水表壓力損失對流量計量的影響

石矗磊

赤峰市產品質量檢驗檢測中心 內蒙古赤峰 024005

在人們日常生活中水表已經成為必備設施，但存在的水表壓力損失會對流量計量產生一定影響。因此應該分析并掌握水表壓力損失具體情況及其原因，比較水表設備的各個構件，明確水表壓力損失和流量計量間的關系。計量機構是水表中的重要組成部分，其也是造成水表壓力損失的主要原因，其不僅會使水表壓力損失，還會影響水表的流量計量，進而在實際應用水表時，應該采取合理的策略將計量機構造成的壓力損失減小，保證水表計量的準確性。

1 傳統水表簡介

水表是一種計量水流量的儀表，主要計量水的累計流量，通常劃分為兩類，分別是容積式水表以及速度式水表，課題、內芯以及套筒是傳統水表內部結構主要組成部分。通常由生鐵鑄造殼體，水由進水口流出通過殼體下部的環形空間，這一部分被稱作是“下環室”。這一環形空間上存在“上環室”連接出水口。套筒底部存在一個具備小孔的過濾網，能夠將水中的雜物過濾出來。套筒的側面存在上下兩排的圓孔，圓孔位置正好對應著殼體上下環室，上排未出水孔，下排即為進水孔[1]。其中需要注意的是，這兩排孔需要沿著圓的切線斜著鉆孔。上下兩排孔在方向上是相反的。水由下排孔的沿切線方向流入，這將會使水流旋轉，形成漩渦，對于水表運行來說，這是非常重要的。其內芯主要有三層，分別是上層、中層和下層，上層能夠通過玻璃窗看到，其主要包括指針以及刻度盤。下層是最關鍵的，其包括塑料輪，輪邊具有很多塑料葉片，被稱作“葉輪”。葉輪處在的位置是套管下層孔形成旋轉流里，輪周的葉片被水流沖擊會形成轉矩，將會使葉輪旋轉起來。將龍頭開大，會增加回流速度，葉輪旋轉速度也會隨之提升。葉輪軸垂直向上達到中層，通過其自身的軸上小齒輪與“十進制數齒輪”嚙合，主要的目的是對轉數進行累積。“十進制數齒輪”主要作用是在十位數齒輪在個位數齒輪轉十圈后將轉一圈。個位數齒輪在這一過程中較為主動，其能夠促進十位數齒輪轉動。實質上每一級十進位用兩對齒輪完成，可保證轉動方向的一致性，在這之中一對轉動比為9:30，還有一對轉動比為10:30，串聯這兩對，整體的轉動比則為兩者乘積，即0.099999，近似為0.1。按照這樣的計算方式，若是要讀七位數，則需要使用12對齒輪。另外，如果需要用作別的方面，中層這一空間就需要應用18根軸以及34個齒輪，使得安裝密度較高。傳統的水表結構較為簡單，并且價格便宜，能夠長時間在潮濕環境里運行，不需要進行維修，也無需電源支持，在停電的情況下也能夠持續工作，使其得到了較為廣泛的應用[2]。

2 水表壓力損失及其具體原因

2.1 水表壓力損失概述

水表壓力損失指的是液體流動中所損失的能量，主要有兩種形式，分別為局部壓力損失與沿程壓力損失。其中局部壓力損失指的是內部存在漩渦，使得液體質點間或液體質點和固體壁面間產生碰撞或劇烈摩擦，這一過程中形成的壓力損失。由于水表有著各種各樣的類型，因此其結構形式也較為豐富，對于比較常見的多流束式水表、單流束式水表和容積式水表來說，其組成上存在較大差異。但對于各構建功能而言，類型不同的水表構建大體相同，主要有表殼、過濾網、計量機構、流量調節板與隔板。當水流流經水表各構件時，將會使其方向和速度產生一定的變化，使得流場畸變，將對速度分布產生影響，將會使水表出現壓力損失情況。

