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气体涡轮流量计的设计与制造,气体,涡轮流量计,设计,制造
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I 目 录 1 绪 论 . 1 言 . 1 轮流量计的特点 . 1 . 2 展前景 . 6 2 涡轮流量计的工作及结构原理 . 6 . 6 . 6 轮流量计的结构原理 . 7 轮流量传感器的结构 . 7 3 气体涡轮流量计叶轮的改进 . 10 . 10 . 11 4 导流器与传感器的改进 . 15 . 15 . 18 感器的分类 . 18 . 19 5 体涡轮流量计中轴与轴承的改进 . 19 轮轴的改进 . 19 . 20 6 气体涡轮流量计的安装使用和维护 . 23 . 23 . 23 . 24 . 24 . 24 . 25 . 25 . 26 论 . 27 参考文献 . 28 附录 1：中英文翻译 . 28 致 谢 . 40 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 1 1 绪 论 言 数千年前，人们 为适应农业灌溉和水利的需要，就已开始关注着流量测量问题，古埃及 出现了堰的雏形，而我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻 的“水则”，来观察水位，以进行控制 1。 到 19世纪中叶，从节流式流量计开始，逐渐建立了近代流量计的理论基础。现代各类流量仪表也相继出现，如商用的水表，煤气表和文丘里管差压式流量计等。 20世纪 20出现了孔板和喷嘴差压式流量计，浮子流量计，融及时流量计以及宗法和稀释法等流量测量方法。 20世纪 50 年代以后，随着电子技术 ,材料和加工技术的飞跃发展，以流程工业为先导的各工业部门和公用事业大量使用流量仪表，促使各种使用新颖的流量仪表相继问世和发展，如涡轮式，电磁式，超生式和涡街式流量计等。当代应用的流 量仪表的主要品种，很多是这一阶段开发的。 20世纪 70年代后期又出现了科里奥利质量流量计。 轮流量计的 特点 流量计是一种速度 式 流量仪表。它是以动量守恒原理为基础的，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量而变化，最后从涡轮的转数求出流量值。在二次仪表进行计数和显示，可反映出瞬时流量和累积流量（或称总量），也可以转换成标准信号进行远传。通常将涡轮流量计的感知流体留宿的涡轮及组合（包括前后导流架，轴 承，客体即前置放大器）统称为涡轮流量传感器， 而将涡轮转速检出后的信号处理，转换部分称为二次仪 表或显示仪表。 涡轮流量计之所以能够广泛地应用于石油工业领域。是因为涡轮流量计比其他形式的流量计，如容积式流量计 有 更突出的优点，如涡轮流量计具有流量范围宽、结构紧凑、简单、使用寿命长等优点，更重要的是，涡轮流量计能够经受严重的脉动而引起的超出流量上限的流量，以及流量计不会因为液体中所夹带的固体物从而导致管路系统的阻塞，一般小颗粒物质经过流量计时也不会引起损坏。但是，容积式流量计就不能容忍液体中夹带固体颗粒，这不仅会使流量计发生故障，更严重的是，一旦流量计卡死不转，将导致液体的阻塞而引起系统过压的现象，因此我 们相信，涡轮流量计将会在石油工业领域，以及其他领域得到越来越广泛的应用，到如今占据全球领先位山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 2 置。我国开展内近代流量测量技术方面的工作比较晚， 20世纪 60年代才开始有了国产流量计，发展到现在已经形成了一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业，以逐步跻身世界领先水平。 对于气体涡轮流量计的测量精度一般为 ,对于液体涡轮流量计，它的测量精度一般为 ,高精度型可达到 ,特殊专用型为 R 1% R。涡轮流量计的短期冲度型可达 由于具有良好的重复性，因此其在贸易结算中被优先选用。 涡轮流量计的输出信号为脉冲频率，因此适用于总量及瞬时流量的计量与控制，且易于远传。信号的抗干扰能力也较强。但是涡轮流量计难以长期保持校准，需要定期校验。流体的密度，黏度等物理性质对仪表特性有较大影响，来流的速度分布和旋转来流对流量计的特性也有较大影响。 智能化气体涡轮 流量计 是集流量 ,温度 ,压力检测功能于一体 ,并能进行温度 ,压力 ,压缩因子自动补偿的新一代 流量计 广泛应用于企业生产和家庭生活中。 