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涡轮气体流量计关键零件的优化设计

时间:2017-09-09 09:10 来源:http://www.shslgs.com 点击数:

介绍了对涡轮气体流量计中关键部件前导流、叶轮的结构优化设计能及实验结论,从抑制流动分离涡的产生、降 低压力损失、小流量线性度和精度等方面取得一定的效果。

引言

涡轮流量计利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流 速的关系,通过测量叶轮的转速来反映通过管道的气体的体 积流量大小,是一类测量精度相对较高的封闭管道流体测量 仪表。

通过对国内外同类产品的流量范围、压力损失以及始动 流量进行综合比较,发现关键零件前导流、叶轮具有继续优 化改进的空间:国内外同类产品前导流的型式多为锥形和半 球加直管段型,这两种形式的前导流实际上对流量计的计量 精度产生了一定的影响,因为,这两种型式的前导流不能很 好的起到整流的效果,进而影响了流量计的计量精度。叶轮 所比较流行的是直板式和螺旋式两种模式。直板型尽管加工 工艺简单,但是存在着泄露量大的缺点;螺旋型叶轮尽管降 低了泄露量,但是加工工艺相对较复杂。

1.前导流设计

前导流器对涡轮流量计精确度的影响很大,其形状可以 设计成半圆球形或半楠圆形,但流动效果最好的属流线形。

气流速度场的稳定均匀对流量计的精度有重要影响,以 往流量计的处理方法是在前导流器前面加整流栅。通过实验 发现,整流栅虽对气流起到了稳定的作用,但也带来了很大 的负作用:使压力损失大大提高(为不加整流栅的1. 5)。 通过计算,抛弃了原有的整流栅结构,改为在前导流器上加 导流叶片,叶片数和几何尺寸及位置均由数值模拟得出。这 样前导流器的功能增加了,同时流量计的整体尺寸被减小, 实验测量结果表明即使在小流量下也能得到很好的线性度 和精度。

2.叶轮设计

根据对叶轮形式的比较,现在结构设计中比较流行的为 直板式叶片叶轮和螺旋式叶片叶轮,通过比较,为弥补两种 叶轮的不足,设计了倒梯形式叶片叶轮,下面将对其做具体 分析。

2.1直板式叶片叶轮(图2)

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这种叶轮的叶片形式如图中左上角所示为一直板型式, 叶轮叶片在轴向上的重叠度为1,所以此种设计出的叶轮泄 露量比较大,使得叶轮的仪表系数偏下,同时提高了叶轮旋 转所需的气流流量,即整个流量计的始动流量提高,影响了 仪表的使用。

2.2蠊旋型叶片叶轮(图3)

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螺旋型叶片叶轮为目前在涡轮流量计叶轮中使用比较 的广泛的叶轮形式,因为这种叶轮的叶片型式为螺旋型即扇 形,它克服了直板式叶片叶轮所不能克服的泄露区间问题, 但是,对于螺旋型叶片叶轮的加工确实一个难题,由于其螺旋面较大,无论是利用塑料模注塑加工还是利用加工中心进 行数控加工其加工起来都较为复杂。因为螺旋型面的缘故, 叶轮叶片外缘和叶轮叶片内缘螺旋升角的不同使得螺旋形 叶轮涡轮流量计的仪表系数的计算较为复杂。

2.3改进后的倒梯形型叶片叶轮(图5)

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在增加重叠度同时适当减小叶片根部宽度,使叶片呈倒 梯形,一方面可保证叶片顶、根部重叠度相同,另一方面降 低了死角区涡流的产生,减小压力损失。与传统叶轮相比, 该叶轮有以下特点:叶片重叠度增大;叶片形状呈倒梯形; 叶片与筒壁的间隙减小。

叶轮数比传统数目增多,目的在于增加叶片重叠度,较 高的重叠度可提高流量计的灵敏度,降低起始流量。但重叠 度的增加由流动原理分析会引起两个后果:增加叶片数使根 部密度增加,从而使阻力损失增大;增加叶轮重量,给叶轮 的启动增加了负担。

叶轮重量方面使叶轮轴向减少适当尺寸以达到原叶轮 重量。改进后的叶轮经过与原有叶轮的试验测试比较,得出 增加叶片数后的流量计压力损失曲线与增加前几乎重合,说 明压力损失没有因叶片数的增加而增加。通过对起始流量的 测量,新叶轮比原叶轮有明显降低。

叶片与筒壁的间隙从设计要求出发应尽量小,考虑到工 艺,本机将原间隙减小了 0.2»,以达到最低限度减小该环 形通道表面上由气流摩擦和涡流引起的损失。

3.实验方案

为进一步确定叶轮和前导流的参数,确定了 19种实验

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4.实验结果(摘选

实验方案:流线型前导流、22片叶轮。如图9所示,该 方案所示的误差曲线比较平稳,尽管前段有一些波动,但是 后段能够取得较理想的结果。并且它的起步流量较低。它的 最大流量为988.27 m3/h此时的压力损失为110.4immh20

9方案十八的测试曲线

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通过分析各误差曲线,以及当它们达到最大流量时的压 力损失,我们不难看出,方案十八为这些方案中较好的方案, 及流线型前导流,22片叶片叶轮,无后导流。在这种方案中, 能够较好的降低始动流量,减少压损,提高精度。

5.结论

试验证明采用流线形的导流器,可明显抑制流动分离涡 的产生、并使主流速度分布更加合理,具有在保证流动稳定 性条件下显著降低压力损失的优点,随着流量增大,流线形 的压力损失低于半楠圆形的趋势越来越大。

在叶片上抛弃了原有的整流栅结构,改为在前导流上加 导流叶片,叶片数和几何尺寸及位置均由数值模拟得出。采 取的方案是:在增加重叠度同时适当减小叶片根部宽度,使 叶片呈倒梯形,一方面可保证叶片顶、根部重叠度相同,另 一方面降低了死角区涡流的产生,减小压力损失。叶轮重量 方面使叶轮轴向减少适当尺寸以达到原叶轮重量。这样前导 流的功能增加了,同时流量计的整体尺寸被减小,实验测量 结果表明即使在小流量下也能得到很好的线性度和精度。

改进后的叶轮经过与原有叶轮的试验测试比较,得出增 加叶片数后的流量计压力损失曲线与增加前几乎重合,说明 压力损失没有因叶片数的增加而增加。通过对起始流量的测 量,新叶轮比原叶轮有明显降低。

以上设计改进结果从流动原理分析和试验测量两方面 均得到了一致的结果,而且重复性良好,表明流量计气动设 计合理。

与其他型式的流量计一样,涡轮流量计在应用中问题比 较复杂。这种复杂性在于:被测介质处于连续运动状态,由 很多参数决定的介质运动特性对流量示值的准确度影响很大。