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速度式流量計(jì)螺旋葉輪的設(shè)計(jì)和制造
1 問題提出
速度式流量計(jì)是以直接測量封閉管道中介質(zhì)流動(dòng)速度來得到流量的一類流量測量儀表。葉輪式速度流量計(jì)就是其中一種，也稱為渦輪流量計(jì)。其測量原理是：置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過一定裝置測得葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度可得到流體的流速，從而得到流體的流量值。由于這種儀表是利用置于流體中的葉輪，感受流體平均速度來測量流體的流量。所以在葉輪式速度流量計(jì)中，帶有螺旋形葉片的葉輪就是一個(gè)很重要的部件，如圖1（零件圖）所示。螺旋葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)、線形的設(shè)計(jì)、材料及制造工藝手段，決定了葉輪式速度流量計(jì)的流量測量范圍、測量精度、測量的靈敏度及流體的種類。要生產(chǎn)高精度的渦輪流量計(jì)，首先就要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、先進(jìn)的葉輪，并能通過現(xiàn)有生產(chǎn)加工手段生產(chǎn)制造。目前國內(nèi)生產(chǎn)渦輪流量計(jì)的廠家較少，而涉足高精度渦輪流量計(jì)生產(chǎn)的更少。主要是關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)理論與加工經(jīng)驗(yàn)不足。本文對渦輪流量計(jì)葉輪的設(shè)計(jì)及加工予以探討。
2 螺旋葉輪的設(shè)計(jì)
2.1 螺旋葉輪的設(shè)計(jì)思想
渦輪流量計(jì)是基于動(dòng)量矩原理的速度式儀表，其運(yùn)動(dòng)微分方程：
（1）
式中：J 為葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，
dw/dt 為葉輪旋轉(zhuǎn)角加速度，
M 為葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，
為作用在葉輪上的阻力矩之和。
流體流經(jīng)管路產(chǎn)生推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的力，只有在葉輪圓周方向的力，才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。作用在葉輪圓周方向的力，等于進(jìn)入葉輪的流體在圓周方向上的動(dòng)量變化，該推動(dòng)力為：
F = ρQ（V1COSα1 - V2COSα2） （2）
式中：F 為作用在葉輪上的圓周力，
V1 葉輪進(jìn)口處的絕對速度，
V2 葉輪出口處的絕對速度，
α1，α2分別為V1，V2與圓周運(yùn)動(dòng)方向的夾角，
ρ 流體密度，
Q 流體流量。
設(shè)葉輪葉片與軸線的夾角為θ，葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，r為葉輪葉片的平均半徑，可認(rèn)為推力F及速度都作用產(chǎn)生在此平均半徑處。S為葉輪進(jìn)口處的流通截面積。根據(jù)葉輪進(jìn)出口的速度三角形，做向量運(yùn)算，葉輪進(jìn)出口處的圓周運(yùn)動(dòng)速度相同，則圓周運(yùn)動(dòng)速度V0=rω。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性原理，葉輪出口處的絕對速度V2的軸向分量等于葉輪進(jìn)口處的絕對速度V1，則葉輪在圓周方向的速度變化為：
V1cosα1 = V1cos90? = 0
V1cosα2 = V0 - V1cos（90?- θ）/cosθ = V0 - V1tgθ
代入公式（2），則推力F可表示為
F = ρQ（ V1tgθ - rω）
作用在葉輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：
M = F?r = rρQ（V1tgθ - rω） = rρQ（Q/Stgθ - rω） （3）
在正常工作情況下，可認(rèn)為管道內(nèi)流體的流量不隨時(shí)間變化，即葉輪以穩(wěn)定的角速度旋轉(zhuǎn)。此時(shí)葉輪旋轉(zhuǎn)角加速度：dw/dt=0。即在穩(wěn)定狀況下，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與阻力矩之和相平衡：
則渦輪流量計(jì)數(shù)學(xué)模型為：
（4）
葉輪受到的阻力矩包括：機(jī)械部件之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩M1；流體對葉輪產(chǎn)生的粘性摩擦阻力矩M2；電磁轉(zhuǎn)換器對葉輪產(chǎn)生的電磁阻力矩M3；當(dāng)采用機(jī)械式脈沖信號采集方式時(shí)M3=0。
公式（4）可寫為：
rρQ（Q/Stgθ-rω）= M1 + M2
則：
ω/Q = tgθ/rs -（M1 + M2）/Pr2Q2 （5）
將角速度ω變換為葉輪轉(zhuǎn)速n，被測流體流量與葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：
n = Qtgθ/2πrs -（M1 + M2）/2πr2Qρ （6）
設(shè)計(jì)選擇葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)滿足此數(shù)學(xué)模型。而定量的確定阻力矩M1、M2又很困難，當(dāng)渦輪流量計(jì)進(jìn)入測量范圍，在它的測量精度內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)與流量Q成線性關(guān)系，可忽略阻力矩對葉輪的影響，公式（6）可簡化為
n = Q?tgθ/2πrs （7）
