高精度涡轮流量计内部结构设计

1、理论分析①：
  涡轮流量计作为速度式仪表，以动量矩守恒为基础，涡轮流量计基本力矩平衡方程为［1］:
  Td－ Tb－ Th－ Tw－ Tt－ Tm= Jdωdt( 1)式中 Tb———轴与轴承的粘性摩擦阻力矩( 流动产生的力矩) ;Td———涡轮流量计转动的驱动力矩；
  Th———轮毂表面的粘性阻力矩;Tm———磁电阻力矩和轴与轴承的机械摩擦阻力矩之和;Tt———叶片顶端与传感器外壳的粘性摩擦阻力矩;Tw———轮毂端面粘性摩擦阻力矩;J ———涡轮的转动惯量;ω ———涡轮转动的角速度。

  Td－ Th－ Tt－ Tm= Jdωdt( 2)
  由式( 2) 可以看出提高驱动力矩是降低涡轮流量计启动排量的一条捷径。如图 1 所示，传统涡轮流量计入口端是直管段和轴向导流片，流体流经涡轮叶片之前只有轴向速度，对涡轮的驱动力矩只是对涡轮叶片作用力的径向分力产生的力矩。因为涡轮叶片螺旋角为 45°，如果将导流片改为螺旋角为 － 45°的螺旋导流片( 图 2) ，当流体进入导流片时会产生旋转，方向与涡轮叶片正交，使得流体在轴向流动速度不变的基础上增加了径向的旋转运动，流体的旋转方向与涡轮叶片的转动方向一致，在相同流量条件下，增加了流体对涡轮叶片的驱动力，实现降低启动排量和提高分辨率的目的，整体结构如图 3 所示。

图 1 普通涡轮导流片

图 2 改进后的涡轮导流片

图 3 改进后的涡轮流量计

2、仿真研究：
  Workbench 是 ANSYS 公司开发的协同仿真环境，是将仿真过程结合在一起的平台，可以大大简化仿真过程中各模块间的交互操作。通过几何建模( 图 4) 、网格划分、计算求解及后处理等过程，可以比较准确地仿真复杂机械模型的各物理参数场分布［2 ～ 4］。

图 4 涡轮流量计内部结构几何模型

图 5 涡轮流量计网格划分

图 6 速度场云图图 7 压力场云图

图 8 速度场矢量图

  为了得到导流片螺旋角与涡轮叶片螺旋角的***佳匹配，利用 ANSYS 软件对不同角度导流片的驱动力矩进行计算，其中管道直径为 14mm，涡轮叶片直径为 13． 5mm，重叠度为 1． 64，叶片螺旋角为 45°，导流片螺旋角分别设为 － 35°、－ 45° 和－ 55°，来 流 条 件 分 别 设 为 0． 1、0． 2、0． 3、0． 4m3/ d。由于速度较低，采用层流模型，各不同工况条件下涡轮叶片受到的驱动力矩情况如图 9所示。导流片螺旋角为 － 45°时涡轮叶片受力更大，更容易启动。此时涡轮叶片螺旋角与导流片螺旋角恰好成 90°，可充分利用流体动量使涡轮叶片更易启动，模拟结果与上述理论分析相符。

图 9 不同角度涡轮叶片力矩

3、实验研究：
  通过搭建实验平台( 图 10) 对计算结果进行验证。实验平台应具备以下两个功能: 在低流量下能够非常平稳的运行; 具备测量流量的功能。
  该平台以单相水流为介质，循环流动通过水泵实现; 流量的控制主要通过固定上游水位和调节阀来实现，流量的测量采用简便可靠的容积时间法。

图 10 实验平台简图
  实验平台中上方为稳压水箱，提供一个稳定的压力源，在管道内阻力不变的情况下，保证管道内流速不会发生变化，经过 2m 长的下降段，流入涡轮流量计，随后流出实验管道，通过量筒计量可以得到管路内的流速。通过高速摄影可以清晰的观察低速条件下涡轮流量计的响应情况。
  为了验证高精度涡轮流量计的响应情况，实验将高精度涡轮流量计与传统涡轮流量计在相同条件下进行对比。
  实验介质为单相水，流量范围 0 ～ 20m3/ d，通过调节不同的流量点来记录输出频率，流量点误差优于 1% ，每次测量时间为 60s，采样间隔为5ms，每点测量 3 次取平均值，测量数据见表 1。

表 1 高精度涡轮与传统涡轮输出实验数据对比

4、结论：
4． 1、理论研究与数值仿真确定了高精度涡轮流量计的***合理结构，即导流片螺旋角为 － 45°与涡轮叶片正交时，同样来流条件下驱动力矩***大。
4． 2、在单相水条件下，高灵敏涡轮流量计启动排量 0． 3m3/ d，远低于传统涡轮流量计的1． 0m3/ d，分辨率也有 1． 7 倍的提高，可以解决部分单井产量低于 1． 0m3/ d 的低产井的流量测量问题。