渦輪流量計的葉輪受力分析見圖7,u為來流速度,Ɩ為葉片長度,ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。Fa、F1分別為流體對葉輪的軸向力和圓周力,FR為二者的合力;Fg、Fy分別為FR在與葉片平行方向上的分量和與葉片垂直方向上的分量,稱Fs為葉輪阻力,Fy為葉輪升力。
由于渦輪流量傳感器的葉輪在穩(wěn)定工作條件下滿足力矩平衡方程,其特性曲線受流體密度的影響。混合流體密度隨著含氣率的增加而減小，使流體產(chǎn)生驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)的升力(Fy)矩減小,葉輪轉(zhuǎn)速降低,儀表系數(shù)降低。這是導(dǎo)致傳感器儀表系數(shù)遷移量增大的一個原因。
當(dāng)氣液兩相泡狀流經(jīng)過葉輪時，氣泡被葉片剪切成微小氣泡,在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下,這些小氣泡聚集在葉片的吸力面?zhèn)萚9]，形成一個氣泡聚集區(qū)。聚集區(qū)中的氣泡對流體的流動起阻礙作用,根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,相當(dāng)于增加了流體對葉片在平行葉片方向上的作用力,F。相比沒有氣泡時有所增加,即變?yōu)镕s',葉輪升力Fy與Fs'的合力為FR',其圓周方向分量為Ft',Ft'與Ft相比有所減小。所以,葉輪轉(zhuǎn)速有所降低,即葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)被減弱。當(dāng)含氣率增加時，氣泡聚集區(qū)內(nèi)的氣泡增加,對葉輪的阻力增大,對葉輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)減弱的效果增強，使葉輪轉(zhuǎn)速降低,傳感器儀表系數(shù)降低。這是導(dǎo)致傳感器儀表系數(shù)遷移量增大的另-一個原因。
根據(jù)速度剖面理論,氣液兩相流水平流經(jīng)管道時，氣液兩相速度剖面已不再象單相時速度剖面那樣對稱分布于管道內(nèi)部，兩相流中的部分氣泡在浮力的作用下運動到管道上方，管道上部由于氣泡的存在增強了脈動速度與瑞流強度10)。在含氣率近似相同時,這種由于氣泡的存在引起的脈動速度與湍流強度增強的程度,受兩相流體速度的影響,即在含氣率相同時,兩相流體速度越小，氣泡的存在引起的脈動速度與湍流強度越強，這也最終加劇了氣液兩相速度剖面不對稱的程度。由于渦輪流量傳感器對來流的速度剖面比較敏感,氣泡的存在引起的脈動速度以及來流速度剖面的不對稱導(dǎo)致葉輪的每個葉片所受到的升力Fy與阻力Fs存在差異,這種差異使旋轉(zhuǎn)的葉輪在某轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生波動,最終導(dǎo)致傳感器重復(fù)性誤差的增大。這就是同--傳感器在相同含氣率下,其重復(fù)性誤差隨來流的體積流量的減小而增大的原因。
對于導(dǎo)程小、安裝角大的葉片來說,在相同條件流體的沖擊下,渦輪流量計的葉輪升力F,矩大于大導(dǎo)程葉輪升力矩,其葉輪旋轉(zhuǎn)速度更快,其葉輪的陀螺效應(yīng)相對更強,抵抗由于氣泡存在引起的脈動速度和來流速度剖面的不對稱導(dǎo)致葉輪的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生波動的能力更強一些。這就是2#傳感器儀表系數(shù)遷移量以及重復(fù)性誤差優(yōu)于1#與3#傳感器的原因。 |
