对脉动流发生器的初步研究及意义

林 峰，马春歌，郑东志

（开封仪表有限公司，河南 开封 475000）

0 引言

在工业流体中，容积泵、管线共振和流量调节阀等，以及一些多相流域中障碍物后流体分开都容易产生流体脉动和其他液体流参数的动态变化。实践中大家也了解到，流体脉动对流场和流量计量的影响是不可忽视的。但现实中的脉动流往往是无法测量的，如果要想知道脉动流的确切影响，就要清楚地知道脉动的频率和幅度，并通过相应地调节，测量出不同的脉动对流量计量的影响。

为了进行脉动流体对不同流量计量的实验研究，需要设计一个合适的、具有确定动态特征的流体脉动即“脉动流发生器”。此论文的目的是介绍开封仪表有限公司（以下简称开仪）自行初步研究的脉动流发生器，以及该脉动发生器在不同机构、不同流量、不同频率下形成的脉动流对流量计量准确度的影响。

通过实验，以实现以下两个目的：

1）为流量计的设计改进提供宝贵的数据资料和依据，提高流量计的抗干扰能力，提升流量计整体性能。

2）评价流量测量装置的动态性能，预测在不同安装条件下的动态误差，合理设计装置中的流量计的安装位置，优化装置工艺管线布局。因此，了解流体脉动对特定流量计测量准确度的影响及其性能非常重要。

1 设计构思

1.1 初步设计的脉动流发生器主要参数

介质：水。

公称通径：DN100。

公称压力：1.6MPa。

传动形式及频率：皮带机构3 Hz～50 Hz，连杆机构7 Hz～50 Hz。

脉动发生体：设计为叶轮形式，并分为单叶片与四叶片两种形式。

幅度：10°～30°。

1.2 脉动流发生器设计的主要特点及设计难点

1.2.1 主要特点

1）传动结构型式多样。运用皮带机构、连杆机构多种机械机构型式，叶轮有单叶片和四叶片。

2）部件更换方便。单叶片叶轮和四叶片叶轮均为一体型，与前后盖连接部位尺寸相同，可直接更换；电机轴端采用弹簧夹头型式装夹，方便快捷。

3）密封可靠。密封采用磁耦合型式，传动力矩大，安全可靠。

4）电机配备变频器，频率可调，配备光电脉冲发讯器，可实现频率的监控验证。

5）运用机械卡头连接方式，可方便更换机构型式。

1.2.2 设计难点

1）设计过程中要达到几种传动结构能够快速互换的效果，最后采用输出轴上铣四方，并在轴端加工螺纹孔，连杆、皮带轮通过传感器输出轴的四方定位，并用螺钉压紧实现传动。两种结构连接接口统一，连接靠一螺钉压紧，方便快捷。电机端头安装弹簧夹头，实现快速拆装与连接。

2）叶片轴转动与壳体间采用密封形式，在高速运转的情况下保证密封不泄漏，最后采用磁耦合型式，传动力矩大，安全可靠。

1.3 液体脉动流发生器结构及特征

液体脉动流发生器由传感器、电机、传动机构、变频器、光电脉冲发讯器等组成。总体结构如图1。

图1 液体脉动流发生器总体结构 Fig.1 Overall structure of fluid pulsating flow generator

脉动流发生器的构成是由一台可变频的高速电机带动磁力联轴器外转子，内转子与轴连接，通过外转子与内转子磁耦合，使轴带动脉动发生体，让轴上的叶片在密闭的管道中进行摆动运动，从而产生脉动流。此方法可不通过直接接触便能进行力与力矩的传递，并可将动密封化为静密封，实现零泄漏。另外在脉动流发生器上配置了脉冲发讯器，其作用是将叶片轴输出的摆动信号转换成电脉冲信号，从而验证电机的转速。