最贴近人民生活的家用燃气表和家用水表大多是采用涡轮结构的流量 计，涡轮流量计是 石油 ,化工 ,电力 ,冶金 ,工业锅炉等工业 ,行业的燃气计量和城市天然气 ,燃气调压站及燃气贸易计量的理想仪表 。 涡轮流量计 ,是速度式流量计中的主要种类 ,它采用多叶片的转子 (涡轮 )感受流体平均流速 ,从而 推导出流量或总量的仪表。 一般它由传感器和显示仪两部分组成 ,也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品 ,作为十大类型流量计之一 ,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。 气体涡轮流量计的 优点 2: （ 1） 高精度 ,在所有流量计中 ,属于最精确的 流量计 ; （ 2） 重复性好 ; 体涡轮流量计的应用场合 3 涡轮流量计在以下一些测量对象 上 获得广泛应用 :石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国 ,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表 ,仅荷兰在天然气管线上就采用了 2600 多台各种尺寸 ,气体涡轮流量计 ,它们已成为优良的天然气计量仪表。 涡轮流量计 是一种速度式仪表，它具有压力损失小，准确度高，起步流量低，抗震与抗脉动流性能好，范围度宽等容易维修的特点。 气体 涡轮流量计因其结构简单、线性好、 精度高等特点而得以广泛应用。实际涡轮流量计在使用过程中受其结构参数及被测流体特性的影响，输入输出关系即特性曲山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 3 线并非是理想直线，如图 1坐标 坐标 图 1轮流量计的 流量特性图 小流量区普遍存在着“驼峰”状非线性区，使涡轮流量计在小流量区测量误差较大。研究表明：涡轮流量计特性的影响因素很多，主要有被测流体介质粘性，涡轮流量计结构参数及来流速度分布等。对于来流速度分布的影响，实际应用中可控制流量计在安装管道中的位置（前后保持一定距离的直管道等措施），使来流速度 分布相对均匀，因而本文引用理论计算与实际测量结果吻合较好的理论模型着重就流体介质粘性与流量计结构参数的综合影响进行探讨 。 天津第五机床厂生产的 径 50 150动流量 h,流量范围 10 150m/h,介质温度 +60，工况压力小于 准确度为 外形如下图 1 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 4 图 1津第五机床厂生产的 无锡求信集团公司生产的 体型涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表 配套可用于测量液体的流量和总量。 如下图 1广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的一般气体、天然气、煤气等气体计量、控制系统。 一体化涡轮流量计结构为防爆设计，可以显示流量总量，瞬时流量和流量满度百分比。电池采用长效锂电池， 单功能积算表电池使用寿命可达 5 年以上，多功能显示表电池使用寿命也可达到 24 个月以上。一体化表头可以显示的流量单位众多，有立方米，加仑，升，标准立方米，标准升等，可以设定固定压力、温度参数对气体进行补偿，对压力和温度参数变化不大的场合，可使用该仪表进行固定补偿积算。 图 1 3 无锡求新公司生产的 浙江苍南仪表有限公司 特点及结构参数如下： 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 5 特点： (1)测量范围宽，下限流速低于 s，压力损失小，叶轮抗冲击能力强。 (2)具有较高的抗电磁干扰和抗 振 动能力，采用全密封隔离保护自润滑轴承， 性能可靠工作寿命长。 (3)采用先进 的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。 (4)仪表系数可由按键在线设置，并可显示在 靠性高。 (5)采用 累积流量、仪表系数进行掉电保护 ， 保护时间大于 10年。 (6)可在被测气体稳定的压力状态下进行压力补偿。 