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渦輪流量計(jì)的幾何參數(shù)計(jì)算
日期：2023-02-22 點(diǎn)擊量：
渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
當(dāng)流體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí),流體動(dòng)能使葉輪旋轉(zhuǎn),流體流速越快,動(dòng)能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。因此,測(cè)出葉輪轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速,就可測(cè)量流過(guò)管道的流量。傳感器將流量Q轉(zhuǎn)換成葉輪轉(zhuǎn)速?,信號(hào)檢出器把轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)頻率ƒ,送入二次儀表進(jìn)行顯示和計(jì)數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)分別反映了瞬時(shí)流量和累積流量。由于渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速以頻率信號(hào)輸出,所以可制成數(shù)字儀表,也便于與數(shù)控裝置相配合。
通過(guò)流量計(jì)的流量和葉輪引起的頻率關(guān)系為:
式中;qv表示瞬時(shí)體積流量;ƒ表示脈沖頻率;k表示儀表系數(shù)。
對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的渦輪流量計(jì),在其穩(wěn)定運(yùn)行后,不同的流量對(duì)應(yīng)唯--不同的轉(zhuǎn)速和頻率ƒ。因此,影響流量計(jì)精度的主要因素為儀表系數(shù),其表達(dá)式為:
式中:z表示葉片數(shù);θ表示葉片傾角;r表示葉輪半徑;A表示過(guò)流面積;ρ表示液體密度;qv表示瞬時(shí)體積流量;Tm表示摩擦力矩;Trf表示流動(dòng)阻力矩。
儀表常數(shù)特性曲線如圖2所示。從圖2可以看出,儀表常數(shù)的線性范圍與標(biāo)定系數(shù)K。的關(guān)系直接影響著流量計(jì)的精度。
流量計(jì)設(shè)計(jì)的初始參數(shù)如下:流量計(jì)公稱(chēng)內(nèi)徑為.101.6mm,流量范圍0~3m³/min,工作壓力40MPa,鉆井液密度1.2~1.3kg/m³,黏度50~60cSt。
渦輪流量計(jì)材料選用0Cr18Ni9不銹鋼,考慮到工作壓力為40MPa,設(shè)計(jì)壓力p≤0.4[σ]'φ,按厚壁圓筒進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)中徑公式和第一強(qiáng)度理論得出相應(yīng)的筒體厚度為:
其中，D,表示圓筒內(nèi)徑,mm;pc表示計(jì)算壓力，MPa;[σ]表示設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力,MPa;φ表示焊接接頭系數(shù)。
為了方便選取渦輪流量計(jì)參數(shù),同時(shí)考慮到渦輪流量計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),選取公稱(chēng)外徑為101.6mm的渦輪流量計(jì),其余參數(shù)按經(jīng)典取值表進(jìn)行取值[5-1,其中葉片頂端間隙與管道半徑之比t=2.0097,葉輪輪轂半徑與葉輪葉片頂端半徑之比q=0.495,葉片均方根平均半徑位置的安裝角b=42.38°,葉片頂端處葉柵具有的實(shí)度s=1.254。
渦流流量計(jì)葉輪部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3、圖4所示,其中Rk為葉輪輪轂半徑,mm;L為葉輪輪轂長(zhǎng)度,mm;Rt為葉輪葉片頂端半徑,mm;R0為流量計(jì)管道半徑,mm;R1為葉輪旋轉(zhuǎn)軸半徑,mm。
渦輪流量計(jì)口徑大小不同,葉片數(shù)量也應(yīng)不同。小口徑的流量計(jì)(D≤100mm),葉輪葉片數(shù)量通常為3~8片;大口徑的流量計(jì)(D>100mm;),葉輪葉片數(shù)則通常為10片以上5。根據(jù)流量計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得出的參數(shù)如表1所示。
當(dāng)流體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí),流體動(dòng)能使葉輪旋轉(zhuǎn),流體流速越快,動(dòng)能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。因此,測(cè)出葉輪轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速,就可測(cè)量流過(guò)管道的流量。傳感器將流量Q轉(zhuǎn)換成葉輪轉(zhuǎn)速?,信號(hào)檢出器把轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)頻率ƒ,送入二次儀表進(jìn)行顯示和計(jì)數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)分別反映了瞬時(shí)流量和累積流量。由于渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速以頻率信號(hào)輸出,所以可制成數(shù)字儀表,也便于與數(shù)控裝置相配合。
通過(guò)流量計(jì)的流量和葉輪引起的頻率關(guān)系為:
式中;qv表示瞬時(shí)體積流量;ƒ表示脈沖頻率;k表示儀表系數(shù)。
對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的渦輪流量計(jì),在其穩(wěn)定運(yùn)行后,不同的流量對(duì)應(yīng)唯--不同的轉(zhuǎn)速和頻率ƒ。因此,影響流量計(jì)精度的主要因素為儀表系數(shù),其表達(dá)式為:
式中:z表示葉片數(shù);θ表示葉片傾角;r表示葉輪半徑;A表示過(guò)流面積;ρ表示液體密度;qv表示瞬時(shí)體積流量;Tm表示摩擦力矩;Trf表示流動(dòng)阻力矩。
儀表常數(shù)特性曲線如圖2所示。從圖2可以看出,儀表常數(shù)的線性范圍與標(biāo)定系數(shù)K。的關(guān)系直接影響著流量計(jì)的精度。
流量計(jì)設(shè)計(jì)的初始參數(shù)如下:流量計(jì)公稱(chēng)內(nèi)徑為.101.6mm,流量范圍0~3m³/min,工作壓力40MPa,鉆井液密度1.2~1.3kg/m³,黏度50~60cSt。
渦輪流量計(jì)材料選用0Cr18Ni9不銹鋼,考慮到工作壓力為40MPa,設(shè)計(jì)壓力p≤0.4[σ]'φ,按厚壁圓筒進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)中徑公式和第一強(qiáng)度理論得出相應(yīng)的筒體厚度為:
其中，D,表示圓筒內(nèi)徑,mm;pc表示計(jì)算壓力，MPa;[σ]表示設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力,MPa;φ表示焊接接頭系數(shù)。
為了方便選取渦輪流量計(jì)參數(shù),同時(shí)考慮到渦輪流量計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),選取公稱(chēng)外徑為101.6mm的渦輪流量計(jì),其余參數(shù)按經(jīng)典取值表進(jìn)行取值[5-1,其中葉片頂端間隙與管道半徑之比t=2.0097,葉輪輪轂半徑與葉輪葉片頂端半徑之比q=0.495,葉片均方根平均半徑位置的安裝角b=42.38°,葉片頂端處葉柵具有的實(shí)度s=1.254。
渦流流量計(jì)葉輪部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3、圖4所示,其中Rk為葉輪輪轂半徑,mm;L為葉輪輪轂長(zhǎng)度,mm;Rt為葉輪葉片頂端半徑,mm;R0為流量計(jì)管道半徑,mm;R1為葉輪旋轉(zhuǎn)軸半徑,mm。
渦輪流量計(jì)口徑大小不同,葉片數(shù)量也應(yīng)不同。小口徑的流量計(jì)(D≤100mm),葉輪葉片數(shù)量通常為3~8片;大口徑的流量計(jì)(D>100mm;),葉輪葉片數(shù)則通常為10片以上5。根據(jù)流量計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得出的參數(shù)如表1所示。
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