0275-氣體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)與制造【全套5張CAD圖】
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目 錄`
1緒 論 1
1.1 引言 1
1.2 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn) 1
1.3氣體渦輪流量計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合 3
1.4 發(fā)展前景 6
2渦輪流量計(jì)的工作及結(jié)構(gòu)原理 7
2.1 TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)的工作原理 7
2.2氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理 8
2.2.1 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理 8
2.2.2 渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu) 9
3氣體渦輪流量計(jì)葉輪的改進(jìn) 21
3.1葉輪的葉型對(duì)加工的影響 21
3.2葉輪葉型結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 22
4 導(dǎo)流器與傳感器的改進(jìn) 26
4.1導(dǎo)流器的改進(jìn) 26
4.2傳感器的改進(jìn) 29
4.2.1 傳感器的分類 29
4.2.2流體密度對(duì)傳感器的影響 30
5 TWLQ氣體渦輪流量計(jì)中軸與軸承的改進(jìn) 34
5.1 渦輪軸的改進(jìn) 34
5.2 TWLQ氣體渦輪流量計(jì)中軸承的結(jié)構(gòu)改進(jìn) 35
6氣體渦輪流量計(jì)的安裝使用和維護(hù) 38
6.1流量計(jì)的安裝 38
6.1.1傳感器的安裝 38
6.1.2連接管道的安裝 39
6.2選用 40
6.2.1傳感器的選用 40
6.2.2流量指示積算儀 41
6.3使用注意事項(xiàng) 41
6.4維護(hù)和故障處理 42
結(jié) 論 44
參考文獻(xiàn) 45
附錄1：中英文翻譯 46
致 謝 65
II
1緒 論
1.1 引言
數(shù)千年前，人們?yōu)檫m應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉和水利的需要，就已開始關(guān)注著流量測(cè)量問題，古埃及出現(xiàn)了堰的雛形，而我國都江堰在那時(shí)也已經(jīng)知道利用寶瓶口巖壁上所刻的“水則”，來觀察水位，以進(jìn)行控制[1]。
到19世紀(jì)中葉，從節(jié)流式流量計(jì)開始，逐漸建立了近代流量計(jì)的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代各類流量?jī)x表也相繼出現(xiàn)，如商用的水表，煤氣表和文丘里管差壓式流量計(jì)等。20世紀(jì)20-30年代，又出現(xiàn)了孔板和噴嘴差壓式流量計(jì)，浮子流量計(jì)，融及時(shí)流量計(jì)以及宗法和稀釋法等流量測(cè)量方法。20世紀(jì)50年代以后，隨著電子技術(shù),材料和加工技術(shù)的飛躍發(fā)展，以流程工業(yè)為先導(dǎo)的各工業(yè)部門和公用事業(yè)大量使用流量?jī)x表，促使各種使用新穎的流量?jī)x表相繼問世和發(fā)展，如渦輪式，電磁式，超生式和渦街式流量計(jì)等。當(dāng)代應(yīng)用的流量?jī)x表的主要品種，很多是這一階段開發(fā)的。20世紀(jì)70年代后期又出現(xiàn)了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。
1.2 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)
流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表。它是以動(dòng)量守恒原理為基礎(chǔ)的，流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量而變化，最后從渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)求出流量值。在二次儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，可反映出瞬時(shí)流量和累積流量（或稱總量），也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。通常將渦輪流量計(jì)的感知流體留宿的渦輪及組合（包括前后導(dǎo)流架，軸承，客體即前置放大器）統(tǒng)稱為渦輪流量傳感器，而將渦輪轉(zhuǎn)速檢出后的信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換部分稱為二次儀表或顯示儀表。
渦輪流量計(jì)之所以能夠廣泛地應(yīng)用于石油工業(yè)領(lǐng)域。是因?yàn)闇u輪流量計(jì)比其他形式的流量計(jì)，如容積式流量計(jì)有更突出的優(yōu)點(diǎn)，如渦輪流量計(jì)具有流量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，渦輪流量計(jì)能夠經(jīng)受嚴(yán)重的脈動(dòng)而引起的超出流量上限的流量，以及流量計(jì)不會(huì)因?yàn)橐后w中所夾帶的固體物從而導(dǎo)致管路系統(tǒng)的阻塞，一般小顆粒物質(zhì)經(jīng)過流量計(jì)時(shí)也不會(huì)引起損壞。但是，容積式流量計(jì)就不能容忍液體中夾帶固體顆粒，這不僅會(huì)使流量計(jì)發(fā)生故障，更嚴(yán)重的是，一旦流量計(jì)卡死不轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致液體的阻塞而引起系統(tǒng)過壓的現(xiàn)象，因此我們相信，渦輪流量計(jì)將會(huì)在石油工業(yè)領(lǐng)域，以及其他領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，到如今占據(jù)全球領(lǐng)先位置。我國開展內(nèi)近代流量測(cè)量技術(shù)方面的工作比較晚，20世紀(jì)60年代才開始有了國產(chǎn)流量計(jì)，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測(cè)量技術(shù)和儀表研究開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)，以逐步躋身世界領(lǐng)先水平。
對(duì)于氣體渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度一般為0.25%R～1.5%R,對(duì)于液體渦輪流量計(jì)，它的測(cè)量精度一般為0.25%R～0.5%R,高精度型可達(dá)到0.15%R,特殊專用型為0.5% R～1% R。渦輪流量計(jì)的短期沖度型可達(dá)0.5%～0.2%。由于具有良好的重復(fù)性，因此其在貿(mào)易結(jié)算中被優(yōu)先選用。 渦輪流量計(jì)的輸出信號(hào)為脈沖頻率，因此適用于總量及瞬時(shí)流量的計(jì)量與控制，且易于遠(yuǎn)傳。信號(hào)的抗干擾能力也較強(qiáng)。但是渦輪流量計(jì)難以長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)，需要定期校驗(yàn)。流體的密度，黏度等物理性質(zhì)對(duì)儀表特性有較大影響，來流的速度分布和旋轉(zhuǎn)來流對(duì)流量計(jì)的特性也有較大影響。
智能化氣體渦輪流量計(jì)是集流量,溫度,壓力檢測(cè)功能于一體,并能進(jìn)行溫度,壓力,壓縮因子自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男乱淮髁坑?jì)廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中。