各类参数 如下 ： 流量计规格，基本参数和性能指标（见表一） 准确度： 、 使用条件： 1 环境温度 50; 2 相对温度： 5%95%; 3 被测介质温度： 80; 4 大气压力：861065 防爆等级： 表 列气体涡轮流量 传感器 列气体涡轮 流量计 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 6 展前景 5 气体 涡轮流量计是一种速度式仪表，它具有精度高，重复性好，结构简单，运动部件少，耐高压，测量范围宽，体积小，重量轻，压力损失小， 流通能力大（同样口径可通过的流量大）， 维修方便等优点， 且可适应高温，高压和低温流体的测量需要 ，用于封闭管道中测量低粘度气体的体积流量和总量。 在城市天然气计量，输配气管网天然气计量，石油、化工、电力工业和民用等锅炉燃气计量，燃气调压站计量中得到了广泛的应用。 2 涡轮流量计的 工作 及结构 原理 气体 涡轮流量计的工作原理 3 气体 涡 轮流量计是将涡轮置于被测流体中，当气体进入流量计时，在特殊结构整流器的作用下得到整流并加速，在一定流量范围内涡轮的角速度和流量 成正比。利用电磁感应原理感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号，该信号经前置放大器放大，整形后将得到实际流量，并显示在 上；如果同温度压力传感器检测到的信号一起输入智能流量积算仪进行运算处理，将得到标准状况下的流量，并显示于 如下图 2示 体 涡轮流量计的结构原理 叶轮式流量计 是一种速度 式 流量计，主要有涡轮流量计、分流旋翼流量计、水表和叶轮风速计等。涡轮流 量计时叶轮式流量计的主要品种，在国际上已有近半个世纪的工业应用历史，我国从 60 年代开始生产，已形成全系列化仪表。它利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成比例关系，通过测量叶轮的转 速来反映通过管道的体积流量大小，是目前流量仪表中比较成熟的 高精度仪表。涡轮流量计有涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬时流量和累积 流量 的计量。传感器输出与流量成正比的脉冲频率信号，该信号通过传输线路远离传送仪表，便于累计和显示。此外传感器输出的脉冲频率信号可以单独与计算机配套使用，有计算机代替流量显示仪表实现密度或温度、 压力补偿，显示质量流量或气体体积流量。本类仪表适用于流体总量的测量。如今，涡轮流量计已在石油、化工、科研、国防和计量等各部门中获得广泛应用。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 7 轮流量计的结构原理 4 气体 涡轮流量传感器的结构如 下 图 2 2 所示。它主要由仪表壳体 1，前后导向架组件 2和 4，叶轮组件 3和信号检测放大器 6组成。当被测流 体 通过涡轮流量传感器时，流体通过导流器冲击涡轮叶片，由于涡轮的叶片与流体流向间有一倾角 ，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动 阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。所以，可以通过测量涡轮的旋转角速度来测量流量。 涡轮的旋转角速度一般都是通过安装在传感器壳体外面的信号检测放大器用磁电感应的原理来测量转换 的 。当涡轮转动时，涡轮上由 期性地改变感应线圈磁回路的磁阻，是通过线圈的磁通量发生周期性的变化而产生与流量成正比的脉冲电信号。此脉冲信号经信号检测放大器放大整形后送至显示仪表（或计算机）显示流体 流量或总量。 在某一流量范围和一定粘度范围内，涡轮流量及输出的信号脉冲频率 : (2 （ 2 V= 3（ 2 轮流量传感器的结构 (1) 涡轮流量传感器的结构组成 如前所述，涡轮流量传感器的结构主要由仪表壳体，导流器，叶轮（涡轮），轴承和信号检测放大器等组成。 如下图 2 (2) 流量计中各零部件的作用 1） 仪表壳体 仪表壳体一般采用不导磁不锈钢或硬质合金制成，对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢 组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体 部件 ，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有导流器，叶轮，山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 8 轴，轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。 