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機(jī)油流量計(jì)的工作原理與流量特性及性能測(cè)試

點(diǎn)擊次數(shù):2690 發(fā)布時(shí)間:2020-11-06 05:29:42
機(jī)油流量計(jì)的工作原理與流量特性
1.1 工作原理
機(jī)油流量計(jì)是一種帶機(jī)械計(jì)數(shù)器并用于精確測(cè)量氣體流量的流量計(jì),其工作原理如圖1 所示:當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí),*先經(jīng)過(guò)特殊整流器整流并加速,在流體的作用下,渦輪克服阻力矩開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,此時(shí)其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比,并通過(guò)齒輪減速傳動(dòng)以及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動(dòng)字輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng),直接累積氣體的工況體積總量。

因通過(guò)渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比,高頻信號(hào)脈沖輸出頻率 與渦輪轉(zhuǎn)速存在下列
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對(duì)一定精度的流量計(jì)而言,在一定的流量范圍內(nèi),其儀表系數(shù)K 應(yīng)接近常數(shù)。理論上儀表系數(shù)K 與體積流量q成如下關(guān)系,即

式中:K—儀表系數(shù),為工況條件下每立方米通過(guò)流量傳感器時(shí)輸出的脈沖數(shù),1/m3 ;
q—工況體積流量m3 s 。
綜上所述,儀表系數(shù)K 在實(shí)際上除渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計(jì)流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外,還與介質(zhì)流體粘性、軸承本身阻尼、軸承潤(rùn)滑油粘度等有關(guān),若以上其中一種或幾種相關(guān)因素發(fā)生改變,則儀表系數(shù)K就會(huì)相應(yīng)改變。故每臺(tái)流量計(jì)均應(yīng)通過(guò)檢定得出儀表系數(shù)。
1.2 流量特性介紹
K—q關(guān)系曲線稱為渦輪流量計(jì)的流量特性曲線。理論上, K—q關(guān)系應(yīng)是一條水平直線,但實(shí)際上由于在不同的流動(dòng)狀態(tài)下,流體產(chǎn)生阻力機(jī)理不同,效果也不同,所以使特性曲線成為曲線形狀。 以DN50 為例,如圖2 所示。

由圖2 可見(jiàn),儀表系數(shù)可分為二段,即線性段和非線性段。在非線性段, 實(shí)際特性受軸承摩擦力、流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于Qmin 時(shí),儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量的平方成正比關(guān)系。通常線性段約為工作段的2/3,其特性與渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及流體粘性有關(guān)。隨流量的變化其儀表系數(shù)K 也會(huì)有一定的變化,但變化不大,通常將其變化幅度稱為流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言,期望能將線性段的流量范圍拓展,一臺(tái)流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍,使得產(chǎn)品量程比變寬從而降低生產(chǎn)管理與生產(chǎn)批量加工成本。對(duì)于1.0 級(jí)的高壓機(jī)油流量計(jì),以Qt(0.2Qmax)為分界流量點(diǎn),將計(jì)量線性分為兩段,其中一段的*大允許誤差為±2%,而另一段的*大允許誤差為±1% 。按圖2 所示,通常每臺(tái)渦輪流量計(jì)均有較為相似特性曲線,若將可測(cè)量流量范圍做寬,就能在同口徑不同流量范圍進(jìn)行分段截取,以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍。
2 高壓渦輪流量計(jì)研制
高壓機(jī)油流量計(jì)主要是由鍛鋼殼體、表芯總成、機(jī)械顯示計(jì)數(shù)器、高壓油泵、高低頻信號(hào)輸出(按客戶要求選配)等組成;根據(jù)EN12261 要求,設(shè)計(jì)高壓渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀等并對(duì)殼體與軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算;研究高壓供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),避免軸承潤(rùn)滑油回流等不良現(xiàn)象;研究渦輪防沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),緩沖因流量波動(dòng)引起瞬間沖擊力;研究雙向增計(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器,主要解決了流量計(jì)由于其單向計(jì)數(shù)的特性,而導(dǎo)致倒置安裝時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不增反減的問(wèn)題。
2.1 殼體與軸承設(shè)計(jì)計(jì)算
高壓機(jī)油流量計(jì)殼體作為主要的承壓零部件,應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。并可將其視為鋼管,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50316 與GB150 中相關(guān)規(guī)定,計(jì)算壁厚ts 計(jì)算公式:

