渦輪流量計是葉輪式速度流量計,屬于速度式測量,即利用測量管道內介質流動速度來得到流量。置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比,通過測量葉輪的旋轉角速度得到流體流速,從而得到管道內的流量值。在選擇渦輪流量計的時候,除了要求其具有準確度高、量程大和起始流量小的優點外,壓損小也是一個關鍵指標。流體通過渦輪流量計的壓力損失越小,則流體由輸入至輸出管道所消耗能量就越小,由此可大大節約能源,降低輸送成本。本文將對流量計進行實驗對比測量,找出引起壓損的主要因素,為針對性地改進設計提供基本實驗依據。

　　2　結構與壓力損失

　　渦輪流量計結構示意如圖1所示,主要組件包括整流柵、前導流器、葉輪以及后導流器等。當流體通過管道時,沖擊葉輪,對葉輪產生驅動力矩,使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉,在一定的流量范圍內,葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比。因此,葉輪的轉速通過裝在機殼外的磁電轉換裝置轉換為模擬電流量,進而顯示為瞬時流量值和累積流量值。

　　流體從機殼進口流入,首先經過整流柵進行穩流,再進入前導流器,前導流器對流體有收斂作用,防止流體發生分離產生大的渦旋運動,前導流葉片對流體起導向作用,避免流體自旋而改變對葉輪葉片的作用角度,保證測量的準確度。流體經葉輪后將以螺線型方式向前流動,加入帶葉片的后導流器對其進行導流,使流體沿管壁直線流動,減少各種阻力引起的能量損失。

　　流體通過流量計的壓力損失與介質的密度、流速等有關,其計算公式為:

　　式中　ΔP———壓力損失,Pa

　　α———壓損系數

　　ρ———介質密度,kg/m3

　　v———流速,m/s

　　由于ρ和v為流體流動參數,不能隨意增減,因此只能盡量減小壓損系數α,以達到降低壓損的目的。壓損系數除了受流體粘性、管徑及管長等因素影響外,還與流量計內部各部件的幾何結構有關。

　　3　實驗測量

　　實驗采用口徑DN=100mm,量程Q=60~600m3/h的渦輪流量計,在吸氣式試驗臺上分別對介質為空氣(常壓)、不同形狀整流柵、不同葉片數葉輪和不同結構的后導流器進行測量。

　　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,流體經過流量計的壓力損失曲線。由圖知,盡管方孔整流柵比圓孔增大了1/3的通流面積,但對流體壓損的影響并不明顯。在小于300m3/h的范圍內,兩者幾乎沒有差別,在Q=700m3/h處,方孔整流柵最大使壓損降低300Pa,比圓孔整流柵改善約10%,在工作范圍60~600m3/h內,方孔比圓孔平均改進約2%,但方孔加工難度大于圓孔,因此,應根據實際情況選擇整流柵。

　　3.2　葉輪

　　葉輪按照設計要求為葉片數z=12~20,葉片傾角a=30°~45°,重疊度為1~1.2,葉片與內機殼間隙為0.5mm。為提高流量計的靈敏度,可適當增加葉片數。

　　本文在允許范圍內分別選擇13和20個葉片數的葉輪進行了測量,結果如圖4所示。可看到,兩條曲線幾乎重合。說明在允許范圍內,葉輪葉片數的增減對壓力損失的影響可以忽略。但采用13葉片數的葉輪時,測得流量計起始流量為6.5m3/h,而采用20葉片數的葉輪,其起始流量為5.5m3/h,適當增加葉片數,可以較明顯地提高流量計的靈敏度。值得注意的是,增加葉片數會使重疊度增大,過大的重疊度將使流量計性能惡化。

　　3.3　后導流器

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

作者在半開式基礎上設計加工了另一種改進的后導流器:把半開式葉片部分縮短一半,同時將葉片數減少為4,在原無葉段增加與有葉段數目相同位置均勻相錯的葉片,但不加外筒。目的是盡量在不增加摩擦和阻塞損失情況下,加強對經過葉輪后旋轉流體的整直作用。如圖6所示。

　　圖7為分別采用三種后導流器而其余部件不變條件下流量計的壓力損失曲線。由圖可知,在流量為0~100m3/h范圍內,三種結構的壓力損失均很小,可以認為壓力損失在小流量工況下對幾何結構不敏感,即后導流器的幾何形狀變化還沒有對壓損產生影響。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最快,半開式次之,壓損最小的是改進式,在額定最大流量600m3/h處,改進式壓損僅為700Pa,約為半開式壓損的1/2,為全封閉式壓損的1/3。當流量進一步增大,這種差距還將隨之增加。由此可見,選擇合適的導流器可以大大降低流量計的壓力損失。在流量計的工程應用中,有必要對前、后導流器幾何參數進行優化,以達到最小壓損目的。

　　3.4　儀表系數

　　考查渦輪流量計性能的另外一個重要指標是儀表系數K。儀表系數可理解為流量計儀表的輸出流量值與通過流量計的實際流量值之比。因儀表的輸出流量值與儀表內磁電轉換器輸出頻率成正比,故K也表示為輸出頻率與實際流量之比,即,

　　式　f———輸出頻率,

　　qv———實際流量,m3/s

　　Z———葉輪葉片數

　　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K與結構參數有關,與流量變化無關。對某一流量計,K為一常數,在K-qv圖上為一平行橫軸的直線。但對實際的流體流動,由于葉輪要克服軸承的機械阻力矩、流體產生的阻力矩,并受流動狀態等因素的影響,使K不可能保持直線,而在量程范圍內,盡量保證K為一常數是保證流量計精度的前提條件。

　　作者對改進的后導流器對流量計儀表系數的影響進行了實驗測試,考察改變結構組件后對儀表性能的影響。圖8為分別采用半開式和改進的后導流器,流量計儀表系數的測試結果。

　　由圖8可看出,采用改進的后導流器后,流量計儀表系數比改進前有較好的改善,在量程范圍內(60~600m3/h),K很好地體現了系數的特性,甚至在超過最大量程后,能繼續保持水平直線狀態。改進前的流量計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。

　　通過對氣體渦輪流量計主要組件壓力損失的實驗測量及對整流柵形狀、葉輪葉片數和后導流器不同結構對壓損影響程度的分析得出結論:后導流器相對整流柵和葉輪是壓力損失的主要因素。當采用改進的后導流結構時,測量結果顯示流量計的壓損被大幅度降低,同時儀表系數值更加穩定,兩者均使流量計的準確度得到提高。