在傳統(tǒng)機(jī)翼理論的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠預(yù)測雙葉片氣體渦輪流量計性能的理論模型。理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。
1、引言：
    與液體渦輪流量計相比，傳統(tǒng)的氣體渦輪流量計不僅驅(qū)動力矩小，而且其線性度也較差，這是由于氣體密度遠(yuǎn)低于液體，并易受壓力和溫度變化的影響所致。為了增大葉輪所受驅(qū)動力矩，氣體渦輪流量計在結(jié)構(gòu)上通常采用較多數(shù)目的葉片，同時通過減小葉輪的環(huán)形通流面積，即采用較短的葉片來提高氣體流經(jīng)葉輪的速度。此外，還往往選用阻力矩較小的軸承以改善其線性范圍。因而傳統(tǒng)的氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在著范圍度不夠?qū)捄蛪簱p較大等不足之處。
    近年來，國際上開始探索新的氣體渦輪流量計構(gòu)思。雙葉片氣體渦輪流量計便是其中之一，其結(jié)構(gòu)特點是葉片長度大而數(shù)目少(只有2片)，采用阻力矩很小的軸尖軸承，因此具有壓損小、響應(yīng)快(轉(zhuǎn)子慣性小)、范圍度寬和裝拆維修方便等優(yōu)點。然而，盡管這種流量計已有產(chǎn)品進(jìn)入市場并受到用戶注意，但其理論研究成果尚未見發(fā)表。本文提出一種可以預(yù)測此類新型氣體渦輪流量計儀表系數(shù)的理論模型，以期更為深入地掌握其性能并為進(jìn)一步改善其設(shè)計提供理論依據(jù)。
2、理論分析：
   當(dāng)雙葉片氣體渦輪流量以恒定角速度。旋轉(zhuǎn)時，作用于葉輪上的各種力矩達(dá)到平衡，其力矩平衡方程為：
                              Td一Tr一T‘一T。一Tr, = 0                           (1)式中:Td—作用于葉輪的驅(qū)動力矩,N " m;Tr—葉片表面流體阻力矩,N " m;T,—葉頂流體阻力矩，N·m;Tb—軸承阻力矩，N·m;Tr.—葉片根部流體阻力矩，N·mo式(1)中未計入信號讀出裝置所產(chǎn)生的阻力矩，這是因為雙葉片氣體渦輪流量計葉片數(shù)少，

  轉(zhuǎn)速較高，故相比之下，此項阻力矩很小，可以忽略。下面對式(1)中各項力矩逐一進(jìn)行分析。

2. 1、驅(qū)動力矩Ta：
   圖1所示為葉輪半徑r處的速度矢量和受力分析圖。圖中u為來流(軸向)速度;“。為相對速度;B為“與:、r之間的夾角;a為沖角;。為葉片弦長;B為葉片軸向?qū)挾?月為葉片安裝角。    根據(jù)機(jī)翼理論，作用在葉輪半徑r處高度為dr的葉片面積上的升力為

2.2、葉片表面流體阻力矩T,：
  根據(jù)機(jī)翼理論.作用在葉片微元面積cd二上的阻力可表示為

式中::。—流道半徑,m;v—流體運動粘度，mz/So    暫不考慮氣體壓縮性影響，即假定流體密度P為常數(shù)，將上式乘以:并取其周向分量，沿葉片徑向積分，得

圖2雙葉片轉(zhuǎn)子示愈圖
2. 3、葉頂流體阻力矩T, ：
  本文直接引用文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果，取葉頂流體阻力矩T,=pcuZC}ctr矛(5)式中:t—葉片厚度，m ; C}—葉頂阻力系數(shù)，其確定方法參考文獻(xiàn)[3]，本文不復(fù)贅述。

2. 4、軸承阻力矩Tb：
   雙葉片氣體渦輪流量計一般采用軸尖軸承，不僅可以減小軸承摩擦阻力矩，而且其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，由軸尖和支承兩部分所組成，如圖2所示。根據(jù)赫芝理論，在軸向力凡的作用下，軸尖與支承的接觸面是半徑為R的半球面積。尺可由下式給出[4]