式中 ts—計(jì)算厚度(mm);
P—設(shè)計(jì)壓力(MPa);
Do—管子外徑(mm);
—在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力(MPa);
Ej —焊接接頭系數(shù);
Y—計(jì)算系數(shù)。
以DN50-PN100 為例,將殼體設(shè)計(jì)參數(shù)代入(4)中直

而對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的軸承,軸承可靠度為90%,軸承材料為常規(guī)材料,其基本額定動(dòng)載荷計(jì)算公式如下[3]:

將選型軸承的參數(shù)代入(5)、(6)中直接得出基本額定動(dòng)載荷C,而選型軸承的動(dòng)載荷Cr 必須大于基本額定動(dòng)載荷C 才能滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2 高壓供油系統(tǒng)
流量計(jì)所需軸承潤(rùn)滑油必須在內(nèi)部密封、持久、免維護(hù)或者采用外部注入的方式。高壓渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取外部注入方式進(jìn)行潤(rùn)滑軸承。該方式必須克服高壓氣體對(duì)潤(rùn)滑油管反作用力,壓力越高,反作用力越強(qiáng)。對(duì)供油系統(tǒng)提出更高的要求,目前行業(yè)內(nèi)的中低壓供油結(jié)構(gòu)已不適用,可能會(huì)引起潤(rùn)滑油回流或密封圈提前失效等問(wèn)題。
應(yīng)研制一種高壓供油系統(tǒng),其主要是通過(guò)手動(dòng)油泵將潤(rùn)滑油從油杯注入注油腔中,而注油腔中的潤(rùn)滑油是通過(guò)兩只阻回流單向閥以及內(nèi)置供油管路將潤(rùn)滑油直接注入需潤(rùn)滑軸承附近的儲(chǔ)油區(qū)內(nèi);而手動(dòng)油泵是由手柄、油泵座、油杯、
活塞、O 型密封圈等組成;該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于采用兩只單向閥其一內(nèi)置油泵,另一嵌入管道,實(shí)現(xiàn)雙重阻回流功能,并提高高壓管道供油可靠性;而且將所有油管內(nèi)置,該供油管路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,實(shí)現(xiàn)一體化潤(rùn)滑,順利解決生產(chǎn)過(guò)程與搬運(yùn)物流對(duì)外部引油管路造成傷害;
2.3 渦輪防沖擊與高頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)
為了減緩流量波動(dòng)、管道震動(dòng)對(duì)渦輪生產(chǎn)瞬間沖擊力,研究計(jì)量芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常計(jì)量芯中前后軸承均是徑向旋轉(zhuǎn)作用,對(duì)瞬間沖擊力的承受能力有限,若操作不當(dāng),對(duì)流量計(jì)壽命與精度影響甚大??紤]以上因素,對(duì)計(jì)量芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將主軸的前后軸承作用力分開(kāi),前軸承為徑向旋轉(zhuǎn)作用,后軸承為軸向推力作用,后軸承也可與推力軸承或波紋墊圈配合使用。能有效的抑制流體瞬間沖擊力,并配合渦輪形成反向推力,能較快將渦輪調(diào)整至平衡狀態(tài),從而改善渦輪流量計(jì)的壽命與精度。
目前國(guó)內(nèi)外取高頻信號(hào)傳感器頻率*高大概為2000Hz,而且大部分制造商采取穿過(guò)流體通道的方式插入計(jì)量芯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號(hào)采取。此方式會(huì)引起高、低頻檢定的示值誤差不一致。而我司目前使用的新型高頻旋轉(zhuǎn)檢測(cè)傳感器是通過(guò)專業(yè)生產(chǎn)廠家特殊定制,所采集的信號(hào)是通過(guò)渦輪的葉片放大的,對(duì)流體通道無(wú)任何影響,其頻率*高能達(dá)到3 500 Hz 或者更高。通過(guò)該傳感技術(shù)的應(yīng)用,并采用新型信號(hào)處理放大技術(shù)和獨(dú)特的濾波技術(shù),有效地剔除壓力波動(dòng)和管道振動(dòng)所產(chǎn)生的干擾信號(hào),提高流量計(jì)的抗干擾能力。從而克服了因頻率高而丟失信號(hào)的難題,提高產(chǎn)品對(duì)小流量的靈敏度和精度,更便于用戶高頻檢定操作等。
2.4 雙向增計(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器
目前市場(chǎng)上的機(jī)械計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)均為正向進(jìn)氣時(shí)計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù),反向進(jìn)氣時(shí)計(jì)數(shù)器反走。而帶單向計(jì)數(shù)功能的渦輪流量計(jì)是一種能夠在渦輪流量計(jì)左進(jìn)右出進(jìn)氣、垂直安裝、水平安裝條件下均能滿足單向計(jì)數(shù)(單向計(jì)數(shù)可分為正向計(jì)數(shù)與反向計(jì)數(shù);按目前市場(chǎng)需求,此單向計(jì)數(shù)便是通常所說(shuō)的正向計(jì)數(shù))。然而,在燃?xì)庥?jì)量市場(chǎng)中有部分投機(jī)分子為了盜氣等原因?qū)?strong>渦輪流量計(jì)倒置安裝,使得單向計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不增反退。為了避免上述問(wèn)題再次出現(xiàn),設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)帶雙向增計(jì)數(shù)功能的新型渦輪流量計(jì),其中包括渦輪流量計(jì)基表、上磁耦合組件、主軸、主錐齒輪、錐齒輪組件和計(jì)數(shù)字輪組件等。雙向增計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)如圖3 所示,主要是通過(guò)增加單向軸承的數(shù)量,并對(duì)稱分布在主錐齒輪的兩側(cè),通過(guò)單向軸承與錐齒輪的緊配合,實(shí)現(xiàn)正反進(jìn)氣情況下始終有一只單向軸承通過(guò)其單向特性帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),并由驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)另一只因反向而發(fā)生自鎖的單向軸承轉(zhuǎn)動(dòng),保證驅(qū)動(dòng)軸始終沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),從而保證即使倒置安裝,機(jī)械計(jì)數(shù)也會(huì)只增不減。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能有效解決因管道震動(dòng)、齒輪反向間隙而引起機(jī)械顯示不整齊等問(wèn)題。

