葉片螺旋角對氣體渦輪流量計性能影響詳解
摘要: 在分析氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對渦輪葉片螺旋升角對儀表性能的影響，以安裝 35°、45°和 55°三種不同葉片螺旋升角渦輪的 DN150 型氣體渦輪流量計作為實驗對象，搭建儀表負壓檢測平臺，分別對儀表系數(shù)、壓力損失和計量精度進行實驗檢定與對比分析。實驗結(jié)果表明，合理設(shè)計渦輪葉片螺旋升角能顯著改善氣體渦輪流量計的性能，為葉片螺旋升角進一步優(yōu)化及其對儀表性能影響規(guī)律的研究提供了實驗基礎(chǔ)。
Abstract: Based on the analysis of the structure and mathematical model of gas turbine flowmeter，the blade helix angle of im-pellor 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．
Key words: turbine flowmeter; blade helix angle; instrument coefficient; pressure loss; measurement accuracy; experimental a-nalysis
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［4 － 6］; 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［7］; 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［8］。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)。
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］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
| f | Z | tanθ | Trm | Trf | ||||||||||||||
| K = | = | ［ | － | － | ］ | ( 1) | ||||||||||||
| q | rA | r2 | q2 | r2 | q2 | |||||||||||||
| v | 2π | |||||||||||||||||
| ρ | v | ρ | v | |||||||||||||||
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。
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：
| Td = fd r = rρqv ( u1 tanθ － rω) | ( 2) |
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。
圖 2 整體葉輪結(jié)構(gòu)圖
2、實驗平臺搭建：
2.1、檢定裝置與實驗原理：
流量計的檢定采用負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。
圖 3 智能型儀表測量系統(tǒng)框圖
由標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置產(chǎn)生負壓使標(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。
表 1 負壓檢測平臺各部件參數(shù)
| 序號 | 部件名稱 | 具體參數(shù) | |
| 1 | 直管段 | 長度 | 2 500 mm |
| 管徑 | 150 mm | ||
| U 型管壓損檢 | 量程 | ± 6 000 Pa | |
| 2 | ***大量度 | 1． 57 atm | |
| 測裝置 | |||
| 精度等級 | 1 級 | ||
| 缸體直徑 | 800 mm | ||
| 3 | 穩(wěn)壓罐 | 設(shè)計壓力 | 1． 6 MPa |
| 有效容積 | 0． 58 m3 | ||
| 德萊賽羅茨氣 | 公稱直徑 | 150 mm | |
| 流量范圍 | |||
| 4 | 體流量計 | 1 ～ 1 600 m3 /h | |
| 精度等級 | 0． 5 | ||
| 功率 | 20 kW | ||
| 5 | 標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置 | ***大流量 | 1 940 m3 /h |
| 注: 1 atm = 101. 325 kPa。 | ***高壓力 | 20 kPa |
2.2、實驗流程：
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。
3、實驗測量與數(shù)據(jù)對比分析：
3.1、實驗測量：
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。
| 平均系數(shù) | = | 1 | ∑ | 被測表脈沖 |
| 3 | ，， 被測表累積流量 | |||
| i = 1 2 3 | ||||
| 誤差 = | 1 | ∑ | 被測表累積流量 － 標(biāo)準(zhǔn)表累積流量 × 100% | 表 3 列出了安裝 3 種不同螺旋角渦輪流量計在儀表取壓 | |||||
| 3 | ，， | 標(biāo)準(zhǔn)表累積流量 | 口處的壓力損失。 | ||||||
| i = 1 2 3 | |||||||||
| ( 4) | |||||||||
| 表 2 螺旋升角 35°渦輪流量計 | |||||||||
| 平均流量 / ( m3 ·h － 1 ) | 標(biāo)準(zhǔn)表累積流量 /m3 | 被測表累積流量 /m3 | 被測表脈沖 | 計算系數(shù) /m － 3 | 平均系數(shù) /m － 3 | 誤差 /% | |||
| 2． 464 | 2． 482 | 2 218 | 893． 63 | ||||||
| 57． 941 | 3． 006 | 3． 031 | 1 812 | 597． 82 | 752． 45 | 0． 841 | |||
| 3． 068 | 3． 097 | 2 372 | 765． 90 | ||||||
| 2． 090 | 2． 106 | 1 979 | 939． 70 | ||||||
| 86． 855 | 3． 296 | 3． 323 | 2 668 | 802． 89 | 830． 03 | 0． 816 | |||
| 6． 609 | 6． 666 | 4 983 | 747． 52 | ||||||
| 4． 039 | 4． 065 | 3 246 | 798． 52 | ||||||
| 187． 937 | 4． 455 | 4． 481 | 4 025 | 898． 24 | 878． 47 | 0． 552 | |||
| 4． 981 | 5． 003 | 4 696 | 938． 64 | ||||||
| 10． 427 | 10． 500 | 9 042 | 861． 14 | ||||||
| 326． 193 | 10． 975 | 11． 056 | 9 636 | 871． 56 | 877． 10 | 0． 736 | |||
| 11． 137 | 11． 223 | 10 085 | 898． 60 | ||||||
| 12． 609 | 12． 693 | 10 458 | 823． 92 | ||||||
| 558． 417 | 12． 923 | 13． 010 | 11 042 | 848． 73 | 858． 69 | 0． 659 | |||
| 14． 155 | 14． 246 | 12 870 | 903． 41 | ||||||
| 24． 674 | 24． 772 | 22 415 | 904． 85 | ||||||
| 1 243． 474 | 26． 118 | 26． 178 | 23 746 | 907． 10 | 905． 95 | 0． 393 | |||
| 38． 231 | 38． 443 | 34 826 | 905． 91 | ||||||
| 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 | 壓力損失檢測數(shù)據(jù) | ||||||
| 平均流量 | 35°渦輪流量計 | 45°渦輪流量計 | 55°渦輪流量計 | ||||
| / ( m3 ·h － 1 ) | /Pa | /Pa | /Pa | ||||
| 57 | ． 941 | 364 | ． 5 | 135 | ． 4 | 110 | ． 5 |
| 86 | ． 855 | 502 | ． 4 | 242 | ． 3 | 172 | ． 6 |
| 187 | ． 937 | 629 | ． 3 | 468 | ． 5 | 283 | ． 4 |
| 326 | ． 193 | 1 032 | ． 6 | 776 | ． 4 | 487 | ． 5 |
| 558 | ． 417 | 1 680 | ． 5 | 1 325 | ． 7 | 724 | ． 8 |
| 1 243 | ． 474 | 3 546 | ． 7 | 2 530 | ． 6 | 1 487 | ． 6 |
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。
3.2.2、計量精度：
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較大波動，而且***大誤差超過 0.8% ，計量精度較差。
3.2.3、壓力損失：
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。
圖 6 不同螺旋角儀表誤差曲線 圖 5 不同螺旋角儀表系數(shù)曲線 圖 7 不同螺旋角儀表壓力損失曲線
4、結(jié)束語：
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。