最貼近人民生活的家用燃?xì)獗砗图矣盟泶蠖嗍遣捎脺u輪結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，渦輪流量計(jì)是石油,化工,電力,冶金,工業(yè)鍋爐等工業(yè),行業(yè)的燃?xì)庥?jì)量和城市天然氣,燃?xì)庹{(diào)壓站及燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的理想儀表。
渦輪流量計(jì),是速度式流量計(jì)中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而推導(dǎo)出流量或總量的儀表。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類型流量計(jì)之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。
氣體渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[2]:
（1）高精度,在所有流量計(jì)中,屬于最精確的流量計(jì);
（2）重復(fù)性好;
1.３氣體渦輪流量計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合[3]
渦輪流量計(jì)在以下一些測(cè)量對(duì)象上獲得廣泛應(yīng)用:石油、有機(jī)液體、無機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國,渦輪流量計(jì)在用量上是僅次于孔板流量計(jì)的天然計(jì)量?jī)x表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺(tái)各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計(jì),它們已成為優(yōu)良的天然氣計(jì)量?jī)x表。
渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表，它具有壓力損失小，準(zhǔn)確度高，起步流量低，抗震與抗脈動(dòng)流性能好，范圍度寬等容易維修的特點(diǎn)。
氣體渦輪流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性好、精度高等特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。實(shí)際渦輪流量計(jì)在使用過程中受其結(jié)構(gòu)參數(shù)及被測(cè)流體特性的影響，輸入輸出關(guān)系即特性曲線并非是理想直線，如圖1-1所示（橫坐標(biāo)Q是體積流量；縱坐標(biāo)K是流量系數(shù)）。
圖1-1 渦輪流量計(jì)的流量特性圖
小流量區(qū)普遍存在著“駝峰”狀非線性區(qū)，使渦輪流量計(jì)在小流量區(qū)測(cè)量誤差較大。研究表明：渦輪流量計(jì)特性的影響因素很多，主要有被測(cè)流體介質(zhì)粘性，渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及來流速度分布等。對(duì)于來流速度分布的影響，實(shí)際應(yīng)用中可控制流量計(jì)在安裝管道中的位置（前后保持一定距離的直管道等措施），使來流速度分布相對(duì)均勻，因而本文引用理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合較好的理論模型著重就流體介質(zhì)粘性與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合影響進(jìn)行探討。
天津第五機(jī)床廠生產(chǎn)的TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)，口徑Ф50～Ф150mm,始動(dòng)流量 3.0m3/h,流量范圍10～150m3/h,介質(zhì)溫度-30℃～+60℃，工況壓力小于1.6 Mpa ，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)，外形如下圖1-2所示。
圖1-2 天津第五機(jī)床廠生產(chǎn)的TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)
無錫求信集團(tuán)公司生產(chǎn)的LWGQ氣體型渦輪流量傳感器是一種精密流量測(cè)量?jī)x表，與相應(yīng)的流量積算儀表配套可用于測(cè)量液體的流量和總量。如下圖1-3所示。其廣泛用于石油、化工、冶金、科研等領(lǐng)域的一般氣體、天然氣、煤氣等氣體計(jì)量、控制系統(tǒng)。
????一體化渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)為防爆設(shè)計(jì)，可以顯示流量總量，瞬時(shí)流量和流量滿度百分比。電池采用長(zhǎng)效鋰電池， 單功能積算表電池使用壽命可達(dá)5年以上，多功能顯示表電池使用壽命也可達(dá)到24個(gè)月以上。一體化表頭可以顯示的流量單位眾多，有立方米，加侖，升，標(biāo)準(zhǔn)立方米，標(biāo)準(zhǔn)升等，可以設(shè)定固定壓力、溫度參數(shù)對(duì)氣體進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)壓力和溫度參數(shù)變化不大的場(chǎng)合，可使用該儀表進(jìn)行固定補(bǔ)償積算。
圖1－3 無錫求新公司生產(chǎn)的LWGQ氣體渦輪傳感器
浙江蒼南儀表有限公司LWQ型氣體渦輪流量計(jì)其特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
特點(diǎn)：
(1)測(cè)量范圍寬，下限流速低于0.5m/s，壓力損失小，葉輪抗沖擊能力強(qiáng)。
(2)具有較高的抗電磁干擾和抗振動(dòng)能力，采用全密封隔離保護(hù)自潤(rùn)滑軸承， 性能可靠工作壽命長(zhǎng)。
(3)采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)，功耗低，性能優(yōu)越。具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能流量顯示器。
(4)儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在LCD屏上，LCD屏直觀清晰，可靠性高。
(5)采用EEPROM對(duì)累積流量、儀表系數(shù)進(jìn)行掉電保護(hù)，保護(hù)時(shí)間大于10年。
(6)可在被測(cè)氣體穩(wěn)定的壓力狀態(tài)下進(jìn)行壓力補(bǔ)償。
各類參數(shù)如下：
流量計(jì)規(guī)格，基本參數(shù)和性能指標(biāo)（見表一）
準(zhǔn)確度：1.0級(jí)、1.5級(jí)；
使用條件：
1環(huán)境溫度-20℃～50℃;
2相對(duì)溫度：5%～95%;
3被測(cè)介質(zhì)溫度：-20℃～80℃;
4大氣壓力：86Kpa～106Kpa;
5防爆等級(jí)：ibⅡBT4.
表-1
LWQ-A
系列氣體渦輪流量
傳感器
LWQ-B
系列氣體渦輪
流量計(jì)
1.4 發(fā)展前景[5]
氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表，它具有精度高，重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，耐高壓，測(cè)量范圍寬，體積小，重量輕，壓力損失小，流通能力大（同樣口徑可通過的流量大），維修方便等優(yōu)點(diǎn)，且可適應(yīng)高溫，高壓和低溫流體的測(cè)量需要，用于封閉管道中測(cè)量低粘度氣體的體積流量和總量。在城市天然氣計(jì)量，輸配氣管網(wǎng)天然氣計(jì)量，石油、化工、電力工業(yè)和民用等鍋爐燃?xì)庥?jì)量，燃?xì)庹{(diào)壓站計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用。
2渦輪流量計(jì)的工作及結(jié)構(gòu)原理
2.1 TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)的工作原理[3]
