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構和數(shù)學模型的基礎上，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。實驗結果表明，合理設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。
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，當氣體流經(jīng)流量計時，在導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、后導流裝置和渦輪等關鍵部件的結構和型式開展。劉正先等通過實驗分析，提出改進前、后導流器結構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 技術與實驗相結合驗證了對整流器的優(yōu)化設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)學模型與渦輪參數(shù)選擇：
1.1、數(shù)學模型：
氣體渦輪流量計的數(shù)學模型是根據(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 為葉片結構角; 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計有關，流體阻力矩 Trf 與流體流動狀態(tài)有關，這兩個力矩在此不做詳細介紹。當被測介質(zhì)一定時，儀表系數(shù)與葉片數(shù)量、葉片角度和中徑有關，所以設計合理的渦輪結構形式對改善儀表性能有重要意義。
1.2、渦輪結構參數(shù)選擇：
渦輪結構有焊接式和整體式，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 技術和數(shù)控加工技術直接加工成型。葉片型式主要有平板式和螺旋式，平板式葉片主要應用于大外徑焊接式渦輪，而螺旋式葉片應用較為廣泛; 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，采用整體式葉輪結構，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，渦輪結構參數(shù)如圖 2 所示。
圖 2 整體葉輪結構圖
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。硬件包括標準吸風裝置、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
由標準吸風裝置產(chǎn)生負壓使標準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)采集點處標準羅茨流量計的輸出可獲得準確度誤差。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 | 標準吸風裝置 | ***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)，包括某一時刻標準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)，平均流量是隨機設定標準吸風裝置的輸出流量，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 － 標準表累積流量 × 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 | ，， | 標準表累積流量 | 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 ) | 標準表累積流量 /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。