譚雄輝

[摘 要] 在垂直螺翼式水表使用過程中，由于其特別的內部構造，其壓力損失存在偏高的現(xiàn)象，制約了水表的流通能力。為此，針對垂直螺翼式水表壓力損失偏高這一現(xiàn)象進行研究，分析其產生的原因，并對影響壓損值的主要幾個水表零件在結構和制造工藝上的改進，有效降低了其壓力損失值。

[關鍵詞] 垂直螺翼式水表；壓力損失；改進

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 036

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）15- 0093- 03

0 引 言

水表是居民日常生活用水和城鎮(zhèn)水務部門供水結算的依據。其中垂直螺翼式水表是一種較為新型的水表，因其內部的螺翼式葉輪與管路方向是垂直放置而得名，具有量程范圍寬、靈密度高、經久耐用等特點。但在實際使用中，垂直螺翼式水表的壓力損失值接近甚至超過了國家標準所規(guī)定的最高限值，不僅影響了水表的流通能力，同時也造成了供水成本的上升。對此，有必要針對垂直螺翼式水表的內部結構和工藝展開詳細的研究來減小水表的壓力損失。

1 壓力損失ΔP的定義及產生原因

水表的壓力損失值是制造許可的一個硬性指標。根據GB/T778.1-2007《水表國家標準》：壓力損失是指在給定流量下，管道中存在水表所造成的水頭損失。并限定在額定（這里的額定是指常用流量Q3）工作條件下的最大壓力損失應不超過0.063 MPa。標準給出了五個可選的壓力損失等級，從低到高依次為△P10、△P16、△P25、△P40、△P63。

壓力損失作為液體流動中的能量損失，主要分為沿程壓力損失和局部壓力損失[1]。水表壓力損失作為局部壓力損失是指水流流經水表時，由于表殼及機芯零件的阻擋，使水流方向和速度產生改變，造成流場的畸變，在內部形成漩渦引起液體質點間，以及質點和固體壁面間相互碰撞和摩擦而產生的壓力損失。

壓力損失主要表現(xiàn)為兩種形式：①使水流產生圍繞軸線轉動的漩渦。水表機芯部件中的葉輪在水中旋轉是形成此形式的主要構件；②二次流動。二次流動是指因水流分離而形成的一種受約束的、重復循環(huán)的二次渦流。水表形成二次流動的主要構件有表殼、濾水網等。水流流經表殼（濾水網）時，表殼（濾水網）垂直于水流方向截面面積的改變（增大或縮?。?，就會在此處附近形成二次渦流。

垂直螺翼式水表機芯部件與水流方向垂直放置的型式、內部安裝的不銹鋼濾水網以及表殼內腔復雜的反Z字形流道等這些特點，造成了其與水平螺翼式水表相比超高的壓力損失。

2 垂直螺翼式水表壓損偏高的解決方法

根據上節(jié)的描述，要想降低水表的壓損，簡單講，就是減少水流產生的渦流、漩渦，增大流通面積，避免零件結構上的不規(guī)則性，減少對水流的阻擋，改善水流流動的平穩(wěn)性。

理論上，水表內部與水接觸的每個構件都會造成水流壓力的損失[2]。限于篇幅，本文以DN808 mm口徑的垂直螺翼式水表為例，僅對水表產生壓力損失的主要三個構件（表殼、葉輪、濾水網）在結構和工藝方面的改進作一闡述。

2.1 表殼的改進

目前，國內大口徑水表的表殼基本都釆用球鐵鑄造。球磨鑄鐵在抗拉、抗壓強度、抗腐蝕性、鑄造的成型性、制造成本上具有一定的優(yōu)勢。

對表殼的改進如圖1所示，改進分兩個方面。

2.1.1 結構的設計改進

（1）擴大了內腔尺寸。將原表殼上腔的直徑由Φ85 mm擴至Φ110 mm，有效截面積比原增大了近68%，極大地提升了內腔的流通能力[3]。

（2）在上腔處增加了一個回流腔，使水流在該腔內變得更加平穩(wěn)。

（3）抬高表殼殼底，將進水夾角由原36°變?yōu)?°，進水道設計成在表殼內腔底部的切線方向，促使水流以近似水平的角度進入表殼。

（4）取消進水處的擋水板結構。設計擋水板的作用是緩解進水水流的沖擊，減少水流對水表機芯部件，特別是對葉輪部件的直接沖擊，避免機械性損傷。但擋水板的存在，對水流的前進方向產生了阻擋，在此處極易形成渦流狀態(tài)。同時通過提高葉輪部件的材料強度和結構強度，消除了無擋水板后存在的隱患。

