1、理論分析①：
  渦輪流量計(jì)作為速度式儀表，以動(dòng)量矩守恒為基礎(chǔ)，渦輪流量計(jì)基本力矩平衡方程為［1］:
  Td－ Tb－ Th－ Tw－ Tt－ Tm= Jdωdt( 1)式中 Tb———軸與軸承的粘性摩擦阻力矩( 流動(dòng)產(chǎn)生的力矩) ;Td———渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩；
  Th———輪轂表面的粘性阻力矩;Tm———磁電阻力矩和軸與軸承的機(jī)械摩擦阻力矩之和;Tt———葉片頂端與傳感器外殼的粘性摩擦阻力矩;Tw———輪轂端面粘性摩擦阻力矩;J ———渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω ———渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

  Td－ Th－ Tt－ Tm= Jdωdt( 2)
  由式( 2) 可以看出提高驅(qū)動(dòng)力矩是降低渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量的一條捷徑。如圖 1 所示，傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)入口端是直管段和軸向?qū)Я髌?，流體流經(jīng)渦輪葉片之前只有軸向速度，對渦輪的驅(qū)動(dòng)力矩只是對渦輪葉片作用力的徑向分力產(chǎn)生的力矩。因?yàn)闇u輪葉片螺旋角為 45°，如果將導(dǎo)流片改為螺旋角為 － 45°的螺旋導(dǎo)流片( 圖 2) ，當(dāng)流體進(jìn)入導(dǎo)流片時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，方向與渦輪葉片正交，使得流體在軸向流動(dòng)速度不變的基礎(chǔ)上增加了徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體的旋轉(zhuǎn)方向與渦輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，在相同流量條件下，增加了流體對渦輪葉片的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)降低啟動(dòng)排量和提高分辨率的目的，整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 1 普通渦輪導(dǎo)流片

圖 2 改進(jìn)后的渦輪導(dǎo)流片

圖 3 改進(jìn)后的渦輪流量計(jì)

2、仿真研究：
  Workbench 是 ANSYS 公司開發(fā)的協(xié)同仿真環(huán)境，是將仿真過程結(jié)合在一起的平臺(tái)，可以大大簡化仿真過程中各模塊間的交互操作。通過幾何建模( 圖 4) 、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解及后處理等過程，可以比較準(zhǔn)確地仿真復(fù)雜機(jī)械模型的各物理參數(shù)場分布［2 ～ 4］。

圖 4 渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型

圖 5 渦輪流量計(jì)網(wǎng)格劃分

圖 6 速度場云圖圖 7 壓力場云圖

圖 8 速度場矢量圖

  為了得到導(dǎo)流片螺旋角與渦輪葉片螺旋角的***佳匹配，利用 ANSYS 軟件對不同角度導(dǎo)流片的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算，其中管道直徑為 14mm，渦輪葉片直徑為 13． 5mm，重疊度為 1． 64，葉片螺旋角為 45°，導(dǎo)流片螺旋角分別設(shè)為 － 35°、－ 45° 和－ 55°，來 流 條 件 分 別 設(shè) 為 0． 1、0． 2、0． 3、0． 4m3/ d。由于速度較低，采用層流模型，各不同工況條件下渦輪葉片受到的驅(qū)動(dòng)力矩情況如圖 9所示。導(dǎo)流片螺旋角為 － 45°時(shí)渦輪葉片受力更大，更容易啟動(dòng)。此時(shí)渦輪葉片螺旋角與導(dǎo)流片螺旋角恰好成 90°，可充分利用流體動(dòng)量使渦輪葉片更易啟動(dòng)，模擬結(jié)果與上述理論分析相符。

圖 9 不同角度渦輪葉片力矩

3、實(shí)驗(yàn)研究：
  通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)( 圖 10) 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具備以下兩個(gè)功能: 在低流量下能夠非常平穩(wěn)的運(yùn)行; 具備測量流量的功能。
  該平臺(tái)以單相水流為介質(zhì)，循環(huán)流動(dòng)通過水泵實(shí)現(xiàn); 流量的控制主要通過固定上游水位和調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)，流量的測量采用簡便可靠的容積時(shí)間法。

圖 10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡圖
  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中上方為穩(wěn)壓水箱，提供一個(gè)穩(wěn)定的壓力源，在管道內(nèi)阻力不變的情況下，保證管道內(nèi)流速不會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過 2m 長的下降段，流入渦輪流量計(jì)，隨后流出實(shí)驗(yàn)管道，通過量筒計(jì)量可以得到管路內(nèi)的流速。通過高速攝影可以清晰的觀察低速條件下渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況。
  為了驗(yàn)證高精度渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況，實(shí)驗(yàn)將高精度渦輪流量計(jì)與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)在相同條件下進(jìn)行對比。
  實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為單相水，流量范圍 0 ～ 20m3/ d，通過調(diào)節(jié)不同的流量點(diǎn)來記錄輸出頻率，流量點(diǎn)誤差優(yōu)于 1% ，每次測量時(shí)間為 60s，采樣間隔為5ms，每點(diǎn)測量 3 次取平均值，測量數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 高精度渦輪與傳統(tǒng)渦輪輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

4、結(jié)論：
4． 1、理論研究與數(shù)值仿真確定了高精度渦輪流量計(jì)的***合理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)流片螺旋角為 － 45°與渦輪葉片正交時(shí)，同樣來流條件下驅(qū)動(dòng)力矩***大。
4． 2、在單相水條件下，高靈敏渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量 0． 3m3/ d，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的1． 0m3/ d，分辨率也有 1． 7 倍的提高，可以解決部分單井產(chǎn)量低于 1． 0m3/ d 的低產(chǎn)井的流量測量問題。