CN118111513A - 一种涡轮流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮流量计，包括主体、旋转轴、第一涡轮和第二涡轮；所述主体的内部形成容纳腔；所述旋转轴位于所述容纳腔内，且所述旋转轴与所述主体转动连接；所述第一涡轮和所述第二涡轮分别设置于所述旋转轴，且所述第一涡轮和所述第二涡轮之间具有预设距离；当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮、所述第二涡轮时，所述第一涡轮的旋转方向和所述第二涡轮的旋转方向相同。本发明的一个技术效果在于，设计合理，有效地减小了流体的粘性阻力损失，有助于提高测量精度。

Description

一种涡轮流量计
技术领域
本发明属于流量计量技术领域，具体涉及一种涡轮流量计。
背景技术
涡轮流量计是一种常用的流量测量仪器，其利用涡轮在流体中旋转产生的转速与流体流速之间的关系来测量流体的体积流量，也即，涡轮流量计利用涡轮的旋转转速与流体的流速之间的关系来测量流体的体积流量，通过传感器将转速信号转换为电信号，并由电子显示仪表进行处理和显示。涡轮流量计在工业领域广泛应用，具有测量范围广、精度高、结构简单等优点。
现有的涡轮流量计的流体具有高流速和低流速。在低流速状态下，涡轮流量计的精度差部分来源于流体粘度造成的损失(也即粘性阻力损失)。进一步的，随着流体流量的降低，由于低雷诺数效应，粘性阻力损失呈指数级上升。如何对涡轮流量计的粘性阻力损失进行补偿，成为亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种涡轮流量计的新技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种涡轮流量计，包括：
主体，所述主体的内部形成容纳腔；
旋转轴，所述旋转轴位于所述容纳腔内，且所述旋转轴与所述主体转动连接；
第一涡轮和第二涡轮，所述第一涡轮和所述第二涡轮分别设置于所述旋转轴，且所述第一涡轮和所述第二涡轮之间具有预设距离；
流体流速、第一涡轮转速、第二涡轮转速满足如下公式：
上式中：Q为流体流速；R为第一涡轮的叶片半径或第二涡轮的叶片半径；A为流体在容纳腔内流动的截面面积；β为流体与轴向的相对流体速度角；ωΙ为第一涡轮的转速；ωII'为第二涡轮的转速；
当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮、所述第二涡轮时，所述第一涡轮的旋转方向和所述第二涡轮的旋转方向相同。
可选地，流体在所述容纳腔内的流向与所述第一涡轮的叶片之间形成第一预设角度，并与所述第二涡轮的叶片之间形成第二预设角度，所述第一预设角度和所述第二预设角度相同。
可选地，所述第一涡轮包括沿周向间隔设置的多个第一叶片；所述第二涡轮包括沿周向间隔设置的多个第二叶片；
所述第一叶片的出口金属角和所述第二叶片的出口金属角相同。
可选地，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量不同。
可选地，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量之间相差1。
可选地，所述第一涡轮和所述第二涡轮之间的相对速度相同。
可选地，所述第一涡轮和所述第二涡轮的几何尺寸相同。
可选地，流体的流动角度与第一叶片的出口金属角或所述第二叶片的出口金属角相同。
可选地，当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮、所述第二涡轮时，各个所述第一叶片和各个所述第二叶片均交错分布。
本发明的一个技术效果在于：
在本申请实施例中，第一涡轮和第二涡轮分别设置于旋转轴，且第一涡轮和第二涡轮之间具有预设距离。而且，当流体在容纳腔内流动并依次流经第一涡轮、第二涡轮时，第一涡轮的旋转方向和第二涡轮的旋转方向相同。
