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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。
2 結(jié)構(gòu)與壓力損失
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(jī)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(jī)殼進(jìn)口流入,首先經(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(yùn)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= αρv2/2 (1)
式中 △P - 壓力損失,Pa
α - 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)α,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(shí)驗(yàn)測量
實(shí)驗(yàn)采用口徑DN=1OOmm,量程Q=60~600m3/h的渦輪流量計,在吸氣式試驗(yàn)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1OOmm,寬為15mm。方孔流通面積約為圓孔流通面積的4/3。中間實(shí)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(nèi),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(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(shí)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α=30゜~45゜,重疊度為1~1.2,葉片與內(nèi)機(jī)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(qiáng)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最快,半開式次之,壓損最小的是改進(jìn)式,在額定最大流量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)到最小壓損目的。
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)。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(shí)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,故也表示為輸出頻率與實(shí)際流量之比,即,
(2)
式中 f — 輸出頻率,s-1
qv— 實(shí)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)。對某一流量計,K為一常數(shù),在K-qv圖上為一平行橫軸的直線。但對實(shí)際的流體流動,由于葉輪要克服軸承的機(jī)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(shí)驗(yàn)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,甚至在超過最大量程后,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(shí)驗(yàn)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。