涡轮流量计的叶轮受力分析见图7,u为来流速度,Ɩ为叶片长度,ω为叶轮旋转角速度。Fa、F1分别为流体对叶轮的轴向力和圆周力,FR为二者的合力;Fg、Fy分别为FR在与叶片平行方向上的分量和与叶片垂直方向上的分量,称Fs为叶轮阻力,Fy为叶轮升力。
由于涡轮流量传感器的叶轮在稳定工作条件下满足力矩平衡方程,其特性曲线受流体密度的影响。混合流体密度随着含气率的增加而减小，使流体产生驱动叶轮旋转的升力(Fy)矩减小,叶轮转速降低,仪表系数降低。这是导致传感器仪表系数迁移量增大的一个原因。
当气液两相泡状流经过叶轮时，气泡被叶片剪切成微小气泡,在旋转离心力的作用下,这些小气泡聚集在叶片的吸力面侧[9]，形成一个气泡聚集区。聚集区中的气泡对流体的流动起阻碍作用,根据作用力与反作用力的关系,相当于增加了流体对叶片在平行叶片方向上的作用力,F。相比没有气泡时有所增加,即变为Fs',叶轮升力Fy与Fs'的合力为FR',其圆周方向分量为Ft',Ft'与Ft相比有所减小。所以,叶轮转速有所降低,即叶轮的旋转效应被减弱。当含气率增加时，气泡聚集区内的气泡增加,对叶轮的阻力增大,对叶轮旋转效应减弱的效果增强，使叶轮转速降低,传感器仪表系数降低。这是导致传感器仪表系数迁移量增大的另-一个原因。
根据速度剖面理论,气液两相流水平流经管道时，气液两相速度剖面已不再象单相时速度剖面那样对称分布于管道内部，两相流中的部分气泡在浮力的作用下运动到管道上方，管道上部由于气泡的存在增强了脉动速度与瑞流强度10)。在含气率近似相同时,这种由于气泡的存在引起的脉动速度与湍流强度增强的程度,受两相流体速度的影响,即在含气率相同时,两相流体速度越小，气泡的存在引起的脉动速度与湍流强度越强，这也最终加剧了气液两相速度剖面不对称的程度。由于涡轮流量传感器对来流的速度剖面比较敏感,气泡的存在引起的脉动速度以及来流速度剖面的不对称导致叶轮的每个叶片所受到的升力Fy与阻力Fs存在差异,这种差异使旋转的叶轮在某转速附近产生波动,最终导致传感器重复性误差的增大。这就是同--传感器在相同含气率下,其重复性误差随来流的体积流量的减小而增大的原因。
对于导程小、安装角大的叶片来说,在相同条件流体的冲击下,涡轮流量计的叶轮升力F,矩大于大导程叶轮升力矩,其叶轮旋转速度更快,其叶轮的陀螺效应相对更强,抵抗由于气泡存在引起的脉动速度和来流速度剖面的不对称导致叶轮的转动速度产生波动的能力更强一些。这就是2#传感器仪表系数迁移量以及重复性误差优于1#与3#传感器的原因。 |
