摘要：對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的主要組件引起的壓力損失進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量，比較了整流柵形狀、葉輪葉片數(shù)和后導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對(duì)壓損的影響程度。結(jié)果表明，后導(dǎo)流器相對(duì)整流柵和葉輪是產(chǎn)生壓力損失的主要因素，采取改進(jìn)的后導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可以明顯降低流量計(jì)的壓損，同時(shí)得到更好的儀表系數(shù)值，提高流量計(jì)準(zhǔn)確度。

1、引言

渦輪流量計(jì)是葉輪式速度流量計(jì)，屬于速度式測(cè)量，即利用測(cè)量管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)速度來得到流量。置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到流體流速，從而得到管道內(nèi)的流量值。在選擇渦輪流量計(jì)的時(shí)候，除了要求其具有準(zhǔn)確度高、量程大和起始流量小的優(yōu)點(diǎn)外，壓損小也是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。流體通過渦輪流量計(jì)的壓力損失越小，則流體由輸入至輸出管道所消耗能量就越小，由此可大大節(jié)約能源，降低輸送成本。本文將對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)量，找出引起壓損的主要因素，為針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)提供基本實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2、結(jié)構(gòu)與壓力損失

高壓氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要組件包括整流柵、前導(dǎo)流器、葉輪以及后導(dǎo)流器等。當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊葉輪，對(duì)葉輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉(zhuǎn)，在一定的流量范圍內(nèi)，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。因此，葉輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為模擬電流量，進(jìn)而顯示為瞬時(shí)流量值和累積流量值。

流體從機(jī)殼進(jìn)口流入，*先經(jīng)過整流柵進(jìn)行穩(wěn)流，再進(jìn)入前導(dǎo)流器，前導(dǎo)流器對(duì)流體有收斂作用，防止流體發(fā)生分離產(chǎn)生大的渦旋運(yùn)動(dòng)，前導(dǎo)流葉片對(duì)流體起導(dǎo)向作用，避免流體自旋而改變對(duì)葉輪葉片的作用角度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。流體經(jīng)葉輪后將以螺線型方式向前流動(dòng)，加入帶葉片的后導(dǎo)流器對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)流，使流體沿管壁直線流動(dòng)，減少各種阻力引起的能量損失。

流體通過流量計(jì)的壓力損失與介質(zhì)的密度、流速等有關(guān)，其計(jì)算公式為：
△P=aρv²/2   （2）

式中

△P———壓力損失，Pa

a———壓損系數(shù)

ρ———介質(zhì)密度，kg/m³

v———流速，m/s

由于ρ和v為流體流動(dòng)參數(shù)，不能隨意增減，因此只能盡量減小壓損系數(shù)a，以達(dá)到降低壓損的目的。壓損系數(shù)除了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外，還與流量計(jì)內(nèi)部各部件的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用口徑DN=100mm，量程Q=60～600m³/h的渦輪流量計(jì)，在吸氣式試驗(yàn)臺(tái)上分別對(duì)介質(zhì)為空氣（常壓）、不同形狀整流柵、不同葉片數(shù)葉輪和不同結(jié)構(gòu)的后導(dǎo)流器進(jìn)行測(cè)量。

3.1整流柵

圖2為圓孔和方孔兩種形狀整流柵，整流柵直徑為100mm，寬為15mm。方孔流通面積約為圓孔流通面積的4/3。中間實(shí)體為固定整流柵螺釘位置。

圖3是只改變整流柵條件下，流體經(jīng)過流量計(jì)的壓力損失曲線。由圖知，盡管方孔整流柵比圓孔增大了萬方數(shù)據(jù)的通流面積，但對(duì)流體壓損的影響并不明顯。在小于300m³/h的范圍內(nèi)，兩者幾乎沒有差別，在Q=700m³/h處，方孔整流柵*大使壓損降低300Pa，比圓孔整流柵改善約10%，在工作范圍60～600m³/h內(nèi)，方孔比圓孔平均改進(jìn)約2%，但方孔加工難度大于圓孔，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇整流柵。

3.2葉輪

葉輪按照設(shè)計(jì)要求為葉片數(shù)z=12～20，葉片傾角a=30°～45°，重疊度為1～1.2，葉片與內(nèi)機(jī)殼間隙為0.5mm。為提高流量計(jì)的靈敏度，可適當(dāng)增加葉片數(shù)。

本文在允許范圍內(nèi)分別選擇13和20個(gè)葉片數(shù)的葉輪進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。可看到，兩條曲線幾乎重合。說明在允許范圍內(nèi)，葉輪葉片數(shù)的增減對(duì)壓力損失的影響可以忽略。但采用13葉片數(shù)的葉輪時(shí)，測(cè)得流量計(jì)起始流量為6.5m³/h，而采用20葉片數(shù)的葉輪，其起始流量為5.5m³/h，適當(dāng)增加葉片數(shù)，可以較明顯地提高流量計(jì)的靈敏度。值得注意的是，增加葉片數(shù)會(huì)使重疊度增大，過大的重疊度將使流量計(jì)性能惡化。