因此，由于第一涡轮的旋转方向和第二涡轮的旋转方向相同，且流体流速、第一涡轮转速、第二涡轮转速满足相应的关系，使得该涡轮流量计具有更低的寄生损耗，因此提高了测量精度。同时，流入第二涡轮的流量与流出第一涡轮的流量非常相似，攻角很小，避免了与流体的流动分离相关的大损失，也减小了粘性阻力损失，从而降低了损耗，有助于进一步提高精度。
附图说明
图1为现有的单涡轮的涡轮流量计的结构示意图；
图2为现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计的剖面示意图；
图3为现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计的速度三角形示意图；
图4为现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计的结构示意图；
图5为现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计的速度三角形示意图；
图6为本发明一实施例的一种涡轮流量计的结构示意图；
图7为本发明一实施例的一种涡轮流量计的速度三角形示意图；
图8为具有双涡轮结构的涡轮流量计的剖面示意图；
图9为现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计在B-B处的速度三角形示意图；
图10为本发明一实施例的一种涡轮流量计在B-B处的速度三角形示意图。
图中：1、主体；101、容纳腔；2、旋转轴；31、第一涡轮；32、第二涡轮；33、第三涡轮。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
根据本发明的一个方面，参见图6、图7和图10，提供了一种涡轮流量计，其用于对流体的流量进行测量，测量精度较高。
具体地，该涡轮流量计包括：
主体1，所述主体的内部形成容纳腔101；
旋转轴2，所述旋转轴位于所述容纳腔101内，且所述旋转轴与所述主体1转动连接；
第一涡轮31和第二涡轮32，所述第一涡轮31和所述第二涡轮32分别设置于所述旋转轴2，且所述第一涡轮31和所述第二涡轮32之间具有预设距离；
流体流速、第一涡轮转速、第二涡轮转速满足如下公式：
上式中：Q为流体流速；R为第一涡轮的叶片半径或第二涡轮的叶片半径；A为流体在容纳腔内流动的截面面积；β为流体与轴向的相对流体速度角；ωΙ为第一涡轮的转速；ωII'为第二涡轮的转速；
当流体在所述容纳腔101内流动并依次流经所述第一涡轮31、所述第二涡轮32时，所述第一涡轮31的旋转方向和所述第二涡轮32的旋转方向相同。
在本申请实施例中，第一涡轮和第二涡轮分别设置于旋转轴，且第一涡轮和第二涡轮之间具有预设距离。而且，当流体在容纳腔内流动并依次流经第一涡轮、第二涡轮时，第一涡轮的旋转方向和第二涡轮的旋转方向相同。
因此，由于第一涡轮的旋转方向和第二涡轮的旋转方向相同，且流体流速、第一涡轮转速、第二涡轮转速满足相应的关系(也即上述公式)，使得该涡轮流量计具有更低的寄生损耗，因此提高了测量精度。同时，流入第二涡轮的流量与流出第一涡轮的流量非常相似，攻角很小，避免了与流体的流动分离相关的大损失，也减小了粘性阻力损失，从而降低了损耗，有助于进一步提高精度。
可选地，流体在所述容纳腔101内的流向与所述第一涡轮31的叶片之间形成第一预设角度，并与所述第二涡轮32的叶片之间形成第二预设角度，所述第一预设角度和所述第二预设角度相同。
在上述实施方式中，由于第一预设角度和第二预设角度相同，这有助于保证第一涡轮和第二涡轮具有基本相同的损耗，从而使得流入第二涡轮叶片的流量与流出第一涡轮叶片的流量非常相似，攻角很小，因此避免了与流量分离相关的大损失。
可选地，所述第一涡轮31包括沿周向间隔设置的多个第一叶片；所述第二涡轮32包括沿周向间隔设置的多个第二叶片；
所述第一叶片的出口金属角和所述第二叶片的出口金属角相同。
在上述实施方式中，出口金属角为相对于涡轮叶片的流体流动方向，其通常偏离金属角度，具体取决于翼型升程以及粘性损失，这种偏差在涡轮机械中称为偏差角，通常很小。第一叶片的出口金属角和第二叶片的出口金属角相同，这有助于进一步保证第一涡轮和第二涡轮具有基本相同的损耗。
