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推力自平衡力涡轮气体流量计设计
更新事件:2022-4-14 08:44:09

摘要:为了改变传统涡轮气体流量计轴承的使用环境,引入气体推力轴承的设计,利用管道内的气体和叶轮旋转,产生推力平衡气体冲击对叶轮的作用力,达到提高仪表精度和延长使用寿命的目的。
  随着我国城市建设的发展,城市燃气使用量也正以较快的速度增长,对燃气仪表的使用要求也越来越高。涡轮气体流量计作为被广泛应用于城市门站和区域计量的计量仪表,在要求其计量精度提高的同时,对于仪表的使用寿命以及降低对环境的敏感性也提出了很高的要求,为了达到以上条件,结合气体动压推力轴承的设计,在这里介绍一种具有推力自平衡涡轮气体流量计的设计,通过涡轮气体流量计的自身的调节,使得涡轮气体流量计支撑轴承所承受的推力降低,不但延长了轴承的使用寿命,而且还能使仪表的流量范围得到提高。
1传统涡轮气体流量计结构及运行缺陷
  涡轮气体流量计是速度式流量计量仪表的一种,其传统结构(图1)主要由壳体、叶轮支架、轴承支架、叶轮轴、轴承叶轮、导流整流器、计数装置组成。当被检测气体经过涡轮气体流量计时,气体在导流整流器中被整流和加速,然后推动叶轮进行旋转,叶轮转动的速度和进过流量计的流体流速成正比,通过一系列的减速,最后由计数装置对叶轮转动的圈数进行累加,达到流量计计量的目的。
传统型涡轮气体流量计结构图 
  但是通过多年的实践发现,仪表的精度除了受零部件加工精度的影响以外,和轴承选用也有很大的关系,仪表要想保持长时间的稳定运行,轴承必须有足够的使用寿命,但是,对于进行维修和维护的仪表进行故障统计分析,大多是由于轴承的失效造成了仪表的损坏,对其进行受力分析(图2)表明,传统型的流量计结构在轴承的设计方面是一个薄弱环节。
传统型涡轮气体流量计受力分析 
  叶轮受到气流的冲击,气流对叶轮除了产生驱动叶轮旋转的推力外,还会产生一个垂直于叶轮的推力F推力,为了维持平衡,固定轴承会受到一个由轴承支架提供的反作用力F反推力。固定轴承为了支撑叶轮及轴系本身的重力会受到-个压力N反推力,浮动轴承由于阻止叶轮以固定轴承为支点进行旋转会得到一个压力T",因此,固定轴承处在一个最恶劣的工作环境之下,经过长时间的运转,在缺少润滑的情况下,固定轴承的使用寿命大打折扣。特别是在高速运转情况下,垂直于叶轮的推力F推力也会随着转速的提高而提高,固定轴承的使用状况随之更加恶化。事实也正是如此,在维修的流量计中,离叶轮较近的固定轴承损坏几乎占到了100%,轴承最后只剩下了内圈外圈,叶轮也因此波及,仪表不得不进行关键部件的更换,及时发现故障并进行排除还好,如果没有及时发现,造成经济上的损失我们将无法弥补。为了改善固定轴承的使用环境,轴承所承受的支撑力我们无法改变,但是,我们可以想办法改善固定轴承所受到的反作用力F反推力,因此,引入了气体推力轴承的设计。
2.气体推力轴承的引入和流量计的改进设计
  气体轴承是在气体润滑理论基础上发展起来的种非接触式轴承,与普通的滚动轴承有着本质上的区别,分为静压式气体和动压式气体轴承。静压式气体轴承是利用外部供气推动气体静压的承载部分,在两个运动副之间产生间隙,达到无摩擦运动。动压式气体轴承不需要外部供气,而是利用其内部的气体,两个运动副之间相对进行转动,依靠转动迫使运动副之间的气体进行压缩,产生支撑承载部分的动力,使两个运动副之间产生间隙,达到支撑的目的。我们在这里所引人的就是一种螺旋槽式泵人型气体动压推力轴承的设计(图3)。
 
  螺旋槽式泵人型气体动压推力轴承是利用“窄槽理论",即假设在两个运动副(一静-动)其中的一个上面雕刻足够多的窄槽,并且槽台与槽之间间隙无限窄,再假设槽内的气体为不可压缩气体,当动运动副转动时使得槽内的气体向槽的中心汇集,槽内气体压力升高,达到所需要的支撑力。根据这一一现象,我们把这种设计与流量计的叶轮相结合,设计出一种能够产生承载力的叶轮(图4),平衡叶轮所受的推力,达到降低流量计固定轴承所受合力的目的。另外,螺旋槽式泵入型气体动压推力轴承的承载力与转速有着一定的联系,随着转速的改变而改变,转速高时,承载力高,转速低时,承载力低,实现了推力自平衡的目的。
 
  为了满足螺旋槽式泵人型气体动压推力轴承的需要,我们对传统的流量计结构也做了调整(图5),改进后的流量计把原来在导流整流器后的叶轮调整到了叶轮支架后,并且在叶轮后面增加了后导流整流器,其目的主要是为了使叶轮和后导流整流器形成一对运动副,后导流整流器固定不动,叶轮旋转,在叶轮旋转过程中产生动压,形成推力作用。
 
  改进后涡轮气体流量计通过自身的调节,依靠不同流量下叶轮转动的速度不同,产生不同的推力,通过这个推力,平衡垂直于叶轮端面的气流推力(图6),使得固定轴承在水平方向上所承受的F反推力有所降低,这样大大改善了固定轴承的受力状况,延长轴承的使用寿命,并且由于轴承的摩擦力减小,轴承的运转精度得到进-步提高,仪表的精度也会提高。
 
3结束语
  随着我(wo)国城市用(yong)(yong)气及管(guan)道输配的(de)不断(duan)发展,燃气计量要求也在不断(duan)提高(gao),通(tong)过对传(chuan)统涡轮气体(ti)(ti)流(liu)量计结构改进,引(yin)入气体(ti)(ti)推力轴承设计,利用(yong)(yong)管(guan)道内(nei)自身的(de)气体(ti)(ti)和叶轮旋(xuan)转产(chan)生动(dong)压效应,达到(dao)改善轴承使用(yong)(yong)环境的(de)目(mu)的(de),最终(zhong)整体(ti)(ti)提升仪(yi)表(biao)的(de)性能。

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