2.2 原因分析

2.2.1 水流漩渦圍繞軸線轉動

水流在流動過程中改變方向將會產生漩渦，這一情況在水表計量機構中有著非常明顯的表現，并且水表計量機構具備的功能將會決定漩渦是否會產生。這能夠說明，計量機構中葉輪將通過旋轉水流確保自身連續轉動，進而實現水量計量。因此，計量機構也會決定水表計量特性[3]。

2.2.2 二次流動

二次流動是指在水流分離這一作用下形成二次渦流，水流分離不僅不會限制二次渦流，還可使其重復循環。水表中的表殼以及流量調節板將會導致二次渦流出現，水流經過表殼，在水流作用下，垂直于水流的表殼截面面積會突然間的增大或縮小，而在其增大或縮小的位置將會形成二次渦流。水表流量調節板通常分布在計量機構上部或是底部，能夠發揮出分離水流的作用，在分離的情況下會形成二次渦流，由此降低水流能量，減慢流速，防止受到葉輪轉速太快影響出現快速磨損運動元件的情況，確保使用水表的壽命。

上述構件都將影響流場，導致速度矢量軸向、徑向和切向不對稱即為最終的結果，具體表現為壓力損失，對于結構形式不同的水表來說，壓力損失項速度矢量的敏感程度不同，影響流場變化也會有所不同，使得結構形式不同的水表在流量計量上存在這穩定性、可靠性和重復心等差異。

3 水表各構件壓力損失對比分析

結合實踐經驗可知，水表計量誤差一致性、穩定性會受到設備自身條件以及安裝方式等因素影響，單流束式水表有著良好的誤差計量穩定性及一致性，然后是多流束式水表，最后是活塞式水表，如果流量是5m3/h，對水表中各構件壓力損失進行實驗，實驗過程中同一控制水流量，使其保持在5m3/h，接著分別安裝活塞式水表、多流束式水表、單流束式水表，使用測量壓力損失裝置測量水表中各構件壓力損失情況，下表1為具體實驗結果[4]。

通過表1數據可知，水表各組成構件中計量機構是壓力損失最為嚴重的構件，產生壓力損失的主要原因是水流漩渦影響流場，使其畸變。計量機構對于水表壓力損失的影響較大，這意味著，計量機構造成的壓力損失越大，將會越嚴重的影響水表計量中的重復性和穩定性。

表1 表中各個構件所造成的壓力損失情況

4 水表壓力損失與流量計量間的關系

實際應用水表時，需明確水表壓力損失與流量間有著比較復雜的關系，在分析這一關系時，可用以下二次函數加以表示：該二次函數中，表示的是水表壓力損失值；Q表示的是流量；a、b、c表示的是常數項[5]。實際測試中，分別在流量條件不同的條件下測試活塞式水表、多流束式水表、單流束式水表的壓力損失，在測試后能夠獲得相應結果，如圖1所示。觀察這一曲線圖可知，在有著相同流量條件的情況下，壓力損失最小的是活塞式水表，壓力損失次于活塞式水表的是多流束式水表，而壓力損失最大的是單流束式水表。這一情況出現的主要原因是，利用水表計量時，因為水表有不同計量機構，使得其漩渦、二次流、脈動流有所不同，水表流量計量以及流場穩定性降低情況受到不同的影響，從而在其壓力損失上存在差異性。因此，實際使用水表時，為了將水表計量準確性提升，需要采用合理的方法將計量機構形成的壓力損失減少，例如優化葉輪，以此保障水表計量效果，防止計量機構壓力損失影響流量計量。

圖1 同流量條件下三種水表壓力損失情況曲線圖

5 單流束式水表壓力損失偏高解決方法

以下主要針對水表壓力損失偏高這一情況來提出相應的解決策略，將單流束式水表作為例子，進行具體分析，為了降低水表壓力損失，主要就是將水流產生的渦流以及漩渦減少，將其流通面積擴大，防止出現零件結構不規則的情況，避免阻擋水流，使水流流動更加的平穩。在理論上來講，水表內部接觸水的每個構件都會形成一定的水流壓力損失。但本文主要從單流束式水表的表殼、葉輪以及濾水網這三項計量機構進行分析，闡述其在結構以及工藝上需要做出的改進[6]。