2） 导流器 导流器通常也选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作，安装在传感器进出口处，对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用，避免流体扰动对叶轮的影响。 3） 涡轮 亦称叶轮，一般由高导磁性材料制成（如 2是传感器的检测部件。它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮由直板叶片 、 螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多 导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率。 4） 轴与轴承 通常选用不锈钢（如 24 1硬质合金制作，他们组成一对运动副，支承和保证叶轮自由旋转。它需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨 性，耐腐性等。它决定着传感器的可靠性和使用寿命。传感器失效通常 由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。 5 ) 信号检测放大器 国内常用信号检测放大器一般采用变磁阻式，它由永久磁钢，导磁棒，线圈等组成。它的作用是把涡轮的机械转动信号 转换成电脉冲信号输出。由于永久磁钢对高导磁材料制成的叶片有吸引力而产生磁阻力矩，对于小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。一般，线圈感应得到的信号较小，许配上千只 放 大器放大，整形输出 幅 值较大的电脉冲信号，当线圈输出信号有效值在 10上的也可直接配用流量计算机。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 9 图 2下 图 a） 采用稳流二极管作负载，采用复合管射极输出形式；图 b） 采用负反馈电路以提高仪表的稳定性，它们都具有温度稳定性 好，放大系数高，负载能力强等特点。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 10 a) b) 图 23 气体涡轮流量计叶轮的改进 轮的 叶型 对加工的影响 8 叶轮由叶片和轮毂组成， 叶片 由轮毂 、前缘与后缘过渡区域 组成。下图（ 3叶轮中的叶片，为了减小叶轮在气流装置中因叶轮重量而产生的阻力，叶轮轮毂中山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 11 间部位分设计为凹形，即符合叶轮的构造又能使叶轮有较高的旋转灵敏度。 叶轮是各类流量计的核心部件，被广泛应用于机械工业领域，其加工质量对产品的性能有决定性影响。由于叶轮叶片的形状是由机械中最难加工的复杂 曲面所构成的，因此，叶轮的加工长期以来一直是困扰广大科技人员的技术难题，倍受各国工业界的关注。各工业发达国家先后研制出了多种加工方法，如：铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工法、三坐标仿形铣削法等。但这些早期的加工方法，不仅加工效率较低，而且精度也难以保证。直到多轴数控加工技术被应用到叶轮的加工中，才得到了跨越性发展。 数控加工叶身型面，在国内来说，这是近几年的事。自八十年代以来，数控技术逐步进入国内机械制造领域，从简易数控机床到多轴联动的数控机床的诞生，丰富了机械零件加工方法的选择范围。 但国内数控机床发展的起步阶段，优先对象是通用性较大的各类铣床和车床，国内针对叶片叶身型面加工的数控机床还没有研制，为要高质量、高效率和高柔性的用于叶身型面加工，只得从境外引进少量的四轴联动的加工中心。 对叶轮型面加工提出总的加工方案 ,如叶片数控技术用于空间曲面的加工，与其它加工方法相比有着极大的优越性，并特别适用于当今世界制造业的发展方向 多品种小批量生产。我们在原有的叶轮基础上进行叶轮的设计与更新，数控加工方面均采用了粗加工和精加工，生产实践显示出了众多的优越性，如简化生产准备工作，缩短试制周期，加快品 种变换，提高型面加工质量，减少生产面积等。 轮叶型结构参数的确定 9 叶轮由支架中轴承支撑，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对 传感器性能有较大影响，要根据流体性质，流量范围，使用要求等设计。 叶轮的动态平衡 也 很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。 