涡轮流量计特性研究

涡轮流量计特性研究

一．涡轮流量计原理及结构

1）工作原理

涡轮流量计的原理示意图如图3-1所示．在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑．当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比，因此，通过旋转角速度可得知流体流量．

气体涡轮流量计的实用流量方程为

qv=f/K

qm=qvρ

式中 qv,qm－分别为体积流量，m3/s，质量流量，kg/s；

f－流量计输出信号的频率，Hz；

K－流量计的仪表系数，P/m3。

ρ－流体密度。

2）涡轮流量计的仪表系数K与流量的关系

k一qv的关系曲线称为涡轮流量计的特性曲线，理论上k一qv，关系应该是确定的，但实际上由于在不同的流动状态下，流体产生阻力机理不同，效果也不同，所以使特性曲线成为曲线形状。

涡轮流量计的仪表系数K与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图2所示，仪表系数可分为二段，即层流区和紊流区。在层流区段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。紊流区的特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关，具体关系如下：

O Ko

K

最大流量

图2 涡轮流量计特性曲线

（l)在层流区，当流量大于传感器流量下限时为层流流动状态，仪表系数k 将随流流量Q 的增加而增大。

（2)在紊流流动状态下，仪表系数k 仅与仪表本身结构参数有关，而与流量Q 、流体粘度拼等参数无关，可近似为一常数。只有在这种状态下，仪表系数k 才真正显示了常数的性质。仪表系数k 为常数的这个区间，也就是该流量计的流量测量范围。

（3)若涡轮流量计只有理想特性的话，不论流量如何变化，总可以使累积流 量、瞬时流量的误差为零。一般涡轮流量计特性曲线的大致趋势，是在进入测量范围(即进人紊流流动状态)以内，随流量的变化其仪表系数K 也会有变化，通常其变化幅度左右流量计的测量精度。

（4)在层流与紊流交界点上，特性曲线上k 有一个峰值，其位置受流体粘 度的影响较大。

3）涡轮结构

（1）涡轮叶片

涡轮装有螺旋状叶片．叶片数量根据直径变化而不同，2－24片不等．为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小．

涡轮叶片结构参数的一般要求为：叶片倾角10°－15°(气体)，30°－

45°（液体）；叶片重叠度P

为1-1.2；叶片与内壳间的间隙为0

．5—1mm ．

（2）涡轮轴承

涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好．由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，这方法的原理见图3—2所示．由于涡轮处直径D H 略小于前后支架处直径Ds ，所以，在涡轮段流通截面扩

大，流速降低，使流体静压上升 P ，这个 P 的静压将起到抵消部分轴向推力的作用．

图3－2 水力平衡原理示意图

二．粘度对涡轮流量计的影响

1）粘度概念及影响因素

粘度是表示流体的内磨擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力。流体的粘度随温度而变，温度升高，液体粘度减小，而气体粘度增大。压力对液体粘度基本上无影响，而对气体粘度的影响只有在极高或极低压力下才比较明显。一般来说，流量计的口径越大，粘度变化对线性特性的影响越小;流量计的口径越小，粘度变化对线性特性的影响就越大。

2）粘度对涡轮流量计的影响

涡轮流量计是对流体粘度变化比较敏感的仪表, 图9、图10 分别表示直叶片与螺旋叶片传感器液体粘度与仪表系数的关系。由图可见, 当粘度增大时仪表系数线性区域变窄, 下限流量相应增大, 当粘度增大到一定数值时甚至无线性区域, 螺旋叶片情况比直叶片要好得多

图9直叶片传感器液体粘度与仪表系数关系图

图10 螺旋叶片传感器液体粘度与仪表系数关系图

对于液体, 通常用水校验传感器。当精度为0.5级时, 可以用在

以下的液体而不必考虑粘度的影响。当流体粘度高于时, 可用相当粘度的流体校验。此外, 可采取一些措施来补偿粘度的影响, 如缩小所使用的范围度, 使用时提高流量下限值及仪表系数乘以雷诺数修正系数等。

