涡轮流量计在脉动流中的特性研究

　　1　引　　言

　　所谓脉动流是指流体在测量区域的流速是时间的函数,但在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值。脉动流的存在会导致流量计出现计量误差,甚至不能正常工作。如何校正或减少脉动对流量测量特性的影响,是流量测量中比较重要的课题。

　　2　脉动对涡轮流量计流量测量的影响

　　2.1　误差方程及其计算

　　应用机翼理论来分析作用在涡轮转子上的驱动力矩和阻力矩,可得到其运动方程:

　　式中,J为叶片转动惯量,θ为叶片与轴线之间的夹角,r为涡轮叶片的平均半径,A为管道流道面积,ρ为流体密度,ω为涡轮的旋转角速度,Q为通过管道的流量。

　　若把脉动流表示为Q=asin2πfpt,经分析整理,可得出涡轮旋转加速度与脉动流各参数的关系:

　　其中,c为稳态时的ω值。此时其显示误差可用下式表示:E=ω/c-1

　　对特定的涡轮流量计和不同的脉动流,可编程计算出(2)式在脉动周期内各离散点所对应的ω(t),据此可计算出涡轮流量计显示误差E,并画出相应曲线。

　　2.2　结果与分析

　　经过计算分析,发现导致涡轮流量计产生误差的主要因素是脉动流的振幅和频率,通过对多幅图形的比较,发现有如下规律:

　　1)从曲线分布的象限来看,脉动流导致涡轮流量计出现一个正误差。当流体存在脉动时,在加速流体中,叶片的转动惯量能引起转子速度变慢,落后于定常流时的转速;在减速流体中,叶片的转动惯量能导致转子速度加快,超过定常流时的转速。由于加速时的影响比减速时的影响小得多,因此,脉动流存在时流量计显示的平均流速远大于平均流量,出现正误差,此误差有时最大可达50%。

　　2)当脉动频率fP小于涡轮转子的角频率ω时,流量计类似输入脉冲,测量结果接近真值,脉动流所引起的误差很小。当脉动频率fP大于涡轮转子的角频率ω时,响应失真,会引起较大误差,且随着频率的增大,误差随着增大,最终趋于稳定(如图1,图2)。

　　3)当脉动频率大于涡轮转子的角加速度时,频率脉动振幅的变化能引起涡轮流量计的测量误差产生大的改变,此误差随着脉动振幅的增大而升高,最大可达50%,但最终趋于稳定(如图3,图4,a为脉动振幅与稳态振幅之比)。

　　3　结　论

　　从以上分析计算可知,脉动流使涡轮流量计产生一个正的系统误差,该误差受脉动频率和振幅的影响。当脉动频率小于角加速度时,其误差可认为为零;当脉动振幅小于某一振幅值时,其误差亦可认为不影响涡轮流量计的精度。脉动流对涡轮流量计测量精确度的影响存在极限值