氣體渦輪流量計(jì)是將渦輪置于被測(cè)流體中，當(dāng)氣體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，在特殊結(jié)構(gòu)整流器的作用下得到整流并加速，在一定流量范圍內(nèi)渦輪的角速度和流量成正比。利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出與流體體積流量成正比的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，整形后將得到實(shí)際流量，并顯示在LCD屏上；如果同溫度壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)一起輸入智能流量積算儀進(jìn)行運(yùn)算處理，將得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量，并顯示于LCD屏上。如下圖2-1所示
2.2氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理
葉輪式流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，主要有渦輪流量計(jì)、分流旋翼流量計(jì)、水表和葉輪風(fēng)速計(jì)等。渦輪流量計(jì)時(shí)葉輪式流量計(jì)的主要品種，在國際上已有近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)應(yīng)用歷史，我國從60年代開始生產(chǎn)，已形成全系列化儀表。它利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例關(guān)系，通過測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的體積流量大小，是目前流量?jī)x表中比較成熟的高精度儀表。渦輪流量計(jì)有渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量。傳感器輸出與流量成正比的脈沖頻率信號(hào)，該信號(hào)通過傳輸線路遠(yuǎn)離傳送儀表，便于累計(jì)和顯示。此外傳感器輸出的脈沖頻率信號(hào)可以單獨(dú)與計(jì)算機(jī)配套使用，有計(jì)算機(jī)代替流量顯示儀表實(shí)現(xiàn)密度或溫度、壓力補(bǔ)償，顯示質(zhì)量流量或氣體體積流量。本類儀表適用于流體總量的測(cè)量。如今，渦輪流量計(jì)已在石油、化工、科研、國防和計(jì)量等各部門中獲得廣泛應(yīng)用。
2.2.1 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理[4]
氣體渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖2—2所示。它主要由儀表殼體1，前后導(dǎo)向架組件2和4，葉輪組件3和信號(hào)檢測(cè)放大器6組成。當(dāng)被測(cè)流體通過渦輪流量傳感器時(shí)，流體通過導(dǎo)流器沖擊渦輪葉片，由于渦輪的葉片與流體流向間有一傾角，流體的沖擊力對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使渦輪克服機(jī)械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)踐表明，在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)于一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與通過渦輪的流量成正比。所以，可以通過測(cè)量渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度來測(cè)量流量。
渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度一般都是通過安裝在傳感器殼體外面的信號(hào)檢測(cè)放大器用磁電感應(yīng)的原理來測(cè)量轉(zhuǎn)換的。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪上由YL401制成的螺旋形葉片依次接近和離開處于管壁外的磁電感應(yīng)線圈，周期性地改變感應(yīng)線圈磁回路的磁阻，是通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖電信號(hào)。此脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)檢測(cè)放大器放大整形后送至顯示儀表（或計(jì)算機(jī)）顯示流體流量或總量。
在某一流量范圍和一定粘度范圍內(nèi)，渦輪流量及輸出的信號(hào)脈沖頻率f與通過渦輪流量計(jì)的體積流量成正比。即:
(2-1)
（2-2a）
V= （2-2b）
2.2.2 渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)
(1) 渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)組成
如前所述，渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)主要由儀表殼體，導(dǎo)流器，葉輪（渦輪），軸承和信號(hào)檢測(cè)放大器等組成。如下圖2-2所示：
(2) 流量計(jì)中各零部件的作用
1） 儀表殼體 儀表殼體一般采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬質(zhì)合金制成，對(duì)于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)。殼體是傳感器的主體部件，它起到承受被測(cè)流體的壓力，固定安裝檢測(cè)部件，連接管道的作用，殼體內(nèi)裝有導(dǎo)流器，葉輪，軸，軸承，殼體外壁安裝有信號(hào)檢測(cè)放大器。
2） 導(dǎo)流器 導(dǎo)流器通常也選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作，安裝在傳感器進(jìn)出口處，對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支撐葉輪的作用，避免流體擾動(dòng)對(duì)葉輪的影響。
3） 渦輪 亦稱葉輪，一般由高導(dǎo)磁性材料制成（如2Crl3或Cr17Ni2等），是傳感器的檢測(cè)部件。它的作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉輪由直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率。
4） 軸與軸承 通常選用不銹鋼（如2Cr13，4Cr13，Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬質(zhì)合金制作，他們組成一對(duì)運(yùn)動(dòng)副，支承和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)。它需有足夠的剛度，強(qiáng)度和硬度，耐磨性，耐腐性等。它決定著傳感器的可靠性和使用壽命。傳感器失效通常由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是重要問題。
5 ) 信號(hào)檢測(cè)放大器 國內(nèi)常用信號(hào)檢測(cè)放大器一般采用變磁阻式，它由永久磁鋼，導(dǎo)磁棒，線圈等組成。它的作用是把渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出。由于永久磁鋼對(duì)高導(dǎo)磁材料制成的葉片有吸引力而產(chǎn)生磁阻力矩，對(duì)于小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項(xiàng)，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。一般，線圈感應(yīng)得到的信號(hào)較小，許配上千只放大器放大，整形輸出幅值較大的電脈沖信號(hào)，當(dāng)線圈輸出信號(hào)有效值在10mV以上的也可直接配用流量計(jì)算機(jī)。
圖2-2 TWLQ系列氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖
下圖a）采用穩(wěn)流二極管作負(fù)載，采用復(fù)合管射極輸出形式；圖b）采用負(fù)反饋電路以提高儀表的穩(wěn)定性，它們都具有溫度穩(wěn)定性好，放大系數(shù)高，負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
