关于串联使用涡轮流量计的研究
内容：摘要本文重.点论述了在试验室的条件下，串联使用二个以上涡轮流量计侧量流量时，由于前一涡轮旋转，使液流产生较强的旋回流，使后一涡轮流量计的仅表系数有较大的偏差。并且为了消除其旋回流的影响，而研制出一种新型的非均匀多孔板的整流装置，效果很好。从而不但找到3二个以上串联流量计所测得数据不一的原因，而且找到了消除其影响的简便方法。
一、概述：
涡轮流量计对于低粘性流体来说，不仅测量范围广，结构简单，而且测量精度高。因此被广泛地应用于要求测量精度高的液体流量的测量上。 涡轮流量计除了很小流量的情况之外，叶轮在很宽的流量范围，以几乎与流量Q成比例的转速进行转动，一般其特性如图1所示〔3]。在小流量范围内，其流量特性有变化，是由于这时不能忽略机械磨擦阻力以及雷诺数的减少引起叶片性能的变化所致。
图1涡轮流量计的特性
当流量计的管路状态发生变化时，其流量系数也有所变化。一般认为，这种差异主要是由于管路中的流速分布不同，或管路状态不同而产生的旋流和涡流所造成的。图2是在旋流条件下，影响孔板流量系数变化的情况。由图可以看出旋流所造成的流量系数的偏差是相当大的。
图2旋回流对孔板的影响 (R e=105)
因此，以往都采用在流量计1‘的人口侧设置足够长的直管段来消除旋流的影响。可是旋流在管路中只能缓慢地衰减下去。有人曾研究过〔2〕在空间有三个90“的S型弯管时，在弯后会产生强的旋流，而且能延长至200D。可见，旋流对流量测量危害很大。因此，人们都在积极地进行试验，希望研究出一种整流器，不但能消除旋流，而且可以用一种强流速分一市的方法，积极地造成完全的紊流速度分布，以便缩短必要的管路长度，而做到更高情度的流量测量。
某些大型设备中使用涡轮流量计较多，而且精度要求很高。随着自动化的发展，人们为了可靠地自动测试流量而经常采用几个涡轮流量计串联进行测量。这样就带来一个间题，既然旋流对流量系数偏差影响很大，而前一个71}轮流量计又正是一个产生较强的旋涡原，实际已证明，串联的两个涡轮流量汁所测流I}数据是不等的，而且相差较大，人们在说不清其原因的情况下，往往责怪流量计有问题或校验的不准确。虽然有过关于涡轮流量计〔3〕人口管路断面上的流速分布对于流量计精度的影响和关于液流的旋回成分对几板流量计精度特性的研究〔1〕，但是至今似乎尚未做过有关旋流对涡轮流量计以及在同一管路内串联两个以上涡轮流量计的清况下对其精度影响的研究。
本文通过试验的方法证明串联使用两个涡沦.壳量计之后，对涡轮流量计的精度是有较大影响的，并.进一步研究用一种新型整流装置来消除这种影响，而且取得了较好的成果。六文中听示的涡轮流量计流量范围是以Q＞Qc(图1)为对象，而流量很小以致雷诺数造成影响的情况则不在内。
二、流速分布和流量计精度之关系：
1、涡轮流量计的精度:
涡轮流量计的精度是根据校验装置所厕量的指示流量O’和实际使用系统中所测流量Q并按下式求出 E=(Q.一Q)/Q' x 100% 在流量计上流侧设置长的直管段，以造成流入叶轮的液流成为充分的紊流速度分布的情况下，实际流量O和叶轮转速n的关系按下述公式表示Q=bn式中b为仪表系数。
一般流量计都是在紊流速度分布情况下进行校准的。在使用流量计时，假如叶轮前的流速分布发生变化，叶轮转速与流量的关系也就发生变化(即b- Q/n发生变化)。根据资料〔2〕介绍，在流量计的上流侧有弯曲或其它碍障物，经过一段长的直管之后，虽然仍能逐步地变成沿管轴流动，但是这时即使完全消除了涡流或旋流，也只能变成比紊流速度分布更平坦或尖的速度分布。根据资料〔3〕介绍，涡轮流量计上流侧L=60D处横截面上的速度分布作为校准时的标准紊流速度分布，当紊流速度分布变成尖的情况下，仪表系数就比校准时测定的b/要大，当紊流速度分布变成更平坦的情况下，仪表系数比校准时规定的b要小。本文中因流动状态不同而造成的测量误差定义如下:
2.单个弯管和孔板下游的流动状态 关于弯管下游的液流状态，根据资料〔3〕介绍如图3。该图表示:在和弯管同一平面(水平r%方向)及垂直平面(ry方向)各直径上的轴向速度Vr/Vz。而节流孔板下游的流速分布如图4。 因为它们都对管轴呈对称分布，所以只表示出r，方向的V Z/V:情况。
图3弯后的流动特性 图4节流孔板下游的速度分布
在上述液流中安装流量计时，流量计测量误差△E就随着L/D而变化(图5)〔3〕。
图5 L/D与△E的关系(L:弯管或节流板后到流量计前的距离。D:管路通径)
当管路中有较强的旋流成分时，在喷咀流量计前的流速分布呈凸形而中心有凹形分布如图6 。这是由于有旋回成分的流动，其流路壁面压力有明显的不对称，而流速分布也有明显不对称所致。
图6喷嘴流量计前的流速分布
3.流速分布和涡轮流量计的测量误差 涡轮流量计的测量误差随着流人叶轮的流速分布从其正常状态发生变化而有所不同。一般除了有足够长直管段情况下的正常流速分布之外，还有凸形、偏流形、扁平形和凹形等流速分布。如图7〔3〕。
