摘　要: 介紹了渦輪流量計葉輪的設計理論 ,針對高精度渦輪流量計關鍵件的設計理論與加工工藝不足 ,對葉輪參數(shù)的確定作了詳細論述 ,提出了合理實用的制造工藝。

1、問題提出：
  速度式流量計是以直接測量封閉管道中介質流動速度來得到流量的一類流量測量儀表。 葉輪式速度流量計就是其中一種 ,也稱為渦輪流量計。其測量原理是: 置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比 ,通過一定裝置測得葉輪的旋轉角速度可得到流體的流速 ,從而得到流體的流量值。由于這種儀表是利用置于流體中的葉輪 ,感受流體平均速度來測量流體的流量。
  所以在葉輪式速度流量計中 ,帶有螺旋形葉片的葉輪就是一個很重要的部件 ,如圖1(零件圖 )所示。螺旋葉輪的結構參數(shù)、線形的設計、材料及制造工藝手段 ,決定了葉輪式速度流量計的流量測量范圍、測量精度、測量的靈敏度及流體的種類。要生產(chǎn)高精度的渦輪流量計 ,首先就要設計出結構參數(shù)合理、先進的葉輪 ,并能通過現(xiàn)有生產(chǎn)加工手段生產(chǎn)制造。目前國內(nèi)生產(chǎn)渦輪流量計的廠家較少 ，而涉足高精度渦輪流量計生產(chǎn)的更少。 主要是關鍵件的設計理論與加工經(jīng)驗不足。 本文對渦輪流量計葉輪的設計及加工予以探討。

圖 1　零件圖
2、螺旋葉輪的設計：
2. 1、螺旋葉輪的設計思想：
  渦輪流量計是基于動量矩原理的速度式儀表 ,其運動微分方程:
  J dw /dt = M – ∑nI= 1Mi ( 1)式中　J 為葉輪的轉動慣量 , dw /dt 為葉輪旋轉角加速度 , M為葉輪的轉動力矩 , ∑nI= 1Mi 為作用在葉輪上的阻力矩之和。
  流體流經(jīng)管路產(chǎn)生推動葉輪旋轉的力 ,只有在葉輪圓周方向的力 ,才能產(chǎn)生轉矩。作用在葉輪圓周方向的力 ,等于進入葉輪的流體在圓周方向上的動量變化 ,該推動力為:F = d Q( V1 cos T1 – V2 cos T2 )式中　 F 為作用在葉輪上的圓周力 , V1葉輪進口處的速度 ,V 2葉輪出口處的速度 ,T1,T2 分別為 V1 ,V2 與圓周運動方向的夾角 ,d流體密度 , Q流體流量。
  設葉輪葉片與軸線的夾角為 θ,葉輪旋轉的角速度為 k,r 為葉輪葉片的平均半徑 ,可認為推力 F及速度都作用產(chǎn)生在此平均半徑處。 S 為葉輪進口處的流通截面積。根據(jù)葉輪進出口的速度三角形 ,做向量運算 ,葉輪進出口處的圓周運動速度相同 ,則圓周運動速度 V0= rk.根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性原理 ,葉輪出口處的速度 V2的軸向分量等于葉輪進口處的速度 V1 ,則葉輪在圓周方向的速度變化為:V1 cos T1 = V1 cos 90 = 0V2 cos T2 = V0 – V1 cos ( 90 – θ) /cosθ= V0 – V1 tgθ　　代入公式 ( 2) ,則推力 F 可表示為F = d Q( V 1 tgθ- rk)
  作用在葉輪上的轉動力矩為:= F   r = rd Q( V 1 tgθ- rk) = rd Q( Q /S tgθ- rk)
  在正常工作情況下 ,可認為管道內(nèi)流體的流量不隨時間變化 ,即葉輪以穩(wěn)定的角速度旋轉。此時葉輪旋轉角加速度: dw /dt= 0.即在穩(wěn)定狀況下 ,轉動力矩與阻力矩之和相平衡: M – ∑nI= 1Mi = 0.則渦輪流量計數(shù)學模型為:rd Q( Q /St gθ- rk) – ∑nI= 1Mi = 0
  葉輪受到的阻力矩包括: 機械部件之間摩擦產(chǎn)生的機械摩擦阻力矩 M1;流體對葉輪產(chǎn)生的粘性摩擦阻力矩 M2;電磁轉換器對葉輪產(chǎn)生的電磁阻力矩M3 ;當采用機械式脈沖信號采集方式時 M3= 0.公式 ( 4)可寫為: rd Q(Q /S tgθ- rk)= M1+ M2則:k/Q = tgθ/rs – ( M1 + M2 ) /Pr2Q2
  將角速度 k變換為葉輪轉速 n,被測流體流量與葉輪轉速的關系式為:
  n = Q tgθ/ 2πr s – ( M1 + M2 ) / 2πr2Qd ( 6)　　設計選擇葉輪結構參數(shù) ,應使葉輪轉動滿足此數(shù)學模型。 而定量的確定阻力矩 M1、 M2 又很困難 ,當渦輪流量計進入測量范圍 ,在它的測量精度內(nèi)時 ,轉數(shù) n與流量 Q成線性關系 ,可忽略阻力矩對葉輪的影響 ,公式 ( 6)可簡化為n = Q   tgθ/2πrs
  由于螺旋葉輪的結構參數(shù)是與多種因素縱橫相關的 ,測量管道中流體的流動狀態(tài)又極其復雜 ,要純粹從理論計算上找出***佳參數(shù)值 ,那是非常困難。本文采用在理想狀態(tài)下推導出的理論數(shù)學模型式 ( 7) ,估算出螺旋葉輪相關的結構參數(shù) ,再與測量實驗相結合 ,用實驗得出的數(shù)據(jù)修正由阻力矩因素引起的誤差 ,***后得到符合儀表測量精度的結構參數(shù)。