可选地，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量不同。
当两个转子(也即第一涡轮和第二涡轮)以同一方向旋转时，下游转子(第二涡轮)叶片有可能淹没在上游转子(第一涡轮)叶片的尾流中，这将影响第二涡轮的旋翼的速度。这种谐振可能会产生间歇性的下游转子加速和减速，并引起测量误差。第一叶片的数量和所述第二叶片的数量不同可以很好地避免上述情况，保证具有同向旋转的双涡轮结构的涡轮流量计的有效性，避免测量误差。
可选地，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量之间相差1。这较好地避免下游转子(第二涡轮)叶片有可能淹没在上游转子(第一涡轮)叶片的尾流中，从而保证了第二涡轮的旋翼的速度。
可选地，所述第一涡轮31和所述第二涡轮32之间的相对速度相同。这能够较好地降低第一涡轮和第二涡轮的损耗，较好地保证测量精度。
可选地，所述第一涡轮31和所述第二涡轮32的几何尺寸相同。这能够较好地保证第一涡轮和第二涡轮的损耗相同，有助于降低流体流经第一涡轮、第二涡轮的损耗。
可选地，流体的流动角度与第一叶片的出口金属角或所述第二叶片的出口金属角相同。这有助于较好地保证第一涡轮和第二涡轮具有基本相同的损耗。
可选地，当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮31、所述第二涡轮32时，各个所述第一叶片和各个所述第二叶片均交错分布。
在上述实施方式中，能够有效避免下游转子(第二涡轮)叶片淹没在上游转子(第一涡轮)叶片的尾流中，保证了第二涡轮的旋翼的速度，减小测量误差。
需要说明的是，现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计，参见图1至图3，以及现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计，参见图4、图5以及图9，均被广泛使用，而后者更精确，结构更复杂，因此成本更高。其中，现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计通常具有10左右的高/低流量比，而现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计通常具有约100左右的高/低流量，测量范围更广。
在本申请中，通过对现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计、现有的具有双涡轮结构的涡轮流量计、本申请实施例提供的涡轮流量计的速度三角形进行分析，以便了解本申请实施例提供的涡轮流量计具有更高的精度的原因。
在下面的分析中，我们使用涡轮机械领域公认的方法和符号，用速度三角形的概念来描述涡轮转子、体积流量之间的关系。在这里，我们通俗地将涡轮称为涡轮机文献中常见的转子、叶片或级联。
流速包括在固定参考系中看到的绝对流速，以及从涡轮叶片中看到的相对流速。其是驱动涡轮运动的相对速度。此分析中的所有变量均基于标准SI单位。同时，对下面各个公式中的字母注释如下：
ω：涡轮转速；
R:叶片从旋转中心算起的半径；
T：流体介质作用在涡轮级联上的扭矩；
涡轮对流体流动施加的功，每单位质量流量；
V：绝对坐标系中的流体速度；
Vx：V的轴向分量，使用下标x；
Vt：V的切向分量，使用下标t；
W：相对于涡轮级联的流速；
U：切向轮速，等于半径R乘以转速w；
α：流体与轴向的绝对流体速度角；
β：流体与轴向的相对流体速度角；
1：代表单个或第一个涡轮级联入口的流量站；
2：代表单个或第一个涡轮级联出口的流量站；
3：代表第二个反向旋转涡轮级联入口的流量站；
4：代表第二个反向旋转涡轮级联出口的流量站；
3’：代表第二个同向旋转涡轮级联入口的流量站；
4’：代表第二个同向旋转涡轮级联出口的流量站。