a)
b)
圖2-3為常用的兩種前置放大器電器原理圖
3氣體渦輪流量計(jì)葉輪的改進(jìn)
3.1葉輪的葉型對(duì)加工的影響[8]
葉輪由葉片和輪轂組成，葉片由輪轂、前緣與后緣過渡區(qū)域組成。下圖（3-3a）為葉輪中的葉片，為了減小葉輪在氣流裝置中因葉輪重量而產(chǎn)生的阻力，葉輪輪轂中間部位分設(shè)計(jì)為凹形，即符合葉輪的構(gòu)造又能使葉輪有較高的旋轉(zhuǎn)靈敏度。
葉輪是各類流量計(jì)的核心部件，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，其加工質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的性能有決定性影響。由于葉輪葉片的形狀是由機(jī)械中最難加工的復(fù)雜曲面所構(gòu)成的，因此，葉輪的加工長(zhǎng)期以來一直是困擾廣大科技人員的技術(shù)難題，倍受各國工業(yè)界的關(guān)注。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后研制出了多種加工方法，如：鑄造成型后修光法、石蠟精密鑄造法、電火花加工法、三坐標(biāo)仿形銑削法等。但這些早期的加工方法，不僅加工效率較低，而且精度也難以保證。直到多軸數(shù)控加工技術(shù)被應(yīng)用到葉輪的加工中，才得到了跨越性發(fā)展。
數(shù)控加工葉身型面，在國內(nèi)來說，這是近幾年的事。自八十年代以來，數(shù)控技術(shù)逐步進(jìn)入國內(nèi)機(jī)械制造領(lǐng)域，從簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床到多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床的誕生，豐富了機(jī)械零件加工方法的選擇范圍。但國內(nèi)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的起步階段，優(yōu)先對(duì)象是通用性較大的各類銑床和車床，國內(nèi)針對(duì)葉片葉身型面加工的數(shù)控機(jī)床還沒有研制，為要高質(zhì)量、高效率和高柔性的用于葉身型面加工，只得從境外引進(jìn)少量的四軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。 對(duì)葉輪型面加工提出總的加工方案,如葉片數(shù)控技術(shù)用于空間曲面的加工，與其它加工方法相比有著極大的優(yōu)越性，并特別適用于當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展方向——多品種小批量生產(chǎn)。我們?cè)谠械娜~輪基礎(chǔ)上進(jìn)行葉輪的設(shè)計(jì)與更新，數(shù)控加工方面均采用了粗加工和精加工，生產(chǎn)實(shí)踐顯示出了眾多的優(yōu)越性，如簡(jiǎn)化生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，縮短試制周期，加快品種變換，提高型面加工質(zhì)量，減少生產(chǎn)面積等。
3.2葉輪葉型結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定[9]
葉輪由支架中軸承支撐，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)，流量范圍，使用要求等設(shè)計(jì)。葉輪的動(dòng)態(tài)平衡也很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)包括葉片傾角θ，葉片的頂端與外殼內(nèi)壁的間隙δ，葉片根莖和頂徑的流通截面，葉片重疊度p以及葉片數(shù)量N等設(shè)計(jì)。這些參數(shù)直接影響流量計(jì)的特性，選擇的合理就可以提高儀表的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度，并延長(zhǎng)使用年限。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)及理論分析，比較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：
葉片傾角（對(duì)氣體）,（對(duì)液體）
葉片重疊度（P表示軸線長(zhǎng)度上兩相鄰葉片相互重疊的程度）。
葉片頂隙:當(dāng)mm時(shí)，；當(dāng)mm時(shí)，。
葉片數(shù)N：可以按照對(duì)輸出信號(hào)的頻率要求以及加工制造的可能性來考慮。根據(jù)流量計(jì)口徑大小不同而異，液體小口徑（mm）為片。大口徑（mm）一般為10片以上，氣體小口徑（mm）為片。
而對(duì)本文研究的側(cè)重點(diǎn)來看是φ50系列的氣體渦輪流量計(jì)，選用螺旋形型葉片的葉輪且選用材料為鋁合金（YL401）。
在第二章中，本文已經(jīng)涉及到過如何進(jìn)行葉輪的各方面的參數(shù)選擇，葉輪按照設(shè)計(jì)要求為葉片數(shù)z =12～20，葉片傾角α =30°～45°,重疊度為1～1.2，葉片與內(nèi)機(jī)殼間隙為0.5mm。為提高流量計(jì)的靈敏度，可適當(dāng)增加葉片數(shù)。
圖3-1 氣體渦輪流量計(jì)中的葉輪進(jìn)出口速度三角形圖
因?yàn)樵诒菊轮?，選擇葉輪的結(jié)構(gòu)角為θ=45o，所以在葉輪進(jìn)出口速度三角形中，由第二章的特性分析就可以得出以下結(jié)論：
因?yàn)棣?45o，β1=90o-45o=45 o，β2=90o-45o=45 o，α1=α2=90 o,所以Ur1=Ur2.
由式（2-12）可得流體推動(dòng)力：
= （3-1）
由此可得推動(dòng)力力矩
（3-2）
本文在允許范圍內(nèi)分別選擇13、14和20個(gè)葉片數(shù)的葉輪進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖3-1 所示?？煽吹剑龡l曲線幾乎重合。說明在流量允許范圍的內(nèi)，葉輪葉片數(shù)的增減對(duì)壓力損失的影響可以忽略。但采用13 葉片數(shù)的葉輪時(shí)，測(cè)得流量計(jì)起始流量為6.5m3/h,而采用14個(gè)葉片數(shù)的葉輪，其起始流量為6.3 m3/h,20 葉片數(shù)的葉輪，其起始流量為5.5m3/h，由此可看出：適當(dāng)增加葉片數(shù)，可以較明顯地提高流量計(jì)的靈敏度。但是值得注意的是，過大的增加葉片數(shù)會(huì)使重疊度增大，過大的重疊度將使流量計(jì)性能惡化。所以綜合考慮流量計(jì)的在使用過程中的性能后，選擇該系列流量計(jì)的葉輪葉片數(shù)為N=14。
流量（m3/h）
圖3-2 不同葉片數(shù)的壓力損失曲線
（a）鋁合金葉片
圖3-2 氣體渦輪流量計(jì)中的葉輪
圖3-2(c) φ50系列TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)的葉輪結(jié)構(gòu)
而對(duì)于該產(chǎn)品來說，因?yàn)樵撓盗袣怏w渦輪流量計(jì)的通流直徑為φ50mm，屬于小管徑的氣體渦輪流量計(jì)，在其原設(shè)計(jì)當(dāng)中，葉片數(shù)選擇是13個(gè)葉片，選擇的不是很合理，經(jīng)過多方面的考慮，當(dāng)選擇該系列氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下時(shí)最為合理：
葉片數(shù)為N=14，這在上面已經(jīng)論述過，這里不再贅述，選擇葉輪傾角θ=45o，是因?yàn)樵谏厦娴诙铝髁坑?jì)的特性分析中關(guān)于渦輪進(jìn)出口速度三角形可以看出，當(dāng)葉輪傾角選擇為45°時(shí)，當(dāng)流體離開渦輪葉片時(shí)，流體相對(duì)速度與圓周運(yùn)動(dòng)方向的夾角就等于葉片結(jié)構(gòu)角。流體對(duì)于進(jìn)出口渦輪葉片的相對(duì)速度為1 和2，則2與圓周運(yùn)動(dòng)方向的夾角2 與葉片結(jié)構(gòu)角之間有以下關(guān)系：，
。所以流量計(jì)的來流速度就等于出口速度即。葉片厚度為1mm.形狀如上圖3-2(a),(b)所示。葉輪的基本參數(shù)：
葉片材料為鋁合金，葉片數(shù)為14片，葉頂圓直徑的為Φ50mm，分度圓上的螺旋升角為β2=45o，即葉輪傾角θ=45o，葉片旋向?yàn)橛倚?
