气体涡轮流量计中动压气体轴承的研究

　　流量测量仪表种类繁多,测量方法也很多。迄今为止,可供工业用的流量测量仪表种类达60种之多。在如此众多流量测量仪表中,气体涡轮流量计以其高精度、重复性好、抗干扰能力好、测量范围宽、结构紧凑等优点而广泛用于工业生产中。但是由于其主轴承使用滑动轴承或滚动轴承的局限性,使得气体涡轮流量计存在不能长期保持校准特性以及流体物性对流量特性有较大影响等缺陷[5-7]。我国中科院有一些学者曾尝试将气体轴承应用于流量计中,不过大多是选用可倾瓦动压气体轴承。由于可倾瓦动压气体轴承不但体积大,而且成本极高,很难用于民用工业中,所以仅仅停留在试验阶段。迄今为止国外尚无此类问题的研究[1-4]。综合制造成本、使用寿命以及精度提高等因素,本文作者设计了一种气体涡轮流量计用螺旋槽动压气体轴承(以下统称螺旋槽轴承)。

　　1　气体涡轮流量计的结构及工作原理

　　涡轮流量计的结构如图1所示。在管道中心安放一个涡轮,两端由轴承支撑。当流体通过管道时,冲击涡轮叶片,对涡轮产生驱动力矩,使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内,对一定的流体介质粘度,涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此,流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到,从而可以计算得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时,就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器,对信号进行放大、整形,产生与流速成正比的脉冲信号。再将脉冲信号转换成模拟电流量,进而指示瞬时流量值。由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力,使轴承的摩擦转矩增大,加速轴承磨损,为了消除轴向力,需在结构上采取水力平衡措施,这里不再赘述。从图1中也不难看出工作主轴的性能对流量计有很大的影响。

　　2　气体润滑的特点

　　从气体固有的特点来看,气体作为润滑剂具有以下特点:

　　(1)粘度小。在15~20℃时,其粘度约为油的1/1 000,摩擦力亦为油的1/1 000;当温度从20℃上升到80℃,其粘度增加约16%,而相同条件下油的粘度下降1/14。气体由于粘度小,它所引起的摩擦力矩比油引起的小3个数量级。加上气体具有均化作用,所以用气膜润滑支承的回转精度比油膜高2个数量级。

　　(2)适应性好。油在极高或极低温下,都不起润滑作用。气体润滑剂在高低温时,化学性能稳定,不受原子辐射的影响;加之空气的对流作用,即使在高温下,也可把气膜看成恒温。因此用气体润滑,排除了与边界有关的一些问题。