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            非標設計在氣體渦輪流量計中應用
            發布時間:2021-11-2 08:25:59

            摘要:介紹在氣體渦輪流量計研制過程中渦輪渦桿傳動非常規設計方法。通過多次試驗、改進,證明這種設計有效、實用,能夠保證傳動的平穩性、可靠性,降低傳動中的阻力,提高傳動的靈活性,達到預期的設計效果。
            1.前言
              氣體渦輪流量計是用于管道天然氣計量的儀表,在歐美等發達國家,用氣體渦輪流量計計量管道天然氣已有30~40年的歷史了。隨著我國對天然氣資源大規模的開發和利用,西氣東輸、海氣登路、陜氣進京、渝氣輸漢、川氣進湘等多條天然氣管道工程相繼建成,多年來一直使用的污染大、熱值低的人工煤氣等氣體將逐漸被環保性、熱值高的天然氣所取代。在相當長的一段時間內,用于計量管道天然氣的氣體渦輪流量計在中國將形成一個大的需求市場。鑒于此,國內有實力的燃氣表制造商為抓住國內對氣體渦輪流量計需求日益增長這一商機,研制開發高精度氣體渦輪流量計產品。
            2.氣體渦輪流量計的計量原理
              圖1所示,管道內的氣體通過渦輪流量計前端的收縮截面,加速沖擊葉輪,葉輪的轉數在一定流量范圍內與通過流量計內的氣體流量成正比,葉輪轉數通過表內多級傳動系統傳送到顯示儀器上,從而完成對管道內氣體體積的計量。
            氣體渦輪流量計的傳動系統示意圖 
            3.問題
              圖2所示,在進行DN100型氣體渦輪流量計的樣機試制過程中,經測試發現,流量計的大流、中流段的示值誤差趨于線型,而最小流量點(Qmin)示值誤差卻超出標準要求。
              理想曲線指流量計的標準示值誤差曲線,即:
            Qmin≤Q<0.2Qmax±2%;
            0.2Qmax≤Q≤Qmax±1%。
            實際曲線指樣機測試時的示值誤差曲線。
             
            4.分析、試驗
              針對樣機測試時的示值誤差曲線分析,小流量段示值誤差超差有多方面原因,但總體上可歸納為兩種可能性:一是流量計密封性不好,氣體外溢而未被計量;二是流量計內部阻力大,傳動不靈活。第1種可能性是各接口聯接的密封問題,問題比較直觀,很容易解決;第2種可能性涉及到樣機裝配時的各道工序,需要對裝配過程中各工序的阻力問題逐一-分析、排查。經多次試驗,最終確認為標準渦輪、渦桿傳動部分阻力較大,影響了氣體渦輪流量計的傳動靈活性,導致小流量段示值誤差超差。
            5改進設計.
              標準的渦輪、渦桿配合,一般都將渦輪的圓柱表面的直母線制成弧形,部分地包住渦桿,并用與渦桿形狀相似的滾刀來切制渦輪的齒廓,這樣就使得相嚙合的輪齒成為線接觸,從而提高傳動的承載能力。但對于氣體渦輪流量計來說,傳動系統主要是傳遞運動,而不是傳遞動力和扭矩。標準設計中的渦輪、渦桿線接觸,系統阻力大,導致傳動不靈活,從而影響流量計的計量準確度,如圖3(a),圖4示值誤差曲線②。
            氣體渦輪流量計蝸桿蝸輪傳動示意圖 
            曲線①為標準示值誤差曲線。
             
            5.1改進方案1
              針對流量計傳動的特點,將渦輪厚度變薄,減少渦桿、渦輪配合時的接觸長度,如圖3(b),經過試驗,小流量段示值誤差明顯改善,如圖4示值誤差曲線③。但流量計穩定性差,重復性難以保證。
            5.2改進方案2
              根據渦桿、渦輪成形原理,渦桿、渦輪傳動實際是由螺旋齒輪傳動演化而來的。螺旋齒輪傳動相嚙合的輪齒是點接觸,為了改善嚙合狀況,才將渦桿渦輪的嚙合變為線接觸。線接觸的阻力要大于點接觸,于是將弧形面的渦輪用螺旋齒輪替代,如圖3(c)。結果表明這種改進非常有效,流量計傳動阻力減小、靈活性提高;傳動平穩、重復性良好,小流量段的示值誤差達到標準要求,如圖4示值誤差曲線④。
            5.3改進方案3
              采用螺旋齒輪傳動代替原渦桿、渦輪結構,達到了預期效果,但針對氣體渦輪流量計產品結構緊湊的特點,在狹小的機心空間對高速旋轉的螺旋齒輪進行潤滑是很困難的,解決不當,勢必會影響產品的使用壽命。根據以往的設計經驗,將螺旋齒輪材料改成自潤滑性能好的工程塑料,就能很好的解決潤滑問題。
            5.4改進方案4.
              塑料螺旋齒輪采用注塑工藝加工,模具成本很高,且產品的裝配、調整非常困難。為解決這個問題,準備用斜齒輪代替螺旋齒輪,即用直齒面代替難以成型和調整的螺旋齒面,同時渦桿與斜齒輪間仍然是點接觸。實踐證明,原渦桿、渦輪結構設計變成非標的渦桿、斜齒輪結構設計后,對氣體渦輪流量計產品效果顯著。
            6.結束語
              運用非標準設計,有效地降低了氣體渦輪流量計的傳動阻力。經DN100型氣體渦輪表各項性能測試表明,該方法有效、實用、安全可靠,并在DN80型氣體渦輪表的設計中得以推廣和應用。這兩種口徑的氣體渦輪流量計在2003年同時通過遼寧省科技廳的成果鑒定。產品投放市場后,性能穩定,用戶反饋信息良好。

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