3.3后導(dǎo)流器

圖5（a）、（b）分別為全封閉和半開式兩種結(jié)構(gòu)的后導(dǎo)流器示意圖。導(dǎo)流葉片數(shù)均為8，內(nèi)導(dǎo)流體幾何形狀為橢球形。兩者不同之處在于全封閉式導(dǎo)流葉片由導(dǎo)流器進(jìn)口延伸至出口，而半開式導(dǎo)流葉片則由導(dǎo)流器中間起到出口處。

作者在半開式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了另一種改進(jìn)的后導(dǎo)流器：把半開式葉片部分縮短一半，同時(shí)將葉片數(shù)減少為4，在原無葉段增加與有葉段數(shù)目相同位置均勻相錯(cuò)的葉片，但不加外筒。目的是盡量在不增加摩擦和阻塞損失情況下，加強(qiáng)對(duì)經(jīng)過葉輪后旋轉(zhuǎn)流體的整直作用。如圖6所示。

圖7為分別采用三種后導(dǎo)流器而其余部件不變條件下流量計(jì)的壓力損失曲線。由圖可知，在流量為0～100m³/h范圍內(nèi)，三種結(jié)構(gòu)的壓力損失均很小，可以認(rèn)為壓力損失在小流量工況下對(duì)幾何結(jié)構(gòu)不敏感，即后導(dǎo)流器的幾何形狀變化還沒有對(duì)壓損產(chǎn)生影響。隨著流量的增大，三條曲線明顯拉開了距離，其中全封閉式壓損增長*快，半開式次之，壓損*小的是改進(jìn)式，在額定*大流量600m³/h處，改進(jìn)式壓損僅為700Pa，約為半開式壓損的1/2，為全封閉式壓損的1/3。當(dāng)流量進(jìn)一步增大，這種差距還將隨之增加。由此可見，選擇合適的導(dǎo)流器可以大大降低流量計(jì)的壓力損失。在流量計(jì)的工程應(yīng)用中，有必要對(duì)前、后導(dǎo)流器幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到*小壓損目的。

3.4儀表系數(shù)

考查渦輪流量計(jì)性能的另外一個(gè)重要指標(biāo)是儀表系數(shù)K。儀表系數(shù)可理解為流量計(jì)儀表的輸出流量值與通過流量計(jì)的實(shí)際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表內(nèi)磁電轉(zhuǎn)換器輸出頻率成正比，故K也表示為輸出頻率與實(shí)際流量之比，即，

式中

f———輸出頻率，s-1

qv———實(shí)際流量，m³/s

Z———葉輪葉片數(shù)

r———葉輪平均半徑，m

F———流通截面積，m²

θ———葉片與軸線夾角，rad

由式（2）可知，理想的儀表系數(shù)K與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量變化無關(guān)。對(duì)某**量計(jì)，K為一常數(shù)，在K-qv圖上為一平行橫軸的直線。但對(duì)實(shí)際的流體流動(dòng)，由于葉輪要克服軸承的機(jī)械阻力矩、流體產(chǎn)生的阻力矩，并受流動(dòng)狀態(tài)等因素的影響，使K不可能保持直線，而在量程范圍內(nèi)，盡量保證K為一常數(shù)是保證流量計(jì)精度的前提條件。

作者對(duì)改進(jìn)的后導(dǎo)流器對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，考察改變結(jié)構(gòu)組件后對(duì)儀表性能的影響。圖8為分別采用半開式和改進(jìn)的后導(dǎo)流器，流量計(jì)儀表系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。

由圖8可看出，采用改進(jìn)的后導(dǎo)流器后，流量計(jì)儀表系數(shù)比改進(jìn)前有較好的改善，在量程范圍內(nèi)（60～600m³/h），K很好地體現(xiàn)了系數(shù)的特性，甚至在超過*大量程后，能繼續(xù)保持水平直線狀態(tài)。改進(jìn)前的流量計(jì)K值也較好，但隨著流量增大，直線略向下傾斜，偏離了水平位置。

4、結(jié)論

通過對(duì)氣體渦輪流量計(jì)主要組件壓力損失的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及對(duì)整流柵形狀、葉輪葉片數(shù)和后導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對(duì)壓損影響程度的分析得出結(jié)論：后導(dǎo)流器相對(duì)整流柵和葉輪是壓力損失的主要因素。當(dāng)采用改進(jìn)的后導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)，測(cè)量結(jié)果顯示流量計(jì)的壓損被大幅度降低，同時(shí)儀表系數(shù)值更加穩(wěn)定，兩者均使流量計(jì)的準(zhǔn)確度得到提高。