介紹了對渦輪氣體流量計中關鍵部件前導流、葉輪的結構優(yōu)化設計能及實驗結論,從抑制流動分離渦的產(chǎn)生、降 低壓力損失、小流量線性度和精度等方面取得一定的效果。
引言
渦輪流量計利用置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流 速的關系,通過測量葉輪的轉速來反映通過管道的氣體的體 積流量大小,是一類測量精度相對較高的封閉管道流體測量 儀表。
通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品的流量范圍、壓力損失以及始動 流量進行綜合比較,發(fā)現(xiàn)關鍵零件前導流、葉輪具有繼續(xù)優(yōu) 化改進的空間:國內(nèi)外同類產(chǎn)品前導流的型式多為錐形和半 球加直管段型,這兩種形式的前導流實際上對流量計的計量 精度產(chǎn)生了一定的影響,因為,這兩種型式的前導流不能很 好的起到整流的效果,進而影響了流量計的計量精度。葉輪 所比較流行的是直板式和螺旋式兩種模式。直板型盡管加工 工藝簡單,但是存在著泄露量大的缺點;螺旋型葉輪盡管降 低了泄露量,但是加工工藝相對較復雜。
1.前導流設計
前導流器對渦輪流量計精確度的影響很大,其形狀可以 設計成半圓球形或半楠圓形,但流動效果最好的屬流線形。
氣流速度場的穩(wěn)定均勻對流量計的精度有重要影響,以 往流量計的處理方法是在前導流器前面加整流柵。通過實驗 發(fā)現(xiàn),整流柵雖對氣流起到了穩(wěn)定的作用,但也帶來了很大 的負作用:使壓力損失大大提高(為不加整流柵的1. 5倍)。 通過計算,拋棄了原有的整流柵結構,改為在前導流器上加 導流葉片,葉片數(shù)和幾何尺寸及位置均由數(shù)值模擬得出。這 樣前導流器的功能增加了,同時流量計的整體尺寸被減小, 實驗測量結果表明即使在小流量下也能得到很好的線性度 和精度。
2.葉輪設計
根據(jù)對葉輪形式的比較,現(xiàn)在結構設計中比較流行的為 直板式葉片葉輪和螺旋式葉片葉輪,通過比較,為彌補兩種 葉輪的不足,設計了倒梯形式葉片葉輪,下面將對其做具體 分析。
2.1直板式葉片葉輪(圖2)

這種葉輪的葉片形式如圖中左上角所示為一直板型式, 葉輪葉片在軸向上的重疊度為1,所以此種設計出的葉輪泄 露量比較大,使得葉輪的儀表系數(shù)偏下,同時提高了葉輪旋 轉所需的氣流流量,即整個流量計的始動流量提高,影響了 儀表的使用。
2.2蠊旋型葉片葉輪(圖3)

螺旋型葉片葉輪為目前在渦輪流量計葉輪中使用比較 的廣泛的葉輪形式,因為這種葉輪的葉片型式為螺旋型即扇 形,它克服了直板式葉片葉輪所不能克服的泄露區(qū)間問題, 但是,對于螺旋型葉片葉輪的加工確實一個難題,由于其螺旋面較大,無論是利用塑料模注塑加工還是利用加工中心進 行數(shù)控加工其加工起來都較為復雜。因為螺旋型面的緣故, 葉輪葉片外緣和葉輪葉片內(nèi)緣螺旋升角的不同使得螺旋形 葉輪渦輪流量計的儀表系數(shù)的計算較為復雜。
2.3改進后的倒梯形型葉片葉輪(圖5)

在增加重疊度同時適當減小葉片根部寬度,使葉片呈倒 梯形,一方面可保證葉片頂、根部重疊度相同,另一方面降 低了死角區(qū)渦流的產(chǎn)生,減小壓力損失。與傳統(tǒng)葉輪相比, 該葉輪有以下特點:葉片重疊度增大;葉片形狀呈倒梯形; 葉片與筒壁的間隙減小。
葉輪數(shù)比傳統(tǒng)數(shù)目增多,目的在于增加葉片重疊度,較 高的重疊度可提高流量計的靈敏度,降低起始流量。但重疊 度的增加由流動原理分析會引起兩個后果:增加葉片數(shù)使根 部密度增加,從而使阻力損失增大;增加葉輪重量,給葉輪 的啟動增加了負擔。
葉輪重量方面使葉輪軸向減少適當尺寸以達到原葉輪 重量。改進后的葉輪經(jīng)過與原有葉輪的試驗測試比較,得出 增加葉片數(shù)后的流量計壓力損失曲線與增加前幾乎重合,說 明壓力損失沒有因葉片數(shù)的增加而增加。通過對起始流量的 測量,新葉輪比原葉輪有明顯降低。
葉片與筒壁的間隙從設計要求出發(fā)應盡量小,考慮到工 藝,本機將原間隙減小了 0.2?,以達到最低限度減小該環(huán) 形通道表面上由氣流摩擦和渦流引起的損失。
3.實驗方案
為進一步確定葉輪和前導流的參數(shù),確定了 19種實驗


4.實驗結果(摘選)
實驗方案:流線型前導流、22片葉輪。如圖9所示,該 方案所示的誤差曲線比較平穩(wěn),盡管前段有一些波動,但是 后段能夠取得較理想的結果。并且它的起步流量較低。它的 最大流量為988.27 m3/h,此時的壓力損失為110.4immh20。
圖9方案十八的測試曲線

通過分析各誤差曲線,以及當它們達到最大流量時的壓 力損失,我們不難看出,方案十八為這些方案中較好的方案, 及流線型前導流,22片葉片葉輪,無后導流。在這種方案中, 能夠較好的降低始動流量,減少壓損,提高精度。
5.結論
試驗證明采用流線形的導流器,可明顯抑制流動分離渦 的產(chǎn)生、并使主流速度分布更加合理,具有在保證流動穩(wěn)定 性條件下顯著降低壓力損失的優(yōu)點,隨著流量增大,流線形 的壓力損失低于半楠圓形的趨勢越來越大。
在葉片上拋棄了原有的整流柵結構,改為在前導流上加 導流葉片,葉片數(shù)和幾何尺寸及位置均由數(shù)值模擬得出。采 取的方案是:在增加重疊度同時適當減小葉片根部寬度,使 葉片呈倒梯形,一方面可保證葉片頂、根部重疊度相同,另 一方面降低了死角區(qū)渦流的產(chǎn)生,減小壓力損失。葉輪重量 方面使葉輪軸向減少適當尺寸以達到原葉輪重量。這樣前導 流的功能增加了,同時流量計的整體尺寸被減小,實驗測量 結果表明即使在小流量下也能得到很好的線性度和精度。
改進后的葉輪經(jīng)過與原有葉輪的試驗測試比較,得出增 加葉片數(shù)后的流量計壓力損失曲線與增加前幾乎重合,說明 壓力損失沒有因葉片數(shù)的增加而增加。通過對起始流量的測 量,新葉輪比原葉輪有明顯降低。
以上設計改進結果從流動原理分析和試驗測量兩方面 均得到了一致的結果,而且重復性良好,表明流量計氣動設 計合理。
與其他型式的流量計一樣,渦輪流量計在應用中問題比 較復雜。這種復雜性在于:被測介質處于連續(xù)運動狀態(tài),由 很多參數(shù)決定的介質運動特性對流量示值的準確度影響很大。