此外，粘度对仪表系数的影响与传感器结构类型及参数、口径大小等有关, 不同类型、不同规格的传感器的流量特性与粘度的关系的详细资料, 需用几种不同粘度的流体进行实流校验得到。

四．液体粘度变化对涡轮流量计精度影响的自动补偿装置

1）变径结构改善涡轮流量计的特性

下图是手摇泵配套祸轮流量计的实验特性曲线。

从图中可以看出:这种流量计只是在流量大于50L/min时，示值才基本呈线性，而在手摇泵工作范围内(15~60L/min)却近似一条斜线(如图黑框内所示)。误差达3%左右，而且流量较小时误差偏“正”;流量较大时误差偏“负”。

为了计量精度，根据转子流量计的工作原理，在垂直式涡轮流量计上设计了“变径结构”，以便对上述误差特性进行补偿。如图2所示，流量计的涡轮与涡轮轴用滑键连接。仪表工作时，随着介质流量的脉动变化，涡轮可在锥形计量室内上下移动，以获得不同的环向间隙和介质流速。流量偏大时，涡轮受轴向推力增大，升到计量室内腔小端，流通面减小，介质流速加快，从而涡轮转速稍有增大，示值趋向“正值”;相反，当流量偏小

时，涡轮受轴向推力较小，处于计量室内腔的大端，介质流速降低，涡轮转速下降而示值趋向“负值”。这种大流量误差偏正，小流量误差偏负的状况与图1黑框内的曲线误差的趋势正好相反，这就改善了仪表误差特性。图3是LB-25型变径涡轮流量计的实验特性曲线。可以看出，与图1相比误差特性平滑多了，最大误差在士1%之内。

2）粘度补偿的基本思想和补偿结构

解决涡轮流量计的特性受介质粘度变化的影响，是推广变径式涡轮流量计以适应各种油品的计量(例如，汽油、煤油、柴油等)的关键。为此，我们对变径式涡轮流量计在不同粘度液体里的特性进行了试验。图4是LB一25型流量

计(以下称“仪表”)在相同的试验条件下分别以“汽油、轻柴油为介质时的实验性能曲线。

可以看出:测量粘度较小的汽油的仪表示值比测量粘度较大的柴油的仪表示值要小，两者之差约2%左右(以下称仪表示值差为“粘度差”)。这就是说在相同的体积流量通过仪表时，柴油将使涡轮转快些(约快2%)。

粘度补偿的基本设计思想是:让粘度大的液体通过时，强制涡轮转慢些;

粘度小的液体通过时，强制涡轮转快些，从而使粘度差得到补偿。

装置的结构如图5所示，箭头方向为介质流动方向。我们将前整流器改进为缩径d的孔板，进、出端直径为D，d

由于粘度大的介质流动阻力大，则在相同的△p作用下，粘度小的介质的反馈量比粘度大的介质的反馈量要多些。因此，粘度较小的介质通过涡轮时，其介质流速会有所增加，使涡轮转速加快，示值趋向“正值”。这样，就达到了提高测量低粘度介质时涡轮转速的目的，使粘度差得到补偿。

五．涡轮流量计对气体密度的要求

气体涡轮流量计主要考虑流体密度对仪表系数的影响，密度的影响主要在低流量区域，如下图所示。密度的增大（即压力增大）使特性曲线直线部分向下限流量区域拓展，传感器的范围度扩大，线性度改善。若气体涡轮流量计在常压的空气中校验，使用时被测介质工作压力不一样，其下限流量由下式计算

式中

qvmin,qvamin—分别为压力P和压力Pa（101.325kPa）下被测介质和空气的体积流量下限值，m3/h；

P，Pa—分别为工作压力（绝压）和大气压（101.325kPa），kPa d—被测介质的相对密度，无量纲。