速度式流量計螺旋葉輪的(de)設計和(hé)制造

1 問題提出

    速度式流量計是以直接測量封閉管道中介質流動速度來(lái)得(de)到流量的(de)一類流量測量儀表。葉輪式速度流量計就是其中一種，也(yě)稱爲渦輪流量計。其測量原理(lǐ)是：置于流體中的(de)葉輪的(de)旋轉角速度與流體流速成正比，通(tōng)過一定裝置測得(de)葉輪的(de)旋轉角速度可(kě)得(de)到流體的(de)流速，從而得(de)到流體的(de)流量值。由于這(zhè)種儀表是利用(yòng)置于流體中的(de)葉輪，感受流體平均速度來(lái)測量流體的(de)流量。所以在葉輪式速度流量計中，帶有螺旋形葉片的(de)葉輪就是一個(gè)很重要的(de)部件，如圖1（零件圖）所示。螺旋葉輪的(de)結構參數、線形的(de)設計、材料及制造工藝手段，決定了(le)葉輪式速度流量計的(de)流量測量範圍、測量精度、測量的(de)靈敏度及流體的(de)種類。要生産高(gāo)精度的(de)渦輪流量計，首先就要設計出結構參數合理(lǐ)、先進的(de)葉輪，并能通(tōng)過現有生産加工手段生産制造。目前國内生産渦輪流量計的(de)廠家較少，而涉足高(gāo)精度渦輪流量計生産的(de)更少。主要是關鍵件的(de)設計理(lǐ)論與加工經驗不足。本文對(duì)渦輪流量計葉輪的(de)設計及加工予以探討(tǎo)。

2 螺旋葉輪的(de)設計

    2.1 螺旋葉輪的(de)設計思想

    渦輪流量計是基于動量矩原理(lǐ)的(de)速度式儀表，其運動微分(fēn)方程：

             （1）

    式中：J 爲葉輪的(de)轉動慣量，
          dw/dt 爲葉輪旋轉角加速度，
          M 爲葉輪的(de)轉動力矩，
爲作用(yòng)在葉輪上的(de)阻力矩之和(hé)。

    流體流經管路産生推動葉輪旋轉的(de)力，隻有在葉輪圓周方向的(de)力，才能産生轉矩。作用(yòng)在葉輪圓周方向的(de)力，等于進入葉輪的(de)流體在圓周方向上的(de)動量變化(huà)，該推動力爲：

    F = ρQ（V1COSα1 - V2COSα2）           （2）

    式中：F 爲作用(yòng)在葉輪上的(de)圓周力，
          V1 葉輪進口處的(de)絕對(duì)速度，
          V2 葉輪出口處的(de)絕對(duì)速度，
          α1，α2分(fēn)别爲V1，V2與圓周運動方向的(de)夾角，
          ρ 流體密度，
          Q 流體流量。

    設葉輪葉片與軸線的(de)夾角爲θ，葉輪旋轉的(de)角速度爲ω，r爲葉輪葉片的(de)平均半徑，可(kě)認爲推力F及速度都作用(yòng)産生在此平均半徑處。S爲葉輪進口處的(de)流通(tōng)截面積。根據葉輪進出口的(de)速度三角形，做(zuò)向量運算(suàn)，葉輪進出口處的(de)圓周運動速度相同，則圓周運動速度V0=rω。根據不可(kě)壓縮流體的(de)連續性原理(lǐ)，葉輪出口處的(de)絕對(duì)速度V2的(de)軸向分(fēn)量等于葉輪進口處的(de)絕對(duì)速度V1，則葉輪在圓周方向的(de)速度變化(huà)爲：

    V1cosα1 = V1cos90? = 0

    V1cosα2 = V0 - V1cos（90?- θ）/cosθ = V0 - V1tgθ

    代入公式（2），則推力F可(kě)表示爲

    F = ρQ（ V1tgθ - rω）

    作用(yòng)在葉輪上的(de)轉動力矩爲：

    M = F?r = rρQ（V1tgθ - rω） = rρQ（Q/Stgθ - rω）     （3）

    在正常工作情況下(xià)，可(kě)認爲管道内流體的(de)流量不随時(shí)間變化(huà)，即葉輪以穩定的(de)角速度旋轉。此時(shí)葉輪旋轉角加速度：dw/dt=0。即在穩定狀況下(xià)，轉動力矩與阻力矩之和(hé)相平衡：