3 高壓渦輪流量計(jì)的性能測(cè)試
該流量計(jì)的研制以歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 12261:2002(Measurement of natural gas flow by turbine meters) 與OIMLR137-1 作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試,該性能測(cè)試包括:耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)、短時(shí)過(guò)載試驗(yàn)、擾動(dòng)試驗(yàn)、高低溫性能測(cè)試等;本文詳細(xì)介紹耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)
3.1 耐久性測(cè)試
渦輪流量計(jì)進(jìn)行耐久性測(cè)試的目的在于確認(rèn)流量計(jì)在指定條件下、額定的使用壽命里的計(jì)量性能是否符合上述的分段要求,即。

還需確認(rèn)各種安裝位置是否影響測(cè)試樣機(jī)的計(jì)量性能,安裝位置可分為:水平方向、垂直向上與垂直向下;而且不同安裝位置樣機(jī)在耐久性測(cè)試前后的指示誤差的變化量不得超過(guò)*大允許誤差的1/3。
整個(gè)耐久性測(cè)試以DN80-G100 樣機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明,*先是將三臺(tái)樣機(jī)分別安裝在不同安裝位置的同一管道中,其管道是由0.8 MPa 壓縮氣體為介質(zhì)以樣機(jī)*大流量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行,以每1 000 h 為運(yùn)行周期將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置做相應(yīng)性能測(cè)試,經(jīng)過(guò)7 000 h 運(yùn)行如圖4 所示。

