1 引言
渦輪流量計是葉輪式速度流量計，屬于速(sù)度式測量，即利用測量管道(dào)内介質流動速度來得到流(liú)量。置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流(liú)體流速成正比，通過測(cè)量葉輪的旋轉角速度得到流體流速，從而得到管道内的流量值。在(zài)選擇(zé)渦輪流量計的時候，除了要(yào)求其具有準(zhǔn)确度高、量程大和起始(shǐ)流量小的優點外，壓損小(xiǎo)也是一個關鍵指标(biāo)。流體通過渦輪流量計的壓力損失越小(xiǎo)，則流體由輸入至輸出管道所(suǒ)消耗能量(liàng)就越小，由(yóu)此可大大節約(yuē)能源，降低輸送成本。本文将對(duì)流量計進行實驗對比測量，找(zhǎo)出引起壓損的(de)主要因素，爲針對性地改進設計提供基本實驗依(yī)據。
2 結構與壓力損失(shī)
渦輪(lún)流量計結構示(shì)意如圖1所(suǒ)示，主要組件(jiàn)包括(kuò)整流栅、前導流器、葉輪以及後導流器等(děng)。當流體通過管道時，沖(chòng)擊葉輪，對葉輪産生(shēng)驅動力(lì)矩(jǔ)，使葉(yè)輪克服摩擦力矩和流體(tǐ)阻力矩(jǔ)而旋轉，在一(yī)定的流量(liàng)範圍(wéi)内，葉輪的旋轉角速度與(yǔ)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(zhì)轉換爲模拟電流(liú)量，進而顯示爲瞬時流量值和累積(jī)流量值。
流體從機殼進口流入，首(shǒu)先經過整流栅進行穩流，再進(jìn)入前導流器，前導流器對流體(tǐ)有收斂作用，防止流體發(fā)生分離産生大的渦旋運動(dòng)，前導流(liú)葉片對流體起導向(xiàng)作用，避免流(liú)體自旋(xuán)而改變對葉(yè)輪葉片(piàn)的作用角度，保證測量的準确度。流體經(jīng)葉輪後将以螺線型方式向前流動(dòng)，加(jiā)入(rù)帶(dài)葉片的後導流器對其(qí)進(jìn)行導流(liú)，使流體沿管(guǎn)壁直線流動，減少各種阻力引起(qǐ)的能量損失(shī)。流體通過流量計的壓力損失與介(jiè)質的密度、流速等有關，其計算公式爲：
△P= αρv2/2 （1）
式中 △P - 壓力損失，Pa
α - 壓(yā)損(sǔn)系數(shù)
ρ - 介質密度，kg/m3
v - 流速，m/s
由于ρ和v爲流體流動參數，不能随意增(zēng)減，因此隻能盡量減小壓損系(xì)數α，以(yǐ)達到降低壓損(sǔn)的目的(de)。壓損系數除(chú)了受流體粘性、管徑及管長(zhǎng)等因素影響外，還與流量計内部各部件的幾何結構有關。
3 實(shí)驗測量
實(shí)驗采用口徑DN=1OOmm，量程Q=60~600m3/h的渦輪流量計，在吸氣式試驗台(tái)上分别對介質(zhì)爲空氣（常壓）、不同形狀整流栅、不同(tóng)葉片數葉(yè)輪和不同結構(gòu)的後(hòu)導流器進行測量。
3.1 整流栅(shān)
圖2爲圓孔和方孔兩種形狀(zhuàng)整流栅(shān)，整流栅直(zhí)徑爲1OOmm，寬爲15mm。方孔流通面積約爲圓孔(kǒng)流通(tōng)面積的4/3。中間實體爲固定整流栅螺釘位置。
圖(tú)3是隻改變整流栅條件下，流體經過流量(liàng)計的壓力損失曲線(xiàn)。由圖(tú)知，盡管方孔整流(liú)栅比圓孔增大了(le)1/3的通流面積，但對流體(tǐ)壓損的影響并(bìng)不明顯。在小于300m3/h的範圍内，兩者幾(jǐ)乎沒有差(chà)别，在Q=700m3/h處，方(fāng)孔整流栅最大使壓損降低300Pa，比圓孔整流栅改善約10％，在工作範圍60~600m3/h内，方孔比圓孔平均(jun1)改進約2％，但(dàn)方孔加工難度大(dà)于圓孔，因此，應根據實際情況選擇整流栅(shān)。
3.2 葉輪
葉輪按(àn)照設計要求爲葉片數z=12~20，葉片傾角α=30゜~45゜，重疊度爲1~1.2，葉片與(yǔ)内機殼間(jiān)隙爲0.5mm。爲提高流量計(jì)的靈敏度，可适當增加葉片數。
