介紹了對(duì)渦輪氣體流量計(jì)中關(guān)鍵部件前導(dǎo)流、葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能及實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從抑制流動(dòng)分離渦的產(chǎn)生、降 低壓力損失、小流量線性度和精度等方面取得一定的效果。

引言

渦輪流量計(jì)利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流 速的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映通過(guò)管道的氣體的體 積流量大小，是一類(lèi)測(cè)量精度相對(duì)較高的封閉管道流體測(cè)量 儀表。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的流量范圍、壓力損失以及始動(dòng) 流量進(jìn)行綜合比較，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵零件前導(dǎo)流、葉輪具有繼續(xù)優(yōu) 化改進(jìn)的空間：國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品前導(dǎo)流的型式多為錐形和半 球加直管段型，這兩種形式的前導(dǎo)流實(shí)際上對(duì)流量計(jì)的計(jì)量 精度產(chǎn)生了一定的影響，因?yàn)?，這兩種型式的前導(dǎo)流不能很 好的起到整流的效果，進(jìn)而影響了流量計(jì)的計(jì)量精度。葉輪 所比較流行的是直板式和螺旋式兩種模式。直板型盡管加工 工藝簡(jiǎn)單，但是存在著泄露量大的缺點(diǎn)；螺旋型葉輪盡管降 低了泄露量，但是加工工藝相對(duì)較復(fù)雜。

1.前導(dǎo)流設(shè)計(jì)

前導(dǎo)流器對(duì)渦輪流量計(jì)精確度的影響很大，其形狀可以 設(shè)計(jì)成半圓球形或半楠圓形，但流動(dòng)效果最好的屬流線形。

氣流速度場(chǎng)的穩(wěn)定均勻?qū)α髁坑?jì)的精度有重要影響，以 往流量計(jì)的處理方法是在前導(dǎo)流器前面加整流柵。通過(guò)實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)，整流柵雖對(duì)氣流起到了穩(wěn)定的作用，但也帶來(lái)了很大 的負(fù)作用：使壓力損失大大提高（為不加整流柵的1. 5倍)。 通過(guò)計(jì)算，拋棄了原有的整流柵結(jié)構(gòu)，改為在前導(dǎo)流器上加 導(dǎo)流葉片，葉片數(shù)和幾何尺寸及位置均由數(shù)值模擬得出。這 樣前導(dǎo)流器的功能增加了，同時(shí)流量計(jì)的整體尺寸被減小， 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明即使在小流量下也能得到很好的線性度 和精度。

2.葉輪設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)葉輪形式的比較，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較流行的為 直板式葉片葉輪和螺旋式葉片葉輪，通過(guò)比較，為彌補(bǔ)兩種 葉輪的不足，設(shè)計(jì)了倒梯形式葉片葉輪，下面將對(duì)其做具體 分析。

2.1直板式葉片葉輪（圖2)

這種葉輪的葉片形式如圖中左上角所示為一直板型式， 葉輪葉片在軸向上的重疊度為1，所以此種設(shè)計(jì)出的葉輪泄 露量比較大，使得葉輪的儀表系數(shù)偏下，同時(shí)提高了葉輪旋 轉(zhuǎn)所需的氣流流量，即整個(gè)流量計(jì)的始動(dòng)流量提高，影響了 儀表的使用。

2.2蠊旋型葉片葉輪（圖3)

螺旋型葉片葉輪為目前在渦輪流量計(jì)葉輪中使用比較 的廣泛的葉輪形式，因?yàn)檫@種葉輪的葉片型式為螺旋型即扇 形，它克服了直板式葉片葉輪所不能克服的泄露區(qū)間問(wèn)題， 但是，對(duì)于螺旋型葉片葉輪的加工確實(shí)一個(gè)難題，由于其螺旋面較大，無(wú)論是利用塑料模注塑加工還是利用加工中心進(jìn) 行數(shù)控加工其加工起來(lái)都較為復(fù)雜。因?yàn)槁菪兔娴木壒剩?/span> 葉輪葉片外緣和葉輪葉片內(nèi)緣螺旋升角的不同使得螺旋形 葉輪渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜。

2.3改進(jìn)后的倒梯形型葉片葉輪（圖5)

在增加重疊度同時(shí)適當(dāng)減小葉片根部寬度，使葉片呈倒 梯形，一方面可保證葉片頂、根部重疊度相同，另一方面降 低了死角區(qū)渦流的產(chǎn)生，減小壓力損失。與傳統(tǒng)葉輪相比， 該葉輪有以下特點(diǎn)：葉片重疊度增大；葉片形狀呈倒梯形； 葉片與筒壁的間隙減小。

