水表压力损失对流量计量的影响

石矗磊

赤峰市产品质量检验检测中心 内蒙古赤峰 024005

在人们日常生活中水表已经成为必备设施，但存在的水表压力损失会对流量计量产生一定影响。因此应该分析并掌握水表压力损失具体情况及其原因，比较水表设备的各个构件，明确水表压力损失和流量计量间的关系。计量机构是水表中的重要组成部分，其也是造成水表压力损失的主要原因，其不仅会使水表压力损失，还会影响水表的流量计量，进而在实际应用水表时，应该采取合理的策略将计量机构造成的压力损失减小，保证水表计量的准确性。

1 传统水表简介

水表是一种计量水流量的仪表，主要计量水的累计流量，通常划分为两类，分别是容积式水表以及速度式水表，课题、内芯以及套筒是传统水表内部结构主要组成部分。通常由生铁铸造壳体，水由进水口流出通过壳体下部的环形空间，这一部分被称作是“下环室”。这一环形空间上存在“上环室”连接出水口。套筒底部存在一个具备小孔的过滤网，能够将水中的杂物过滤出来。套筒的侧面存在上下两排的圆孔，圆孔位置正好对应着壳体上下环室，上排未出水孔，下排即为进水孔[1]。其中需要注意的是，这两排孔需要沿着圆的切线斜着钻孔。上下两排孔在方向上是相反的。水由下排孔的沿切线方向流入，这将会使水流旋转，形成漩涡，对于水表运行来说，这是非常重要的。其内芯主要有三层，分别是上层、中层和下层，上层能够通过玻璃窗看到，其主要包括指针以及刻度盘。下层是最关键的，其包括塑料轮，轮边具有很多塑料叶片，被称作“叶轮”。叶轮处在的位置是套管下层孔形成旋转流里，轮周的叶片被水流冲击会形成转矩，将会使叶轮旋转起来。将龙头开大，会增加回流速度，叶轮旋转速度也会随之提升。叶轮轴垂直向上达到中层，通过其自身的轴上小齿轮与“十进制数齿轮”啮合，主要的目的是对转数进行累积。“十进制数齿轮”主要作用是在十位数齿轮在个位数齿轮转十圈后将转一圈。个位数齿轮在这一过程中较为主动，其能够促进十位数齿轮转动。实质上每一级十进位用两对齿轮完成，可保证转动方向的一致性，在这之中一对转动比为9:30，还有一对转动比为10:30，串联这两对，整体的转动比则为两者乘积，即0.099999，近似为0.1。按照这样的计算方式，若是要读七位数，则需要使用12对齿轮。另外，如果需要用作别的方面，中层这一空间就需要应用18根轴以及34个齿轮，使得安装密度较高。传统的水表结构较为简单，并且价格便宜，能够长时间在潮湿环境里运行，不需要进行维修，也无需电源支持，在停电的情况下也能够持续工作，使其得到了较为广泛的应用[2]。

2 水表压力损失及其具体原因

2.1 水表压力损失概述

水表压力损失指的是液体流动中所损失的能量，主要有两种形式，分别为局部压力损失与沿程压力损失。其中局部压力损失指的是内部存在漩涡，使得液体质点间或液体质点和固体壁面间产生碰撞或剧烈摩擦，这一过程中形成的压力损失。由于水表有着各种各样的类型，因此其结构形式也较为丰富，对于比较常见的多流束式水表、单流束式水表和容积式水表来说，其组成上存在较大差异。但对于各构建功能而言，类型不同的水表构建大体相同，主要有表壳、过滤网、计量机构、流量调节板与隔板。当水流流经水表各构件时，将会使其方向和速度产生一定的变化，使得流场畸变，将对速度分布产生影响，将会使水表出现压力损失情况。

2.2 原因分析

2.2.1 水流漩涡围绕轴线转动

水流在流动过程中改变方向将会产生漩涡，这一情况在水表计量机构中有着非常明显的表现，并且水表计量机构具备的功能将会决定漩涡是否会产生。这能够说明，计量机构中叶轮将通过旋转水流确保自身连续转动，进而实现水量计量。因此，计量机构也会决定水表计量特性[3]。

2.2.2 二次流动

二次流动是指在水流分离这一作用下形成二次涡流，水流分离不仅不会限制二次涡流，还可使其重复循环。水表中的表壳以及流量调节板将会导致二次涡流出现，水流经过表壳，在水流作用下，垂直于水流的表壳截面面积会突然间的增大或缩小，而在其增大或缩小的位置将会形成二次涡流。水表流量调节板通常分布在计量机构上部或是底部，能够发挥出分离水流的作用，在分离的情况下会形成二次涡流，由此降低水流能量，减慢流速，防止受到叶轮转速太快影响出现快速磨损运动元件的情况，确保使用水表的寿命。

上述构件都将影响流场，导致速度矢量轴向、径向和切向不对称即为最终的结果，具体表现为压力损失，对于结构形式不同的水表来说，压力损失项速度矢量的敏感程度不同，影响流场变化也会有所不同，使得结构形式不同的水表在流量计量上存在这稳定性、可靠性和重复心等差异。

3 水表各构件压力损失对比分析

结合实践经验可知，水表计量误差一致性、稳定性会受到设备自身条件以及安装方式等因素影响，单流束式水表有着良好的误差计量稳定性及一致性，然后是多流束式水表，最后是活塞式水表，如果流量是5m3/h，对水表中各构件压力损失进行实验，实验过程中同一控制水流量，使其保持在5m3/h，接着分别安装活塞式水表、多流束式水表、单流束式水表，使用测量压力损失装置测量水表中各构件压力损失情况，下表1为具体实验结果[4]。