2.1.2 制造工藝的改進

（1）在內腔各壁道的連接處，都設計成大圓弧的過渡連接，避免棱角的出現(xiàn)。

（2）鑄造釆用現(xiàn)較為先進的V法造型。與原普通造型方法相比，減輕了鑄件的質量，在產品尺寸精度、表面光潔度上都提升了一個臺階。

（3）在工藝文件中，嚴格規(guī)定了對殼體的砂粒、毛刺、飛邊等清除要求。

（4）表殼加工完畢后，對其表面增加一道噴塑處理，涂層厚度控制在0.15～0.25 mm。經噴塑處理后，表面光潔度能達到4，極大地降低了水流與內腔壁的摩擦系數。

2.2 葉輪的改進

垂直螺翼式水表的工作原理是水流在軸向方向沖擊葉輪后，水流通過兩葉片間的通道旋轉流出。所以，葉輪的橫向截面大小直接決定了水表的流通能力。對葉輪的改進如圖2所示。

（1）DN80原葉輪的直徑是Φ85 mm，本文將其直徑擴大到了Φ100 mm，這樣一來，水流通過葉輪的通道面積擴大了近20%（在不考慮葉片厚度的情況下）。

（2）葉輪柄的外部加強筋改為內部的十字筋，以減少葉輪在水中旋轉時的擋水阻力。

2.3 濾水網的改進

垂直螺翼式水表內部安裝的一個與水流方向垂直的不銹鋼濾水網是該表的一大特點，雖然提高了水表的防污性能，但卻增加了水表的壓力損失值。經測試，DN80口徑的垂直螺翼式水表，有無濾水網，壓力損失相差0.02MPa。濾水網的改進如下：

（1）將原圓孔狀的過濾孔，設計成蜂窩狀的正六邊形，如圖3所示，這一改進，單位面積上濾網的流通面積增加了10%。

（2）在制作工藝上將杯狀的濾水網由原來的先板材卷制再焊接而成改為整體沖模拉伸，避免了原產品形狀的不規(guī)則性。

3 經改進后的壓力損失值

通過以上三個主要零件的設計改進后，取改進前、后的DN80整機，進行壓力損失測試，測試結果對比見圖4。

測試結果表明，經改進后的壓力損失值，有了大幅度地降低。按標準要求，在Q3（63 m3/h）流量時，壓損值由原來的0.06 MPa降至0.02 MPa，壓力損失等級從原最高的△P63降為△P25。

經測試，在0.3 MPa的管路壓力下，該表能達到的最大流通量由原來的80 m3/h提升到110 m3/h，流通能力提高近38%。

4 結 語

綜上所述，垂直螺翼式水表壓損偏高一直是困擾廣大的用水單位和制造單位的一個難題，需要給予改進。本文分析了垂直螺翼式水表的壓力損失值偏高這一現(xiàn)象，并對幾個主要零件的結構及制造工藝進行改進，經過測試，結果表明：經改進后的壓力損失值得到了大幅度地降低，有效解決了垂直螺翼式水表壓力損失偏高的難題，流通能力也得到了提高。

主要參考文獻

[1]趙斌，李斌.螺翼式水表的改進建議[J]. 中國計量，2011（5）：54.

[2]杜正，張凱，姚靈，等. 垂直螺翼式水表下整流器壓損特性的數值模擬[J].中國計量大學學報，2011，22（3）：237-241.

[3]何廣紅.直管段直徑的大小對螺翼式水表計量結果的影響[J]. 品牌與標準化，2017（12）.