叶轮结构参数设计包括叶片倾角 ，叶片的顶端与外壳内壁的间隙 ，叶片根茎和顶径的流通截面，叶片重叠度 等设计。这些参数直接影响流量计的特性，选择的合理就可以提高仪表的测量范围和准确度 ， 并延长使用年限。根据大量实验及理论分析， 比较合理的结构参数为 ： 叶片倾角 1510: （对气体） , 4530 （对液体） 叶片重叠度 （ 叶片顶隙 :当 10D ；当 80D 。 叶片数 N：可以按照对输出信号的频率要求以及加工制造的可能性来考虑。根据流量计口径大小不同而异， 液体 小口径（ 100D 83 片。大口径（ 100D 般为 10片以上 ，气体 小口径（ 100D 2012 片 。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 12 而对本文研究的侧重点来看是 50系列的气体涡轮流量计，选用 螺旋形 型叶片的叶轮 且选用 材料为 铝合金 （ 。 在第二章中，本文已经涉及到过 如何进行叶轮的各方面的参数选择， 叶轮按照设计要求为叶片数 z =12 20，叶片倾角 =30 45 ,重叠度为 1 片与内机壳间隙为 提高流量计的灵敏度，可适当增加叶片数。 图 3气体涡轮流量计中的叶轮 进出口速度三角形 图 因为在本章中， 选择 叶轮的结构角为 =45，所以在叶轮进出口速度三角形中， 由 第二章的特性分析就可以得出以下结论： 因 为 =45， 1=905 ， 2=905 ， 1= 2=90 ,所以 由式（ 2可得流体推动力 ： ta v 45 （ 3 由此可得推动力力矩 t （ 3 本文在允许范围内分别选择 13、 14和 20个叶片数的叶轮进行了测量，结果如图3示。可看到， 三 条曲线几乎重合。说明在 流量 允许范围 的 内，叶轮 叶片数的增减对压力损失的影响可以忽略。但采用 13 叶片数的叶轮时，h,而采用 14个叶片数的叶轮，其起始流量为 6.3 m/h,20 叶片数的叶轮，其起始流量为 h， 由此可看出： 适当增加叶片数，可以较明显地提高流量计的灵敏山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 13 度。 但是 值得注意的是， 过大的 增加叶片数会使重叠度增大，过大的重叠度将使流量计性能恶化。 所以综合考虑流量计的在使用过程中的性能后，选择该系列流量计的叶轮叶片数为 N=14。 8 0 04 0 001 5 0 03 0 0 0压力损失流量（ m/h） 图 3不同叶片数的压力损失曲线 （ a）铝合金叶片 图 3体涡轮流量计中 的叶轮 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 14 图 3-2(c) 50系列 构 而对于该产品来说，因为该系列气体涡轮流量计的通流直径为 50于小管径的气体涡轮流量计，在其原设计当中，叶片数选择是 13个叶片，选择的不是很合理，经过多方面的考虑，当选择该系列气体涡轮流量计的结构参数如下时最为合理： 叶片数为 N=14， 这在上面已经论述过，这里不再赘述，选择 叶轮倾角 =45，是因为在上面第二章流量计的特性分析中关于涡轮进出口速度三角形可以看出，当叶轮倾角选择为 45时， 当流体离开涡轮叶片时，流体相对速度与圆周运动方向的夹角就等于叶片结构角 。流体对于进出口涡轮叶片的相对速度为 1 和 2，则 2与圆周运动方向 的 夹角 2 与叶片结构角 之间有以下关系： 4545902 ， 4512 。 所以 流量计的来流速度就等于出口速度即 21 。 叶片厚度为 -2(a),(b)所示 。 叶轮的基本参数： 叶片材料为 铝合金 ， 叶片数为 14 片，叶顶圆直径的为 50度圆上的螺旋升角为 2=45o，即叶轮倾角 =45，叶片旋向为右旋。 从叶片的结构来看，其叶身型面部分为复杂的空间曲面，各部分的曲率、扭转变化较 大，是典型的薄壁件。由于其为 涡轮气体流量计 装置的重要部件，工作条件较为恶劣，对零件本身的精度和质量提出的很高的要求。型面的加工质量直接影响其工作性能，从而影响整 个机构 。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 15 4 导流器 与传感器 的改进 流器的改进 流体从机壳进口流入，首先经过整流栅进行稳流，再进入前导流器，前导流器对流体有收敛作用，防止流体发生分离产生大的涡旋运动，前导流叶片对流体起导向作用，避免流体自旋而改变对叶轮叶片的作用角度，保证测量的准确度。流体经 过 叶轮后将以螺线型方式向前流动，加入带叶片 的后导流器对其进行导流，使流体沿管壁直线流动，减少各种阻力引起的能量损失。 结构简图如下图 4a）所示： 流体通过流量计的压力损失与介质的密度、流速等有关，其计算公式为 12： 2/2p (4山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 16 式中 P 压力损失， 压损系数 介质密度 ， /m 流速， m/s 由于 和 为流体流动参数，不能随意增减，因此只能尽量减小压损系数 ，以达到降低压损的目的。压损系数除了受流体粘性、管径及管长等因素影响外，还与流量计内部各 零 部件的几何结构有关。 图 4涡轮流量计的结构示意简图 前 、 后 导流器 如下图所示 : 下 图 4a）、（ b）分别为全封闭和半开式两种结构的后导流器示意图。导流叶片数均为 8，内导流体几何形状为椭球形。两者不同之处在于全封闭式导流叶片由导流器进口延伸至出口，而半开式 的 导流叶片则由导流器中间起到出口处。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 17 图 4b） 前导轮示意图 而改进后的 后导流器的 结构形式是 在半开式 的导流叶片 基础上设计加工了另一种改进的 后 导流器：把半开式 的导流 叶片部分缩短一半，同时将叶片数减少为 4，在原无叶段增加与有叶段数目相同位置均匀相错的叶片，但不加外筒。目的是尽量在不增加摩擦和阻塞损失情况下，加强对经过叶轮后旋转流体的整直作用。如 下 图 4c）所示。 下 图 4图可知，在流量为 0 100m/h 范围内，三种结构的压力损失均很小，可以认为压力损失在小流量工况下对几何结构不敏感，即后导流器的几何形状变化还没有对压损产生影响。随着流量的增大，三条曲线明显拉开了距离，其 中全封闭式压损增长最快，半开式次之，压损最小的是改进式，在额定最大流量 600m/进式 的 压损仅为 700为半开式压损的 1/2，为全封闭式压损的 1/3。当流量进一步增大，这种差距还将随之增加。由此可见，选择合适的导流器可以大大降低流量计的压力损失。在流量计的工程应用中，有必要对前、后导流器几何参数进行优化，以达到最小压损目的。 所以在本设计中，在原有产品的基础之上，将原结构中的后导流器 改 设计为上图 4(c)中改进后的后导流器的结构形式，以有利于 50体涡轮流量计更广泛的应用于 目 前的 燃气市场中。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 18 流量 m3/h 图 4后导流器对压力损失影响 感器的改进 13 感器的 分类 （ 1）按传感器结构分类 1）轴向型（普通型） 叶轮轴中心与管道轴线重合，是 涡轮传感器 的主导产品，有全系列产品（ 2）切向型 叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约 90度，适用于小口径微流量产品。 3）机械型 叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，只是积 算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置组成一体式，受到用户欢迎。 因为 气体的密度远小于液体密度，流体推动力矩小，气体流量传感器与液体流量传感器在结构参数上有显著差别。要加大轮毂半径，缩小流道截面积，使气流流速加大且集中经过叶片边缘。因气流流速很高，要用较小冲角的叶片。一般为降低摩擦阻力矩，采用滚动轴承，并对轴承系统注入润滑剂。它能冲洗掉轴承表面的微粒，延长轴承寿命。多孔状的储油室能在换加润滑剂期间向轴承持续供油。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 19 体 密度 对传感器 的影响 气体 涡轮流量计属于速 度 式 仪表，密度的变化将使作用于叶轮上的转动力矩也按比例地增减，从而影响显示的体积流量。在测量液体的场合，由于液体的密度变化小，且设计时又力求轴承摩擦力矩甚小，所以密度的影响一般可以忽略。 但是在测量 本产品市场应用 气体的场合，由于 气 体的密度在常压下为液体密度的千分之一，欲保持气体具有和液体相同的转矩效应，则流速要增大 30 余倍。同样，叶轮的转速也是必然要激剧增大而直接影响传感器使用寿命。为此，气体用流量传感器的设计必须减小叶片倾角以降低叶轮转速。同时，尽可能减小轴承摩擦力矩。 所以对该系列产品来说一般在叶轮设计时就 已经考虑这 一 点，已经在设计时将叶轮的叶片倾角设计为 45角， 一 旦被测流体的温度 、 压力或密度出现较大幅度变化时，则对传感器的流量系数应与修正。 