由于螺旋葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)是與多種因素縱橫相關(guān)的，測量管道中流體的流動(dòng)狀態(tài)又極其復(fù)雜，要純粹從理論計(jì)算上找出最佳參數(shù)值，那是非常困難。本文采用在理想狀態(tài)下推導(dǎo)出的理論數(shù)學(xué)模型式（7），估算出螺旋葉輪相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再與測量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，用實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)修正由阻力矩因素引起的誤差，最后得到符合儀表測量精度的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
2.2 主要參數(shù)的確定
（1）葉片的螺旋角α：同一口徑的渦輪流量計(jì)，改變?nèi)~片的螺旋角α，可改變流量計(jì)流量測量范圍，如：100mm口徑的渦輪流量計(jì)，當(dāng)α=46?時(shí)，其量程為：20m3/h~400m3/h，當(dāng)α=50?時(shí)其量程為：32m3/h~650m3/h。螺旋角α選擇合適，可使其受阻力矩影響小，使用壽命長，并適合加工工藝要求。對測量氣體的渦輪流量計(jì)，小口徑、小流量時(shí)，α可選為45?左右（中徑處）。大口徑、大流量時(shí)，α可選擇55?左右（中徑處）。
（2）葉輪葉片頂徑D及根徑d的確定：葉輪參數(shù)D、d，基本上決定了，渦輪流量計(jì)的流通面積，是影響流量計(jì)最大壓損的重要因素。對于測量氣體的渦輪流量計(jì)，一般最大壓損不超過2KPa。通過測試實(shí)驗(yàn)，一般我們?nèi)/d=1.3左右。D由流量計(jì)的口徑?jīng)Q定，為使流體充分推動(dòng)葉片，在結(jié)構(gòu)上D大于流通口徑1~2mm。
（3）葉輪葉片重疊度的確定：在軸線長度上，兩相鄰葉片相互重疊的程度，即為葉片的重疊度。葉片相互重疊的程度小，流體能量的利用率低。葉片重疊程度較大時(shí)，相應(yīng)葉輪表面積增大，粘性摩擦阻力矩影響增大。所以葉片的重疊程度選擇應(yīng)適中。選擇重疊度就是將螺旋角、葉片軸向長度及葉片數(shù)等因素綜合考慮，即考慮各因素單獨(dú)特性，又使他們達(dá)到最佳配合。一般選擇為1~2mm。
（4）葉輪葉片數(shù)的確定：確定原則是在保證葉片重疊度1~1.2及額定流量前提下，葉輪質(zhì)量盡可能小，使葉輪對流速有很好的影響，即流量計(jì)有較高的靈敏度。對于不同口徑氣體渦輪流量計(jì)，葉片數(shù)一般取為8~24片。
（5）葉輪的總體設(shè)計(jì)形式：要易于作動(dòng)平衡測試。一般葉輪的轉(zhuǎn)速較高，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中若不能保證動(dòng)態(tài)平衡，將產(chǎn)生離心力引起的振動(dòng)。加速儀表的損壞，破壞儀表的測量精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮能夠作動(dòng)平衡測試。
（6）葉輪幾何參數(shù)的校核：當(dāng)葉輪的主要參數(shù)選擇確定后，即葉輪的θ、r及s值確定。選擇不同的Q值，由公式（7）計(jì)算出相應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速n，與儀表標(biāo)定裝置對儀表標(biāo)定得到的測量值n比較。如果誤差值較大，可修改葉輪的參數(shù)，如果誤差微小，可用儀表的誤差修正裝置調(diào)整解決。
3 螺旋葉輪的制造
3.1 螺旋葉輪采用塑料材質(zhì)
可使用模具注塑成型加工，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將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，所以將推料套2設(shè)計(jì)成可繞定位軸1隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。避免了葉輪的損傷。該工裝很好的解決了葉輪出模問題。
3.2 螺旋葉輪模具型腔的加工
由于該型腔是一寬度較窄的螺旋狀型腔，無法采用純切銷機(jī)床加工，我們采用電光花加工，其工裝如圖3（電極工裝圖）所示。當(dāng)電極1沿軸線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，因電極柄3上帶有與螺旋葉片相同螺距的螺旋導(dǎo)槽，使電極繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡，完成工件4的型腔加工。該方法簡單易行，很好的解決螺旋狀型腔的加工成形問題。
3.3 螺旋葉輪葉片拔模斜度的加工
為使葉輪在注塑成型時(shí)，能夠很好的出模。葉片寬度方向帶有一定的拔模斜度，既葉輪葉片迎風(fēng)端面與背風(fēng)端面厚度上有一差值。為加工出葉片的拔摸斜度，我們采用葉片迎風(fēng)面螺旋面螺距t1與背風(fēng)面螺旋面螺距t2。不相等的兩條螺旋線軌跡，既螺距t1與t2有一差值，此差值可由葉片厚度差值推算出。根據(jù)t1、t2選擇相應(yīng)不同的掛輪比，銑削出兩條不同螺距的螺旋面，即可在葉片上形成拔摸斜度。
4 結(jié)束語
本文闡述的螺旋葉輪的設(shè)計(jì)思想，就是設(shè)計(jì)制造的螺旋葉輪要最大限度的保證葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與被測流體流速呈線性關(guān)系，從而使渦輪流量計(jì)能夠在較寬的量程范圍內(nèi)，得到較高的測量精度。介紹通過生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)的一些葉輪參數(shù)設(shè)計(jì)的理論數(shù)據(jù)。解決了采用注塑成型加工葉輪工藝難點(diǎn)。其工藝方法簡單易行，常規(guī)設(shè)備既能解決。我們采用此法研制出測量精度較高的渦輪流量計(jì)。
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