CN211147812U - 一种气体流量计组合式整流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体流量计组合式整流装置，该装置由壳体、气流起旋器和流动整直器组成，气流起旋器和流动整直器同轴设于壳体的两端，气流起旋器和流动整直器之间为直管混合腔。本实用新型可提高气流的均匀性，消除管道内流态畸变对流量计造成的不利影响，提高气体流量计的测量准确度，该整流装置具有轴向尺寸小、附加压力损失小等特点，可拓宽气体流量计的应用范围。

Description

一种气体流量计组合式整流装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体管道整流装置，更具体地说，它涉及一种气体流量计组合式整流装置。

背景技术

气体流量计广泛应用于工业生产、能源计量、环境保护和生物技术等诸多领域，其中速度式气体流量计的测量精度易受管道内流态的影响，其理想条件是管道内气流为充分发展状态。然而，在实际应用现场，由于弯管、阀门和三通等扰流件的存在，导致管道内气流的速度分布不对称或发生涡流等流态畸变现象，因此只有保证流量计上游具有足够长的直管段供气流缓慢变为充分发展状态，才能满足流量计测量准确度的要求。总所周知，气体流量计上游的扰流件造成的流态畸变向下游传播几百倍管径的距离才会完全消失，故而通常现场应用中往往无法满足气体流量计上游直管段的长度要求。

目前，现有技术通常在气体流量计的上游安装附加整流装置以消除管道内流态畸变对其测量精度产生的不利影响。从已公开技术来看，根据整流装置矫正速度分布剖面不对称、旋涡和湍流结构的能力，可将其分为以下三类：第一类整流装置通常采用蜂窝式结构或者管束将流体分成若干细小平行的流束，用以消除管道内的旋涡，但难以克服流速分布的不对称性；第二类整流装置通常采用多孔网或多孔板以及一组多孔网或多孔板，用以产生轴对称的速度分布剖面，但难以克服旋涡对流速分布的影响；由于第一类整流装置与第二类整流装置对不同的整流对象具有不同的效果，就有技术人员尝试将二者起来，故第三类整流装置应运而生，其通常采用多孔网或多孔板和蜂窝式结构或管束构成的组合装置，期望既能消除管道内的旋涡，又能调整管道内的流速分布剖面，在下游产生充分发展的速度分布。虽然第三类整流装置结合了第一类和第二类整流装置的优点，但其结构复杂、轴向尺寸大，还会带来较大的永久性压力损失。因此，第三类整流装置还有改善的余地，有必要做进一步改进。

公开号为CN202910050U的实用新型专利于2013年5月1日公开了一种整流装置，包括壳体及数条废气管路，所述壳体内设有空腔，所述废气管路设于壳体的空腔内，且所述废气管路的两端分别穿过壳体以分别形成废气入口与废气出口，所述壳体上设有供热介质进出所述空腔的热介质入口与热介质出口。该实用新型的整流装置在使用时可通过热介质入口向壳体的空腔内通入热介质，以将壳体及废气管路控制在大部分有机物的挥发温度以上，从而能够有效避免或减轻废气管路的堵塞。但该实用新型并不能消除扰流件所引发的管道内流态畸变对流量测量精度产生的不利影响。

实用新型内容

现有的用于气体流量计的整流装置存在整流效果不全面，结构复杂，轴向尺寸大，压力损失大等问题，为克服这些缺陷，本实用新型提供了一种可消除管道内流态畸变对流量计造成的不利影响，且轴向尺寸小、附加压力损失小，可拓宽气体流量计的应用范围的气体流量计组合式整流装置。