5 体涡轮流量计中 轴与轴承的改进 轴与轴承 它支撑叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限 4。传感器失效通常是由 于 轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。 在第二章特性分析中已经提到过一些有关轴与轴承的知识，它们组成一对运动副，支撑和保证叶轮自由旋转。它需要有足够的刚度，强度和硬度，耐 磨性，耐腐性等。它决定着传感器的可靠性和使用寿命。 传感器的失效通常是由轴和轴承引起 ，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。再者，因为流体 流通时 作用于叶轮上的力 使 叶轮转动，同时也给叶轮一个轴向力，使轴承的摩擦转矩增大，而且为了使气体涡 轮流量计的结构性能更加合理， 流量计的机械摩擦阻力越小越好，从而使流量计的 始 动流量值也 越小 越好，所以 应减少流量计的涡轮与轴承之间的摩擦力。 轮轴的改进 轴： 如下图 为气体涡轮流量计中的涡轮轴，直径为 4长度为 80原 产品结构 设计中 ， 该 涡轮 轴为一根光轴，光 轴因为其形状简单、应力集中少且易加工，所以一般 应用于小直径系列流量计中 的涡轮轴 ， 又因为该传动轴属于小系列的流量计中的轴 ， 要考虑其在工作过程中的受力情况和综合性能， 因为轴的直径将直接影响到 叶轮的转动惯 量 ，所以对轴的结构外形在本章中将不作修改，沿用原设计中的结构， 为了减小 滚 动轴承的轴与轴承间的摩擦转矩 ， 与叶轮的重量及 轴 的直径成正比，因此在机械强度允许的情况下，应尽可能把轴做细，使叶轮的重量减轻。合理选择轴与轴承山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 20 的材质及两者的配合间隙也是很重要的， 只是在涡轮轴的制作过程中， 本文 将选择一种耐磨性更高的材料来替代原设 计 中的材料使涡轮轴在工作过程中 尽可 能的 使轴 与轴承间的摩擦阻力减小 ，使 50系列的 气市场中 。 查机械设计手册 14， 原设计中涡轮轴的选材为 材料的基本参数如下：M p 20400 , 25 , , ,许用弯曲应力 21 /125 ， 20 /70 ， 21 /40 。 经过比较 选取了一种 20材料的 硬度 90， 40， , ，许用弯曲应力 21 /215 ， 20 /100 ， 21 /60 ，由 材料的 各方面 性能上就可看出 重新选 取的 20方面的综合性能均高于原设计中采用的材料，所以，本设计在原有结构的基础之上 改变轴的材料，使涡轮轴在工作过程中更好的发挥作用。 5-1(a) 5-1(b)在实际应用中的 体涡轮流量计中轴承的结构改进 流量测量仪表种类繁多，测量方法也很多。迄今为止，可供工业用的流量测量仪表种类达 60种之多。在如此众多流量测量仪表中，气体涡轮流量计以其高精度、重复性好、抗干扰能力好、测量范围宽、结构紧凑等优点而广泛 用于工业生产中。但是由于其主轴承使用滑动轴承或滚动轴承的局限性，使得气体涡轮流量计存在不能长期保山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 21 持校准特性以及流体物性对流量特性有较大影响等缺陷 。 我国中科院有一些学者曾尝试将气体轴承应用于流量计中，不过大多是选用可倾瓦动压气体轴承。由于可倾瓦动压气体轴承不但体积大，而且成本极高，很难用于民用工业中，所以仅仅停留在试验阶段。 在设计时应考虑轴向推力的平衡，流体作用于叶轮上的力使叶轮转动，同时也给叶轮一 个 轴向力，使轴承的摩擦转矩增大。为了抵消这一轴向力，在结构上采取各种轴向推力平衡措施。另 外 ，轴承磨损 要 小；这是 提高测量准确度，延长仪表寿命的重要环节。滚动轴承虽然摩擦力矩很小，但对赃污流体及腐蚀性流体的适应性较差，寿命不长。 在原设计中，因通过的流体为气体，因此脏污对轴承的影响不大。 目前 市场仍广泛应用滑动轴承（空心套形轴承）。 滚 动轴承的轴与轴承间的摩擦转矩与叶轮的重量及 轴 的直径成正比，因此在机械强度允许的情况下，应尽可能把轴做细，使叶轮的重量减轻。合理选择轴与轴承的材质及两者的配合间隙也是很重要的，目前常采用的材料是耐磨 性较好的材料 ， 因此 常常在轴表面镀以硬铬并进行精磨。为了彻底 解决轴承磨损问题，我国目前生产无轴承的涡 轮流量变送器。 轴 承 : 气体涡轮流量计主轴承大多采用油润滑的滑动轴承或滚动轴承，存在较大的局限性。 涡轮流量计的轴承一般有碳化钨、聚四氟乙烯、碳石墨三类材质。