葉片螺旋角對氣體渦輪流量計性能影響的分析

劉民杰，閻 兵

(1.天津大學仁愛學院，天津 301636;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222)

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葉片螺旋角對氣體渦輪流量計性能影響的分析

劉民杰1，閻 兵2

(1.天津大學仁愛學院，天津 301636;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222)

在分析氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型的基礎(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)。

渦輪流量計；葉片角度；儀表系數(shù)；壓力損失；計量精度；實驗分析

0 引言

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[1-2]，如圖1所示。

1—導流器；2—葉輪；3—軸、軸承；4—殼體；5—脈沖發(fā)生器；6—智能積算儀；7—脈沖信號傳感器圖1 氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)原理

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[3]。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(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(guān)系，其計算公式為[9]

(1)

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(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=fdr=rρqv(u1tanθ-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)，要得到最大推動力矩，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)

注：1 atm=101.325 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)測每一流量點處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。

圖4 氣體渦輪流量計檢定現(xiàn)場

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。

(3)

(4)

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。

表2 螺旋升角35°渦輪流量計

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)

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

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。

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,而且最大誤差超過0.8%，計量精度較差。

圖5 不同螺旋角儀表系數(shù)曲線

圖6 不同螺旋角儀表誤差曲線

3.2.3 壓力損失

如圖7所示，35°渦輪流量計的最大壓損達到了3 500 Pa以上，而55°渦輪則只有1 500 Pa左右，可明顯看出55°葉輪的過流性最好，壓力損失相比其他兩種角度的渦輪最小。

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。

[1] 張永紅.天然氣流量計量.2版.北京:石油工業(yè)出版社，2001.

[2] 梁秀霞，張凌華，高連強，等.基于HART總線的渦輪流量計.儀表技術(shù)與傳感器，2008(2)：12-14

[3] 王俊芳.氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)型式分析.機械工程師,2007(12)：112-113.

[4] 劉正先，徐蓮環(huán).渦輪流量計前導流器的結(jié)構(gòu)與性能.機械工程學報，2008，44(1)：233-237.

[5] 劉正先,孟慶國，梁永超，等.氣體渦輪流量計的改進及實驗測量.流體機械，2003，31(5) ：8-10.

[6] 劉正先，王永，張志安，等.氣體渦輪流量計的實驗分析.流體機械，2003，340(6) ：21-23.

[7] 鄭建梅,劉正先,梁永超.對氣體渦輪流量計儀表系數(shù)穩(wěn)定性的分析.城市燃氣，2007,386(4) ：9-11.

[8] LI Z,DU Z,ZHANG K,et al.Design and analysis of flow rectifier of gas turbine flowmeter.Thermal Science,2013,17(5) ：1504-1507.

[9] 趙學端,應(yīng)啟戛,沈昱明.渦輪流量計數(shù)學模型與優(yōu)化設(shè)計.上海機械學院學報,1985 (2) ：1-13.

Analysis of Blade Helix Angle Effect on Performances of Gas Turbine Flowmeter

LIU Min-jie1，YAN Bing2

(1.Renai College of Tianjin University, Tianjin 301636，China; 2.College of Mechanical Engineering , Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)

Based on the analysis of the structure and mathematical model of gas turbine flowmeter, the blade helix angle of impellor 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.

turbine flowmeter; blade helix angle; instrument coefficient; pressure loss; measurement accuracy; experimental analysis

2015-03-19 收修改稿日期：2015-06-02

TH814

A

1002-1841(2015)11-0018-03

劉民杰(1981— )，講師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為機械裝備與數(shù)字化制造技術(shù)。E-mail：lijie9142@sina.com 閻兵(1968— )，教授，博士研究生，主要研究領(lǐng)域為虛擬制造，切削動力學，微進給技術(shù)等。E-mail：meyanbing@126.com