气体涡轮流量计的设计与制造【5张CAD图纸和说明书】
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I目 录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 涡轮流量计的特点 .11.3气体涡轮流量计的应用场合 .31.4 发展前景 .62 涡轮流量计的工作及结构原理 .72.1 TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理 .72.2气体涡轮流量计的结构原理 .82.2.1 涡轮流量计的结构原理 .82.2.2 涡轮流量传感器的结构 .93 气体涡轮流量计叶轮的改进 .213.1叶轮的叶型对加工的影响 .213.2叶轮叶型结构参数的确定 .224 导流器与传感器的改进 .264.1导流器的改进 .264.2传感器的改进 .294.2.1 传感器的分类 .294.2.2流体密度对传感器的影响 .305 TWLQ 气体涡轮流量计中轴与轴承的改进 .345.1 涡轮轴的改进 .345.2 TWLQ气体涡轮流量计中轴承的结构改进 .356 气体涡轮流量计的安装使用和维护 .386.1流量计的安装 .386.1.1传感器的安装 .386.1.2连接管道的安装 .396.2选用 .406.2.1传感器的选用 .406.2.2流量指示积算仪 .416.3使用注意事项 .416.4维护和故障处理 .42II结 论 .44参考文献 .45附录 1：中英文翻译 .46致 谢 .65山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)11 绪 论1.1 引言数千年前，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 20-30年代，又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。1.2 涡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，到如山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)2今占据全球领先位置。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 0.25%R1.5% R,对于液体涡轮流量计，它的测量精度一般为 0.25%R0.5% R,高精度型可达到 0.15%R,特殊专用型为 0.5% R1% R。涡轮流量计的短期冲度型可达 0.5%0.2%。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; 1.气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,压力从0.86.5MPa 的气体涡轮流量计,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，输入输出关系即特山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)3性曲线并非是理想直线，如图1-1所示（横坐标 Q是体积流量；纵坐标 K是流量系数）。图1-1涡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TWLQ型气体涡轮流量计，口径50150mm,始动流量 3.0m/h,流量范围10150m/h,介质温度-30+60，工况压力小于1.6 Mpa ，准确度为1.5级，外形如下图1-2所示。山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)4图1-2 天津第五机床厂生产的TWLQ 型气体涡轮流量计无锡求信集团公司生产的 LWGQ气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 1-3所示。其广泛用于石油、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 13 无锡求新公司生产的 LWGQ气体涡轮传感器山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)5浙江苍南仪表有限公司 LWQ型气体涡轮流量计其特点及结构参数如下：特点：(1)测量范围宽，下限流速低于 0.5m/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 LCD屏上，LCD 屏直观清晰，可靠性高。(5)采用 EEPROM对累积流量、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：1.0 级、1.5级；使用条件：1环境温度-2050;2 相对温度：5%95%;3 被测介质温度：-2080;4大气压力：86Kpa106Kpa;5防爆等级：ibBT4.表-1LWQ-A系列气体涡轮流量传感器LWQ-B系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)61.4 发展前景 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2.1 TWLQ 型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 LCD 屏上；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 LCD 屏上。如下图 2-1 所示2.2 气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)72.2.1 涡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 22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 YL401制成的螺旋形叶片依次接近和离开处于管壁外的磁电感应线圈，周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 f与通过涡轮流量计的体积流量 成正比。即: vq(2-1)vKqf（2-2a）vsmL3或V= （2-3KN或2b）2.2.2 涡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所示：(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，它起到承山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)8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，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 2Crl3或 Cr17Ni2等） ，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 2Cr13，4Cr13，Cr17Ni2 或 1Cr18Ni9Ti等）或硬质合金制作，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 10mV以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 2-2 TWLQ系列气体涡轮流量计结构图下图 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)10a)b)图 2-3为常用的两种前置放大器电器原理图3 气体涡轮流量计叶轮的改进3.1 叶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（3-3a）为叶轮中的叶片，为了减小叶轮在气流装置中因叶轮重量而产生的阻力，叶轮山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)11轮毂中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。