葉輪數(shù)比傳統(tǒng)數(shù)目增多，目的在于增加葉片重疊度，較 高的重疊度可提高流量計(jì)的靈敏度，降低起始流量。但重疊 度的增加由流動(dòng)原理分析會(huì)引起兩個(gè)后果：增加葉片數(shù)使根 部密度增加，從而使阻力損失增大；增加葉輪重量，給葉輪 的啟動(dòng)增加了負(fù)擔(dān)。

葉輪重量方面使葉輪軸向減少適當(dāng)尺寸以達(dá)到原葉輪 重量。改進(jìn)后的葉輪經(jīng)過(guò)與原有葉輪的試驗(yàn)測(cè)試比較，得出 增加葉片數(shù)后的流量計(jì)壓力損失曲線與增加前幾乎重合，說(shuō) 明壓力損失沒(méi)有因葉片數(shù)的增加而增加。通過(guò)對(duì)起始流量的 測(cè)量，新葉輪比原葉輪有明顯降低。

葉片與筒壁的間隙從設(shè)計(jì)要求出發(fā)應(yīng)盡量小，考慮到工 藝，本機(jī)將原間隙減小了 0.2?，以達(dá)到最低限度減小該環(huán) 形通道表面上由氣流摩擦和渦流引起的損失。

3.實(shí)驗(yàn)方案

為進(jìn)一步確定葉輪和前導(dǎo)流的參數(shù)，確定了 19種實(shí)驗(yàn)

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（摘選）

實(shí)驗(yàn)方案：流線型前導(dǎo)流、22片葉輪。如圖9所示，該 方案所示的誤差曲線比較平穩(wěn)，盡管前段有一些波動(dòng)，但是 后段能夠取得較理想的結(jié)果。并且它的起步流量較低。它的 最大流量為988.27 m3/h，此時(shí)的壓力損失為110.4immh20。

圖9方案十八的測(cè)試曲線

通過(guò)分析各誤差曲線，以及當(dāng)它們達(dá)到最大流量時(shí)的壓 力損失，我們不難看出，方案十八為這些方案中較好的方案， 及流線型前導(dǎo)流,22片葉片葉輪，無(wú)后導(dǎo)流。在這種方案中， 能夠較好的降低始動(dòng)流量，減少壓損，提高精度。

5.結(jié)論

試驗(yàn)證明采用流線形的導(dǎo)流器，可明顯抑制流動(dòng)分離渦 的產(chǎn)生、并使主流速度分布更加合理，具有在保證流動(dòng)穩(wěn)定 性條件下顯著降低壓力損失的優(yōu)點(diǎn)，隨著流量增大，流線形 的壓力損失低于半楠圓形的趨勢(shì)越來(lái)越大。

在葉片上拋棄了原有的整流柵結(jié)構(gòu)，改為在前導(dǎo)流上加 導(dǎo)流葉片，葉片數(shù)和幾何尺寸及位置均由數(shù)值模擬得出。采 取的方案是：在增加重疊度同時(shí)適當(dāng)減小葉片根部寬度，使 葉片呈倒梯形，一方面可保證葉片頂、根部重疊度相同，另 一方面降低了死角區(qū)渦流的產(chǎn)生，減小壓力損失。葉輪重量 方面使葉輪軸向減少適當(dāng)尺寸以達(dá)到原葉輪重量。這樣前導(dǎo) 流的功能增加了，同時(shí)流量計(jì)的整體尺寸被減小，實(shí)驗(yàn)測(cè)量 結(jié)果表明即使在小流量下也能得到很好的線性度和精度。

改進(jìn)后的葉輪經(jīng)過(guò)與原有葉輪的試驗(yàn)測(cè)試比較，得出增 加葉片數(shù)后的流量計(jì)壓力損失曲線與增加前幾乎重合，說(shuō)明 壓力損失沒(méi)有因葉片數(shù)的增加而增加。通過(guò)對(duì)起始流量的測(cè) 量，新葉輪比原葉輪有明顯降低。

以上設(shè)計(jì)改進(jìn)結(jié)果從流動(dòng)原理分析和試驗(yàn)測(cè)量?jī)煞矫?均得到了一致的結(jié)果，而且重復(fù)性良好，表明流量計(jì)氣動(dòng)設(shè) 計(jì)合理。

與其他型式的流量計(jì)一樣，渦輪流量計(jì)在應(yīng)用中問(wèn)題比 較復(fù)雜。這種復(fù)雜性在于：被測(cè)介質(zhì)處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由 很多參數(shù)決定的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)流量示值的準(zhǔn)確度影響很大。