從葉片的結(jié)構(gòu)來看，其葉身型面部分為復(fù)雜的空間曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大，是典型的薄壁件。由于其為渦輪氣體流量計(jì)裝置的重要部件，工作條件較為惡劣，對(duì)零件本身的精度和質(zhì)量提出的很高的要求。型面的加工質(zhì)量直接影響其工作性能，從而影響整個(gè)機(jī)構(gòu)。
4 導(dǎo)流器與傳感器的改進(jìn)
4.1導(dǎo)流器的改進(jìn)
流體從機(jī)殼進(jìn)口流入，首先經(jīng)過整流柵進(jìn)行穩(wěn)流，再進(jìn)入前導(dǎo)流器，前導(dǎo)流器對(duì)流體有收斂作用，防止流體發(fā)生分離產(chǎn)生大的渦旋運(yùn)動(dòng)，前導(dǎo)流葉片對(duì)流體起導(dǎo)向作用，避免流體自旋而改變對(duì)葉輪葉片的作用角度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。流體經(jīng)過葉輪后將以螺線型方式向前流動(dòng)，加入帶葉片的后導(dǎo)流器對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)流，使流體沿管壁直線流動(dòng)，減少各種阻力引起的能量損失。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖4-1（a）所示：流體通過流量計(jì)的壓力損失與介質(zhì)的密度、流速等有關(guān)，其計(jì)算公式為[12]：
(4-1)
式中△P———壓力損失， Pa
α———壓損系數(shù)
ρ———介質(zhì)密度，㎞/m3
ν———流速，m/s
由于ρ和ν為流體流動(dòng)參數(shù)，不能隨意增減，因此只能盡量減小壓損系數(shù)α，以達(dá)到降低壓損的目的。壓損系數(shù)除了受流體粘性、管徑及管長(zhǎng)等因素影響外，還與流量計(jì)內(nèi)部各零部件的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。
圖4-1 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖
前、后導(dǎo)流器如下圖所示:
下圖4-2（a）、（b）分別為全封閉和半開式兩種結(jié)構(gòu)的后導(dǎo)流器示意圖。導(dǎo)流葉片數(shù)均為8，內(nèi)導(dǎo)流體幾何形狀為橢球形。兩者不同之處在于全封閉式導(dǎo)流葉片由導(dǎo)流器進(jìn)口延伸至出口，而半開式的導(dǎo)流葉片則由導(dǎo)流器中間起到出口處。
圖4-1（b）前導(dǎo)輪示意圖
而改進(jìn)后的后導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)形式是在半開式的導(dǎo)流葉片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了另一種改進(jìn)的后導(dǎo)流器：把半開式的導(dǎo)流葉片部分縮短一半，同時(shí)將葉片數(shù)減少為4，在原無葉段增加與有葉段數(shù)目相同位置均勻相錯(cuò)的葉片，但不加外筒。目的是盡量在不增加摩擦和阻塞損失情況下，加強(qiáng)對(duì)經(jīng)過葉輪后旋轉(zhuǎn)流體的整直作用。如下圖4-2（c）所示。
下圖4-3為分別采用三種后導(dǎo)流器而其余部件不變條件下流量計(jì)的壓力損失曲線。由圖可知，在流量為0～100m3/h 范圍內(nèi)，三種結(jié)構(gòu)的壓力損失均很小，可以認(rèn)為壓力損失在小流量工況下對(duì)幾何結(jié)構(gòu)不敏感，即后導(dǎo)流器的幾何形狀變化還沒有對(duì)壓損產(chǎn)生影響。隨著流量的增大，三條曲線明顯拉開了距離，其中全封閉式壓損增長(zhǎng)最快，半開式次之，壓損最小的是改進(jìn)式，在額定最大流量600m3/h處，改進(jìn)式的壓損僅為700Pa，約為半開式壓損的1/2，為全封閉式壓損的1/3。當(dāng)流量進(jìn)一步增大，這種差距還將隨之增加。由此可見，選擇合適的導(dǎo)流器可以大大降低流量計(jì)的壓力損失。在流量計(jì)的工程應(yīng)用中，有必要對(duì)前、后導(dǎo)流器幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最小壓損目的。所以在本設(shè)計(jì)中，在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，將原結(jié)構(gòu)中的后導(dǎo)流器改設(shè)計(jì)為上圖4(c)中改進(jìn)后的后導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)形式，以有利于Ф50mm口徑的TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)更廣泛的應(yīng)用于目前的燃?xì)馐袌?chǎng)中。
流量m3/h
圖4-3 后導(dǎo)流器對(duì)壓力損失影響
4.2傳感器的改進(jìn)[13]
4.2.1 傳感器的分類
（1）按傳感器結(jié)構(gòu)分類
1）軸向型（普通型） 葉輪軸中心與管道軸線重合，是渦輪傳感器的主導(dǎo)產(chǎn)品，有全系列產(chǎn)品（DN10-DN600）。
2）切向型 葉輪軸與管道軸線垂直，流體流向葉片平面的沖角約90度，適用于小口徑微流量產(chǎn)品。
3）機(jī)械型 葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)直接或經(jīng)磁耦合帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)，只是積算總量，測(cè)量精度比電信號(hào)檢測(cè)的傳感器稍低，其傳感器與顯示裝置組成一體式，受到用戶歡迎。
因?yàn)闅怏w的密度遠(yuǎn)小于液體密度，流體推動(dòng)力矩小，氣體流量傳感器與液體流量傳感器在結(jié)構(gòu)參數(shù)上有顯著差別。要加大輪轂半徑，縮小流道截面積，使氣流流速加大且集中經(jīng)過葉片邊緣。因氣流流速很高，要用較小沖角的葉片。一般為降低摩擦阻力矩，采用滾動(dòng)軸承，并對(duì)軸承系統(tǒng)注入潤(rùn)滑劑。它能沖洗掉軸承表面的微粒，延長(zhǎng)軸承壽命。多孔狀的儲(chǔ)油室能在換加潤(rùn)滑劑期間向軸承持續(xù)供油。
4.2.2流體密度對(duì)傳感器的影響
TWLQ 型氣體渦輪流量計(jì)屬于速度式儀表，密度的變化將使作用于葉輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也按比例地增減，從而影響顯示的體積流量。在測(cè)量液體的場(chǎng)合，由于液體的密度變化小，且設(shè)計(jì)時(shí)又力求軸承摩擦力矩甚小，所以密度的影響一般可以忽略。但是在測(cè)量本產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用氣體的場(chǎng)合，由于氣體的密度在常壓下為液體密度的千分之一，欲保持氣體具有和液體相同的轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，則流速要增大30余倍。同樣，葉輪的轉(zhuǎn)速也是必然要激劇增大而直接影響傳感器使用壽命。為此，氣體用流量傳感器的設(shè)計(jì)必須減小葉片傾角以降低葉輪轉(zhuǎn)速。同時(shí)，盡可能減小軸承摩擦力矩。所以對(duì)該系列產(chǎn)品來說一般在葉輪設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮這一點(diǎn)，已經(jīng)在設(shè)計(jì)時(shí)將葉輪的葉片傾角設(shè)計(jì)為45o角，一旦被測(cè)流體的溫度、壓力或密度出現(xiàn)較大幅度變化時(shí)，則對(duì)傳感器的流量系數(shù)應(yīng)與修正。
5 TWLQ氣體渦輪流量計(jì)中軸與軸承的改進(jìn)