通过表1数据可知，水表各组成构件中计量机构是压力损失最为严重的构件，产生压力损失的主要原因是水流漩涡影响流场，使其畸变。计量机构对于水表压力损失的影响较大，这意味着，计量机构造成的压力损失越大，将会越严重的影响水表计量中的重复性和稳定性。

表1 表中各个构件所造成的压力损失情况

4 水表压力损失与流量计量间的关系

实际应用水表时，需明确水表压力损失与流量间有着比较复杂的关系，在分析这一关系时，可用以下二次函数加以表示：该二次函数中，表示的是水表压力损失值；Q表示的是流量；a、b、c表示的是常数项[5]。实际测试中，分别在流量条件不同的条件下测试活塞式水表、多流束式水表、单流束式水表的压力损失，在测试后能够获得相应结果，如图1所示。观察这一曲线图可知，在有着相同流量条件的情况下，压力损失最小的是活塞式水表，压力损失次于活塞式水表的是多流束式水表，而压力损失最大的是单流束式水表。这一情况出现的主要原因是，利用水表计量时，因为水表有不同计量机构，使得其漩涡、二次流、脉动流有所不同，水表流量计量以及流场稳定性降低情况受到不同的影响，从而在其压力损失上存在差异性。因此，实际使用水表时，为了将水表计量准确性提升，需要采用合理的方法将计量机构形成的压力损失减少，例如优化叶轮，以此保障水表计量效果，防止计量机构压力损失影响流量计量。

图1 同流量条件下三种水表压力损失情况曲线图

5 单流束式水表压力损失偏高解决方法

以下主要针对水表压力损失偏高这一情况来提出相应的解决策略，将单流束式水表作为例子，进行具体分析，为了降低水表压力损失，主要就是将水流产生的涡流以及漩涡减少，将其流通面积扩大，防止出现零件结构不规则的情况，避免阻挡水流，使水流流动更加的平稳。在理论上来讲，水表内部接触水的每个构件都会形成一定的水流压力损失。但本文主要从单流束式水表的表壳、叶轮以及滤水网这三项计量机构进行分析，阐述其在结构以及工艺上需要做出的改进[6]。

5.1 改进表壳

现阶段我国大口径水表表壳通常会使用球铁来铸造，球磨铸铁具有良好的抗压强度、抗拉、抗腐蚀性、制造成本以及铸造成型性优势。在改进壳体时需要从以下两方面进行：

（1）设计改进壳体结构。将其内腔尺寸扩大，原表壳上腔直径为Φ85mm，将其改进为Φ110 mm，这会增加其有效截面积，与原本相比将近大68%，可将内腔流通能力大幅提升；上腔处增加回流腔，在这一腔内使水流更加平稳；将表壳的壳底抬高，水夹角原本为36°，可以改进为8°，在表壳内腔底部切线方向设计水道，确保水流能够接近水平角度流入到表壳之中；将进水处设置的挡水板结构取消。挡水板设计主要是为了将进水水流所产生的冲击减少，避免水流直接冲击水表机芯部件，尤其是叶轮部件，防止出现机械性损伤。存在挡水板将会阻挡水流前进方向，这样情况下很容易形成涡流状态。可以提升叶轮部件结构以及材料强度形式，消除没有挡水板后容易出现的问题。

（2）改进制造工艺。在连接内腔各壁道位置，设计为大圆弧过渡连接形式，防止出现棱角；铸造使用当前流行的V法造型，相较于原普通造型能够减轻铸件质量，还能够提升产品的尺寸精度以及表面光洁度；工艺文件规定清除壳体毛刺、砂粒、飞边的要求；完成表壳加工后，需要在表面进行喷塑处理，控制涂层厚度为0.15-0.25mm，这可使表面光洁度提升，由此降低水流和内腔壁之间的摩擦系数。

5.2 改进叶轮

单流束式水表工作原理为水流由轴向方向对叶轮进行冲击，接着水流经过两叶片间通道以旋转形式流出。因此叶轮横向截面大小会对水表流通能力产生决定作用。改进叶轮时，需要将直径Φ85mm的原叶轮扩大至直径为Φ100 mm，通过这样的方式能够扩大水流通过叶轮通道面积将近20%。除此之外，可以改进叶轮柄外部加强筋为内部十字筋，将叶轮在水中旋转时产生的挡水阻力减少。

5.3 改进滤水网

单流束式水表内安装垂直于水流方向的不锈钢滤水网为该水表的一大特点，尽管能够将水表防污性能提高，但是会增加水表压力损失值。通过测试后可知单流束式水表有无滤水网的条件下压力损失只有0.02MPa之差。基于此改进滤水网方法如下：改变原圆孔状过滤孔为蜂窝状正六边形，这能够增加滤网的流通面积；制作工艺方面，将原本先板材卷制再焊接杯状滤水网该进程整体冲模拉伸，防止出现形状不规则情况。

6 结语

本文主要分析水表压力损失对其流量计量造成的影响，进行相关分析后可知，使用水表计量水量时，其计量机构会使水表出现严重的压力损失情况。在水表压力损失中，由计量机构造成的压力损失越大，则计量机构将会引起更明显的流量变化造成的压力损失，将影响水表计量水量的稳定性。从而可知，为了对水表流量计量的重复性以及稳定性问题进行有效解决，优化计量机构是最有效的方法，降低计量机构压力损失在水表压力损失中所占的比重，依此改善计量机构较大压力损失造成的流场畸变情况，防止出现流场不确定性和无规律性，将因为流场畸变造成的计量机构动态波动情况减小，使水表在实际的水量计量工作中将自身优势发挥出来，保证水务单位和用户的经济效益。