    則渦輪流量計數學模型爲：

       （4）

    葉輪受到的(de)阻力矩包括：機械部件之間摩擦産生的(de)機械摩擦阻力矩M1；流體對(duì)葉輪産生的(de)粘性摩擦阻力矩M2；電磁轉換器對(duì)葉輪産生的(de)電磁阻力矩M3；當采用(yòng)機械式脈沖信号采集方式時(shí)M3=0。

    公式（4）可(kě)寫爲：

    rρQ（Q/Stgθ-rω）= M1 + M2

    則：

    ω/Q = tgθ/rs -（M1 + M2）/Pr2Q2           （5）

    将角速度ω變換爲葉輪轉速n，被測流體流量與葉輪轉速的(de)關系式爲：

    n = Qtgθ/2πrs -（M1 + M2）/2πr2Qρ         （6）

    設計選擇葉輪結構參數，應使葉輪轉動滿足此數學模型。而定量的(de)确定阻力矩M1、M2又很困難，當渦輪流量計進入測量範圍，在它的(de)測量精度内時(shí)，轉數與流量Q成線性關系，可(kě)忽略阻力矩對(duì)葉輪的(de)影(yǐng)響，公式（6）可(kě)簡化(huà)爲

    n = Q?tgθ/2πrs  （7）

    由于螺旋葉輪的(de)結構參數是與多(duō)種因素縱橫相關的(de)，測量管道中流體的(de)流動狀态又極其複雜(zá)，要純粹從理(lǐ)論計算(suàn)上找出最佳參數值，那是非常困難。本文采用(yòng)在理(lǐ)想狀态下(xià)推導出的(de)理(lǐ)論數學模型式（7），估算(suàn)出螺旋葉輪相關的(de)結構參數，再與測量實驗相結合，用(yòng)實驗得(de)出的(de)數據修正由阻力矩因素引起的(de)誤差，最後得(de)到符合儀表測量精度的(de)結構參數。

2.2 主要參數的(de)确定

    （1）葉片的(de)螺旋角α：同一口徑的(de)渦輪流量計，改變葉片的(de)螺旋角α，可(kě)改變流量計流量測量範圍，如：100mm口徑的(de)渦輪流量計，當α=46?時(shí)，其量程爲：20m3/h~400m3/h，當α=50?時(shí)其量程爲：32m3/h~650m3/h。螺旋角α選擇合适，可(kě)使其受阻力矩影(yǐng)響小，使用(yòng)壽命長(cháng)，并适合加工工藝要求。對(duì)測量氣體的(de)渦輪流量計，小口徑、小流量時(shí)，α可(kě)選爲45?左右（中徑處）。大(dà)口徑、大(dà)流量時(shí)，α可(kě)選擇55?左右（中徑處）。

    （2）葉輪葉片頂徑D及根徑d的(de)确定：葉輪參數D、d，基本上決定了(le)，渦輪流量計的(de)流通(tōng)面積，是影(yǐng)響流量計最大(dà)壓損的(de)重要因素。對(duì)于測量氣體的(de)渦輪流量計，一般最大(dà)壓損不超過2KPa。通(tōng)過測試實驗，一般我們取D/d=1.3左右。D由流量計的(de)口徑決定，爲使流體充分(fēn)推動葉片，在結構上D大(dà)于流通(tōng)口徑1~2mm。

    （3）葉輪葉片重疊度的(de)确定：在軸線長(cháng)度上，兩相鄰葉片相互重疊的(de)程度，即爲葉片的(de)重疊度。葉片相互重疊的(de)程度小，流體能量的(de)利用(yòng)率低。葉片重疊程度較大(dà)時(shí)，相應葉輪表面積增大(dà)，粘性摩擦阻力矩影(yǐng)響增大(dà)。所以葉片的(de)重疊程度選擇應适中。選擇重疊度就是将螺旋角、葉片軸向長(cháng)度及葉片數等因素綜合考慮，即考慮各因素單獨特性，又使他(tā)們達到最佳配合。一般選擇爲1~2mm。

