譚雄輝

[摘 要] 在垂直螺翼式水表使用過(guò)程中，由于其特別的內(nèi)部構(gòu)造，其壓力損失存在偏高的現(xiàn)象，制約了水表的流通能力。為此，針對(duì)垂直螺翼式水表壓力損失偏高這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析其產(chǎn)生的原因，并對(duì)影響壓損值的主要幾個(gè)水表零件在結(jié)構(gòu)和制造工藝上的改進(jìn)，有效降低了其壓力損失值。

[關(guān)鍵詞] 垂直螺翼式水表；壓力損失；改進(jìn)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 036

[中圖分類(lèi)號(hào)] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）15- 0093- 03

0 引 言

水表是居民日常生活用水和城鎮(zhèn)水務(wù)部門(mén)供水結(jié)算的依據(jù)。其中垂直螺翼式水表是一種較為新型的水表，因其內(nèi)部的螺翼式葉輪與管路方向是垂直放置而得名，具有量程范圍寬、靈密度高、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。但在實(shí)際使用中，垂直螺翼式水表的壓力損失值接近甚至超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最高限值，不僅影響了水表的流通能力，同時(shí)也造成了供水成本的上升。對(duì)此，有必要針對(duì)垂直螺翼式水表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝展開(kāi)詳細(xì)的研究來(lái)減小水表的壓力損失。

1 壓力損失ΔP的定義及產(chǎn)生原因

水表的壓力損失值是制造許可的一個(gè)硬性指標(biāo)。根據(jù)GB/T778.1-2007《水表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》：壓力損失是指在給定流量下，管道中存在水表所造成的水頭損失。并限定在額定（這里的額定是指常用流量Q3）工作條件下的最大壓力損失應(yīng)不超過(guò)0.063 MPa。標(biāo)準(zhǔn)給出了五個(gè)可選的壓力損失等級(jí)，從低到高依次為△P10、△P16、△P25、△P40、△P63。

壓力損失作為液體流動(dòng)中的能量損失，主要分為沿程壓力損失和局部壓力損失[1]。水表壓力損失作為局部壓力損失是指水流流經(jīng)水表時(shí)，由于表殼及機(jī)芯零件的阻擋，使水流方向和速度產(chǎn)生改變，造成流場(chǎng)的畸變，在內(nèi)部形成漩渦引起液體質(zhì)點(diǎn)間，以及質(zhì)點(diǎn)和固體壁面間相互碰撞和摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。

壓力損失主要表現(xiàn)為兩種形式：①使水流產(chǎn)生圍繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的漩渦。水表機(jī)芯部件中的葉輪在水中旋轉(zhuǎn)是形成此形式的主要構(gòu)件；②二次流動(dòng)。二次流動(dòng)是指因水流分離而形成的一種受約束的、重復(fù)循環(huán)的二次渦流。水表形成二次流動(dòng)的主要構(gòu)件有表殼、濾水網(wǎng)等。水流流經(jīng)表殼（濾水網(wǎng)）時(shí)，表殼（濾水網(wǎng)）垂直于水流方向截面面積的改變（增大或縮小），就會(huì)在此處附近形成二次渦流。

垂直螺翼式水表機(jī)芯部件與水流方向垂直放置的型式、內(nèi)部安裝的不銹鋼濾水網(wǎng)以及表殼內(nèi)腔復(fù)雜的反Z字形流道等這些特點(diǎn)，造成了其與水平螺翼式水表相比超高的壓力損失。

2 垂直螺翼式水表壓損偏高的解決方法

根據(jù)上節(jié)的描述，要想降低水表的壓損，簡(jiǎn)單講，就是減少水流產(chǎn)生的渦流、漩渦，增大流通面積，避免零件結(jié)構(gòu)上的不規(guī)則性，減少對(duì)水流的阻擋，改善水流流動(dòng)的平穩(wěn)性。

理論上，水表內(nèi)部與水接觸的每個(gè)構(gòu)件都會(huì)造成水流壓力的損失[2]。限于篇幅，本文以DN808 mm口徑的垂直螺翼式水表為例，僅對(duì)水表產(chǎn)生壓力損失的主要三個(gè)構(gòu)件（表殼、葉輪、濾水網(wǎng)）在結(jié)構(gòu)和工藝方面的改進(jìn)作一闡述。

2.1 表殼的改進(jìn)

目前，國(guó)內(nèi)大口徑水表的表殼基本都釆用球鐵鑄造。球磨鑄鐵在抗拉、抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕性、鑄造的成型性、制造成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)表殼的改進(jìn)如圖1所示，改進(jìn)分兩個(gè)方面。

2.1.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

（1）擴(kuò)大了內(nèi)腔尺寸。將原表殼上腔的直徑由Φ85 mm擴(kuò)至Φ110 mm，有效截面積比原增大了近68%，極大地提升了內(nèi)腔的流通能力[3]。