本文在允許範圍内分别選擇13和20個葉片數的葉輪(lún)進行了測量，結果如圖4所(suǒ)示。可看到，兩條曲線幾乎(hū)重合。說明在允許範圍内，葉輪葉片(piàn)數的增減對壓力損失的影響可以(yǐ)忽略。但采用13葉片數的葉輪時，測得(dé)流量計起始流量(liàng)爲6.5m3/h，而采用20葉片數的葉輪，其起始流量爲5.5m3/h，适當增加葉(yè)片數，可以較明顯地提高(gāo)流量計的靈敏度。值得(dé)注意(yì)的(de)是，增加葉片數會使重疊度增大，過大的重疊度将使流量計性能惡(è)化。
3.3 後導流器
圖5（a）、（b）分别爲全封(fēng)閉和半開式兩種結構的後導流器示意圖。導流葉片數均爲8，内導流體幾何(hé)形狀爲橢球形(xíng)。兩者不(bú)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(yè)片則由導流器中間起到(dào)出口處。
作者在半開(kāi)式基(jī)礎上設計(jì)加工了另一種改進的後導流器：把半(bàn)開式葉片部分縮(suō)短一半，同時将(jiāng)葉片數減少爲4，在原(yuán)無葉段增加與有葉段數目相(xiàng)同(tóng)位(wèi)置均勻(yún)相錯的(de)葉片，但不加外筒。目(mù)的是(shì)盡量在不增加摩擦和阻塞損(sǔn)失情況下，加強對經過葉(yè)輪後旋轉流體的整直(zhí)作用。如(rú)圖6所示。
圖(tú)7爲分别采用三(sān)種後導流器而其餘部件不變條件下流(liú)量計的壓力損失曲(qǔ)線。由(yóu)圖可(kě)知，在流量爲0~100m3/h範圍内，三種結構的壓力損失均很小，可以認爲壓力損失在小(xiǎo)流量工況下對幾何結構不敏感，即後導流器(qì)的幾何形(xíng)狀變化還(hái)沒有對壓損産生影響。随着流量的(de)增大(dà)，三條曲線明顯拉開了距離，其(qí)中全封閉式壓損增長(zhǎng)最快，半開式次之，壓損最小的是改進式(shì)，在額定(dìng)最大流量(liàng)600m3/h處，改進式壓損僅爲700Pa，約爲半開式(shì)壓損的1/2，爲全封閉(bì)式壓(yā)損的1/3。當流量進一步增大，這種差距還将(jiāng)随之(zhī)增加。由此可見，選擇合(hé)适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(yīng)用中，有必要對(duì)前、後導流器幾何參數進行優化，以達到最小壓(yā)損目的。
3.4 儀表系數
考查渦輪流量計性能的(de)另外一個重要指标(biāo)是儀表系數。儀表系數可理解(jiě)爲流(liú)量計(jì)儀表的輸出(chū)流量值(zhí)與通過流(liú)量計的實(shí)際流量值之比。因儀表的輸出流量值與(yǔ)儀表内磁(cí)電轉換器(qì)輸出頻率成正比(bǐ)，故也表示爲輸出頻率(lǜ)與實際流量之(zhī)比，即，
式中 f — 輸出頻率，s-1
qv— 實際(jì)流量，m3/s
Z — 葉輪葉片(piàn)數
r — 葉輪平均半徑，m
F — 流通截面積，m2
θ — 葉片與軸(zhóu)線夾角，rad
由式（2）可(kě)知，理想的(de)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爲一常數，在K-qv圖(tú)上爲一平行橫軸的直線。但對實際的流(liú)體流動，由于葉輪要克服軸承的機械阻(zǔ)力矩、流體産生的阻力矩，并受流動狀态等因(yīn)素的影響，使K不可能保持直線，而在量程範圍内，盡量保證K爲一常數是保證(zhèng)流量計精度的(de)前提條件。
作者(zhě)對改進的後導流器(qì)對流量計儀表系數的影響進行了實驗測試，考察改變結構組件後對儀表性能的影響。圖8爲分别采用半開式和改進的(de)後導流器，流(liú)量計儀表系數的(de)測試結果。
由圖(tú)8可看出，采用改進的後導流器後，流(liú)量計儀表系數比改進前有較好的改善，在量(liàng)程範圍内（60~600m3/h），K很好地體現了系數的(de)特性，甚至在超過最大(dà)量程後，能繼續保持水平直(zhí)線狀态。改進前的(de)流量計值也較好，但(dàn)随(suí)着流量增大，直線略向下傾斜，偏離了水平位置。
4 結論
通過對氣體渦(wō)輪流量計主要組件壓(yā)力損失的實驗測量及(jí)對整(zhěng)流栅形狀(zhuàng)、葉輪葉片數和後導(dǎo)流器不同結(jié)構對壓損影響程度的分析得出結論：後導流器(qì)相對整流(liú)栅和葉輪是壓力損失的主要(yào)因素。當采用改進的後導流結構時，測量結果(guǒ)顯示流量計的壓損被大幅度(dù)降低，同時儀表系數值更加穩定，兩者均使流量計的(de)準确度得到(dào)提高。