本实用新型的技术方案是：一种气体流量计组合式整流装置，壳体、气流起旋器和流动整直器，气流起旋器和流动整直器同轴设于壳体的两端，气流起旋器和流动整直器之间为直管混合腔。严重畸变的气流流经气流起旋器后成为旋转气流，在离心力作用下向管道四周流动。另一方面气流同时在气流起旋器内产生径向压力梯度，促使旋转气流向管道中心迁移，从而两者共同作用实现了气流旋转与周向汇聚间的平衡，避免了气流在管道内壁附近积聚，提高了气流的均匀性。直管混合腔提供了足够空间使原本严重畸变的旋转气流进行充分混合，成为分布均匀的旋转气流，再流经流动整直器被分为若干细小、均匀的流束，消除了管道内的旋流，从而在气体流量计中形成稳定、速度对称性良好的气流，从而提高气体流量计的测量准确度。气流起旋器和流动整直器依次同轴放置在壳体的两端，提供了相关重要几何参数的参考值，匹配后气流起旋器和流动整直器的轴向尺寸可明显缩短、附加永久性压力损失可显著降低，从而拓宽气体流量计组合式整流装置的应用范围。

作为优选，气流起旋器包括中心为实心结构的轮毂和多个叶片，所述叶片的根部固连于轮毂上，顶部固连于壳体的内壁上。此种结构的气流起旋器可沿周向分成多个独立的叶片通道，有利于旋转气流的形成。由于叶片通道的流动阻力较大，轮毂不宜采设置中心孔，否则大部分气流会从轮毂中心孔流出而出现射流现象，导致气流起旋器不能对气流起到起旋效果，进一步恶化管道内的流态畸变现象。

作为优选，轮毂直径为直管混合腔直径的0.1～0.15倍，轮毂前端呈锥形且外凸长度至少为直管混合腔直径的0.05倍。这样的参数设置不仅可以减少轮毂导致的永久性压力损失，而且能够削弱轮毂下游的流动分离及其尾迹。

作为优选，叶片从根部到叶顶，叶片横断面与轮毂轴线方向的夹角逐渐增大，且在叶顶处叶片横断面与轮毂轴线方向的夹角为20～35°。叶片表面为三维曲面，此种叶片结构设计不仅能够减少叶片导致的永久性压力损失，且其产生的径向压力梯度促使旋转气流向管道中心迁移，避免气流在管道四周积聚。

作为优选，叶片数量为8～14个。叶片数量过少会导致整流装置对气流的起旋能力不足，叶片数量过多会导致气流起旋器2的通流面积减小和整流装置对气流的起旋作用过大，使得气流起旋器2产生的永久性压力损失过大和气流在直管混合腔的四周积聚，这两种情况均不能使严重畸变的旋转气流在直管混合腔内进行充分混合。实验表明，叶片数量控制在8～14个较为适宜。

作为优选，轮毂与叶片为一体成型结构。轮毂与叶片一体成型，既可提高气流起旋器的加工效率及加工一致性，还可提高轮毂与叶片的结合强度。

作为优选，流动整直器的横截面为蜂窝式结构，流动整直器包括多个六棱管，六棱管的横截面外接圆直径小于直管混合腔直径的0.1倍，六棱管轴向长度至少为直管混合腔直径的0.3倍。蜂窝管束的孔径太小和轴向尺度太大不仅不能够进一步提升其整直效果，反而会导致永久性压力损失过大；蜂窝管束的孔径太大和轴向尺度太小，尽管其产生的永久性压力损失减小，但不能有效消除管道内的旋流，达不到目的。综合考虑流动整直器的蜂窝当量直径，即六棱管的横截面外接圆直径小于直管混合腔直径的0.1倍，六棱管轴向长度不小于为直管混合腔直径的0.3倍。

作为优选，直管混合腔的长度至少为直管混合腔直径的0.6倍。这是为流态畸变严重的旋转气流进行充分混合提供足够的空间，否则将导致流态畸变的旋转气流不能充分混合，反而加重管道内气流的畸变程度。

本实用新型的有益效果是：

提高气流的均匀性。本实用新型中气流起旋器的轮毂直径小、叶片高，严重畸变的气流流经其叶片通道后成为旋转气流，在离心力作用下向管道四周流动，但由于气流起旋器叶片与轴线方向的夹角沿径向逐渐增大而产生径向压力梯度，促使旋转气流向管道中心迁移，从而两者共同作用可实现气流旋转与周向汇聚间的平衡，避免气流在管道内壁附近积聚，提高气流的均匀性。

