葉輪對渦輪流量計性能的影響
摘 要：葉輪是渦輪流量計的重要組成部分，根據理論模型可知，葉輪對渦輪流量計的計量性能具有一定的影響。 針對不同葉輪對渦輪流量計的影響，通過試驗的方法，分析了改變葉輪傾斜角對渦輪流量計計量性能的影響。 結果表明，角度較大的葉輪 B 對其誤差曲線影響較??；角度較小的葉輪 A 對其誤差曲線影響較大。
渦輪流量計具有精度高、重復性好、結構簡單、測量范圍廣、體積小、質量輕、壓力損失小、維修方便等優點，被廣泛應用在石油、化工、冶金、城市燃氣管網等行業中［1］。 隨著渦輪流量計的大量使用，用戶對其計量準確度的要求也越來越高。
葉輪傾斜角 θ 或葉片數 Z 是渦輪流量計設計中的重要參數，直接影響流量計的計量性能。 θ 角減小，當進入流量計被測流體流速相同時，葉輪速度將提高。 當其它條件不變時，隨著 θ 角減小，葉輪轉速增大，提高了儀表的靈敏度［2］。 但轉速提高使阻力矩增大，被測流體的壓力損失增大，軸承磨損增大，儀表壽命降低。
在研發氣體渦輪流量計的過程中， 針對葉輪傾斜角 θ 大小的改變對渦輪流量計性能的影響進行研究。
1、渦輪流量計的測量原理與結構：
1.1、基本結構：
渦輪流量計主要由整流器、葉輪、磁性聯軸器、機械計數器、齒輪變速器等組件組成。
1.2、基本原理：
渦輪流量計是一種流體測量裝置， 流體的動力驅使葉輪旋轉，其旋轉速度與體積流量近似成正比例。 通過流量計的流體體積是基于葉輪的旋轉數得到的，主要是運用磁電轉換裝置或者機械輸出裝置將渦輪轉速轉化成電脈沖，送入二次儀表進行計算和顯示，由單位時間內電脈沖和累計電脈沖數來反映瞬時和累計流量。
1.3、葉輪：
渦輪葉輪亦稱葉輪，一般采用工程塑料、鋼或鋁合金材質，其作用是把流體動能轉換成機械能。 按照設計要求，葉輪葉片數為 Z=12~20，葉片傾斜角 θ=30~45°，重疊度為 1~1.2，葉片與內機殼間隙為 0.5~1 mm。 為提高渦輪流量計的計量性能， 可適當增加葉片數或調整傾斜角［3］。
1.4、理論依據：
渦輪流量計的數學模型為：
| J | dω | =Tr-Trm-Trf-Tre | （1） | |||||||||
| dt | ||||||||||||
| K= | Z | （ | tanθ | – | Trm | – | Trf | ） | （2） | |||
| 22 | 22 | |||||||||||
| 2πrA | r ρqv | r ρqv | ||||||||||
| q=f/K | （3） | |||||||||||
式中：J 為渦輪的轉動慣量；ω 為渦輪葉輪的旋轉角速度；Tr 為流體對葉片產生的推動力矩；Trm 為渦輪軸與軸承之間摩擦產生的機械摩擦阻力矩；Trf 為流體通過渦輪時產生的流動阻力矩；Tre 為電磁轉換器對渦輪產生的電磁阻力矩；Z 為渦輪葉片數；θ 為葉片傾斜角；r為葉片的平均半徑；A 為流通截面積；ρ 為流體的密度； f 為信號脈沖頻率；q 為體積流量；K 為儀表系數 ；qv 為瞬時體積流量。
根據數學模型可以定性判斷出渦輪流量計的計量性能與葉輪的葉片傾斜角有關， 筆者選取不同 θ 角的葉輪在同一臺渦輪流量計上進行試驗， 分析其對渦輪流量計的影響。
2、試驗及試驗數據分析：
2.1、試驗介紹：
試驗選取相同內徑、外徑的葉輪，只是葉輪的傾斜角、 葉片數及質量可能不 向沿頂圓展開同，對渦輪流量計的性能進行研究。 葉輪傾斜角的平面圖如圖 1 所示。
葉輪傾斜角平面圖
| Eij= | Vij-（Vs）ij | ×100% |
| （Vs）ij | ||
式中：Eij 為第 i 檢定點第 j 次檢定被檢流量計的相對示值誤差，%；Vij 為第 i 檢定點第 j 次檢定時流量計顯示的累積流量值，m3；（Vs）ij 為第 i 檢定點第 j 次檢定時標準器換算到流量計處狀態的累積流量值，m3。
