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，使流體產生驅動葉輪旋轉的升力(Fy)矩減小,葉輪轉速降低,儀表系數降低。這是導致傳感器儀表系數遷移量增大的一個原因。
當氣液兩相泡狀流經過葉輪時，氣泡被葉片剪切成微小氣泡,在旋轉離心力的作用下,這些小氣泡聚集在葉片的吸力面側[9]，形成一個氣泡聚集區。聚集區中的氣泡對流體的流動起阻礙作用,根據作用力與反作用力的關系,相當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,即變為Fs',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,葉輪轉速有所降低,即葉輪的旋轉效應被減弱。當含氣率增加時，氣泡聚集區內的氣泡增加,對葉輪的阻力增大,對葉輪旋轉效應減弱的效果增強，使葉輪轉速降低,傳感器儀表系數降低。這是導致傳感器儀表系數遷移量增大的另-一個原因。
根據速度剖面理論,氣液兩相流水平流經管道時，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,這種差異使旋轉的葉輪在某轉速附近產生波動,最終導致傳感器重復性誤差的增大。這就是同--傳感器在相同含氣率下,其重復性誤差隨來流的體積流量的減小而增大的原因。
對于導程小、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,矩大于大導程葉輪升力矩,其葉輪旋轉速度更快,其葉輪的陀螺效應相對更強,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致葉輪的轉動速度產生波動的能力更強一些。這就是2#傳感器儀表系數遷移量以及重復性誤差優于1#與3#傳感器的原因。 |