天然气计量仪表轴承应选用碳化钨材料。以上是选型时要考虑的主要方面。由于涡轮流量计类型规格繁多，特别是不同的制造厂产品质量有差别，选型时应尽量搜集制造厂及产品的有关技术标准等资料，进行反复调查比较后再决定取舍。 在本文的原产品结构中， 查机械设计手册可知 15: 由以上两个条件可知：轴向来流速度 v / 4 660 102061 又根据第二 章中的 涡轮进出口速度三角形可知： 叶轮 圆周速度 ： r / 745t a n 11 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 22 图 5叶轮进出口速度三角形 由上图 5 角速度 r a 2 又因为转速 m 所以 作用在叶轮上的力矩为 ： 509 5 50又根据作用力与反作用力相互作用的原理可知：作用在涡轮轴上的力偶矩就等于作用在叶轮上的力偶矩，所以可以根据这一条件求出作用在涡轮轴上的圆周 力，即： t 根据 涡轮与蜗杆受力图可知：轴向力 45t a a 因为该轴承装在涡轮轴上，所以当叶轮转动带动涡轮轴转动时，涡轮轴给轴承一个轴向力 理轴承也给涡轮轴一个轴向力 该轴向力在数值上等于 即：12 根据 外力偶矩 算出的轴向力 N，由于载荷小而且平稳，且大部分承受径向载荷所以选择深沟球轴承 16， 根据上面选择的轴承型号 628/4系列，该轴承的结 构为 4 9 轴承内径 d=4径变为 D= 9承宽度 B=定动载荷 量为 W= 以重新选择的轴承性能满足使用要求，且在结构上小于原设计中的结构，满足流量计要求结构紧凑，使叶轮转动阻力小的要求 ， 所以在此对原结构中的轴承进行了改进，使 该系列气体涡轮 流量计的性能在使用过程中得到更好的发挥 。 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 23 6 气体涡轮 流 量 计的安装使用和维护 量计的 安装 感器的安装 1718 1 传感器一般应该水平安装，流体流向必须和箭头指向一致。并符合说明书的安装环境要求 ，如下图 6a）（ b）所示 。 2 和传感器相连接的前后管道的内径应与传感器口径一致。管道和传感器连接处，不准有凸出物深入管道内，以免改变通道界面和传感器进口流场分布，并要求管道中心和传感器中心一致。传感器上游直管段长度 L 与管道内 径 D 的比值应满足式（ 6要求。 6 式 （ 6中 ， f 是管道内壁摩擦系数，流动处于湍流状态时一般可取 决于传感器上游局部阻流件的类型。 表 6 1 漩涡速度比 局部阻流件名称 R 上游直管段长度 同心渐缩管 5D 一个直角弯头 1 20D 同平面内两个直角弯头 5D 空间两个直角弯头 2 40D 全开闸阀，截止阀 1 20D 半开闸阀，截止阀 0D 山东 工程学院 2007届本科 生 毕业 设计 (论文 ) 24 若上游局部阻流件状况不明确，一般推荐上游直管长度应不小于 20D，下游直管段长度不小于 50D。当上游直管段长度不能满足要求时。应在传感器与阻流件之间安装流动调整器。传感器安装在室外时，应有避免阳光直射和防雨林措施。 接管道的安装 1 在需要运行不能停流的场合，应安装旁路管道和可靠的截止阀，测量时应保证管道无泄漏。在其他场合，一般希望设置旁路管道，既利于启动时起保护作用，又利于不影响流体正常输送情况下的维修。 2 传感器前一般应安装过滤器，以消除杂质；在测量单向流的场合，应在传感器 的下游处设一单向阀，以防止因流体的放流 现象影响传感器特性。凡测量易气化的液体 时，应安装消气器，以消除管道内气体。为了防止发生气穴，提高测量精度和使用寿命，传感器进口端压力应高于式（ 6算得最低压力 （ 6 式中 压力损失； 3 流量调节阀应置于传感器下游处，以减少来自上游的流场干扰，以利流量的稳定调节。压力表可设置在传感器的进口或出口处，温度计应该设置在传感器的下游5 用 感器的选用 1 适宜测量的流体 传感器最适用于测量洁净的低粘度单相流体，如水，轻油，石油溶剂，酸，碱，液氧，液氮，液氢及空气，氧气等。若测量高粘度液体，由于粘度对传感器性能的影响，将降低测量精确度。若测量混有固体颗粒的液体，因易损坏轴承，涡轮流量计不适合使用。对测量强腐蚀性的液体，将造成叶轮等主要零部件的选材困难，其耐腐蚀性的液体，将造成叶轮等主要零部件的选材困难，其耐腐蚀性有一定的局限性，要慎重选择。对气体测量是可以的，但因气体密度低，流速高，所以必须对结构参数设计作特殊考虑。一般不能用于气液混相流和蒸汽的测量。
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