提高气体流量计的测量准确度。直管混合腔提供了足够空间使原本严重畸变的旋转气流进行充分混合，成为分布均匀的旋转气流，再流经流动整直器被分为若干细小、均匀的流束，可消除管道内的旋流，从而在气体流量计中形成稳定、速度对称性良好的气流，提高气体流量计的测量准确度。

缩短轴向尺寸，降低附加永久性压力损失。本实用新型中气流起旋器和流动整直器同轴放置在壳体的两端，提供相关重要几何参数的参考值，匹配后气流起旋器和流动整直器的轴向尺寸可明显缩短、附加永久性压力损失可显著降低，从而拓宽气体流量计组合式整流装置的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图；

图2为本实用新型另一视角下的结构示意图

图3为本实用新型的一种纵剖结构示意图；

图4为本实用新型中流动整直器的一种结构示意图；

图5为本实用新型的数值仿真模型；

图6为本实用新型的流动整直器下游测量线上的速度分布。

图中，1-壳体，2-气流起旋器，3-流动整直器，4-轮毂，5-叶片，6-直管混合腔，a-蜂窝的当量直径，d-直管混合腔的直径，d₁-轮毂的直径，L₁-轮毂前端外凸长度，L₂-直管混合腔的轴向长度，L₃-六棱管轴向长度，β-叶片横断面与轮毂轴线方向的夹角。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，一种气体流量计组合式整流装置，包括筒状的壳体1、气流起旋器2和流动整直器3，其中气流起旋器2和流动整直器3采用同轴方式分别放置于壳体1的两端，气流起旋器2、流动整直器3两者之间的空间被壳体1围合形成直管混合腔6。气流起旋器2设计为风扇叶片式，流动整直器2设计为蜂窝式，直管混合腔6沿轴向进行等截面设计形成便于加工的圆柱形结构，直管混合腔6的直径为d。直管混合腔6的轴向长度L₂为0.6d，从而为气流起旋器2后的旋转气流提供足够的空间进行混合。

如图4所示，气流起旋器2包括中心无开孔的轮毂4和十个叶片5，其中轮毂4的直径d₁为0.12d，且其前端采用椭圆弧旋转而成的锥形设计，轮毂4前端外凸长度L₁为0.05d，这既能够减小轮毂4导致的永久性压力损失，又能够削弱轮毂4下游的流动分离和尾迹，加快气流起旋器2下游旋转气流的混合。气流起旋器2的叶片5的根部固定于轮毂4上，叶片5与轮毂4一体成型，叶片5的顶部则与壳体1的内壁用螺钉紧固方式实现固定连接，由此气流起旋器2内沿周向分为多个独立的叶片通道。叶片5根部的叶片横断面与轮毂4轴线方向的夹角β在零度左右，且此夹角沿叶片5径向逐渐增大并在叶顶处β增至28°，这既能够最大限度地提高管道内气流的旋转强度，又能够利用其产生的径向压力梯度诱导气流向管道中心迁移，从而避免气流因离心力在管道内壁附近积聚现象的出现，提高了管道内气流的对称性，同时气流起旋器叶片为三维曲面可减少带来的压力损失。

流动整直器3包括88根六棱管，所有六棱管一体成型，六棱管的横截面外接圆直径，即蜂窝的当量直径a为0.08d，六棱管轴向长度L₃为0.3d。流动整直器既能够消除管道内的旋流，又能最大限度地减小蜂窝管束引起的流动损失。

