叶轮式水表流量测量特性研究方法的探索

　　0　引言

　　新颁布的水表国家标准对水表流量特性及测量范围等内容作了较大改动,提高了部分技术指标,缩小了低区流量测量范围,增加了部分试验项目等。这样做有利于提升水表产品性能水平,扩大产品适用性,但也会对水表设计和制造带来新的要求和挑战。叶轮式水表的传统设计方法是建立在实验科学基础之上的。在研发人员长期工作经验积累和现有设计思想指导下,通过对样机的大量反复试验和调整,同时经历长时间的修正和改进,使水表的流量测量特性和主要技术指标达到相对较好的水平。但传统设计与试验方法不能解决水表流量测量特性的优化及样机研制周期过长等问题,因此用先进的设计、试验方法和制造技术改变我国水表产业现状,缩小与发达国家在技术上差距,是当前需要研究并解决的重要课题。

　　1　流量测量特性的定性描述与分析

　　1.1　流量测量特性方程的建立

　　水平螺翼式水表是叶轮式水表的主要结构形式之一,它的工作原理及结构见图1。

　　根据牛顿运动定律,可建立螺翼式水表流固运动方程:

　　式中:J为水表叶轮转动惯量;ω为叶轮旋转角速度;Mt为流体通过叶轮时对叶片产生的推动力矩;Mm为水表运动部件之间产生的机械摩擦力矩;Mz为流体在水表中流动时对叶轮产生的阻力矩;Mc为磁力传动机构对叶轮旋转产生的磁阻力矩。

　　正常测量情况下,可假设水表测量管内流量不变,即叶轮以恒定角速度ω旋转,且磁阻力矩影响可忽略不计,则有:

　　将上式代入式(1),得稳定流量条件下的合力矩:

　　用进出口流动速度三角形分析法对叶轮受力情况作出分析,可算得流体推动力矩:

　　式中:ρ为流体密度;v1为叶片进口绝对速度的轴向分量;α为叶片结构角;r为叶片平均半径;qv为流体体积流量。

　　将式(4)代入运动方程(3),并考虑到v1可表示成v1=qv/S(S为水表测量管截面积)得:

　　由于仪表系数k和叶轮旋转角速度ω可表示成:

　　式中:m为叶轮的叶片数;n为叶轮旋转的转数。将上式代入式(5)得水表流量测量特性k=f(qv)的表达式:

　　式(7)虽经充分简化,但用它定性描述叶轮式水表流量测量特性还是具有一定指导意义的。

　　1.2　流量测量特性的定性分析

　　1)理想流量测量特性

　　设被测流体处于恒流状态,且水表机械摩擦力矩及流体阻力矩均可忽略,有:

　　将上式代入式(7)得: