CN118310587A - 涡轮流量计 - Google Patents

Abstract

本申请涉及流量计量技术领域，具体而言，涉及一种涡轮流量计。涡轮流量计，包括：主体，主体的内部形成容纳腔，主体设置有流体出口；旋转轴，旋转轴位于容纳腔内，且旋转轴与主体转动连接；涡轮，涡轮设置于旋转轴，且涡轮位于容纳腔内；探针，探针设置于主体，探针包括测头，测头位于容纳腔内并位于涡轮的靠近流体出口的一侧，测头被设置为能够测量流体离开涡轮后的压力，以根据压力确定流体离开涡轮后的绝对流体速度角。根据上述方案，涡轮流量计在测量流体流量的同时，可以测量得到流体离开涡轮后的绝对流体速度角，该绝对流体速度角可以用于与系统损失关联，以提高涡轮流量计的精度。

Description

涡轮流量计

技术领域

本申请涉及流量计量技术领域，具体而言，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

本申请实施例至少提供一种涡轮流量计，可以测量得到流体离开涡轮后的绝对流体速度角，该绝对流体速度角可以用于与系统损失关联，以提高涡轮流量计的精度。

本申请实施例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，所述主体设置有流体出口；

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；

涡轮，所述涡轮设置于所述旋转轴，且所述涡轮位于所述容纳腔内；

探针，所述探针设置于所述主体，所述探针包括测头，所述测头位于所述容纳腔内并位于所述涡轮的靠近所述流体出口的一侧，所述测头被设置为能够测量流体离开涡轮后的压力，以根据所述压力确定流体离开涡轮后的绝对流体速度角。

在一种可选的实施方式中，所述测头设置有压力测量孔，所述测头通过所述压力测量孔测量流体离开涡轮后的压力。

在一种可选的实施方式中，所述压力测量孔包括第一压力测量孔、第二压力测量孔和第三压力测量孔，所述第一压力测量孔位于所述测头的迎风侧，所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔分别位于所述第一压力测量孔的两侧，所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔分别与所述第一压力测量孔成45°角。

在一种可选的实施方式中，流体经过时，所述第一压力测量孔、所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔均具有孔内压力，所述第一压力测量孔、所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔的孔内压力满足如下等式：

其中，C_α是一个常数系数，可以通过理论分析和实验校准来确定；α₂是流体离开涡轮后的绝对流体速度角；P_O是第一压力测量孔的孔内压力；P_L是第二压力测量孔的孔内压力；P_R是第三压力测量孔的孔内压力。

在一种可选的实施方式中，所述主体沿其径向设置有通孔，所述探针穿设于所述通孔内，且所述探针的第一端位于所述容纳腔内，所述探针的第二端位于所述主体外。

在一种可选的实施方式中，所述探针的所述第一端的端面为球面。

在一种可选的实施方式中，所述探针为圆柱形结构。

在一种可选的实施方式中，所述探针的数量为多个，多个所述探针沿所述主体的周向间隔分布。

在一种可选的实施方式中，所述探针的数量为多个，多个所述探针沿所述主体的径向间隔分布。

在一种可选的实施方式中，所述流体离开涡轮后的绝对流体速度角和进入涡轮的体积流量满足如下等式：

其中，Q是进入涡轮的体积流量；R是叶片从旋转中心算起的半径；A是流体在容纳腔内流动的截面面积；β是流体与轴向的相对流体速度角；α₂是流体离开涡轮后的绝对流体速度角；ω是涡轮转速。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本申请实施例的涡轮流量计，通过设置探针，使得涡轮流量计能够在测量流体流量时，通过探针测量得到流体离开涡轮后流体压力，从而得到流体离开涡轮后的绝对流体速度角，该绝对流体速度角可以用于与系统损失关联，以提高涡轮流量计的检测精度。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书中的一部分，这些附图示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于说明本申请的技术方案。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有的单涡轮的涡轮流量计的结构示意图；

图2示出了现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计的剖面示意图；

图3示出了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示出了本申请实施例所提供的一种涡轮流量计的结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的一种探针的结构示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的一种探针的剖面示意图；

附图标记：

1、主体；101、容纳腔；2、旋转轴；3、涡轮；4、探针；41、测头；42、第一压力测量孔；43、第二压力测量孔；44、第三压力测量孔。

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。

参考图4、图5和图6，图4示出了本申请实施例所提供的一种涡轮流量计的结构示意图；图5示出了本申请实施例所提供的一种探针的结构示意图；图6示出了本申请实施例所提供的一种探针的剖面示意图。本申请实施例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。

参考图4，该涡轮流量计，包括：

主体1，所述主体1的内部形成容纳腔101，所述主体1设置有流体出口；

旋转轴2，所述旋转轴2位于所述容纳腔101内，且所述旋转轴2与所述主体1转动连接；

涡轮，所述涡轮3设置于所述旋转轴2，且所述涡轮3位于所述容纳腔101内；

探针，所述探针4设置于所述主体1，所述探针4被设置为能够测量流体离开涡轮3后的压力，以根据所述压力确定流体离开涡轮3后的绝对流体速度角。

具体地，探针4包括测头41，探针4设置于主体1时，测头41位于所述容纳腔101内并位于所述涡轮3的靠近所述流体出口的一侧，所述测头41被设置为能够测量流体离开涡轮3后的压力，以根据所述压力确定流体离开涡轮3后的绝对流体速度角。

在本申请实施例中，通过设置探针4，使得涡轮流量计能够在测量流体流量时，通过探针4测量得到流体离开涡轮3后流体压力，从而得到流体离开涡轮3后的绝对流体速度角，该绝对流体速度角可以用于与系统损失关联，以提高涡轮流量计的检测精度。

可选地，所述探针4可以设置有压力测量孔，所述压力测量孔位于所述容纳腔101内并位于所述涡轮3靠近所述流体出口的一侧，也即，测头41设置有压力测量孔，所述压力测量孔在流体经过时形成孔内压力，以使得所述探针或测头能够根据所述孔内压力测量流体离开涡轮3后的绝对流体速度角。

参考图5和图6，示例性的，所述压力测量孔可以包括第一压力测量孔42、第二压力测量孔43和第三压力测量孔44。所述第一压力测量孔42位于所述探针的迎风侧。所述第二压力测量孔43和所述第三压力测量孔44分别位于所述第一压力测量孔42的两侧，所述第二压力测量孔43和所述第三压力测量孔44分别与所述第一压力测量孔成45°角。在流体经过时，第一压力测量孔42、第二压力测量孔43和第三压力测量孔44分别形成孔内压力。所述第一压力测量孔42、所述第二压力测量孔43和所述第三压力测量孔44的孔内压力满足如下等式：

上式中，C_α是一个常数系数，可以通过理论分析和实验校准来确定；α₂是流体离开涡轮3后的绝对流体速度角；P_O是第一压力测量孔42的孔内压力；P_L是第二压力测量孔43的孔内压力；P_R是第三压力测量孔44的孔内压力。

示例性的，第一压力测量孔42、第二压力测量孔43和第三压力测量孔44的孔内压力可以通过设置在探针4或测头41内部的压力传感器测量得到。例如，探针4内部设置有第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器分别与第一压力测量孔42、第二压力测量孔43和第三压力测量孔44相连通。在流体经过时，第一压力传感器测量得到第一压力测量孔42的孔内压力，第二压力传感器测量得到第二压力测量孔43的孔内压力，第三压力传感器测量得到第三压力测量孔44的孔内压力。

在上述实施方式中，由于第一压力测量孔42、第二压力测量孔43和第三压力测量孔44的孔内压力P₀、P_L和P_R和流体离开涡轮3后的绝对流体速度角α₂满足相应的关系(也即上述等式)，将测量得到的孔内压力P₀、P_L和P_R代入上述等式可以得到流体离开涡轮3后的绝对流体速度角α₂，从而能够实现探针4或测头41对流体离开涡轮3后的绝对流体速度角的测量。

可选地，所述主体1沿其径向设置有通孔，所述探针4穿设于所述通孔内，且所述探针4的第一端位于所述容纳腔101内，所述探针4的第二端位于所述主体1外。

在上述实施方式中，能够实现对探针4的安装，以及能够使探针4或测头的压力测量孔位于容纳腔101内。另外，由于探针4的第二端位于主体1外，使得探针4在容纳腔101内所占空间较小，能够减小对流体流量的影响。

参考图5，可选地，所述探针4的第一端为球面，也即，测头41的端面为球面。

在上述实施方式中，由于探针4的第一端为球面，使得探针4在装入通孔时能够实现端部与孔口的自动校准，从而使得操作更方便。

参考图4和图5，可选地，所述探针4为圆柱形结构。

在上述实施方式中，由于探针4为圆柱形结构，使得探针4在装入通孔时无需调整旋转角度，从而使得操作更方便。

可选地，所述探针4的数量为多个，多个所述探针4沿所述主体1的周向间隔分布。

在上述实施方式中，由于探针4的数量为多个，以及多个探针4沿主体的周向间隔分布，这样，能够测量得到在涡轮3出口周向不同位置的压力，并根据测得的压力确定在涡轮3出口周向不同位置的绝对流体速度角。在此基础上，为了避免因流体不均匀性导致检测结果误差，可以多个绝对流体速度角的平均值来计算进入涡轮的体积流量，这样有利于提高检测精度。

可选地，所述探针4的数量为多个，多个所述探针4沿所述主体1的径向间隔分布。

在上述实施方式中，由于探针4的数量为多个，以及多个探针4沿主体的径向间隔分布，这样，能够测量得到在涡轮3出口径向不同位置的压力，并根据测得的压力确定在涡轮3出口径向不同位置的绝对流体速度角。在此基础上，为了避免因流体不均匀性导致检测结果误差，可以多个绝对流体速度角的平均值来计算进入涡轮的体积流量，这样有利于提高检测精度。

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、叶片或叶栅。

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，对下面各个等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叶栅上的扭矩；

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；

V_x：V的轴向分量，使用下标x；

V_t：V的切向分量，使用下标t；

W：相对于涡轮叶栅的流速；

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叶栅入口的流量站；

2：代表单个或第一个涡轮叶栅出口的流量站；

3：代表第二个反向旋转涡轮叶栅入口的流量站；

4：代表第二个反向旋转涡轮叶栅出口的流量站；

3’：代表第二个同向旋转涡轮叶栅入口的流量站；

4’：代表第二个同向旋转涡轮叶栅出口的流量站。

针对具有单涡轮结构的涡轮流量计，图1示出了现有的单涡轮的涡轮流量计的结构示意图；图2示出了现有的具有单涡轮结构的涡轮流量计的剖面示意图；图3示出了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。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3。

参见图3，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)

在当前分析中，流体沿轴向进入涡轮叶栅，站1的绝对速度切向分量为零。因此：

V_1t＝0 (3)

或者，

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，在不失去目前分析的一般适用性的情况下，我们将假设流截面积A在进入和离开涡轮叶栅时保持不变。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：

这里我们考虑零损耗的理想情况，并假设涡轮叶片的流出角与涡轮叶片的流出金属角相同，那么，V_2x、V_2t、ω、R和β之间形成如下关系：

结合等式(1)至(6)，假设则：

或者，

这是众所周知的体积流量和涡轮转速之间的线性关系。

非常重要的是要注意，等式(8)假设系统级损失为零，并且当涡轮机转子以恒定速度在稳定状态下自由旋转时，流体不会向其传递能量。

在这里，我们考虑总损失足够大的情况，这会影响等式(8)的准确性。也就是说，在稳定的条件下，从流体介质传递到涡轮机转子的功率等于涡轮机转子进入的损耗。总损失可以包括任何因素，例如涡轮机叶片表面上的粘性力、转子和外壳之间的叶尖间隙损失，以及轴承中的摩擦损失。

在这里，我们再次观察图3中的速度三角形，注意到当损失机制发挥作用时，涡轮机的流速将低于理想条件，并且离开涡轮机的绝对流体速度角α₂，应为非零。使用速度三角形分析，得到：

结合等式(6)和等式(9)，可以得到：

或者，

在这里，我们得出了流速Q和两个流体速度角β和α₂之间的相关性，其适用于具有或不具有系统损耗的条件。在理想的无损耗情况下，绝对流体速度角α₂通过比较等式(8)和等式(11)为零。

