劉民杰，閻 兵

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

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葉片螺旋角對(duì)氣體渦輪流量計(jì)性能影響的分析

劉民杰1，閻 兵2

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

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)。

渦輪流量計(jì)；葉片角度；儀表系數(shù)；壓力損失；計(jì)量精度；實(shí)驗(yàn)分析

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。

1—導(dǎo)流器；2—葉輪；3—軸、軸承；4—?dú)んw；5—脈沖發(fā)生器；6—智能積算儀；7—脈沖信號(hào)傳感器圖1 氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理

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的氣體之間存在一定夾角，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)，在一定的流量范圍內(nèi)，渦輪的角速度和通過渦輪的流量成正比。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)由傳感器送入智能積算儀進(jìn)行換算得到氣體介質(zhì)的瞬時(shí)流量和累積流量[3]。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)和型式開展。劉正先等通過實(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[7]；LI Z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[9]

(1)

式中：K為儀表系數(shù)；f為脈沖頻率，Hz；qv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為流通面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3；Trm為機(jī)械摩擦阻力矩，N·m ;Trf為流體阻力矩，N·m。

其中，機(jī)械摩擦阻力矩Trm在流量一定時(shí)只與軸承和軸的選型設(shè)計(jì)有關(guān)，流體阻力矩Trf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)一定時(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，一般取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

Td=fdr=rρqv(u1tanθ-rω)

(2)

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；ω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。

圖2 整體葉輪結(jié)構(gòu)圖

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。

圖3 智能型儀表測(cè)量系統(tǒng)框圖

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)程序接收來自兩個(gè)儀表的輸出信號(hào)，通過渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)與累積流量來計(jì)算儀表系數(shù)，通過對(duì)比相同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)的輸出可獲得準(zhǔn)確度誤差。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。

表1 負(fù)壓檢測(cè)平臺(tái)各部件參數(shù)

注：1 atm=101.325 kPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

自開始測(cè)量時(shí)刻起，選取50～1 300 m3/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。

圖4 氣體渦輪流量計(jì)檢定現(xiàn)場(chǎng)

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。

(3)

(4)

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。

表2 螺旋升角35°渦輪流量計(jì)

注：儀表系數(shù)K=899.06 m-3;基本誤差為0.841%；大氣壓力為102.40 kPa；環(huán)境濕度為45%。

表3 壓力損失檢測(cè)數(shù)據(jù)

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、誤差曲線和壓力損失曲線。

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)曲線在工作區(qū)內(nèi)波動(dòng)較小，線性度較理想，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)誤差曲線存在較大波動(dòng),而且最大誤差超過0.8%，計(jì)量精度較差。

圖5 不同螺旋角儀表系數(shù)曲線

圖6 不同螺旋角儀表誤差曲線

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3 500 Pa以上，而55°渦輪則只有1 500 Pa左右，可明顯看出55°葉輪的過流性最好，壓力損失相比其他兩種角度的渦輪最小。

圖7 不同螺旋角儀表壓力損失曲線

4 結(jié)束語

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)曲線呈現(xiàn)良好的線性特征，但壓力損失與55°渦輪相比較大;55°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。

[1] 張永紅.天然氣流量計(jì)量.2版.北京:石油工業(yè)出版社，2001.

[2] 梁秀霞，張凌華，高連強(qiáng)，等.基于HART總線的渦輪流量計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2008(2)：12-14

[3] 王俊芳.氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)型式分析.機(jī)械工程師,2007(12)：112-113.

[4] 劉正先，徐蓮環(huán).渦輪流量計(jì)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)與性能.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(1)：233-237.

[5] 劉正先,孟慶國，梁永超，等.氣體渦輪流量計(jì)的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量.流體機(jī)械，2003，31(5) ：8-10.

[6] 劉正先，王永，張志安，等.氣體渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)分析.流體機(jī)械，2003，340(6) ：21-23.

[7] 鄭建梅,劉正先,梁永超.對(duì)氣體渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)穩(wěn)定性的分析.城市燃?xì)猓?007,386(4) ：9-11.

[8] LI Z,DU Z,ZHANG K,et al.Design and analysis of flow rectifier of gas turbine flowmeter.Thermal Science,2013,17(5) ：1504-1507.

[9] 趙學(xué)端,應(yīng)啟戛,沈昱明.渦輪流量計(jì)數(shù)學(xué)模型與優(yōu)化設(shè)計(jì).上海機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1985 (2) ：1-13.

Analysis of Blade Helix Angle Effect on Performances of Gas Turbine Flowmeter

LIU Min-jie1，YAN Bing2

(1.Renai College of Tianjin University, Tianjin 301636，China; 2.College of Mechanical Engineering , Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)

Based on the analysis of the structure and mathematical model of gas turbine flowmeter, the blade helix angle of impellor was deemed as a critical parameter affecting the flowmeter performances. The testing platform was created, and the type of DN150 flowmeter which equipped with different helix angle (35°, 45° and 55°) impellors were tested. The results indicate that appropriate design of the blade helix angle of impellor can improve the flowmeter performances significantly.

turbine flowmeter; blade helix angle; instrument coefficient; pressure loss; measurement accuracy; experimental analysis

2015-03-19 收修改稿日期：2015-06-02

TH814

A

1002-1841(2015)11-0018-03

劉民杰(1981— )，講師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械裝備與數(shù)字化制造技術(shù)。E-mail：lijie9142@sina.com 閻兵(1968— )，教授，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘摂M制造，切削動(dòng)力學(xué)，微進(jìn)給技術(shù)等。E-mail：meyanbing@126.com