针对现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计，图2为单个涡轮的横截面，图3为涡轮叶片上游和下游的速度三角形。为了简单起见，在不失去原理的普遍性的情况下，我们研究了叶片中高A-A处的圆柱平面，展开到二维平面，即获得速度三角形，参见图4。
采用涡轮机械中一个众所周知的定理，它使施加在涡轮上的流体介质起作用，可以用以下“欧拉涡轮”方程来描述：
在当前模型假设涡轮截面半径恒定的情况下，R、涡轮入口和出口切向速度相同，则：
U1＝U2＝ωR (2)
在电流分析中，流体沿轴向进入涡轮级联，站1的绝对速度切向分量为零。因此:
V1t＝0 (3)
上式中，Q为进入涡轮的体积流量；A为流体在容纳腔内流动的截面面积。
为了简单起见，在不失去电流分析的一般适用性的情况下，我们将假设流截面积A在进入和离开涡轮级联时保持不变。则涡轮出口处绝对流体速度的轴向分量应等于涡轮机出口处的轴向分量，则：
相对于涡轮叶片的体积流量方向通常具有偏离金属角度，具体取决于翼型升程以及粘性损失。这种偏差在涡轮机械中称为偏差角，通常很小。为了简单起见，在不失去从该分析得出的基本原理的普遍性的情况下，我们假设流动角度与涡轮叶片出口金属流动角度相同，那么，V2x、V2t、ω、R和β之间形成如下关系：
结合等式(1)至(6)，则：
对于稳定运行和恒速的涡轮，涡轮上的流体作用等于涡轮在旋转过程中遇到的阻力。流体对涡轮施加的功等于外部损失，包括翼型摩擦损失、轴承摩擦、流体作用表面随涡轮机旋转等。对于一个完全没有任何损失的系统，则：
则方程7变为：
或者，
可见，体积流量和涡轮转速之间为众所周知的线性关系。尤其当流速高且雷诺数非常高时，这通常是正确的。
现实中的损失永远不会为零，尤其是在低雷诺数下，当流速较低时，损失会变得很大。多年来，在消除这种损耗影响方面已经付出了很多努力，并取得了巨大的成功，其中使用反向旋转的两个涡轮来抵消损耗效应，并仍然使用方程X实现更高的精度。
在这里，我们对反向旋转的双旋转涡轮流量计采用上文相同的分析，如图4所示。这里将上游转子和下游转子分别为涡轮I(也即第一涡轮31)和II(也即第三涡轮33)。速度三角形如图5所示。
需要说明的是，上文中的公式适用于涡轮机I，保持不变。对于涡轮机II，注意到V3t和V4t具有不同的方向或符号，我们得出以下方程序列：
U3＝U4＝ωIIR (12)
同样，我们假设涡轮II的流动角度与涡轮的叶片的流出金属流角相同，则V2x、V2t、ωΙΙ、R和βII之间形成如下关系：
结合方程(11)至(15)，则：
我们进一步假设涡轮机I和涡轮机II具有相同的几何尺寸，其中βI和βII是相同的叶片出口角β，并且两个转子的损耗基本相同，则：
因此：
正如预期的那样，流量和涡轮转速之间存在相同的线性关系，涡轮I和涡轮II相互镜像。
我们假设损耗是有限的，但第一涡轮31和第三涡轮33的损耗是相同的，即：
结合公式(7)(对于涡轮机I)和公式(16)，则：
通过几个代数操作步骤，我们得出了涡轮机I和涡轮机II的流速Q与转子转速之间的以下关系：
或者，
或者，
对等式(22)、(23)和(24)的详细检查表明，Q与第二个反向转动的转子转速的相关性比第一个转子更好，但不是完全线性的。一些文献得出的结论是，反配比抵消了两个转子上的损耗，Q和ω2形成完全线性关系。从这里可以看出，结论是错误的。
而在本申请实施例中，图6为本发明一实施例的一种涡轮流量计的结构示意图；图7为本发明一实施例的一种涡轮流量计的速度三角形示意图。
参见图7，方程顺序如下，涡轮II'代表第二个同向旋转转子(也即第二涡轮)，则：
U3'＝U4'＝ωII'R (26)
结合方程(25)至(29)，我们得到：
我们再次假设涡轮机I和涡轮机II'具有相同的几何尺寸，其中βI和βII是相同的叶片出口角β(也即出口金属角)，并且两个转子的损耗为零，则：
然后我们得到：
我们再次假设损耗是有限的，但两个转子损耗是相同的，即:
结合等式(7)和(30)，则：
通过代数简化，我们得出以流速和涡轮转速关系：
