摘要：對氣體渦輪流量計的主要組件引起的壓力損失進(jìn)行了對比實驗測量，比較了整流柵形狀、葉輪葉片數(shù)和后導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對壓損的影響程度。結(jié)果表明，后導(dǎo)流器相對整流柵和葉輪是產(chǎn)生壓力損失的主要因素，采取改進(jìn)的后導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可以明顯降低流量計的壓損，同時得到更好的儀表系數(shù)值，提高流量計準(zhǔn)確度。

1、引言

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(nèi)介質(zhì)流動速度來得到流量。置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到流體流速，從而得到管道內(nèi)的流量值。在選擇渦輪流量計的時候，除了要求其具有準(zhǔn)確度高、量程大和起始流量小的優(yōu)點外，壓損小也是一個關(guān)鍵指標(biāo)。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(jié)約能源，降低輸送成本。本文將對流量計進(jìn)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(jìn)設(shè)計提供基本實驗依據(jù)。

2、結(jié)構(gòu)與壓力損失

高壓氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要組件包括整流柵、前導(dǎo)流器、葉輪以及后導(dǎo)流器等。當(dāng)流體通過管道時，沖擊葉輪，對葉輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉(zhuǎn)，在一定的流量范圍內(nèi)，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。因此，葉輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機殼外的磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為模擬電流量，進(jìn)而顯示為瞬時流量值和累積流量值。

流體從機殼進(jìn)口流入，*先經(jīng)過整流柵進(jìn)行穩(wěn)流，再進(jìn)入前導(dǎo)流器，前導(dǎo)流器對流體有收斂作用，防止流體發(fā)生分離產(chǎn)生大的渦旋運動，前導(dǎo)流葉片對流體起導(dǎo)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(zhǔn)確度。流體經(jīng)葉輪后將以螺線型方式向前流動，加入帶葉片的后導(dǎo)流器對其進(jìn)行導(dǎo)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(zhì)的密度、流速等有關(guān)，其計算公式為：
△P=aρv²/2   （2）

式中

△P———壓力損失，Pa

a———壓損系數(shù)

ρ———介質(zhì)密度，kg/m³

v———流速，m/s

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

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(zhì)為空氣（常壓）、不同形狀整流柵、不同葉片數(shù)葉輪和不同結(jié)構(gòu)的后導(dǎo)流器進(jìn)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(jīng)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萬方數(shù)據(jù)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(nèi)，兩者幾乎沒有差別，在Q=700m³/h處，方孔整流柵*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(nèi)，方孔比圓孔平均改進(jìn)約2%，但方孔加工難度大于圓孔，因此，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇整流柵。

3.2葉輪

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

本文在允許范圍內(nèi)分別選擇13和20個葉片數(shù)的葉輪進(jìn)行了測量，結(jié)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(nèi)，葉輪葉片數(shù)的增減對壓力損失的影響可以忽略。但采用13葉片數(shù)的葉輪時，測得流量計起始流量為6.5m³/h，而采用20葉片數(shù)的葉輪，其起始流量為5.5m³/h，適當(dāng)增加葉片數(shù)，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(shù)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(dǎo)流器

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

作者在半開式基礎(chǔ)上設(shè)計加工了另一種改進(jìn)的后導(dǎo)流器：把半開式葉片部分縮短一半，同時將葉片數(shù)減少為4，在原無葉段增加與有葉段數(shù)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(jīng)過葉輪后旋轉(zhuǎn)流體的整直作用。如圖6所示。

圖7為分別采用三種后導(dǎo)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(nèi)，三種結(jié)構(gòu)的壓力損失均很小，可以認(rèn)為壓力損失在小流量工況下對幾何結(jié)構(gòu)不敏感，即后導(dǎo)流器的幾何形狀變化還沒有對壓損產(chǎn)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*快，半開式次之，壓損*小的是改進(jìn)式，在額定*大流量600m³/h處，改進(jìn)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(dāng)流量進(jìn)一步增大，這種差距還將隨之增加。由此可見，選擇合適的導(dǎo)流器可以大大降低流量計的壓力損失。在流量計的工程應(yīng)用中，有必要對前、后導(dǎo)流器幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到*小壓損目的。

3.4儀表系數(shù)

考查渦輪流量計性能的另外一個重要指標(biāo)是儀表系數(shù)K。儀表系數(shù)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(nèi)磁電轉(zhuǎn)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，

式中

f———輸出頻率，s-1

qv———實際流量，m³/s

Z———葉輪葉片數(shù)

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(shù)K與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量變化無關(guān)。對某**量計，K為一常數(shù)，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(chǎn)生的阻力矩，并受流動狀態(tài)等因素的影響，使K不可能保持直線，而在量程范圍內(nèi)，盡量保證K為一常數(shù)是保證流量計精度的前提條件。

作者對改進(jìn)的后導(dǎo)流器對流量計儀表系數(shù)的影響進(jìn)行了實驗測試，考察改變結(jié)構(gòu)組件后對儀表性能的影響。圖8為分別采用半開式和改進(jìn)的后導(dǎo)流器，流量計儀表系數(shù)的測試結(jié)果。

由圖8可看出，采用改進(jìn)的后導(dǎo)流器后，流量計儀表系數(shù)比改進(jìn)前有較好的改善，在量程范圍內(nèi)（60～600m³/h），K很好地體現(xiàn)了系數(shù)的特性，甚至在超過*大量程后，能繼續(xù)保持水平直線狀態(tài)。改進(jìn)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。

4、結(jié)論

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(shù)和后導(dǎo)流器不同結(jié)構(gòu)對壓損影響程度的分析得出結(jié)論：后導(dǎo)流器相對整流柵和葉輪是壓力損失的主要因素。當(dāng)采用改進(jìn)的后導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時，測量結(jié)果顯示流量計的壓損被大幅度降低，同時儀表系數(shù)值更加穩(wěn)定，兩者均使流量計的準(zhǔn)確度得到提高。