軸與軸承 它支撐葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。它決定著傳感器的可靠性和使用期限[4]。傳感器失效通常是由于軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是很重要的。
在第二章特性分析中已經(jīng)提到過一些有關(guān)軸與軸承的知識(shí)，它們組成一對(duì)運(yùn)動(dòng)副，支撐和保證葉輪自由旋轉(zhuǎn)。它需要有足夠的剛度，強(qiáng)度和硬度，耐磨性，耐腐性等。它決定著傳感器的可靠性和使用壽命。傳感器的失效通常是由軸和軸承引起，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是重要問題。再者，因?yàn)榱黧w流通時(shí)作用于葉輪上的力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也給葉輪一個(gè)軸向力，使軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，而且為了使氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)性能更加合理，流量計(jì)的機(jī)械摩擦阻力越小越好，從而使流量計(jì)的始動(dòng)流量值也越小越好，所以應(yīng)減少流量計(jì)的渦輪與軸承之間的摩擦力。
5.1 渦輪軸的改進(jìn)
軸：如下圖為氣體渦輪流量計(jì)中的渦輪軸，直徑為Ф4mm, 長(zhǎng)度為80mm,在原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，該渦輪軸為一根光軸，光軸因?yàn)槠湫螤詈?jiǎn)單、應(yīng)力集中少且易加工，所以一般應(yīng)用于小直徑系列流量計(jì)中的渦輪軸，又因?yàn)樵搨鲃?dòng)軸屬于小系列的流量計(jì)中的軸，要考慮其在工作過程中的受力情況和綜合性能，因?yàn)檩S的直徑將直接影響到葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以對(duì)軸的結(jié)構(gòu)外形在本章中將不作修改，沿用原設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)，為了減小滾動(dòng)軸承的軸與軸承間的摩擦轉(zhuǎn)矩，與葉輪的重量及軸的直徑成正比，因此在機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡可能把軸做細(xì)，使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質(zhì)及兩者的配合間隙也是很重要的，只是在渦輪軸的制作過程中，本文將選擇一種耐磨性更高的材料來替代原設(shè)計(jì)中的材料使渦輪軸在工作過程中盡可能的使軸與軸承間的摩擦阻力減小，使Ф50系列的TWLQ氣體渦輪流量計(jì)更加廣泛的應(yīng)用在目前的城市燃?xì)馐袌?chǎng)中。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[14]，原設(shè)計(jì)中渦輪軸的選材為Q235-A，該材料的基本參數(shù)如下：,,,,許用彎曲應(yīng)力，，。 經(jīng)過比較選取了一種20Cr的材料，該材料的硬度HRC56-62，，，,
，許用彎曲應(yīng)力，，，由材料的各方面性能上就可看出重新選取的20Cr渦輪軸材料的各方面的綜合性能均高于原設(shè)計(jì)中采用的材料，所以，本設(shè)計(jì)在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上改變軸的材料，使渦輪軸在工作過程中更好的發(fā)揮作用。
5-1(a)TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)中的渦輪軸
5-1(b)在實(shí)際應(yīng)用中的TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)的軸
5.2 TWLQ氣體渦輪流量計(jì)中軸承的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
流量測(cè)量?jī)x表種類繁多，測(cè)量方法也很多。迄今為止，可供工業(yè)用的流量測(cè)量?jī)x表種類達(dá)60種之多。在如此眾多流量測(cè)量?jī)x表中，氣體渦輪流量計(jì)以其高精度、重復(fù)性好、抗干擾能力好、測(cè)量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是由于其主軸承使用滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承的局限性，使得氣體渦輪流量計(jì)存在不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性以及流體物性對(duì)流量特性有較大影響等缺陷。我國中科院有一些學(xué)者曾嘗試將氣體軸承應(yīng)用于流量計(jì)中，不過大多是選用可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承。由于可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承不但體積大，而且成本極高，很難用于民用工業(yè)中，所以僅僅停留在試驗(yàn)階段。
在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮軸向推力的平衡，流體作用于葉輪上的力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也給葉輪一個(gè)軸向力，使軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大。為了抵消這一軸向力，在結(jié)構(gòu)上采取各種軸向推力平衡措施。另外，軸承磨損要??；這是提高測(cè)量準(zhǔn)確度，延長(zhǎng)儀表壽命的重要環(huán)節(jié)。滾動(dòng)軸承雖然摩擦力矩很小，但對(duì)贓污流體及腐蝕性流體的適應(yīng)性較差，壽命不長(zhǎng)。在原設(shè)計(jì)中，因通過的流體為氣體，因此臟污對(duì)軸承的影響不大。目前市場(chǎng)仍廣泛應(yīng)用滑動(dòng)軸承（空心套形軸承）。滾動(dòng)軸承的軸與軸承間的摩擦轉(zhuǎn)矩與葉輪的重量及軸的直徑成正比，因此在機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡可能把軸做細(xì)，使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質(zhì)及兩者的配合間隙也是很重要的，目前常采用的材料是耐磨性較好的材料，因此常常在軸表面鍍以硬鉻并進(jìn)行精磨。為了徹底解決軸承磨損問題，我國目前生產(chǎn)無軸承的渦輪流量變送器。
軸 承 : 氣體渦輪流量計(jì)主軸承大多采用油潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承，存在較大的局限性。渦輪流量計(jì)的軸承一般有碳化鎢、聚四氟乙烯、碳石墨三類材質(zhì)。天然氣計(jì)量?jī)x表軸承應(yīng)選用碳化鎢材料。以上是選型時(shí)要考慮的主要方面。由于渦輪流量計(jì)類型規(guī)格繁多，特別是不同的制造廠產(chǎn)品質(zhì)量有差別，選型時(shí)應(yīng)盡量搜集制造廠及產(chǎn)品的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等資料，進(jìn)行反復(fù)調(diào)查比較后再?zèng)Q定取舍。在本文的原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知[15]:
由以上兩個(gè)條件可知：軸向來流速度
又根據(jù)第二章中的渦輪進(jìn)出口速度三角形可知：
葉輪圓周速度：
圖5-3 葉輪進(jìn)出口速度三角形
由上圖5-3知：角速度
又因?yàn)檗D(zhuǎn)速
所以作用在葉輪上的力矩為：
