导叶式多点绕流流量计在泵装置试验中的验证

周正富，何钟宁，陈松山

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州225127）

流量计量是调水、灌溉和排涝成本核算、水费改革和水资源市场化运作的技术基础，随着南水北调、城市供水、防洪及水环境治理、老泵站更新改造等众多大型水利工程的陆续实施，大中型泵站的流量计量工作愈发重要．但国内外大中型泵站的流量计量问题却没有得到很好解决［1］．常见流量测量的方法很多，如各种超声波流量计［2］、电磁流量计［3－4］、基于流速或压差的流速流量计［5］、基于激光技术的流速流量计［6］等．但这些测量方法有的需要较长的等径直管段，只适用于实验室或具有长直管的小型泵站；有的存在测量准备工作量大、数据采集慢、误差大、不能在线检测等诸多缺陷．目前，我国大多数泵站主要还是利用模型泵（泵装置）试验数据曲线及实测扬程推算实时流量［7］，准确性有待提高；因此，水利行业迫切需要一种准确、直接、实时、自动的流量测量系统．

本研究基于差压测流原理，设计了导叶式多点绕流流量计．该流量计借鉴成立等人［8］的研究成果，将测压单元作为水泵的前置导叶安装于水泵进水流道出口位置，见图1．虽然前置导叶可能会导致水力损失的少许增加，但研究表明前置导叶可在一定程度上优化水泵进口流态，提高水泵性能［9］．经过叶片翼型比选设计、流量计结构设计、三维数值模拟计算等步骤，初步确定了新型流量计的设计参数和性能．为验证流量计在水泵实际运行状态下的可行性和稳定性［10］，笔者制作了新型流量计样机，结合扬州大学高精度水力机械试验台某泵站泵装置模型试验，进行了多工况下流量性能测试的验证．

1 试验方案设计

图1 新型多点绕流流量计安装示意图Fig．1 Install sketch about the new guide vane ＆multipoint flow－around flowmeter

1．1 试验方案

导叶式多点绕流流量计类似于均速管流量计［11］，它由测压（测流）单元和数据自动测量系统两大部分构成．测压（测流）单元由4只对称布置的流线形直叶片组成，叶片的头部分布正向测压点，侧面分布侧向测压点，见图2．叶片形状和测压点的位置根据翼型比选和数值模拟结果确定．

本文根据导叶式多点绕流流量计结构设计和泵装置试验情况，制作出一组4个前置导叶测流叶片，材质为有机玻璃．测流叶片的基准半径R＝6mm，十字正交安装于泵装置进水流道出口处，由于叶片安装在水泵喇叭口内，内侧为导水锥，所以叶片内外侧边缘均为曲线形．叶片尺寸见图3，安装位置见图4，测流叶片实物照片见图5．

图2 新型导叶式多点绕流流量计测压单元示意图Fig．2 Unit of pressure measure of the new guide vane ＆multipoint flow－around flowmeter

图3 测流叶片型线及尺寸（mm）Fig．3 Profile ＆size of the vanes（mm）

图4 测流叶片安装位置图（mm）Fig．4 Install location of the vanes（mm）

图5 测流叶片实物照片Fig．5 Photo of the vanes

根据数值模拟研究结论，在叶片头部和距头部2．5R，即15mm 处开孔，用测压管引出叶片表面压力．试验中，测量断面划分为3个等面积过流环．根据叶片的尺寸和安装位置，3个过流环的中心距水泵机组中心分别为r1＝89．7mm，r2＝132．7mm，r3＝164．8mm（测压点所处位置）．

结合某泵站泵装置性能试验，测试在扬州大学高精度水力机械试验台（江苏省重点实验室）上进行，见图6．试验台采用封闭立式循环系统，由水力循环系统、数据采集与处理系统、监控系统、动力及辅助系统组成，试验台综合系统误差为±0．39%，满足国家标准GB3216—2005 和行业标准SL140—2006中A 级精度要求．其中E－mag型高精度电磁流量计的不确定度为±0．197%，其测量值视作实际流量；EJA110A 型差压传感器的不确定度为±0．113%，用于动静压差的测量．本环节共进行了15种工况的流量测量，流量覆盖范围640 ～1 340m3·h－1．