5.1 改進表殼

現階段我國大口徑水表表殼通常會使用球鐵來鑄造，球磨鑄鐵具有良好的抗壓強度、抗拉、抗腐蝕性、制造成本以及鑄造成型性優勢。在改進殼體時需要從以下兩方面進行：

（1）設計改進殼體結構。將其內腔尺寸擴大，原表殼上腔直徑為Φ85mm，將其改進為Φ110 mm，這會增加其有效截面積，與原本相比將近大68%，可將內腔流通能力大幅提升；上腔處增加回流腔，在這一腔內使水流更加平穩；將表殼的殼底抬高，水夾角原本為36°，可以改進為8°，在表殼內腔底部切線方向設計水道，確保水流能夠接近水平角度流入到表殼之中；將進水處設置的擋水板結構取消。擋水板設計主要是為了將進水水流所產生的沖擊減少，避免水流直接沖擊水表機芯部件，尤其是葉輪部件，防止出現機械性損傷。存在擋水板將會阻擋水流前進方向，這樣情況下很容易形成渦流狀態。可以提升葉輪部件結構以及材料強度形式，消除沒有擋水板后容易出現的問題。

（2）改進制造工藝。在連接內腔各壁道位置，設計為大圓弧過渡連接形式，防止出現棱角；鑄造使用當前流行的V法造型，相較于原普通造型能夠減輕鑄件質量，還能夠提升產品的尺寸精度以及表面光潔度；工藝文件規定清除殼體毛刺、砂粒、飛邊的要求；完成表殼加工后，需要在表面進行噴塑處理，控制涂層厚度為0.15-0.25mm，這可使表面光潔度提升，由此降低水流和內腔壁之間的摩擦系數。

5.2 改進葉輪

單流束式水表工作原理為水流由軸向方向對葉輪進行沖擊，接著水流經過兩葉片間通道以旋轉形式流出。因此葉輪橫向截面大小會對水表流通能力產生決定作用。改進葉輪時，需要將直徑Φ85mm的原葉輪擴大至直徑為Φ100 mm，通過這樣的方式能夠擴大水流通過葉輪通道面積將近20%。除此之外，可以改進葉輪柄外部加強筋為內部十字筋，將葉輪在水中旋轉時產生的擋水阻力減少。

5.3 改進濾水網

單流束式水表內安裝垂直于水流方向的不銹鋼濾水網為該水表的一大特點，盡管能夠將水表防污性能提高，但是會增加水表壓力損失值。通過測試后可知單流束式水表有無濾水網的條件下壓力損失只有0.02MPa之差。基于此改進濾水網方法如下：改變原圓孔狀過濾孔為蜂窩狀正六邊形，這能夠增加濾網的流通面積；制作工藝方面，將原本先板材卷制再焊接杯狀濾水網該進程整體沖模拉伸，防止出現形狀不規則情況。

6 結語

本文主要分析水表壓力損失對其流量計量造成的影響，進行相關分析后可知，使用水表計量水量時，其計量機構會使水表出現嚴重的壓力損失情況。在水表壓力損失中，由計量機構造成的壓力損失越大，則計量機構將會引起更明顯的流量變化造成的壓力損失，將影響水表計量水量的穩定性。從而可知，為了對水表流量計量的重復性以及穩定性問題進行有效解決，優化計量機構是最有效的方法，降低計量機構壓力損失在水表壓力損失中所占的比重，依此改善計量機構較大壓力損失造成的流場畸變情況，防止出現流場不確定性和無規律性，將因為流場畸變造成的計量機構動態波動情況減小，使水表在實際的水量計量工作中將自身優勢發揮出來，保證水務單位和用戶的經濟效益。