2. 2、主要參數(shù)的確定：
  ( 1)葉片的螺旋角 T: 同一口徑的渦輪流量計 ,改變?nèi)~片的螺旋角 T,可改變流量計流量測量范圍 ,如: 100 mm口徑的渦輪流量計 ,當 T= 46°時 ,其量程為: 20 m3/h～ 40 0 m3/h ,當 T= 50°時其量程為: 32m3/h～ 6 50 m3/h. 螺旋角 T選擇合適 ,可使其受阻力矩影響小 ,使用壽命長 ,并適合加工工藝要求。 對測量氣體的渦輪流量計 ,小口徑、小流量時 ,T可選為 45°左右 (中徑處 )。 大口徑、大流量時 ,T可選擇55°左右 (中徑處 )。
  ( 2)葉輪葉片頂徑 D 及根徑 d 的確定: 葉輪參數(shù) D、 d ,基本上決定了渦輪流量計的流通面積 ,是影響流量計***大壓損的重要因素。 對于測量氣體的渦輪流量計 ,一般***大壓損不超過 2 K Pa.通過測試實驗 ,一般我們?nèi)?D /d= 1. 3左右。D由流量計的口徑?jīng)Q定 ,為使流體充分推動葉片 ,在結構上 D 大于流通口徑 1～ 2 mm.
  ( 3 )葉輪葉片重疊度的確定: 在軸線長度上 ,兩相鄰葉片相互重疊的程度 ,即為葉片的重疊度。葉片相互重疊的程度小 ,流體能量的利用率低。葉片重疊程度較大時 ,相應葉輪表面積增大 ,粘性摩擦阻力矩影響增大。 所以葉片的重疊程度選擇應適中。 選擇重疊度就是將螺旋角、葉片軸向長度及葉片數(shù)等因素綜合考慮 ,即考慮各因素單獨特性 ,又使他們達到***佳配合。 一般選擇為 1～ 1. 2.
  ( 4 )葉輪葉片數(shù)的確定: 確定原則是在保證葉片重疊度 1～ 1. 2及額定流量前提下 ,葉輪質量盡可能小 ,使葉輪對流速有很好的影響 ,即流量計有較高的靈敏度。對于不同口徑氣體渦輪流量計 ,葉片數(shù)一般取為 8～ 24片。
  ( 5)葉輪的總體設計形式: 要易于作動平衡測試。一般葉輪的轉速較高 ,在轉動過程中若不能保證動態(tài)平衡 ,將產(chǎn)生離心力引起的振動。加速度儀表的損壞 ,破壞儀表的測量精度。結構設計上要考慮能夠作動平衡測試。
  ( 6)葉輪幾何參數(shù)的校核: 當葉輪的主要參數(shù)選擇確定后 ,即葉輪的 θ、 r及 s值確定。選擇不同的 Q值 ,由公式 ( 7)計算出相應的葉輪轉速 n ,與儀表標定裝置對儀表標定得到的測量值 n比較。 如果誤差值較大 ,可修改葉輪的參數(shù) ,如果誤差微小 ,可用儀表的誤差修正裝置調整解決。

3、螺旋葉輪的制造：
3. 1、螺旋葉輪采用塑料材質：
  可使用模具注塑成型加工 ,其加工模具如圖 2(模具裝配圖 )所示。因葉輪帶有螺旋形葉片 ,沿軸線方向退出模芯 3時 ,工件 4將產(chǎn)生旋轉 ,所以將推料套 2設計成可繞定位軸 1隨葉輪轉動。 避免了葉輪的損傷。 該工裝很好的解決了葉輪出模問題。

圖 2　模具裝配圖
3. 2、螺旋葉輪模具型腔的加工：
  由于該型腔是一寬度較窄的螺旋狀型腔 ,無法采用純切銷機床加工 ,我們采用電光花加工 ,其工裝如圖 3(電極工裝圖 )所示。 當電極 1沿軸線進給運動時 ,因電極柄 3上帶有與螺旋葉片相同螺距的螺旋導槽 ,使電極繞軸線轉動 ,產(chǎn)生螺旋進給運動軌跡 ,完成工件 4的型腔加工。 該方法簡單易行 ,很好的解決了螺旋狀型腔的加工成形問題。

3. 3、螺旋葉輪葉片拔模斜度的加工：
  為使葉輪在注塑成型時 ,能夠很好的出模。葉片寬度方向帶有一定的拔模斜度 ,既葉輪葉片迎風端面與背風端面厚度上有一差值。 為加工出葉片的拔摸斜度 ,我們采用葉片迎風面螺旋面螺距 t1 與背風面螺旋面螺距 t2 不相等的兩條螺旋線軌跡 ,既螺距t1 與 t 2 有一差值 ,此差值可由葉片厚度差值推算出。根據(jù) t1、 t2 選擇相應不同的掛輪比 ,銑削出兩條不同螺距的螺旋面 ,即可在葉片上形成拔摸斜度。

圖 3　電極工裝圖

4、結束語：
  本文闡述的螺旋葉輪的設計思想 ,就是設計制造的螺旋葉輪要***大限度的保證葉輪的旋轉角速度與被測流體流速呈線性關系 ,從而使渦輪流量計能夠在較寬的量程范圍內(nèi) ,得到較高的測量精度。介紹了通過生產(chǎn)實踐檢驗的一些葉輪參數(shù)設計的理論數(shù)據(jù)。 解決了采用注塑成型加工葉輪工藝難點。 其工藝方法簡單易行 ,常規(guī)設備既能解決。我們采用此法研制出測量精度較高的渦輪流量計。