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非标设计在气体涡轮流量计中应用
发布时间:2021-11-2 08:25:59

摘要:介绍在气体涡轮流量计研制过程中涡轮涡杆传动非常规设计方法。通过多次试验、改进,证明这种设计有效、实用,能够保证传动的平稳性、可靠性,降低传动中的阻力,提高传动的灵活性,达到预期的设计效果。
1.前言
  气体涡轮流量计是用于管道天然气计量的仪表,在欧美等发达国家,用气体涡轮流量计计量管道天然气已有30~40年的历史了。随着我国对天然气资源大规模的开发和利用,西气东输、海气登路、陕气进京、渝气输汉、川气进湘等多条天然气管道工程相继建成,多年来一直使用的污染大、热值低的人工煤气等气体将逐渐被环保性、热值高的天然气所取代。在相当长的一段时间内,用于计量管道天然气的气体涡轮流量计在中国将形成一个大的需求市场。鉴于此,国内有实力的燃气表制造商为抓住国内对气体涡轮流量计需求日益增长这一商机,研制开发高精度气体涡轮流量计产品。
2.气体涡轮流量计的计量原理
  图1所示,管道内的气体通过涡轮流量计前端的收缩截面,加速冲击叶轮,叶轮的转数在一定流量范围内与通过流量计内的气体流量成正比,叶轮转数通过表内多级传动系统传送到显示仪器上,从而完成对管道内气体体积的计量。
气体涡轮流量计的传动系统示意图 
3.问题
  图2所示,在进行DN100型气体涡轮流量计的样机试制过程中,经测试发现,流量计的大流、中流段的示值误差趋于线型,而最小流量点(Qmin)示值误差却超出标准要求。
  理想曲线指流量计的标准示值误差曲线,即:
Qmin≤Q<0.2Qmax±2%;
0.2Qmax≤Q≤Qmax±1%。
实际曲线指样机测试时的示值误差曲线。
 
4.分析、试验
  针对样机测试时的示值误差曲线分析,小流量段示值误差超差有多方面原因,但总体上可归纳为两种可能性:一是流量计密封性不好,气体外溢而未被计量;二是流量计内部阻力大,传动不灵活。第1种可能性是各接口联接的密封问题,问题比较直观,很容易解决;第2种可能性涉及到样机装配时的各道工序,需要对装配过程中各工序的阻力问题逐一-分析、排查。经多次试验,最终确认为标准涡轮、涡杆传动部分阻力较大,影响了气体涡轮流量计的传动灵活性,导致小流量段示值误差超差。
5改进设计.
  标准的涡轮、涡杆配合,一般都将涡轮的圆柱表面的直母线制成弧形,部分地包住涡杆,并用与涡杆形状相似的滚刀来切制涡轮的齿廓,这样就使得相啮合的轮齿成为线接触,从而提高传动的承载能力。但对于气体涡轮流量计来说,传动系统主要是传递运动,而不是传递动力和扭矩。标准设计中的涡轮、涡杆线接触,系统阻力大,导致传动不灵活,从而影响流量计的计量准确度,如图3(a),图4示值误差曲线②。
气体涡轮流量计蜗杆蜗轮传动示意图 
曲线①为标准示值误差曲线。
 
5.1改进方案1
  针对流量计传动的特点,将涡轮厚度变薄,减少涡杆、涡轮配合时的接触长度,如图3(b),经过试验,小流量段示值误差明显改善,如图4示值误差曲线③。但流量计稳定性差,重复性难以保证。
5.2改进方案2
  根据涡杆、涡轮成形原理,涡杆、涡轮传动实际是由螺旋齿轮传动演化而来的。螺旋齿轮传动相啮合的轮齿是点接触,为了改善啮合状况,才将涡杆涡轮的啮合变为线接触。线接触的阻力要大于点接触,于是将弧形面的涡轮用螺旋齿轮替代,如图3(c)。结果表明这种改进非常有效,流量计传动阻力减小、灵活性提高;传动平稳、重复性良好,小流量段的示值误差达到标准要求,如图4示值误差曲线④。
5.3改进方案3
  采用螺旋齿轮传动代替原涡杆、涡轮结构,达到了预期效果,但针对气体涡轮流量计产品结构紧凑的特点,在狭小的机心空间对高速旋转的螺旋齿轮进行润滑是很困难的,解决不当,势必会影响产品的使用寿命。根据以往的设计经验,将螺旋齿轮材料改成自润滑性能好的工程塑料,就能很好的解决润滑问题。
5.4改进方案4.
  塑料螺旋齿轮采用注塑工艺加工,模具成本很高,且产品的装配、调整非常困难。为解决这个问题,准备用斜齿轮代替螺旋齿轮,即用直齿面代替难以成型和调整的螺旋齿面,同时涡杆与斜齿轮间仍然是点接触。实践证明,原涡杆、涡轮结构设计变成非标的涡杆、斜齿轮结构设计后,对气体涡轮流量计产品效果显著。
6.结束语
  运用非标准设计,有效地降低了气体涡轮流量计的传动阻力。经DN100型气体涡轮表各项性能测试表明,该方法有效、实用、安全可靠,并在DN80型气体涡轮表的设计中得以推广和应用。这两种口径的气体涡轮流量计在2003年同时通过辽宁省科技厅的成果鉴定。产品投放市场后,性能稳定,用户反馈信息良好。

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