2. 5、葉片根部流體阻力矩T：
   雙葉片氣體渦輪流量計的葉輪結(jié)構(gòu)較特殊，其輪軸很細(xì)且實際上并無輪殼，平板型的葉片借助于其根部的扭曲來形成安裝角月。為便于分析，根部區(qū)域ABCD可近似地簡化為2個三角形區(qū)域:臨上游的ACD面與軸線相交，即安裝角為0，氣體繞流所產(chǎn)生的力矩可忽略不計;臨下游的ABD面則與軸線形成一定的夾角凡，因而產(chǎn)生阻力矩，如圖3所示。根部區(qū)域高度r、很小，故ABD區(qū)內(nèi)的弦長可認(rèn)為以線性規(guī)律變化，即

3、計算結(jié)果與討論：
   將式(3).(4),(5).(6),(7)和(9)分別代入式(1)，便得到雙葉片氣體渦輪流量計的力矩平衡方程。當(dāng)流量計處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，便可利用數(shù)據(jù)值方法求解在給定流量Q、來流速度分布u(r)、流體物性參數(shù)和儀表幾何參數(shù)下的葉輪轉(zhuǎn)速。。在數(shù)值計算中，首先假定一個轉(zhuǎn)速初值。:，然后分別計算在給定條件下的各項力矩，并代入力矩平衡方程(1)，以檢驗它們之間是否平衡。經(jīng)多次迭代，式中各項力矩的代數(shù)和接近于零，由此求得流量計穩(wěn)定狀態(tài)下的葉輪轉(zhuǎn)速。，并進(jìn)而求出相應(yīng)的儀表系數(shù)K一w/9o    為了驗證本文所提出的理論模型，作者在大慶原油大流量檢定站用10m3鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對}50mm的雙葉片氣體渦輪流量計樣機(jī)進(jìn)行測試。圖4所示為實驗數(shù)據(jù)與理論計算所得特性曲線的對比圖。從圖中可看出.在小流量區(qū)域，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出“駝峰”效應(yīng)，實測儀表系數(shù)高于計算值。當(dāng)流量大于60m3/h之后，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。這說明本文所建立的理論模型基本上是正確的。對于計算與實驗結(jié)果之間所存在著的偏差可作如下解釋:
    雙葉片氣體渦輪流量計樣機(jī)的葉片頂隙較大，漏失量相應(yīng)增大。當(dāng)流量較小時，漏失量相對較小，導(dǎo)致儀表系數(shù)偏大。當(dāng)流量增大時，漏失量相對較小，對儀表系數(shù)的影響也就不明顯。這種現(xiàn)象與常規(guī)的氣體渦輪流量計的性能相類似。在線性區(qū)域盡管仍存在著偏差，但不超過士1.000，因而可以認(rèn)為本文的理論模型實際上是相當(dāng)?shù)摹?br />    由于工作介質(zhì)為氣體，按理應(yīng)考慮流體的壓縮性，但因被測氣流的馬赫數(shù)較低(一般不超過。.2)故若將氣體密度處理為常數(shù)即認(rèn)為流體不可壓縮，理論模型仍具有足夠的準(zhǔn)確度。這樣，式(3),(4),(5),(6)和(9)中的各項力矩均與氣體密度P成正比，因此力矩平衡方程式(1)中的P實際上可以約去，也就是說氣體密度的影響可以忽略不計。當(dāng)然，對于高速氣流，應(yīng)對上述理論模型進(jìn)行適當(dāng)修正，否則會影響預(yù)測準(zhǔn)確度。

4、結(jié)論：
   本文運用機(jī)翼理論，結(jié)合雙葉片氣體渦輪流量計的具體情況，提出了一種可以預(yù)測儀表幾何參數(shù)、來流速度分布和流體物性對于該類儀表性能影響的理論模型。根據(jù)此模型所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，其結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，從而驗證了該理論模型的有效性。    本文提出的理論模型可以幫助設(shè)計人員改進(jìn)雙葉片氣體渦輪流量計的設(shè)計，使之適合用戶需求并改善其使用性能。由于實驗條件的限制，某些理論計算結(jié)果尚無法進(jìn)行實驗研究和驗證，有待于今后繼續(xù)進(jìn)行。