摘要:為了改變傳統(tǒng)渦輪氣體流量計(jì)軸承的使用環(huán)境,引入氣體推力軸承的設(shè)計(jì),利用管道內(nèi)的氣體和葉輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生推力平衡氣體沖擊對(duì)葉輪的作用力,達(dá)到提高儀表精度和延長(zhǎng)使用壽命的目的。
隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，城市燃?xì)馐褂昧恳舱暂^快的速度增長(zhǎng),對(duì)燃?xì)鈨x表的使用要求也越來越高。渦輪氣體流量計(jì)作為被廣泛應(yīng)用于城市門站和區(qū)域計(jì)量的計(jì)量?jī)x表,在要求其計(jì)量精度提高的同時(shí),對(duì)于儀表的使用壽命以及降低對(duì)環(huán)境的敏感性也提出了很高的要求,為了達(dá)到以上條件,結(jié)合氣體動(dòng)壓推力軸承的設(shè)計(jì),在這里介紹一種具有推力自平衡渦輪氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)，通過渦輪氣體流量計(jì)的自身的調(diào)節(jié),使得渦輪氣體流量計(jì)支撐軸承所承受的推力降低，不但延長(zhǎng)了軸承的使用壽命,而且還能使儀表的流量范圍得到提高。
1傳統(tǒng)渦輪氣體流量計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行缺陷
渦輪氣體流量計(jì)是速度式流量計(jì)量?jī)x表的一種,其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)主要由殼體、葉輪支架、軸承支架、葉輪軸、軸承葉輪、導(dǎo)流整流器、計(jì)數(shù)裝置組成。當(dāng)被檢測(cè)氣體經(jīng)過渦輪氣體流量計(jì)時(shí),氣體在導(dǎo)流整流器中被整流和加速,然后推動(dòng)葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn),葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和進(jìn)過流量計(jì)的流體流速成正比,通過一系列的減速,最后由計(jì)數(shù)裝置對(duì)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)進(jìn)行累加,達(dá)到流量計(jì)計(jì)量的目的。
但是通過多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，儀表的精度除了受零部件加工精度的影響以外,和軸承選用也有很大的關(guān)系，儀表要想保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行,軸承必須有足夠的使用壽命,但是,對(duì)于進(jìn)行維修和維護(hù)的儀表進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)分析,大多是由于軸承的失效造成了儀表的損壞,對(duì)其進(jìn)行受力分析(圖2)表明,傳統(tǒng)型的流量計(jì)結(jié)構(gòu)在軸承的設(shè)計(jì)方面是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。
葉輪受到氣流的沖擊，氣流對(duì)葉輪除了產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的推力外,還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于葉輪的推力F推力，為了維持平衡，固定軸承會(huì)受到一個(gè)由軸承支架提供的反作用力F反推力。固定軸承為了支撐葉輪及軸系本身的重力會(huì)受到-個(gè)壓力N反推力,浮動(dòng)軸承由于阻止葉輪以固定軸承為支點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)會(huì)得到一個(gè)壓力T",因此，固定軸承處在一個(gè)最惡劣的工作環(huán)境之下,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，在缺少潤(rùn)滑的情況下，固定軸承的使用壽命大打折扣。特別是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,垂直于葉輪的推力F推力也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，固定軸承的使用狀況隨之更加惡化。事實(shí)也正是如此，在維修的流量計(jì)中，離葉輪較近的固定軸承損壞幾乎占到了100%,軸承最后只剩下了內(nèi)圈外圈,葉輪也因此波及,儀表不得不進(jìn)行關(guān)鍵部件的更換，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行排除還好，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成經(jīng)濟(jì)上的損失我們將無法彌補(bǔ)。為了改善固定軸承的使用環(huán)境,軸承所承受的支撐力我們無法改變，但是，我們可以想辦法改善固定軸承所受到的反作用力F反推力，因此,引入了氣體推力軸承的設(shè)計(jì)。
2.氣體推力軸承的引入和流量計(jì)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
氣體軸承是在氣體潤(rùn)滑理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的種非接觸式軸承，與普通的滾動(dòng)軸承有著本質(zhì)上的區(qū)別,分為靜壓式氣體和動(dòng)壓式氣體軸承。靜壓式氣體軸承是利用外部供氣推動(dòng)氣體靜壓的承載部分，在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間產(chǎn)生間隙，達(dá)到無摩擦運(yùn)動(dòng)。動(dòng)壓式氣體軸承不需要外部供氣，而是利用其內(nèi)部的氣體，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間相對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)迫使運(yùn)動(dòng)副之間的氣體進(jìn)行壓縮，產(chǎn)生支撐承載部分的動(dòng)力,使兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間產(chǎn)生間隙，達(dá)到支撐的目的。我們?cè)谶@里所引人的就是一種螺旋槽式泵人型氣體動(dòng)壓推力軸承的設(shè)計(jì)(圖3)。
螺旋槽式泵人型氣體動(dòng)壓推力軸承是利用“窄槽理論",即假設(shè)在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副(一靜-動(dòng))其中的一個(gè)上面雕刻足夠多的窄槽,并且槽臺(tái)與槽之間間隙無限窄，再假設(shè)槽內(nèi)的氣體為不可壓縮氣體，當(dāng)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使得槽內(nèi)的氣體向槽的中心匯集，槽內(nèi)氣體壓力升高,達(dá)到所需要的支撐力。根據(jù)這一一現(xiàn)象,我們把這種設(shè)計(jì)與流量計(jì)的葉輪相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種能夠產(chǎn)生承載力的葉輪(圖4),平衡葉輪所受的推力,達(dá)到降低流量計(jì)固定軸承所受合力的目的。另外,螺旋槽式泵入型氣體動(dòng)壓推力軸承的承載力與轉(zhuǎn)速有著一定的聯(lián)系,隨著轉(zhuǎn)速的改變而改變,轉(zhuǎn)速高時(shí),承載力高,轉(zhuǎn)速低時(shí)，承載力低，實(shí)現(xiàn)了推力自平衡的目的。
為了滿足螺旋槽式泵人型氣體動(dòng)壓推力軸承的需要,我們對(duì)傳統(tǒng)的流量計(jì)結(jié)構(gòu)也做了調(diào)整(圖5),改進(jìn)后的流量計(jì)把原來在導(dǎo)流整流器后的葉輪調(diào)整到了葉輪支架后,并且在葉輪后面增加了后導(dǎo)流整流器,其目的主要是為了使葉輪和后導(dǎo)流整流器形成一對(duì)運(yùn)動(dòng)副,后導(dǎo)流整流器固定不動(dòng),葉輪旋轉(zhuǎn),在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生動(dòng)壓,形成推力作用。
改進(jìn)后渦輪氣體流量計(jì)通過自身的調(diào)節(jié)，依靠不同流量下葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不同，產(chǎn)生不同的推力,通過這個(gè)推力,平衡垂直于葉輪端面的氣流推力(圖6),使得固定軸承在水平方向上所承受的F反推力有所降低，這樣大大改善了固定軸承的受力狀況，延長(zhǎng)軸承的使用壽命,并且由于軸承的摩擦力減小，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度得到進(jìn)-步提高，儀表的精度也會(huì)提高。
3結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)城市用氣及管道輸配的不斷發(fā)展,燃?xì)庥?jì)量要求也在不斷提高，通過對(duì)傳統(tǒng)渦輪氣體流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，引入氣體推力軸承設(shè)計(jì),利用管道內(nèi)自身的氣體和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，達(dá)到改善軸承使用環(huán)境的目的,最終整體提升儀表的性能。
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