3.2 叶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 p以及叶片数量 N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 （对气体）, （对液体）150:4530叶片重叠度 （ P表示轴线长度上两相邻叶片相互重叠的程度） 。2.9叶片顶隙 :当 mm时， ；当 mm时， 。DD7.80D01.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（ mm）为 片。大口径（13山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)12mm）一般为 10片以上，气体小口径（ mm）为 片。10D10D20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（ YL401） 。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 =1220，叶片倾角 =3045,重叠度为11.2，叶片与内机壳间隙为0.5mm。为提高流量计的灵敏度，可适当增加叶片数。图3-1 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=90-45=45 ， 2=90-45=45 ， 1= 2=90 ,所以 Ur1=Ur2.由式（2-12）可得流体推动力：= （3-1）ruqfvrtan1ruqv45tan1由此可得推动力力矩（3-2）ruqrfTvr tan1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3-1 所示。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，测得流量计起始流量为6.5m/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，山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)13其起始流量为5.5m/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。 80401530压力损失流量（m/h）图3-2 不同叶片数的压力损失曲线（a）铝合金叶片 图3-2 气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TWLQ型气体涡轮流量计的叶轮结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50mm，属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： ，45902。 所以流量计的来流速度就等于出口速度即 。叶片厚度为 1mm.4512 1u形状如上图 3-2(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 50mm，分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山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)15其工作性能，从而影响整个机构。4 导流器与传感器的改进4.1 导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4-1（a）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：山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)16(4-1)2/p式中 P 压力损失， Pa 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4-1 涡轮流量计的结构示意简图前、后导流器如下图所示:下图4-2 （a）、（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4-1 （b）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4-2（c）所示。下图4-3 为分别采用三种后导流器而其余部件不变条件下流量计的压力损失曲线。由图可知，在流量为0100m/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 /h处，改进式的压损仅为700Pa，约为半开式压损的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 50mm口径的TWLQ型气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m 3/h图4-3 后导流器对压力损失影响4.2 传感器的改进 134.2.1 传感器的分类（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（DN10-DN600）。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)194.2.2 流体密度对传感器的影响TWLQ 型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 TWLQ 气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。5.1 涡轮轴的改进轴：如下图为气体涡轮流量计中的涡轮轴，直径为4mm, 长度为80mm,在原产品结构设计中，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山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)20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，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TWLQ气体涡轮流量计更加广泛的应用在目前的城市燃气市场中。查机械设计手册 14，原设计中涡轮轴的选材为Q235-A，该材料的基本参数如下：, , , ,许用弯曲应力Mpab420pas25Mpa170pa105， ， 。 