当两个涡轮以同一方向旋转时，下游涡轮叶片有可能淹没在第一旋翼叶片的尾流中，这将影响第二旋翼的速度。这种谐振可能会产生间歇性的下游转子加速和减速，并引起测量误差。为了避免这种情况，涡轮I和涡轮II'可以具有不同的叶片数量，例如相差1。这确保了上游和下游涡轮叶片永远不会完全对齐。对于粘性管理，可以通过改变级联、弦和弦和弦距来进一步优化每个涡轮的配置。该实现的细节不影响本发明的意图，在此不再进一步研究。
同向旋转配置相对于反向旋转配置具有更低的寄生损耗，因此提高了测量精度。在这里，我们考虑靠近叶片根部或涡轮轮毂的损耗机制，即B-B部分，如图8所示。对于此分析，图8具有双涡轮结构的涡轮流量计的剖面示意图，也即可以表示反向旋转的双涡轮结构和同向旋转的双涡轮结构。
由于B-B段非常靠近内部旋转轮毂并浸没在边界层中，因此由于粘性效应，轴向速度非常低。这引入了一个更高的相对流动角intorblade I，β1。这种高攻角可能会导致局部流动分离，引入湍流阻力和流动阻塞。如图9所示，这种效应在反向旋转的涡轮II中尤为明显，这与反向旋转效应有关，两个涡轮之间的相对速度是单个涡轮的两倍。
然而，参见图10，对于同向旋转配置，涡轮I和涡轮II'之间的相对速度是相同的。相对运动是它们转子速度的差异。因此，流入涡轮II'的叶片的流量与流出涡轮I的叶片流量非常相似，攻角很小，因此避免了与流分离相关的大损失。进一步比较相对流速W3和W3'表明，叶片入口处的反向旋转流速较高，也会导致更高的损耗，损耗等级为2。
我们得出的结论是，同向旋转的双涡轮结构的涡轮流量计在精度上优于反向向旋转的双涡轮结构的涡轮流量计，这是该领域最先进的技术的重大进步。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种涡轮流量计，其特征在于，包括：
主体，所述主体的内部形成容纳腔；
旋转轴，所述旋转轴位于所述容纳腔内，且所述旋转轴与所述主体转动连接；
第一涡轮和第二涡轮，所述第一涡轮和所述第二涡轮分别设置于所述旋转轴，且所述第一涡轮和所述第二涡轮之间具有预设距离；
流体流速、第一涡轮转速、第二涡轮转速满足如下公式：
上式中：Q为流体流速；R为第一涡轮的叶片半径或第二涡轮的叶片半径；A为流体在容纳腔内流动的截面面积；β为流体与轴向的相对流体速度角；ωΙ为第一涡轮的转速；ωII'为第二涡轮的转速；
当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮、所述第二涡轮时，所述第一涡轮的旋转方向和所述第二涡轮的旋转方向相同。
2.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，流体在所述容纳腔内的流向与所述第一涡轮的叶片之间形成第一预设角度，并与所述第二涡轮的叶片之间形成第二预设角度，所述第一预设角度和所述第二预设角度相同。
3.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述第一涡轮包括沿周向间隔设置的多个第一叶片；所述第二涡轮包括沿周向间隔设置的多个第二叶片；
所述第一叶片的出口金属角和所述第二叶片的出口金属角相同。
4.根据权利要求3所述的涡轮流量计，其特征在于，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量不同。
5.根据权利要求4所述的涡轮流量计，其特征在于，所述第一叶片的数量和所述第二叶片的数量之间相差1。
6.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述第一涡轮和所述第二涡轮之间的相对速度相同。
7.根据权利要求4所述的涡轮流量计，其特征在于，所述第一涡轮和所述第二涡轮的几何尺寸相同。
8.根据权利要求3所述的涡轮流量计，其特征在于，流体的流动角度与第一叶片的出口金属角相同。
9.根据权利要求3所述的涡轮流量计，其特征在于，流体的流动角度与所述第二叶片的出口金属角相同。
10.根据权利要求9所述的涡轮流量计，其特征在于，当流体在所述容纳腔内流动并依次流经所述第一涡轮、所述第二涡轮时，各个所述第一叶片和各个所述第二叶片均交错分布。
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