摘要：对气体涡轮流量计的主要组件引起的压力损失进行了对比实验测量，比较了整流栅形状、叶轮叶片数和后导流器不同结构对压损的影响程度。结果表明，后导流器相对整流栅和叶轮是产生压力损失的主要因素，采取改进的后导流结构，可以明显降低流量计的压损，同时得到更好的仪表系数值，提高流量计准确度。
1、引言
涡轮流量计是叶轮式速度流量计，属于速度式测量，即利用测量管道内介质流动速度来得到流量。置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比，通过测量叶轮的旋转角速度得到流体流速，从而得到管道内的流量值。在选择涡轮流量计的时候，除了要求其具有准确度高、量程大和起始流量小的优点外，压损小也是一个关键指标。流体通过涡轮流量计的压力损失越小，则流体由输入至输出管道所消耗能量就越小，由此可大大节约能源，降低输送成本。本文将对流量计进行实验对比测量，找出引起压损的主要因素，为针对性地改进设计提供基本实验依据。
2、结构与压力损失
高压气体涡轮流量计结构示意如图1所示，主要组件包括整流栅、前导流器、叶轮以及后导流器等。当流体通过管道时，冲击叶轮，对叶轮产生驱动力矩，使叶轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而旋转，在一定的流量范围内，叶轮的旋转角速度与流体流速成正比。因此，叶轮的转速通过装在机壳外的磁电转换装置转换为模拟电流量，进而显示为瞬时流量值和累积流量值。
流体从机壳进口流入，*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。
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：
△P=aρv²/2 （2）
△P=aρv²/2 （2）
式中
△P———压力损失，Pa
a———压损系数
ρ———介质密度，kg/m³
v———流速，m/s
由于ρ和v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a，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，还与流量计内部各部件的几何结构有关。
3、实验测量
实验采用口径DN=100mm，量程Q=60～600m³/h的涡轮流量计，在吸气式试验台上分别对介质为空气（常压）、不同形状整流栅、不同叶片数叶轮和不同结构的后导流器进行测量。
3.1整流栅
图2为圆孔和方孔两种形状整流栅，整流栅直径为100mm，宽为15mm。方孔流通面积约为圆孔流通面积的4/3。中间实体为固定整流栅螺钉位置。
图3是只改变整流栅条件下，流体经过流量计的压力损失曲线。由图知，尽管方孔整流栅比圆孔增大了万方数据的通流面积，但对流体压损的影响并不明显。在小于300m³/h的范围内，两者几乎没有差别，在Q=700m³/h处，方孔整流栅*大使压损降低300Pa，比圆孔整流栅改善约10%，在工作范围60～600m³/h内，方孔比圆孔平均改进约2%，但方孔加工难度大于圆孔，因此，应根据实际情况选择整流栅。
3.2叶轮
叶轮按照设计要求为叶片数z=12～20，叶片倾角a=30°～45°，重叠度为1～1.2，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。
本文在允许范围内分别选择13和20个叶片数的叶轮进行了测量，结果如图4所示。可看到，两条曲线几乎重合。说明在允许范围内，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6.5m³/h，而采用20叶片数的叶轮，其起始流量为5.5m³/h，适当增加叶片数，可以较明显地提高流量计的灵敏度。值得注意的是，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。
3.3后导流器
图5（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，而半开式导流叶片则由导流器中间起到出口处。
作者在半开式基础上设计加工了另一种改进的后导流器：把半开式叶片部分缩短一半，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。如图6所示。
图7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0～100m³/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*快，半开式次之，压损*小的是改进式，在额定*大流量600m³/h处，改进式压损仅为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*小压损目的。
3.4仪表系数
考查涡轮流量计性能的另外一个重要指标是仪表系数K。仪表系数可理解为流量计仪表的输出流量值与通过流量计的实际流量值之比。因仪表的输出流量值与仪表内磁电转换器输出频率成正比，故K也表示为输出频率与实际流量之比，即，
式中
f———输出频率，s-1
qv———实际流量，m³/s
Z———叶轮叶片数
r———叶轮平均半径，m
F———流通截面积，m²
θ———叶片与轴线夹角，rad
由式（2）可知，理想的仪表系数K与结构参数有关，与流量变化无关。对某**量计，K为一常数，在K-qv图上为一平行横轴的直线。但对实际的流体流动，由于叶轮要克服轴承的机械阻力矩、流体产生的阻力矩，并受流动状态等因素的影响，使K不可能保持直线，而在量程范围内，尽量保证K为一常数是保证流量计精度的前提条件。
作者对改进的后导流器对流量计仪表系数的影响进行了实验测试，考察改变结构组件后对仪表性能的影响。图8为分别采用半开式和改进的后导流器，流量计仪表系数的测试结果。
由图8可看出，采用改进的后导流器后，流量计仪表系数比改进前有较好的改善，在量程范围内（60～600m³/h），K很好地体现了系数的特性，甚至在超过*大量程后，能继续保持水平直线状态。改进前的流量计K值也较好，但随着流量增大，直线略向下倾斜，偏离了水平位置。
4、结论
通过对气体涡轮流量计主要组件压力损失的实验测量及对整流栅形状、叶轮叶片数和后导流器不同结构对压损影响程度的分析得出结论：后导流器相对整流栅和叶轮是压力损失的主要因素。当采用改进的后导流结构时，测量结果显示流量计的压损被大幅度降低，同时仪表系数值更加稳定，两者均使流量计的准确度得到提高。