試 驗 選 取 一 臺 0.5 級 標 準 的 TGM/G250/DN80/ PN16 氣體渦輪流量計， 選用兩種不同參數的葉輪，在試驗中研究葉輪對渦輪流量計計量性能的影響。試驗所用葉輪 A 與 B 的差別見表 1。
| 表 1 | 葉輪對比 | |||
| 葉輪 | 角度 θ/（°） | 質量/g | 溫度/℃ | |
| A | 35.5 | 38 | 20 | |
| B | 49 | 39 | 20 | |
試驗之前， 分別對裝有不同葉輪的渦輪流量計進
| 行空載計時，見表 2。 | ||||||
| 表 2 | 自轉時間s | 選用葉輪 A 時的試驗 | ||||
| 數據見表 3。 | ||||||
| 葉輪 | 自轉時間 | |||||
| 選用葉輪 | 時的試驗 | |||||
| A | 142 | B | ||||
| B | 160 | 數據見表 4。 | ||||
| 根據表 3 和表 4 作出葉輪 A 和葉輪 B 的誤差曲 | ||||||
線圖，如圖 2 和圖 3 所示，葉輪 A 在流量 20～400 m3/h時 ，0.5 級是合格的，在 100 m3/h 誤差出現突變情況；葉輪 B 在流量 12～400 m3/h 時，0.5 級是合格的。
根據表 3 和表 4 作出葉輪 A 和葉輪 B 的誤差對比圖，如圖 4 所示。由圖 4 可以看出， 葉輪 B 的誤差曲線在流量點50～400 m3/h 的線性比葉輪 A 的線性要好； 在流量點8～12 m3/h， 誤差大概為-1%～-3%左右 ， 均為不合格點。
3、結論：
通過試驗， 分別對不同傾斜角葉輪進行研究，得出如下結論：
（1）葉輪 B 在小流量點的誤差優于葉輪 A；
（2）兩葉輪在流量點 100 m3/h 都出現誤差突變；
（3）葉輪 A 在線性區誤差更趨近零點；
（4）葉輪 B 在線性區誤差偏離零點 ，但是仍在誤差范圍內；
表 3 葉輪 A 試驗數據
| 流量點/（m3·h-1） | 400 | 250 | 160 | 100 | 64 | 40 | 12.5 | ||||||||||||||
| 瞬時流量點/（m3·h-1） | 390.3 | 243.06 | 157.67 | 100.90 | 63.91 | 38.8 | 13 | ||||||||||||||
| 誤差/% | -0.4734 | -0.270 8 | -0.297 3 | 0.375 1 | -0.355 1 | -0.333 5 | -3.034 3 | ||||||||||||||
| 表 4 | 葉輪 B 試驗數據 | ||||||||||||||||||||
| 流量點/（m3·h-1） | 400 | 250 | 160 | 100 | 64 | 40 | 12.5 | 8 | |||||||||||||
| 瞬時流量點/（m3·h-1） | 390.3 | 243.06 | 157.67 | 100.90 | 63.91 | 38.8 | 13 | 8.13 | |||||||||||||
| 誤差/% | 0.289 2 | 0.468 7 | 0.460 0 | 0.504 | 1 | 0.297 0 | 0.49 | 0.128 3 | -3.243 1 | ||||||||||||
▲圖 2
葉輪 A 誤差曲線圖
▲圖 3
葉輪 B 誤差曲線圖
▲圖 4 葉輪 A 與 B 誤差對比圖
（5）對于量程大的渦輪流量計，應該優選傾斜角較小的葉輪；而對于量程小的渦輪流量計，應該優選傾斜角較大的葉輪；
（6）在小流量點區域 ，不管是葉輪 A 還是葉輪 B，計量誤差仍然很大。
總之， 葉輪傾斜角只影響誤差曲線在線性區偏離零點的幅度，但是在小流量點誤差仍然很大，給貿易計量帶來了不公平，因此，接下來的研究工作主要是解決小流量點誤差偏大的問題。