摘要:為了改變傳統渦輪氣體流量計軸承的使用環境,引入氣體推力軸承的設計,利用管道內的氣體和葉輪旋轉,產生推力平衡氣體沖擊對葉輪的作用力,達到提高儀表精度和延長使用壽命的目的。
隨著我國城市建設的發展，城市燃氣使用量也正以較快的速度增長,對燃氣儀表的使用要求也越來越高。渦輪氣體流量計作為被廣泛應用于城市門站和區域計量的計量儀表,在要求其計量精度提高的同時,對于儀表的使用壽命以及降低對環境的敏感性也提出了很高的要求,為了達到以上條件,結合氣體動壓推力軸承的設計,在這里介紹一種具有推力自平衡渦輪氣體流量計的設計，通過渦輪氣體流量計的自身的調節,使得渦輪氣體流量計支撐軸承所承受的推力降低，不但延長了軸承的使用壽命,而且還能使儀表的流量范圍得到提高。
1傳統渦輪氣體流量計結構及運行缺陷
渦輪氣體流量計是速度式流量計量儀表的一種,其傳統結構(圖1)主要由殼體、葉輪支架、軸承支架、葉輪軸、軸承葉輪、導流整流器、計數裝置組成。當被檢測氣體經過渦輪氣體流量計時,氣體在導流整流器中被整流和加速,然后推動葉輪進行旋轉,葉輪轉動的速度和進過流量計的流體流速成正比,通過一系列的減速,最后由計數裝置對葉輪轉動的圈數進行累加,達到流量計計量的目的。
但是通過多年的實踐發現，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系，儀表要想保持長時間的穩定運行,軸承必須有足夠的使用壽命,但是,對于進行維修和維護的儀表進行故障統計分析,大多是由于軸承的失效造成了儀表的損壞,對其進行受力分析(圖2)表明,傳統型的流量計結構在軸承的設計方面是一個薄弱環節。
葉輪受到氣流的沖擊，氣流對葉輪除了產生驅動葉輪旋轉的推力外,還會產生一個垂直于葉輪的推力F推力，為了維持平衡，固定軸承會受到一個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受到-個壓力N反推力,浮動軸承由于阻止葉輪以固定軸承為支點進行旋轉會得到一個壓力T",因此，固定軸承處在一個最惡劣的工作環境之下,經過長時間的運轉，在缺少潤滑的情況下，固定軸承的使用壽命大打折扣。特別是在高速運轉情況下,垂直于葉輪的推力F推力也會隨著轉速的提高而提高，固定軸承的使用狀況隨之更加惡化。事實也正是如此，在維修的流量計中，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圈外圈,葉輪也因此波及,儀表不得不進行關鍵部件的更換，及時發現故障并進行排除還好，如果沒有及時發現，造成經濟上的損失我們將無法彌補。為了改善固定軸承的使用環境,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計。
2.氣體推力軸承的引入和流量計的改進設計
氣體軸承是在氣體潤滑理論基礎上發展起來的種非接觸式軸承，與普通的滾動軸承有著本質上的區別,分為靜壓式氣體和動壓式氣體軸承。靜壓式氣體軸承是利用外部供氣推動氣體靜壓的承載部分，在兩個運動副之間產生間隙，達到無摩擦運動。動壓式氣體軸承不需要外部供氣，而是利用其內部的氣體，兩個運動副之間相對進行轉動，依靠轉動迫使運動副之間的氣體進行壓縮，產生支撐承載部分的動力,使兩個運動副之間產生間隙，達到支撐的目的。我們在這里所引人的就是一種螺旋槽式泵人型氣體動壓推力軸承的設計(圖3)。
螺旋槽式泵人型氣體動壓推力軸承是利用“窄槽理論",即假設在兩個運動副(一靜-動)其中的一個上面雕刻足夠多的窄槽,并且槽臺與槽之間間隙無限窄，再假設槽內的氣體為不可壓縮氣體，當動運動副轉動時使得槽內的氣體向槽的中心匯集，槽內氣體壓力升高,達到所需要的支撐力。根據這一一現象,我們把這種設計與流量計的葉輪相結合，設計出一種能夠產生承載力的葉輪(圖4),平衡葉輪所受的推力,達到降低流量計固定軸承所受合力的目的。另外,螺旋槽式泵入型氣體動壓推力軸承的承載力與轉速有著一定的聯系,隨著轉速的改變而改變,轉速高時,承載力高,轉速低時，承載力低，實現了推力自平衡的目的。
為了滿足螺旋槽式泵人型氣體動壓推力軸承的需要,我們對傳統的流量計結構也做了調整(圖5),改進后的流量計把原來在導流整流器后的葉輪調整到了葉輪支架后,并且在葉輪后面增加了后導流整流器,其目的主要是為了使葉輪和后導流整流器形成一對運動副,后導流整流器固定不動,葉輪旋轉,在葉輪旋轉過程中產生動壓,形成推力作用。
改進后渦輪氣體流量計通過自身的調節，依靠不同流量下葉輪轉動的速度不同，產生不同的推力,通過這個推力,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，延長軸承的使用壽命,并且由于軸承的摩擦力減小，軸承的運轉精度得到進-步提高，儀表的精度也會提高。
3結束語
隨著我國城市用氣及管道輸配的不斷發展,燃氣計量要求也在不斷提高，通過對傳統渦輪氣體流量計結構改進，引入氣體推力軸承設計,利用管道內自身的氣體和葉輪旋轉產生動壓效應，達到改善軸承使用環境的目的,最終整體提升儀表的性能。
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