力損(sun)失。
注:儀表(biao)系數K=899.06m-3;基本(ben)誤差爲0.841%;大(da)氣壓力爲(wei)102.40kPa;環境濕度(du)爲45%。
3.2數據對(dui)比分析
對(dui)實驗數據(ju)進行二次(ci)多項式插(cha)值獲得20組(zu)數據點,對(dui)♻️數據🤩點進(jin)行拟合得(de)到各方案(an)在檢測流(liu)量範圍内(nei)的儀表系(xi)數曲線、誤(wu)差曲線和(he)壓力損失(shi)曲線。
3.2.1儀表(biao)系數
如圖(tu)5所示,采用(yong)螺旋升角(jiao)爲35°渦輪的(de)流量計的(de)儀表系數(shu)🧑🏽🤝🧑🏻曲線在工(gong)作區内波(bo)動較大,對(dui)儀表計量(liang)的穩定性(xing)産生很大(da)的負面影(ying)響。而45°和55°的(de)渦輪流量(liang)計的👣儀表(biao)系數曲線(xian)🌈在工作區(qu)内波動較(jiao)小⛷️，線性度(du)較理想，儀(yi)表在工作(zuo)區内的計(ji)量穩定性(xing)較好。
3.2.2計量(liang)精度
如圖(tu)6所示,采用(yong)螺旋升角(jiao)爲55°渦輪的(de)流量計誤(wu)差基本穩(wen)定在0.4%左右(you),45渦輪在0.5%左(zuo)右,而35°葉輪(lun)流量計誤(wu)差曲💋線存(cun)👌在較大波(bo)動,而且最(zui)大誤差超(chao)過0.8%,計量精(jing)度較差。
3.2.3壓(ya)力損失
如(ru)圖7所示,35°渦(wo)輪流量計(ji)的最大壓(ya)損達到了(le)3500Pa以上，而55°渦(wo)🈚輪則隻有(you)1500Pa左右,可明(ming)顯看出55°葉(ye)輪的過流(liu)性最好.壓(ya)力損失相(xiang)比其他兩(liang)種角度的(de)渦輪最小(xiao)。
4結束語
采(cai)用實驗檢(jian)定的方法(fa)對螺旋升(sheng)角爲35°.45°和55°的(de)DN150氣體渦輪(lun)流量計進(jin)⚽行了實驗(yan)對比分析(xi),實驗數據(ju)表明葉片(pian)螺旋角度(du)直接影響(xiang)儀表的性(xing)能參數。其(qi)中，35°渦輪流(liu)量計存在(zai)着儀表系(xi)㊙️數不穩✂️定(ding)、壓力損失(shi)大以及精(jing)度差等弊(bi)端，建議不(bu)在産品中(zhong)應用;45°渦輪(lun)流量計✉️,儀(yi)表系數曲(qu)線呈現良(liang)好的線性(xing)特征⛹🏻♀️,但壓(ya)力損失與(yu)55°渦輪相比(bi)較大;559渦輪(lun)流量計儀(yi)表系數穩(wen)定☁️、壓力損(sun)失小,精度(du)較高🌈,比較(jiao)适合對壓(ya)力損失和(he)精度要求(qiu)較高的工(gong)況。此外,實(shi)驗結果表(biao)明對葉片(pian)螺旋角的(de)進一-步優(you)化能明顯(xian)👉改善儀表(biao)性能。
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