1．2 流速（流量）计算

基于流体伯努利原理，计算出测量流速vm，进一步算出流量qV，m．由于测量值与实际值有一定误差，测量时须对测量值进行修正．将高精度电磁流量计的测量值作为实际流量，可得到修正系数a，进

图6 高精度水力机械试验台示意图Fig．6 Sketch of the high precision test－bed of the hydraulic machinery

而获得准确的流量测量值（修正值）qV，c．实际测量中应首先对测量设备进行率定，获取修正系数a．

式中pt为叶片头部静压（正对水流方向，近似等于总压）；ps为平直段侧面静压；A 为过流断面面积；ρ为水的密度；a为流量（流速）修正系数；vm为测量流速；qV，m为测量流量；qV，r为实际流量，由高精度电磁流量计获得；qV，c为修正后流量（最终测量值）．

2 试验结果

将同一叶片3个过流环上测压点取得的压强机械混合，然后通过测压管送至压差传感器，读取平均值．数据处理时再将4 个叶片的压差平均，运用式（1）、（2）可得到修正系数a，见表1．由表1可见，受实验条件、设备误差、读数误差等因素的影响，a 的数值略有波动，但不同工况下a 的绝对值小，误差低，满足工程测流要求．泵装置动态测试说明在泵站实际运行状态下，导叶式多点绕流流量计稳定可靠．

表1 修正系数表Tab．1 Correction coefficients

3 结论与建议

1）导叶式多点绕流流量计设计思路新颖，原理科学，适应性好，安装简便，是大中型泵站流量计量的良好候选方案．

2）导叶式多点绕流流量计运用多点测压技术，降低了流道出口处流速分布不均造成的不利影响，有利于提高测量稳定性和精度．

3）在水泵实际运行状态下，修正系数的绝对值小，误差低，表明此测流方法稳定可靠．

4）流线形的叶片具有扰动小、水力损失低的特点，同时前置导叶的安装形式可在一定程度上优化水泵进口流态，提高水泵性能．

5）导叶式多点绕流流量计使用前必须经过严格率定，获取准确的流量修正系数．

［1］ 周济人，杨华，成立，等．超声波流量计测试大型低扬程泵站流量的模型试验［J］．排灌机械，2009，27（1）：51－54．

［2］ BRODY W R，MEINDL J D．Theoretical analysis of the CW doppler ultrasonic flowmeter［J］．IEEE Trans Biomed Eng，1974，21（3）：183－192．

［3］ BEVIR M K．Theory of induced voltage electromagnetic flowmeasurement［J］．IEEE Trans Magn，1970，6（2）：315－320．

［4］ WANG J Z，GONG C L，TIAN G Y，et al．Numerical simulation modeling for velocity measurement of electromagnetic flow meter［J］．J Phys Confer Ser，2006，48：36－40．

［5］ VENUGOPAL A，AGRAWAL A，PRABHU S V．Review on vortex flowmeter：Designer perspective［J］．Sens Actuators A，2011，170（1／2）：8－23．

［6］ WESTERWEEL J．Fundamentals of digital particle image velocimetry［J］．Meas Sci Technol，1997，8（12）：1379－1392．

［7］ 徐青，霍宁．大型泵站微机监控系统中流量的自动测算［J］．水电自动化与大坝监测，2003，27（2）：70－72．

［8］ 成立，汤方平，仇宝云，等．某双向灌排泵站的现场测试及改造思路［J］．扬州大学学报：自然科学版，2005，8（3）：67－69．

［9］ TAN Lei，CAO Shuliang，GUI Shaobo．Hydraulic design and pre－whirl regulation law of inlet guide vane for centrifugal pump［J］．Sci China Tech Sci，2010，53（8）：2142－2151．

［10］ 谢代梁，杨康，陶姗，等．均速管流量计流量系数数值校验方法研究［J］．实验流体力学，2010，24（4）：89－93．

［11］ 张涛，赵兵，徐英．新型均速管流量计的设计与研究［J］．化工自动化及仪表，2004，31（4）：52－54．