又根據(jù)作用力與反作用力相互作用的原理可知：作用在渦輪軸上的力偶矩就等于作用在葉輪上的力偶矩，所以可以根據(jù)這一條件求出作用在渦輪軸上的圓周力，即：
根據(jù)渦輪與蝸桿受力圖可知：軸向力
因?yàn)樵撦S承裝在渦輪軸上，所以當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪軸給軸承一個(gè)軸向力Fa1，同理軸承也給渦輪軸一個(gè)軸向力Fa2,,該軸向力在數(shù)值上等于Fa1 ,即：
根據(jù)外力偶矩算出的軸向力Fa=6N，由于載荷小而且平穩(wěn)，且大部分承受徑向載荷所以選擇深溝球軸承[16]，
根據(jù)上面選擇的軸承型號(hào)GB/T 628/4系列，該軸承的結(jié)構(gòu)為4×9×3.5，即軸承內(nèi)徑d=4mm,外徑變?yōu)镈= 9mm,軸承寬度B=3.5mm，額定動(dòng)載荷Cr=0.55KN,Cor=0.18KN,重量為W=0.0008Kg。其Cr=0.55KN≥0.238KN，所以重新選擇的軸承性能滿足使用要求，且在結(jié)構(gòu)上小于原設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)，滿足流量計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊，使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小的要求，所以在此對(duì)原結(jié)構(gòu)中的軸承進(jìn)行了改進(jìn)，使該系列氣體渦輪流量計(jì)的性能在使用過程中得到更好的發(fā)揮。
6氣體渦輪流量計(jì)的安裝使用和維護(hù)
6.1流量計(jì)的安裝
6.1.1傳感器的安裝[17][18]
1 傳感器一般應(yīng)該水平安裝，流體流向必須和箭頭指向一致。并符合說明書的安裝環(huán)境要求，如下圖6-1（a）（b）所示。
2 和傳感器相連接的前后管道的內(nèi)徑應(yīng)與傳感器口徑一致。管道和傳感器連接處，不準(zhǔn)有凸出物深入管道內(nèi)，以免改變通道界面和傳感器進(jìn)口流場(chǎng)分布，并要求管道中心和傳感器中心一致。傳感器上游直管段長(zhǎng)度L與管道內(nèi)徑D的比值應(yīng)滿足式（6-1）的要求。
（6-1）
式（6-1）中，f是管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)一般可取0.0175；R是旋渦速度比，取決于傳感器上游局部阻流件的類型。K值與上游直管段長(zhǎng)度如表6-1所示。
表6—1 漩渦速度比
局部阻流件名稱
R
上游直管段長(zhǎng)度
同心漸縮管
0.75
15D
一個(gè)直角彎頭
1
20D
同平面內(nèi)兩個(gè)直角彎頭
1.25
25D
空間兩個(gè)直角彎頭
2
40D
全開閘閥，截止閥
1
20D
半開閘閥，截止閥
2.5
50D
若上游局部阻流件狀況不明確，一般推薦上游直管長(zhǎng)度應(yīng)不小于20D，下游直管段長(zhǎng)度不小于50D。當(dāng)上游直管段長(zhǎng)度不能滿足要求時(shí)。應(yīng)在傳感器與阻流件之間安裝流動(dòng)調(diào)整器。傳感器安裝在室外時(shí)，應(yīng)有避免陽光直射和防雨林措施。
6.1.2連接管道的安裝
1 在需要運(yùn)行不能停流的場(chǎng)合，應(yīng)安裝旁路管道和可靠的截止閥，測(cè)量時(shí)應(yīng)保證管道無泄漏。在其他場(chǎng)合，一般希望設(shè)置旁路管道，既利于啟動(dòng)時(shí)起保護(hù)作用，又利于不影響流體正常輸送情況下的維修。
2 傳感器前一般應(yīng)安裝過濾器，以消除雜質(zhì)；在測(cè)量單向流的場(chǎng)合，應(yīng)在傳感器的下游處設(shè)一單向閥，以防止因流體的放流現(xiàn)象影響傳感器特性。凡測(cè)量易氣化的液體時(shí)，應(yīng)安裝消氣器，以消除管道內(nèi)氣體。為了防止發(fā)生氣穴，提高測(cè)量精度和使用壽命，傳感器進(jìn)口端壓力應(yīng)高于式（6-2）計(jì)算得最低壓力p：
（6-2）
式中p是傳感器最大流量時(shí)的壓力損失；是被測(cè)液體最高使用溫度時(shí)的蒸汽壓。
3 流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)置于傳感器下游處，以減少來自上游的流場(chǎng)干擾，以利流量的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。壓力表可設(shè)置在傳感器的進(jìn)口或出口處，溫度計(jì)應(yīng)該設(shè)置在傳感器的下游5D處。
6.2選用
6.2.1傳感器的選用
1 適宜測(cè)量的流體 傳感器最適用于測(cè)量潔凈的低粘度單相流體，如水，輕油，石油溶劑，酸，堿，液氧，液氮，液氫及空氣，氧氣等。若測(cè)量高粘度液體，由于粘度對(duì)傳感器性能的影響，將降低測(cè)量精確度。若測(cè)量混有固體顆粒的液體，因易損壞軸承，渦輪流量計(jì)不適合使用。對(duì)測(cè)量強(qiáng)腐蝕性的液體，將造成葉輪等主要零部件的選材困難，其耐腐蝕性的液體，將造成葉輪等主要零部件的選材困難，其耐腐蝕性有一定的局限性，要慎重選擇。對(duì)氣體測(cè)量是可以的，但因氣體密度低，流速高，所以必須對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)作特殊考慮。一般不能用于氣液混相流和蒸汽的測(cè)量。
2 口徑的選用 每種口徑的傳感器都有一定的流量測(cè)量范圍度。一般傳感器口徑的選用是由流量范圍來決定的。即使用時(shí)的最小流量不得低于該口徑允許測(cè)量的最小流量，使用時(shí)的最大流量不得高于該口徑允許測(cè)量的最大流量。從測(cè)量精確度和使用壽命兩方面考慮，一般認(rèn)為在斷續(xù)使用的場(chǎng)合，按實(shí)際使用時(shí)的最大流量的1.3倍選擇傳感器口徑。連續(xù)使用的場(chǎng)合，按實(shí)際使用時(shí)的最大流量的1.4倍選擇傳感器口徑。至于在惡劣工況條件下使用，則使用時(shí)的最大流量應(yīng)該為該口徑允許最大流量的40%。如果傳感器口徑與流程管道通經(jīng)不一致時(shí)，則應(yīng)以異徑接管和等徑直管改裝管道。
一般情況下，傳感器流量范圍下限附近誤差稍大，通常將實(shí)際最小流量的0.8倍作為選用傳感器流量范圍下限值，使保證有一定的余量。
6.2.2流量指示積算儀
應(yīng)水平放置或水平安裝在儀表屏上，安裝高度應(yīng)以及具有腐蝕性的流體測(cè)量以及需要連續(xù)使用的場(chǎng)合。
1）安裝 流量指示積算儀應(yīng)水平放置或水平安裝在儀表屏上，安裝高度應(yīng)以讀數(shù)和操作方便為準(zhǔn)，一般為1.5m左右。
2）接線
a 流量指示積算儀所用電源為220v，50Hz交流，按接線端子板規(guī)定的“相”，“中”，“接地”三接線點(diǎn)與交流電源相連.電源三接線點(diǎn)不得相混使用，其他任何引線不要隨便接入。
b 接線端子板上“輸入”部分是指流量指示積算儀工作信號(hào)輸入的諸接線點(diǎn)：“信號(hào)”端子介傳感器經(jīng)信號(hào)檢測(cè)放大器放大后的輸出；
“接地”端子接傳感器信號(hào)檢測(cè)放大器公共地線（不接殼）；
“—E”端子引出提供傳感器信號(hào)檢測(cè)放大器工作電源（一般為—12V）。
c 0～10mA直流電流輸出部分共四個(gè)接點(diǎn)，供引出0～10mA直流電流信號(hào)，可配調(diào)節(jié)器和記錄儀等。根據(jù)不同的負(fù)載可選擇使用， 負(fù)載的地線接在“”端子上。
d 標(biāo)準(zhǔn)頻率（10～100kHz）輸出部分是指石英晶體振蕩器震蕩頻率經(jīng)運(yùn)算后的輸出，可作簡(jiǎn)易信號(hào)源使用。
6.3使用注意事項(xiàng)
1）未安裝旁路管道的流量傳感器，應(yīng)先以中等開度開啟流量傳感器上游閥，然后緩慢開啟下游閥，然后緩慢開啟下游閥。以較小的流量運(yùn)行一段時(shí)間，然后全開上游閥，再開大下游閥開度，調(diào)節(jié)到所需的正常流量。
