氣體渦輪流量計是計量天然氣、氧氣、氮氣、液化氣、煤氣等氣體介質(zhì)的速度式計量儀表，如圖1所示。

將渦輪置于被測的氣體介質(zhì)中,當(dāng)氣體流經(jīng)流量計時,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,氣體對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩,使渦輪克服機械摩擦阻力矩、氣體流動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)帶動脈沖發(fā)生器旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的脈沖信號由傳感器送入智能積算儀進行換算得到氣體介質(zhì)的瞬時流量和累積流量。其主要性能指標(biāo)有始動流量、儀表系數(shù)、壓力損失和計量精度。

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。劉正先等通過實驗分析,提出改進前、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)量的增減對流量計壓力損失的影響可以忽略不計,但葉片數(shù)量的增加可明顯改善始動流量,提高儀表靈敏度,但數(shù)量過多會使重疊度增大,儀表性能急劇惡化; 鄭建梅等對渦輪的材料和渦輪軸承進行了改進,改善了儀表系數(shù)的穩(wěn)定性; LI Z等利用CFD技術(shù)與實驗相結(jié)合驗證了對整流器的優(yōu)化設(shè)計能有效減少壓力損失。在上述研究中,還未涉及針對渦輪葉片螺旋升角對儀表性能的探討。本文利用儀表負(fù)壓檢定平臺,對3 種不同葉片螺旋升角的DN150 型氣體渦輪流量計進行了實驗對比分析,為改善儀表性能和葉片螺旋升角的優(yōu)化提供實驗依據(jù)。

氣體渦輪流量計的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)力矩平衡原理建立起來的,主要揭示流量計輸出脈沖和流量之間的內(nèi)在關(guān)系,其計算公式為［9］

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為機械摩擦阻力矩,N·m ; Trf為流體阻力矩,N·m。

其中,機械摩擦阻力矩Trm在流量一定時只與軸承和軸的選型設(shè)計有關(guān),流體阻力矩Trf與流體流動狀態(tài)有關(guān),這兩個力矩在此不做詳細(xì)介紹。當(dāng)被測介質(zhì)一定時,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)計合理的渦輪結(jié)構(gòu)形式對改善儀表性能有重要意義。

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*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; 渦輪平均直徑受流量計流通管徑即型號的限制,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)對其產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小,氣體介質(zhì)對渦輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩公式為

式中: Td為驅(qū)動力矩,N·m; fd為周向驅(qū)動力,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。對于螺旋型葉片,需要確定葉片的螺旋角,根據(jù)式( 2) ,要得到*大推動力矩,葉片螺旋角應(yīng)為45°,但力矩公式是根據(jù)葉柵繞流計算得到,難免會和實際工況有所偏差。參考常用葉片角度,選取35°、45°和55°螺旋升角渦輪作為實驗對象,渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示。

流量計的檢定采用負(fù)壓智能儀表測量系統(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、穩(wěn)壓罐和直管道組成,而軟件是自行開發(fā)的智能型流量計檢測程序,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)德萊塞羅茨流量計和氣體渦輪流量計被同時過流,直管段使進入檢定儀表的氣體為充分發(fā)展的湍流; 穩(wěn)壓罐補償通過氣體渦輪流量計后的氣體壓損。智能流量檢測程序接收來自兩個儀表的輸出信號,通過渦輪流量計輸出的脈沖數(shù)與累積流量來計算儀表系數(shù),通過對比相同數(shù)據(jù)采集點處標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計的輸出可獲得準(zhǔn)確度誤差。安裝在氣體渦輪流量計取壓口處的U型管可以測量進、出口處的壓力,從而得到儀表的壓力損失。

自開始測量時刻起,選取50 ~ 1 300 m3/ h范圍內(nèi)6 個流量監(jiān)測點。在每個流量監(jiān)測點隨機采集3 個不同時刻的數(shù)據(jù),包括某一時刻標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計和氣體渦輪流量計的累積流量及其輸出脈沖數(shù)。檢測程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行處理獲得流量計系數(shù)和基本誤差。監(jiān)測每上等量點處U型管壓差裝置的指示值,獲得不同監(jiān)測點處的壓力損失,檢定現(xiàn)場如圖4 所示。

利用上述實驗方法,分別對安裝35°、45°和55°渦輪的流量計進行了實驗檢定,表2 列出了安裝35°葉片螺旋升角表渦輪流量計的檢定數(shù)據(jù),平均流量是隨機設(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) 計算。

表3列出了安裝3種不同螺旋角渦輪流量計在儀表取壓口處的壓力損失。

對實驗數(shù)據(jù)進行二次多項式插值獲得20 組數(shù)據(jù)點,對數(shù)據(jù)點進行擬合得到各方案在檢測流量范圍內(nèi)的儀表系數(shù)曲線、誤差曲線和壓力損失曲線。

如圖5 所示,采用螺旋升角為35°渦輪的流量計的儀表系數(shù)曲線在工作區(qū)內(nèi)波動較大,對儀表計量的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。而45°和55° 的渦輪流量計的儀表系數(shù)曲線在工作區(qū)內(nèi)波動較小,線性度較理想,儀表在工作區(qū)內(nèi)的計量穩(wěn)定性較好。

如圖6 所示,采用螺旋升角為55°渦輪的流量計誤差基本穩(wěn)定在0.4%左右,45°渦輪在0.5%左右,而35°葉輪流量計誤差曲線存在波動,而且*大誤差超過0.8%,計量精度較差。

如圖7 所示,35°渦輪流量計的*大壓損達到了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*好,壓力損失相比其他兩種角度的渦輪*小。

采用實驗檢定的方法對螺旋升角為35°、45° 和55° 的DN150 氣體渦輪流量計進行了實驗對比分析,實驗數(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,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°渦輪流量計儀表系數(shù)穩(wěn)定、壓力損失小,精度較高,比較適合對壓力損失和精度要求較高的工況。此外,實驗結(jié)果表明對葉片螺旋角的進一步優(yōu)化能明顯改善儀表性能。