本实用新型的组合式整流装置在实际应用中可直接安装于气体流量计的内部，包括壳体1、气流起旋器2和流动整直器3，其中气流起旋器2和流动整直器3同轴分别放置于壳体1的两端，两者之间的空间形成直管混合腔。气体流量计上游的严重畸变气流经过第一级气流起旋器2后演变为分布不均匀的旋转气流；再流经第二级直管混合腔6，分布不均匀的旋转气流具有足够的空间进行混合和流场重构而演变为分布均匀的旋转气流；最后流经第三级流动整直器3，分布均匀的旋转气流被分为88股细小、均匀的流束，消除了管道内的旋流，这些细小流束仅向向下游持续较短距离便能充分混合。由此可知，气体流量计上游的严重畸变气流经过本实用新型组合式整流装置后演变为稳定、速度对称性良好的气流，从而使得气流流量计的测量精度提高、抗干扰能力增强。

如图5所示，本实用新型组合式整流装置的数值仿真模型包括双弯头与半开平板组成的上游扰流件和直径为50mm的管道，本实用新型组合式整流装置安装在距离扰流件的下游5倍管径处。采用商业软件Fluent对有无本实用新型组合式整流装置的管道流动进行仿真，图6为仿真结果，显示了不同流量条件下实用新型组合式整流装置下游1.0倍管径处测量线上速度分布。图6中，横坐标y/d为速度监测点径向相对坐标值(坐标原点在管道中心，y为径向坐标，d为管道内径)，纵坐标u为监测点管道轴向流速，可见流经整流装置后流速分布的对称性显著增强，证明本实用新型组合式整流装置能够有效消除气体流量计上游扰流件造成的流态畸变。

实施例2：

直管混合腔6的轴向长度L₂为0.7d。轮毂4的直径d₁为0.1d,轮毂4前端外凸长度L₁为0.06d。叶顶处的叶片横断面与轮毂4轴线方向的夹角β为35°。流动整直器3的蜂窝当量直径a为0.07d，六棱管轴向长度L₃为0.4d。叶片5为8个。叶片5的顶部则与壳体1的内壁焊接。流动整直器3包括90根六棱管。其余同实施例1。

实施例3：

直管混合腔6的轴向长度L₂为0.8d。轮毂4的直径d₁为0.15d,轮毂4前端外凸长度L₁为0.07d。叶顶处的叶片横断面与轮毂4轴线方向的夹角β为20°。流动整直器3的蜂窝当量直径a为0.09d，六棱管轴向长度L₃为0.5d。叶片5为14个。流动整直器3包括80根六棱管。其余同实施例1。

Claims (8)

1.一种气体流量计组合式整流装置，其特征是包括壳体（1）、气流起旋器（2）和流动整直器（3），气流起旋器（2）和流动整直器（3）同轴设于壳体（1）的两端，气流起旋器（2）和流动整直器（3）之间为直管混合腔（6）。

2.根据权利要求1所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是气流起旋器（2）包括中心为实心结构的轮毂（4）和多个叶片（5），所述叶片（5）的根部固连于轮毂（4）上，顶部固连于壳体（1）的内壁上。

3.根据权利要求2所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是轮毂（4）直径为直管混合腔（6）直径的0.1～0.15倍，轮毂（4）前端呈锥形且外凸长度至少为直管混合腔（6）直径的0.05倍。

4.根据权利要求2所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是叶片（5）从根部到叶顶，叶片（5）横断面与轮毂（4）轴线方向的夹角逐渐增大，且在叶顶处叶片（5）横断面与轮毂（4）轴线方向的夹角为20～35°。

5.根据权利要求2所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是叶片（5）数量为8～14个。

6.根据权利要求2所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是轮毂（4）与叶片（5）为一体成型结构。

7.根据权利要求1所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是流动整直器（3）的横截面为蜂窝式结构，流动整直器（3）包括多个六棱管，六棱管的横截面外接圆直径小于直管混合腔（6）直径的0.1倍，六棱管轴向长度至少为直管混合腔（6）直径的0.3倍。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体流量计组合式整流装置，其特征是直管混合腔（6）的长度至少为直管混合腔（6）直径的0.6倍。

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