1.4 主要部件的结构和作用

1）传感器主要由壳体、前盖、后盖、叶轮组成（叶片有单叶片、四叶片两种型式）。

2）电机是脉动产生的动力来源，与变频器配合，可控制转动输出频率，电机固定在传感器上，与叶轮形成固定的中心距。

3）磁密封轴由内外磁钢组成，通过磁耦合输出转速，保证密封，安全可靠。

4）光电脉冲发讯器，由光电开关、光栅、集成电路构成，将机械信号转变为电信号，输出显示实际频率。

5）传动机构由两种型式：皮带机构（两皮带轮和皮带）、四连杆机构。

2 工作原理

由一台可变频的高速电机带动磁力联轴器外转子，内转子与轴连接，通过外转子与内转子磁耦合使轴上的叶片在密闭的管道中做摆动或旋转运动，从而产生脉动流。在高速电机与磁力联轴器间加装机械机构（皮带机构、连杆机构）来实现叶片在管道中进行摆动，从而产生脉动流，通过调整机械机构来实现振幅的改变。在脉动流发生器上配置了脉冲发讯器，其作用是将叶片轴输出的转速信号转换成电脉冲信号，从而验证电机的转速。然后分别通过变频器调节电机转速，调整叶片大小，并在高速电机与磁力联轴器间加装机械机构（皮带机构、连杆机构）来实现叶片在管道中进行摆动，通过调整机械机构来实现振幅的改变等方法，使频率和幅值发生变化，并通过检测脉动流发生器工作前后流量计的信号波形和频谱，分析出脉动流对流量测量的影响。

技术关键：高频电机与磁力联轴器及叶片的结合，电机与机械机构的连接，通过机械机构将转动转化为摆动从而达到调节幅度的目的。

2.1 皮带机构型式

如图2所示，皮带机构型式是通过固定在电机上的皮带轮1、皮带、皮带轮2通过磁连接座把转速1:1传动给叶轮转动，以获得高频转速。带液状态下，能够保证电机启动频率为3Hz，最高频率为50Hz。随着实验管路中液体流速升高，启动频率增大。因速度较高，此种型式需用均匀分布的多叶片叶轮。

图2 皮带机构Fig.2 Belt mechanism

此种型式配有可更换不同大小叶片的叶轮，可做不同叶轮、不同频率下转动的脉动实验。

2.2 连杆机构型式

如图3所示，连杆机构型式是通过固定在电机上的连杆1、连杆2、连杆3、磁连接座把转动转换成叶轮的叶片摆动。图3（a）和图3（c）位置为连杆3摆动的两个极限位置，连杆3两个极限位置的夹角为93°。带液状态下，能够保证电机启动频率为7Hz，最高频率为50Hz。此种型式需用单叶片叶轮，以获得理想的脉动。

图3 连杆机构Fig.3 Linkage mechanism

3 实验模型的搭建及部分实验效果的展示

实验利用第十三计量测试中心站装置的水源、设备及管路。选用DN100台位电磁流量计标准表为实验流量计，电磁流量计准确度等级为0.2级。将脉动流发生器安装在DN100管线下游，装置需提供实验所需的稳定流量，通过调节脉动流发生器的变频器从而调节电机转速，使脉动频率发生改变，分析脉动流发生器工作前后对流量计重复性、稳定性的影响。

相同结构（四叶片、皮带轮机构）、相同流量、不同安装位置下试验数据展示见表1。

表1 四叶片、皮带轮机构试验数据(1) Table 1 Test data of four blades and belt mechanism(1)

4 影响量分析及初步实验结论

实验中所用试验流量计为0.2级电磁流量计，所用实验装置为静态容积法液体流量标准装置，装置准确度等级为0.1级。根据以上数据结果，根据电磁流量计检定规程，对流量计重复性按式（1）进行计算：

以上两组数据：

图4 变频器频率值与流量重复性对应关系图①Fig.4 Corresponding diagram between frequency value of frequency converter and repeatability of flow①

图5 变频器频率值与流量重复性对应关系图②Fig.5 Corresponding diagram between frequency value of frequency converter and repeatability of flow②

数据（1）是当脉动流发生器与流量计间，间隔30D直管段安装时，发现在脉动流发生器启动前，流量计重复性可以达到0.01%。而启动脉动流发生器后，流量计重复性数值相对有所升高，但随着频率值不断增高，流量计重复性数值有逐渐减小的趋势。

表2 四叶片、皮带轮机构试验数据(2)Table 2 Test data of four blades and belt mechanism(2)

数据（2）是当脉动流发生器紧挨着流量计安装时，在脉动流发生器启动前，流量计重复性可以达到0.02%。而当脉动流发生器启动后，对流量计重复性有非常显著的影响。根据电磁流量计检定规程中规定：“流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最大允许误差绝对值的1/3”要求。其数据表明其影响量已经造成流量计重复性不满足要求的情况。

从试验数据中可以看出，在标准流量稳定的情况下，启动脉动流发生器前后对流量稳定性的影响还是非常显著的。脉动流发生器的研制，可以通过调整脉动流发生器的脉动频率，模拟各种阻力件对流场的影响，确定出合适的流量计安装条件，提高现场使用时流量计量的可靠性。相信今后对脉动流还会有更深入的研究，一定可以在今后的实验中得出更多有力的结论和避免脉动流对标准装置及流量计的影响的方法。