從圖4 分析可知:
①該測(cè)試樣機(jī)滿足耐久性測(cè)試要求,指示誤差的變化量未超過(guò)*大允許誤差的1/3。
②軸承經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行磨合更趨于穩(wěn)定,長(zhǎng)期運(yùn)行后非線性段更趨于理想特性曲線。
3.2 彎矩與扭矩測(cè)試
對(duì)于高壓機(jī)油流量計(jì)來(lái)說(shuō),還應(yīng)當(dāng)詳細(xì)說(shuō)明流量計(jì)所需求的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平。此數(shù)據(jù)是通過(guò)試驗(yàn)直接獲得,彎矩測(cè)試裝置如圖5-a 所示,直管段1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,在直管段2 預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成彎矩M;扭矩測(cè)試裝置如圖5-b 所示,直管段1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,在直管段2 側(cè)面預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T。而彎矩與扭矩均是作用于流量計(jì)入口與出口法蘭處。由于此項(xiàng)測(cè)試主要針對(duì)流量計(jì)強(qiáng)度的校核,為了更有說(shuō)服力、提高可靠性,故將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計(jì)DN80-G100用于此次測(cè)試。而整個(gè)測(cè)試過(guò)程是將砝碼F 按EN12261 表10 中要求1 倍、2 倍直至做到4 倍(即力矩為3 040 N·m),未發(fā)現(xiàn)流量計(jì)殼體有任何異常變化。而測(cè)試結(jié)果表明在施加砝碼F 之前、過(guò)后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差未有明顯變化。

3.3 *三方高壓實(shí)流檢定測(cè)試
為了確認(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中計(jì)量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量要求,將多臺(tái)DN80-G160 樣機(jī)發(fā)往*三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)**石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站進(jìn)行6 MPa 實(shí)流檢定;檢定合格,準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0 級(jí),相對(duì)于常壓檢定數(shù)據(jù)樣機(jī)的儀表系數(shù)K 有所偏移,但仍在允許誤差范圍內(nèi)。其中南京分站使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)編號(hào)為131228041 的DN80 渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定,該樣機(jī)在常壓與高壓檢定比對(duì)數(shù)據(jù)如圖6 所示。而流量計(jì)的儀表系數(shù)K 的計(jì)算如下:



根據(jù)上式(7)、(8) 并結(jié)合圖6 可得出。
①該樣機(jī)完全滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的指示誤差要求。
②高壓相對(duì)于常壓整體線性會(huì)向正向偏移+0.65%。
③高壓相對(duì)于常壓整體線性較為平穩(wěn),而且線性誤差有向理想誤差曲線靠攏的趨勢(shì)。
根據(jù)實(shí)際流量計(jì)的所測(cè)得儀表系數(shù)K 更換對(duì)應(yīng)齒輪傳動(dòng)比,使機(jī)械表頭顯示部分和齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)出低頻脈沖輸出均與高頻脈沖輸出匹配,實(shí)際三者關(guān)系如下:

在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中,為了降低齒輪模具的投入成本,應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)流量計(jì)K與i ,以控制i在不同口徑不同流量范圍內(nèi)的可調(diào)區(qū)間均是一致的。
4 結(jié)束語(yǔ)
研制成功的高壓渦輪流量計(jì)順利通過(guò)浙江省技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院各種性能測(cè)試并獲得相應(yīng)型式批準(zhǔn)**,該流量計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的要求,而且打破國(guó)外高壓長(zhǎng)輸管線領(lǐng)域的技術(shù)壟斷,為以后積累高壓長(zhǎng)輸管線長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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