因此，我们得出的结论是，如果我们能够测量流体离开涡轮后的绝对流体速度角α₂，那么我们可以使用等式(11)来计算通过涡轮的体积流量。我们在这里注意到绝对流体速度角β在涡轮机械中与金属角的不同量被称为偏差角。偏差角也是流量损失的函数，可以使用涡轮机理论对其进行建模。此细节不影响本发明的意图，在此不再进一步研究。

在这里，我们描述了一种分析简单且易于应用的方法，即使用插入的三孔圆柱形探针进入涡轮机转子后面的流动路径，如图4所示。

如图5和图6所示，三孔圆柱形探针有三个压力测量孔，即第一压力测量孔、第二压力测量孔和第三压力测量孔。流体经过时，所述第一压力测量孔、所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔均具有孔内压力。其中，第一压力测量孔的孔内压力记为P₀，第二压力测量孔的孔内压力记为P_L，第三压力测量孔的孔内压力记为P_R。这些压力随着即将到来的绝对流体速度角而变化，并且，P₀、P_L和P_R与绝对流体速度角α₂具有以下关系：

上式中，C_α是一个常数系数，可以通过理论分析和实验校准来确定。

因此，我们可以将测量得到的孔内压力P₀、P_L和P_R代入上述等式(12)可以得到流体离开涡轮后的绝对流体速度角α₂，从而能够实现探针或测头对流体离开涡轮后的绝对流体速度角的测量。

在实际使用中，探针的数量可以为多个，并且多个探针可以沿主体的周向/径向间隔分布，这样，能够测量得到在涡轮出口周向/径向不同位置的压力，从而根据测得的压力和等式(12)确定在涡轮出口周向/径向不同位置的绝对流体速度角。在此基础上，为了避免因流体不均匀性导致检测结果误差，可以多个绝对流体速度角的平均值带入等式(11)以确定进入涡轮的体积流量，这样有利于提高检测精度。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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，所述主体设置有流体出口；

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；

涡轮，所述涡轮设置于所述旋转轴，且所述涡轮位于所述容纳腔内；

探针，所述探针设置于所述主体，所述探针包括测头，所述测头位于所述容纳腔内并位于所述涡轮的靠近所述流体出口的一侧，所述测头被设置为能够测量流体离开涡轮后的压力，以根据所述压力确定流体离开涡轮后的绝对流体速度角。

2.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述测头设置有压力测量孔，所述测头通过所述压力测量孔测量流体离开涡轮后的压力。

3.根据权利要求2所述的涡轮流量计，其特征在于，所述压力测量孔包括第一压力测量孔、第二压力测量孔和第三压力测量孔，所述第一压力测量孔位于所述测头的迎风侧，所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔分别位于所述第一压力测量孔的两侧，所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔分别与所述第一压力测量孔成45°角。

4.根据权利要求3所述的涡轮流量计，其特征在于，流体经过时，所述第一压力测量孔、所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔均具有孔内压力，所述第一压力测量孔、所述第二压力测量孔和所述第三压力测量孔的孔内压力满足如下等式：

其中，C_α是一个常数系数，可以通过理论分析和实验校准来确定；α₂是流体离开涡轮后的绝对流体速度角；P_O是第一压力测量孔的孔内压力；P_L是第二压力测量孔的孔内压力；P_R是第三压力测量孔的孔内压力。

5.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述主体沿其径向设置有通孔，所述探针穿设于所述通孔内，且所述探针的第一端位于所述容纳腔内，所述探针的第二端位于所述主体外。

6.根据权利要求5所述的涡轮流量计，其特征在于，所述探针的所述第一端的端面为球面。

7.根据权利要求5所述的涡轮流量计，其特征在于，所述探针为圆柱形结构。

8.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述探针的数量为多个，多个所述探针沿所述主体的周向间隔分布。

9.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述探针的数量为多个，多个所述探针沿所述主体的径向间隔分布。

10.根据权利要求1所述的涡轮流量计，其特征在于，所述流体离开涡轮后的绝对流体速度角和进入涡轮的体积流量满足如下等式：

其中，Q是进入涡轮的体积流量；R是叶片从旋转中心算起的半径；A是流体在容纳腔内流动的截面面积；β是流体与轴向的相对流体速度角；α₂是流体离开涡轮后的绝对流体速度角；ω是涡轮转速。