（2）在上腔處增加了一個(gè)回流腔，使水流在該腔內(nèi)變得更加平穩(wěn)。

（3）抬高表殼殼底，將進(jìn)水夾角由原36°變?yōu)?°，進(jìn)水道設(shè)計(jì)成在表殼內(nèi)腔底部的切線(xiàn)方向，促使水流以近似水平的角度進(jìn)入表殼。

（4）取消進(jìn)水處的擋水板結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)擋水板的作用是緩解進(jìn)水水流的沖擊，減少水流對(duì)水表機(jī)芯部件，特別是對(duì)葉輪部件的直接沖擊，避免機(jī)械性損傷。但擋水板的存在，對(duì)水流的前進(jìn)方向產(chǎn)生了阻擋，在此處極易形成渦流狀態(tài)。同時(shí)通過(guò)提高葉輪部件的材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，消除了無(wú)擋水板后存在的隱患。

2.1.2 制造工藝的改進(jìn)

（1）在內(nèi)腔各壁道的連接處，都設(shè)計(jì)成大圓弧的過(guò)渡連接，避免棱角的出現(xiàn)。

（2）鑄造釆用現(xiàn)較為先進(jìn)的V法造型。與原普通造型方法相比，減輕了鑄件的質(zhì)量，在產(chǎn)品尺寸精度、表面光潔度上都提升了一個(gè)臺(tái)階。

（3）在工藝文件中，嚴(yán)格規(guī)定了對(duì)殼體的砂粒、毛刺、飛邊等清除要求。

（4）表殼加工完畢后，對(duì)其表面增加一道噴塑處理，涂層厚度控制在0.15～0.25 mm。經(jīng)噴塑處理后，表面光潔度能達(dá)到4，極大地降低了水流與內(nèi)腔壁的摩擦系數(shù)。

2.2 葉輪的改進(jìn)

垂直螺翼式水表的工作原理是水流在軸向方向沖擊葉輪后，水流通過(guò)兩葉片間的通道旋轉(zhuǎn)流出。所以，葉輪的橫向截面大小直接決定了水表的流通能力。對(duì)葉輪的改進(jìn)如圖2所示。

（1）DN80原葉輪的直徑是Φ85 mm，本文將其直徑擴(kuò)大到了Φ100 mm，這樣一來(lái)，水流通過(guò)葉輪的通道面積擴(kuò)大了近20%（在不考慮葉片厚度的情況下）。

（2）葉輪柄的外部加強(qiáng)筋改為內(nèi)部的十字筋，以減少葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)的擋水阻力。

2.3 濾水網(wǎng)的改進(jìn)

垂直螺翼式水表內(nèi)部安裝的一個(gè)與水流方向垂直的不銹鋼濾水網(wǎng)是該表的一大特點(diǎn)，雖然提高了水表的防污性能，但卻增加了水表的壓力損失值。經(jīng)測(cè)試，DN80口徑的垂直螺翼式水表，有無(wú)濾水網(wǎng)，壓力損失相差0.02MPa。濾水網(wǎng)的改進(jìn)如下：

（1）將原圓孔狀的過(guò)濾孔，設(shè)計(jì)成蜂窩狀的正六邊形，如圖3所示，這一改進(jìn)，單位面積上濾網(wǎng)的流通面積增加了10%。

（2）在制作工藝上將杯狀的濾水網(wǎng)由原來(lái)的先板材卷制再焊接而成改為整體沖模拉伸，避免了原產(chǎn)品形狀的不規(guī)則性。

3 經(jīng)改進(jìn)后的壓力損失值

通過(guò)以上三個(gè)主要零件的設(shè)計(jì)改進(jìn)后，取改進(jìn)前、后的DN80整機(jī)，進(jìn)行壓力損失測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)改進(jìn)后的壓力損失值，有了大幅度地降低。按標(biāo)準(zhǔn)要求，在Q3（63 m3/h）流量時(shí)，壓損值由原來(lái)的0.06 MPa降至0.02 MPa，壓力損失等級(jí)從原最高的△P63降為△P25。

經(jīng)測(cè)試，在0.3 MPa的管路壓力下，該表能達(dá)到的最大流通量由原來(lái)的80 m3/h提升到110 m3/h，流通能力提高近38%。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，垂直螺翼式水表壓損偏高一直是困擾廣大的用水單位和制造單位的一個(gè)難題，需要給予改進(jìn)。本文分析了垂直螺翼式水表的壓力損失值偏高這一現(xiàn)象，并對(duì)幾個(gè)主要零件的結(jié)構(gòu)及制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，結(jié)果表明：經(jīng)改進(jìn)后的壓力損失值得到了大幅度地降低，有效解決了垂直螺翼式水表壓力損失偏高的難題，流通能力也得到了提高。

主要參考文獻(xiàn)

[1]趙斌，李斌.螺翼式水表的改進(jìn)建議[J]. 中國(guó)計(jì)量，2011（5）：54.

[2]杜正，張凱，姚靈，等. 垂直螺翼式水表下整流器壓損特性的數(shù)值模擬[J].中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，22（3）：237-241.

[3]何廣紅.直管段直徑的大小對(duì)螺翼式水表計(jì)量結(jié)果的影響[J]. 品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2017（12）.