由于流速状态发生变化所造成的流量计的测量误差如图8。从图7可明显看出，凸形流速分布的测量误差为正而大。其它沐负，而且凹形的测量误差大(一1.000)。
图7管路内的各种流速分布
通过上述分析，可知，旋流会使管内流速分布有明显的不均，而且使孔板、标准喷咀流量计测量误差变坏。但是在流量测试中，为了可靠地进行流量测试，而在管路中串联两个以上的涡轮流量计。可是由于涡轮流量计是产生较强的旋回流源，肯定对流量计的测量误差有影响，但是这种影响有多大，能否用整流的方法消除这种影响呢了必须通过试验去找出规律，加以解决。
三、试验系统：
图9所示为其试验系统。这套系统是利用扬程为50米，流量为60吨/小时的水泵，将J l!米3水池中的水抽出输人10米3的稳压水箱，经过稳压后的水，，流人校验系统的工作段后，再流人称重水槽中进行称重。水流量的大小是由安装在工作段后面的流量调节阀调节。流量的称重是用称量为500公斤、精度为千分之一的磅称。换流器是用电动活门控制的气动换流器。时间测量是采用光电控制的测时计数器。该系统根据中国计量科学院编制的“水流量标准装置检定方法”测得系统精度为0.2%。
图9试验系统 图10 ACL,-50涡轮流量汁的串联特性
四、试验方法和试验结果：
1.将二台ACI,-50涡轮流量计79308*和79311，分别安在上述试验系统的工作段上，上流侧安有液流调正器，土流直管段L1 = 30D，下流侧直管段L3=10D，进行校验。其试验结果:雷诺数与仪表系数特性如图10。
图11 ACL,-50涡抢流量计的串联特性
2。将上述校好的二台流量计串联在上述系统中，其间距Lz = 10 D, 18D, 32D，进行校验。其结果如图10一120 3。在串联的二台流量计之间，安上自行研究设计的新型整流装置，进行试验，其结果如图10^"120其新型整流装置的结构图见附图1。 4.在L2=32D的条件下，将二台ACL,-50涡轮流量计前后位置对换一下，进行试验，看其特性的变化，如图140 5.用上述方法对ACL,-30 78405与78408号涡轮流量计在L/D = 10的条件下进行试验，其结果如图13所示。同样是后一台系数b受影响。
五、对试验结果的分析：
1.从图10~14可明显看出，串联使用两个涡轮流量计时，前一台仪表系数与原校验系数基本一致，后一台仪表系数变化较大，这是由于前一台涡轮流量计在运转时，产生较强的旋回流，使其后一台涡轮流量计的入口流速分布发生了变化，造成后一台涡轮流量计的仪表系数发生变化。对同一台涡轮流量计，在Q n二常数的流量范围内，其}b的变化也基本一致。 2.由图12可知在同样的条件下对换流F,计的安装位置，仍然是后一台涡轮流量计的仪表系数变大。
图12 ACL., -50涡轮流量计对换串联前后位置时的特性 图13 ACL,-30涡轮流量计的串联特性
3。由图10, 11, 12, 14可知在第二台涡轮流量计的前边安装自行设计的整流装置，可以消除旋回流成分，使流量计测量误差恢复在原校验范围内。
4。对于ACL，-5Q与ACL,-3Q涡轮流量计，在串联使用之后，其后一台的b系数变大为0.6一0.8%并不一致，这是由于涡轮流量计的结构不同，特别是其旋回角切(导向叶片与半径方向之间的夹角)不同所致。
5.对于同一型号和I}aJ一规格如ACL,1-50的涡枪流量计同样串联安装在其间管距为10一32}的状态时，其后一台仪表系数的变化也基本一致，这说明旋流强度是很大的，单靠用直管段去消除其影响是很困难的。
图1A ACL,-5Q涡轮流量计对换平联前后位置时的特性
六、结论：
通过试验证明：
(1)串联安装两个涡轮流量计时，一必须消除旋流的影响，否则对其流量测髦耀度有影响;我们研究出一种先进的整流装}r能够较好的消除旋流的影响。本研究成果找出了为什么过去在串联几个曝轮流量计所测得数字不一的原因，并找出了解决的方法。
(2)串联使用涡轮流量计时:对于大___通径，流量大的系统可以采用在个藕眺流量计后边用整流器消除旋流的方法。对于小通径，流量小的系统，可以把流量计的工作段全部拿到校验场地去校验。 ，本研究成果对于其它液流系统中也串联使用二个以上的涡轮流量计时同样可以采用。但是对于不同的管路状态和不同规格的涡轮流几鼠计的串联使用其影响大小，尚需做进一步试验研究。
关于涡轮流量计不是水平安装，而是垂直或45“倾斜安装的情况，究竟对其性能影响如何在研究一旦有结果，再和有关革位商讨。非均匀分布多孔板整流装置为了消除旋回流对流速分布的影响，我们参考了所介绍的.资料，用某种能够强秘流速分布积极地造成完全紊流速度分布的方法(而不是单纯采用足够长的直管段的方法)，这关键在于正确选择从管壁到管中心的流阻系数梯度分布的问题。为此而设计了如附图1的非均匀分布多孔板的整流装置。多孔板是在一块不锈钢板上开有35个同孔径的小孔，孔的分布不均，中心处孔的分布密，周边处孔的分布稀;小孔的人口端的尖角要倒棱，其厚度H的大小要根据其旋回强度的大小，经过试验而定，通常旋回强度越大，其厚度H就相应的越大。