经过比较选取了一种1/5mN20/7mN2/4mN20Cr的材料，该材料的硬度HRC56-62， ， ，s39b64,31，许用弯曲应力 ， ，pa6021/520/1，由材料的各方面性能上就可看出重新选取的20Cr涡轮轴材料的各21/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)TWLQ型气体涡轮流量计中的涡轮轴 5-1(b)在实际应用中的TWLQ型气体涡轮流量计的轴5.2 TWLQ 气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、山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)21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 smAquv /4.2673.1601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： sur /.45tan11山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)22图5-3 叶轮进出口速度三角形由上图5-3知：角速度 radruw9.15.24671又因为转速 min/.3.301n所以作用在叶轮上的力矩为： NnpMe7.145.69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： NreFt 65.27134根据涡轮与蜗杆受力图可知：轴向力 Nta645tan9.3n1 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 Fa1，同理轴承也给涡轮轴一个轴向力 Fa2,该轴向力在数值上等于 Fa1 ,即：NF612根据外力偶矩算出的轴向力 Fa=6N，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GB/T 628/4系列，该轴承的结构为493.5，即轴承内径d=4mm,外径变为D= 9mm,轴承宽度B=3.5mm，额定动载荷Cr=0.55KN,Cor=0.18KN,重量为W=0.0008Kg。其Cr=0.55KN0.238KN，所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山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)23能在使用过程中得到更好的发挥。 6 气体涡轮流量计的安装使用和维护6.1 流量计的安装6.1.1 传感器的安装 17181 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 6-1（a） （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（6-1）的要求。（6-fRDL35.01）式（6-1）中， f是管道内壁摩擦系数，流动处于湍流状态时一般可取0.0175； R是旋涡速度比，取决于传感器上游局部阻流件的类型。 K值与上游直管段长度如表 6-1所示。表 61 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 0.75 15D一个直角弯头 1 20D山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)24同平面内两个直角弯头 1.25 25D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 2.5 50D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。6.1.2 连接管道的安装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（6-2）计算得最低压力 p ：minvpp25.1min（6-2）式中 p是传感器最大流量时的压力损失； 是被测液体最高使用温度时的蒸汽压。vp3 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 5D处。山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)256.2 选用6.2.1 传感器的选用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。2 口径的选用 每种口径的传感器都有一定的流量测量范围度。一般传感器口径的选用是由流量范围来决定的。即使用时的最小流量不得低于该口径允许测量的最小流量，使用时的最大流量不得高于该口径允许测量的最大流量。从测量精确度和使用寿命两方面考虑，一般认为在断续使用的场合，按实际使用时的最大流量的 1.3倍选择传感器口径。连续使用的场合，按实际使用时的最大流量的 1.4倍选择传感器口径。至于在恶劣工况条件下使用，则使用时的最大流量应该为该口径允许最大流量的 40%。如果传感器口径与流程管道通经不一致时，则应以异径接管和等径直管改装管道。一般情况下，传感器流量范围下限附近误差稍大，通常将实际最小流量的 0.8倍作为选用传感器流量范围下限值，使保证有一定的余量。6.2.2 流量指示积算仪应水平放置或水平安装在仪表屏上，安装高度应以及具有腐蚀性的流体测量以及需要连续使用的场合。1）安装 流量指示积算仪应水平放置或水平安装在仪表屏上，安装高度应以读数和操作方便为准，一般为 1.5m左右。2）接线a 流量指示积算仪所用电源为 220v，50Hz 交流，按接线端子板规定的“相” ，“中” ， “接地”三接线点与交流电源相连.电源三接线点不得相混使用，其他任何引线不要随便接入。b 接线端子板上“输入”部分是指流量指示积算仪工作信号输入的诸接线点：山东工程学院 2007届本科生毕业设计(论文)26“信号”端子介传感器经信号检测放大器放大后的输出；“接地”端子接传感器信号检测放大器公共地线（不接壳） ；“E”端子引出提供传感器信号检测放大器工作电源（一般为12V） 。c 010mA 直流电流输出部分共四个接点，供引出 010mA 直流电流信号，可配调节器和记录仪等。根据不同的负载可选择使用， 负载的地线接在“ ”端子上。d 标准频率（10100kHz）输出部分是指石英晶体振荡器震荡频率经运算后的输出，可作简易信号源使用。6.3 使用注意事项1）未安装旁路管道的流量传感器，应先以中等开度开启流量传感器上游阀，然后缓慢开启下游阀，然后缓慢开启下游阀。以较小的流量运行一段时间，然后全开上游阀，再开大下游阀开度，调节到所需的正常流量。2）对于装有旁路管道的流量传感器，先全开旁路管门阀，以中等开度开启流量传感器上游阀，再缓慢开启下游阀，关小旁路阀，全关旁路阀，最后调节下游阀开度到所需的流量。3）对于低温和高温流体，在流通前要排净管道中的水分，同流时先以很小流量运行 15min，再逐渐上升至正常流量。停流时也要缓慢进行，使管道温度和环境温度逐渐接近。4）启闭阀门应尽可能平缓，如采用自动控制阀门的启闭，最好采用“两端开启，两端关闭”的方式，以防止流体突然冲击叶轮甚至发生水锤现象损坏叶轮。6.4 维护和故障处理(1）维护为保证气体涡轮流量计长期正常工作，必须经常检查传感器，显示仪表以及辅助设备的运行状况，做好维护工作，出现异常时应及时排除。1）定期对传感器进行拆洗，检查和复校；设有润滑油或清洗液，维护叶轮良好运行。如叶轮出现异常声音，应及时卸下检查传感器内部零件。轴承和轴严重磨损时，应进行更换且重新标定。2）检查显示仪表工作状况，评估显示仪表读数，如怀疑有不正常现象应及时检查。3）保持过滤畅通， 过滤器被杂质堵塞，可以从其入口，出口处压力表读数差的增大来判断，并及时清除，否则堵塞严重会降低流量。定期排放消气器中从液体逸出的气体。传感器从管道上拆下暂时不用时，应用轻质油清洗干净并在两端加盖山东工程学院 20
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