摘 要：葉輪是渦輪流量計(jì)的重要組成部分，根據(jù)理論模型可知，葉輪對(duì)渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能具有一定的影響。 針對(duì)不同葉輪對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，通過(guò)試驗(yàn)的方法，分析了改變?nèi)~輪傾斜角對(duì)渦輪流量計(jì)計(jì)量性能的影響。 結(jié)果表明，角度較大的葉輪 B 對(duì)其誤差曲線影響較?。唤嵌容^小的葉輪 A 對(duì)其誤差曲線影響較大。

  渦輪流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、體積小、質(zhì)量輕、壓力損失小、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)等行業(yè)中^［1］。 隨著渦輪流量計(jì)的大量使用，用戶(hù)對(duì)其計(jì)量準(zhǔn)確度的要求也越來(lái)越高。
  葉輪傾斜角 θ 或葉片數(shù) Z 是渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，直接影響流量計(jì)的計(jì)量性能。 θ 角減小，當(dāng)進(jìn)入流量計(jì)被測(cè)流體流速相同時(shí)，葉輪速度將提高。 當(dāng)其它條件不變時(shí)，隨著 θ 角減小，葉輪轉(zhuǎn)速增大，提高了儀表的靈敏度^［2］。 但轉(zhuǎn)速提高使阻力矩增大，被測(cè)流體的壓力損失增大，軸承磨損增大，儀表壽命降低。
  在研發(fā)氣體渦輪流量計(jì)的過(guò)程中， 針對(duì)葉輪傾斜角 θ 大小的改變對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響進(jìn)行研究。

1、渦輪流量計(jì)的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)：
 
1.1、基本結(jié)構(gòu)：
 渦輪流量計(jì)主要由整流器、葉輪、磁性聯(lián)軸器、機(jī)械計(jì)數(shù)器、齒輪變速器等組件組成。
 
1.2、基本原理：
 渦輪流量計(jì)是一種流體測(cè)量裝置， 流體的動(dòng)力驅(qū)使葉輪旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度與體積流量近似成正比例。 通過(guò)流量計(jì)的流體體積是基于葉輪的旋轉(zhuǎn)數(shù)得到的，主要是運(yùn)用磁電轉(zhuǎn)換裝置或者機(jī)械輸出裝置將渦輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成電脈沖，送入二次儀表進(jìn)行計(jì)算和顯示，由單位時(shí)間內(nèi)電脈沖和累計(jì)電脈沖數(shù)來(lái)反映瞬時(shí)和累計(jì)流量。
 
1.3、葉輪：
 渦輪葉輪亦稱(chēng)葉輪，一般采用工程塑料、鋼或鋁合金材質(zhì)，其作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 按照設(shè)計(jì)要求，葉輪葉片數(shù)為 Z=12~20，葉片傾斜角 θ=30~45°，重疊度為 1~1.2，葉片與內(nèi)機(jī)殼間隙為 0.5~1 mm。 為提高渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能， 可適當(dāng)增加葉片數(shù)或調(diào)整傾斜角^［3］。

1.4、理論依據(jù)：
 
渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

 式中：J 為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω 為渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度；T_r 為流體對(duì)葉片產(chǎn)生的推動(dòng)力矩；T_rm 為渦輪軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩；T_rf 為流體通過(guò)渦輪時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力矩；T_re 為電磁轉(zhuǎn)換器對(duì)渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩；Z 為渦輪葉片數(shù)；θ 為葉片傾斜角；r為葉片的平均半徑；A 為流通截面積；ρ 為流體的密度； f 為信號(hào)脈沖頻率；q 為體積流量；K 為儀表系數(shù) ；q_v 為瞬時(shí)體積流量。
  根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以定性判斷出渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能與葉輪的葉片傾斜角有關(guān)， 筆者選取不同 θ 角的葉輪在同一臺(tái)渦輪流量計(jì)上進(jìn)行試驗(yàn)， 分析其對(duì)渦輪流量計(jì)的影響。

2、試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：
 
2.1、試驗(yàn)介紹：
  試驗(yàn)選取相同內(nèi)徑、外徑的葉輪，只是葉輪的傾斜角、 葉片數(shù)及質(zhì)量可能不 向沿頂圓展開(kāi)同，對(duì)渦輪流量計(jì)的性能進(jìn)行研究。 葉輪傾斜角的平面圖如圖 1 所示。

葉輪傾斜角平面圖

式中：E_ij 為第 i 檢定點(diǎn)第 j 次檢定被檢流量計(jì)的相對(duì)示值誤差，%；V_ij 為第 i 檢定點(diǎn)第 j 次檢定時(shí)流量計(jì)顯示的累積流量值，m³；（V_s）_ij 為第 i 檢定點(diǎn)第 j 次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器換算到流量計(jì)處狀態(tài)的累積流量值，m³。

  試 驗(yàn) 選 取 一 臺(tái) 0.5 級(jí) 標(biāo) 準(zhǔn) 的 TGM/G250/DN80/ PN16 氣體渦輪流量計(jì)， 選用兩種不同參數(shù)的葉輪，在試驗(yàn)中研究葉輪對(duì)渦輪流量計(jì)計(jì)量性能的影響。試驗(yàn)所用葉輪 A 與 B 的差別見(jiàn)表 1。

 
試驗(yàn)之前， 分別對(duì)裝有不同葉輪的渦輪流量計(jì)進(jìn)
 

 線圖，如圖 2 和圖 3 所示，葉輪 A 在流量 20～400 m³/h時(shí) ，0.5 級(jí)是合格的，在 100 m³/h 誤差出現(xiàn)突變情況；葉輪 B 在流量 12～400 m³/h 時(shí)，0.5 級(jí)是合格的。
 根據(jù)表 3 和表 4 作出葉輪 A 和葉輪 B 的誤差對(duì)比圖，如圖 4 所示。由圖 4 可以看出， 葉輪 B 的誤差曲線在流量點(diǎn)50～400 m³/h 的線性比葉輪 A 的線性要好； 在流量點(diǎn)8～12 m³/h， 誤差大概為-1%～-3%左右 ， 均為不合格點(diǎn)。

3、結(jié)論：
 
通過(guò)試驗(yàn)， 分別對(duì)不同傾斜角葉輪進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：
 
（1）葉輪 B 在小流量點(diǎn)的誤差優(yōu)于葉輪 A；
 
（2）兩葉輪在流量點(diǎn) 100 m³/h 都出現(xiàn)誤差突變；
 
（3）葉輪 A 在線性區(qū)誤差更趨近零點(diǎn)；
 
（4）葉輪 B 在線性區(qū)誤差偏離零點(diǎn) ，但是仍在誤差范圍內(nèi)；

表 3 葉輪 A 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

▲圖 2
葉輪 A 誤差曲線圖
▲圖 3
葉輪 B 誤差曲線圖
▲圖 4  葉輪 A 與 B 誤差對(duì)比圖

（5）對(duì)于量程大的渦輪流量計(jì)，應(yīng)該優(yōu)選傾斜角較小的葉輪；而對(duì)于量程小的渦輪流量計(jì)，應(yīng)該優(yōu)選傾斜角較大的葉輪；
（6）在小流量點(diǎn)區(qū)域 ，不管是葉輪 A 還是葉輪 B，計(jì)量誤差仍然很大。
 總之， 葉輪傾斜角只影響誤差曲線在線性區(qū)偏離零點(diǎn)的幅度，但是在小流量點(diǎn)誤差仍然很大，給貿(mào)易計(jì)量帶來(lái)了不公平，因此，接下來(lái)的研究工作主要是解決小流量點(diǎn)誤差偏大的問(wèn)題。