2）對(duì)于裝有旁路管道的流量傳感器，先全開旁路管門閥，以中等開度開啟流量傳感器上游閥，再緩慢開啟下游閥，關(guān)小旁路閥，全關(guān)旁路閥，最后調(diào)節(jié)下游閥開度到所需的流量。
3）對(duì)于低溫和高溫流體，在流通前要排凈管道中的水分，同流時(shí)先以很小流量運(yùn)行15min，再逐漸上升至正常流量。停流時(shí)也要緩慢進(jìn)行，使管道溫度和環(huán)境溫度逐漸接近。
4）啟閉閥門應(yīng)盡可能平緩，如采用自動(dòng)控制閥門的啟閉，最好采用“兩端開啟，兩端關(guān)閉”的方式，以防止流體突然沖擊葉輪甚至發(fā)生水錘現(xiàn)象損壞葉輪。
6.4維護(hù)和故障處理
(1）維護(hù)
為保證氣體渦輪流量計(jì)長(zhǎng)期正常工作，必須經(jīng)常檢查傳感器，顯示儀表以及輔助設(shè)備的運(yùn)行狀況，做好維護(hù)工作，出現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)及時(shí)排除。
1）定期對(duì)傳感器進(jìn)行拆洗，檢查和復(fù)校；設(shè)有潤(rùn)滑油或清洗液，維護(hù)葉輪良好運(yùn)行。如葉輪出現(xiàn)異常聲音，應(yīng)及時(shí)卸下檢查傳感器內(nèi)部零件。軸承和軸嚴(yán)重磨損時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更換且重新標(biāo)定。
2）檢查顯示儀表工作狀況，評(píng)估顯示儀表讀數(shù)，如懷疑有不正常現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)檢查。
3）保持過濾暢通， 過濾器被雜質(zhì)堵塞，可以從其入口，出口處壓力表讀數(shù)差的增大來判斷，并及時(shí)清除，否則堵塞嚴(yán)重會(huì)降低流量。定期排放消氣器中從液體逸出的氣體。傳感器從管道上拆下暫時(shí)不用時(shí)，應(yīng)用輕質(zhì)油清洗干凈并在兩端加蓋防護(hù)，以防銹蝕或雜質(zhì)進(jìn)入儀表內(nèi)。
（2）故障現(xiàn)象，原因及處理方法
渦輪流量計(jì)常見的故障現(xiàn)象，原因及處理方法見下表6-2所示。
表6—2 故障分析與處理
故障現(xiàn)象
故障原因
處理方法
1，通電后無流量時(shí)有流量輸出信號(hào)
a.輸入屏蔽或輸出不良，引入電磁干擾
改善屏蔽與接地，排除電磁干擾
b.傳感器靠近傳感源或管道震動(dòng)
遠(yuǎn)離干擾源安裝，采取防震措施
c.節(jié)制閥關(guān)閉不嚴(yán)泄露
檢修或更換閥
2，通電通流后無流量輸出信號(hào)
a.感應(yīng)線圈斷線或焊點(diǎn)脫焊
更換感應(yīng)線圈或重焊
b.前置放大電路元件損壞
檢查并更換元器件
c.葉輪被雜物或臟物卡死
拆下葉輪進(jìn)行清洗或更換，更換后須重新標(biāo)定
結(jié) 論
本文對(duì)TWLQ型氣體渦輪流量計(jì)的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并著重對(duì)口徑為Ф50系列的氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其中包括了對(duì)流量計(jì)中渦輪軸，支撐軸承，葉輪，后導(dǎo)流器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析及重新設(shè)計(jì)。針對(duì)原產(chǎn)品在燃?xì)馐袌?chǎng)中使用時(shí)存在的問題，其最大特點(diǎn)在于特性曲線與溫度壓力有關(guān)，氣體壓力損失在550-1400pa之間不等，不確定度可達(dá)1%-2%。針對(duì)這些不足之處，本文在產(chǎn)品的工作與結(jié)構(gòu)原理中，通過特性分析了解到引起上述不足的因素，為后文對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)打下鋪墊。其總結(jié)如下:
1、葉輪的葉形是由機(jī)械中最難加工的復(fù)雜曲面組成的，要根據(jù)流體性質(zhì)，流量范圍，使用要求等設(shè)計(jì)，選擇合適的葉片參數(shù)有利于流量計(jì)性能的更好發(fā)揮。
2、在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上重新選擇密度更小的且摩擦系數(shù)更小的材料20Cr，使葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受的摩擦阻力矩降到最小。
本次結(jié)構(gòu)改進(jìn)后存在的問題：
1、改進(jìn)后TWLQ系列氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部零件，目前只是停留在理論的設(shè)計(jì)計(jì)
算階段，還沒有應(yīng)用到實(shí)際的場(chǎng)合中去.
2、改進(jìn)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所選用的材料在性能上有很大的提高，但是不太符合經(jīng)濟(jì)
性要求。
3、下一步將通過與五機(jī)床技術(shù)人員的共同合作，進(jìn)行該系列流量計(jì)內(nèi)部零件的
實(shí)際加工并組裝成產(chǎn)品，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，投入到燃?xì)馐袌?chǎng)中。
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致 謝
為期幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在不知不覺間已接近尾聲，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)讓我感覺到知識(shí)海洋的博大，也讓我更加明白到學(xué)無止境。我想在以后的學(xué)習(xí)和工作中，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，以彌補(bǔ)諸多不足，同時(shí)懇請(qǐng)老師和同學(xué)多多幫助，使我逐步培養(yǎng)起嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)的科研作風(fēng)。
在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，得到了金副教授和五機(jī)床梁科長(zhǎng)的大力支持和引導(dǎo)。他們不論在理論知識(shí)方面給了我很多的指導(dǎo)，使我們受益匪淺，而且在實(shí)踐方面給了我們很大的幫助。李老師是在完成正常學(xué)院工作下，經(jīng)常不辭辛苦的來指導(dǎo)我們的設(shè)計(jì)，遇到困難時(shí)，及時(shí)引導(dǎo)我們糾正錯(cuò)誤的想法，糾正錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。傳授我們完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所需的深層次的專業(yè)知識(shí)，滿足我們各方面的要求在前期的材料收集和后期的論文寫作過程中，李老師給予了我極大的幫助和耐心的指導(dǎo)、中肯的建議，他淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神使我受益匪淺。同時(shí)也要感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)中同組同學(xué)的大力協(xié)助，在我畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給予的支持和幫助。論文的順利完成要得益于他們的鼎力協(xié)助,在此致以最誠摯的謝意。
最后，感謝我深愛的父母、親人和朋友，正是他們的愛，支持我在人生的道路上不斷進(jìn)取。并感謝在我求學(xué)道路上所有培育過我的老師，我所取得的一切成績(jī)都離不開他們的辛勤努力。
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