    （4）葉輪葉片數的(de)确定：确定原則是在保證葉片重疊度1~1.2及額定流量前提下(xià)，葉輪質量盡可(kě)能小，使葉輪對(duì)流速有很好的(de)影(yǐng)響，即流量計有較高(gāo)的(de)靈敏度。對(duì)于不同口徑氣體渦輪流量計，葉片數一般取爲8~24片。

    （5）葉輪的(de)總體設計形式：要易于作動平衡測試。一般葉輪的(de)轉速較高(gāo)，在轉動過程中若不能保證動态平衡，将産生離心力引起的(de)振動。加速儀表的(de)損壞，破壞儀表的(de)測量精度。結構設計上要考慮能夠作動平衡測試。

    （6）葉輪幾何參數的(de)校核：當葉輪的(de)主要參數選擇确定後，即葉輪的(de)θ、r及s值确定。選擇不同的(de)Q值，由公式（7）計算(suàn)出相應的(de)葉輪轉速n，與儀表标定裝置對(duì)儀表标定得(de)到的(de)測量值n比較。如果誤差值較大(dà)，可(kě)修改葉輪的(de)參數，如果誤差微小，可(kě)用(yòng)儀表的(de)誤差修正裝置調整解決。

3 螺旋葉輪的(de)制造

    3.1 螺旋葉輪采用(yòng)塑料材質

    可(kě)使用(yòng)模具注塑成型加工，其加工模具如圖2（模具裝配圖）所示。因葉輪帶有螺旋形葉片，沿軸線方向退出模芯3時(shí)，工件4将産生旋轉，所以将推料套2設計成可(kě)繞定位軸1随葉輪轉動。避免了(le)葉輪的(de)損傷。該工裝很好的(de)解決了(le)葉輪出模問題。

3.2 螺旋葉輪模具型腔的(de)加工

    由于該型腔是一寬度較窄的(de)螺旋狀型腔，無法采用(yòng)純切銷機床加工，我們采用(yòng)電光(guāng)花加工，其工裝如圖3（電極工裝圖）所示。當電極1沿軸線進給運動時(shí)，因電極柄3上帶有與螺旋葉片相同螺距的(de)螺旋導槽，使電極繞軸線轉動，産生螺旋進給運動軌迹，完成工件4的(de)型腔加工。該方法簡單易行，很好的(de)解決螺旋狀型腔的(de)加工成形問題。

3.3 螺旋葉輪葉片拔模斜度的(de)加工

    爲使葉輪在注塑成型時(shí)，能夠很好的(de)出模。葉片寬度方向帶有一定的(de)拔模斜度，既葉輪葉片迎風端面與背風端面厚度上有一差值。爲加工出葉片的(de)拔摸斜度，我們采用(yòng)葉片迎風面螺旋面螺距t1與背風面螺旋面螺距t2。不相等的(de)兩條螺旋線軌迹，既螺距t1與t2有一差值，此差值可(kě)由葉片厚度差值推算(suàn)出。根據t1、t2選擇相應不同的(de)挂輪比，銑削出兩條不同螺距的(de)螺旋面，即可(kě)在葉片上形成拔摸斜度。

4 結束語

    本文闡述的(de)螺旋葉輪的(de)設計思想，就是設計制造的(de)螺旋葉輪要最大(dà)限度的(de)保證葉輪的(de)旋轉角速度與被測流體流速呈線性關系，從而使渦輪流量計能夠在較寬的(de)量程範圍内，得(de)到較高(gāo)的(de)測量精度。介紹通(tōng)過生産實踐檢驗的(de)一些葉輪參數設計的(de)理(lǐ)論數據。解決了(le)采用(yòng)注塑成型加工葉輪工藝難點。其工藝方法簡單易行，常規設備既能解決。我們采用(yòng)此法研制出測量精度較高(gāo)的(de)渦輪流量計。