多姿态安装对水表流量性能的影响

态下产生的流量误差，利用多姿态冷水水表检定装置进行了计量误差试验，得出了水表安
装成流动方向为自上而下的垂直方向时，水表流量性能最差，在水表安装成流动轴线处于
垂直和水平方向之间的一个中间角度与水表安装成流动方向为自下而上的垂直方向相
比，水表流量性能较好，将水表水平安装时，性能最好的结论。 在通 过Fluent软 件 的 动 网 格
仪表与自动化装置
DOI：10.19557/ki.1001-9944.2024.04.025
多姿态安装对水表流量性能的影响
彭 雲 1，2，娄嘉骏 1，2，刘 博 1，唐臻吉 2
（1.沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870；2.宁波水表（集团）股份有限公司，宁波 315032）
摘要：流量特性是衡量水表性能的主要指标之一，为探究多流束旋翼式水表在不同安装姿
水表是流量测量仪表中的典型代表，其安装于 输水管道中用来计量在管道中流过的水量。 多流束
旋翼式水表作为其中一种，计量精度高，流量稳 定 性好，从而成为目前国内最主流的机械式计量的
收 稿 日 期 ：2023-10-16 ；修 订 日 期 ：2024-02-04 作者简介：彭雲（1999—），女，硕士，工程师，研究方向为水表内部流场仿 真 与 结 构 优 化 ；娄 嘉 骏 （1977—），男 ，博 士 ，高 级 工
（3）试 验 程 序 ：考 虑 到 样 表 零 部 件 质 量 差 异 等 ， 根据 GB/T 778.2鄄2018（ISO 4064鄄2：2014）第 7.4.4 要 求，每个流量点重复测量 3 次。
（4）主 要 仪 器 设 备 ：DN15～25 多 姿 态 冷 水 检 定 装置，箭头方向为水流方向，如图 2 所示。
图 3 水表多姿态安装测量误差 Fig.3 Measurement error of multi鄄attitude
installation of water meter
当水流从叶轮盒进水口流进冲击叶轮叶片开 始转动时，此时叶轮在水流驱动下产生的力称为驱 动力，产生的力矩称为驱动力矩。 驱动力矩与流量 和叶轮几何参数之间的关系如式（1）所示：
自动化与仪表 ２０24,39穴4雪
仪表与自动化装置
MD= ρQv（v1 rwcos α1 -v2 rwcos α2）
（1）
式中： ρ 为水的密度；Qv 为水的体积流量；v1 为 水表 叶 轮 盒 进 水 口 流 体 平 均 速 度 ；v2 为 水 表 叶 轮 盒 出 水 口 流 体 平 均 速 度 ；α1 为 v1 与 半 径 rw 处 圆 周 速 度 u 之间的夹角；α2 为 v2 与半径 rw 处圆周速度 u 之间 夹角。
本 文 参 考 试 验 结 果 ，采 用 Fluent 软 件 对 DN15 多流束旋翼式水表内部进行数值模拟，并估算出不 同安装姿态叶轮所需克服的摩擦阻力矩，为后续多 流束旋翼式水表的发展提供科学依据。
1 多流束旋翼式水表及受力分析
1.1 结构特点 如图 1 所示，水表主要由表壳、计数机构、滤水
网、计量机构等组成，计量机构分为齿轮盒、叶轮 盒 、叶 轮 等 ，叶 轮 采 用 ABS 材 料 制 成 ，冲 击 强 度 极 好，耐磨性较高。 在叶轮盒底部有若干个调节孔，可 通过调节板控制调节孔减小测量误差。
为自下而上的垂直方向记为 B，水表安装成流动轴 线处于垂直和水平方向之间的一个中间角度 （45°） 记为 C，水表安装成流动方向为自上而下的垂直方 向记为 D。 试验误差按式（7）计算：
E= Vi -Va ×100％
（7）
Va
式 中 ： Vi 为 样 表 流 量 指 示 值 ； Va 为 样 表 流 量 实 际值。
将每个水表不同的安装姿态测量误差绘制成
流量误差曲线，如图 3 所示。
2.3 试验结果分析
从测量误差数据的曲线图可以看出，在大流量
情况下多姿态安装对水表产生的示值误差影响较
小。 在 40 L/h 流量点处，多姿态安装对水表产生的
误 差 /％
5
0
-5
-10
-15
A
B
-20
C D
-25
-30 量 /（L·h-1）
（1.School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2.Ningbo Water Meter（Group） Co.，Ltd.，Ningbo 315032，China） Abstract：Flow characteristic is one of the main indicators to measure the performance of water meter. In order to explore the flow error of multi鄄jet water meter under different installation posture，the measurement error test was car鄄 ried out by using the multi鄄attitude cold water meter verification device，and it was concluded that the flow perfor鄄 mance of water meter was the worst when the water meter was installed in the vertical direction of flow direction from top to bottom. When the water meter is installed with the flow axis at an intermediate angle between the verti鄄 cal and horizontal directions，the flow performance of the water meter is better than that of the water meter installed with the flow direction of the bottom鄄up vertical direction，and the performance is best when the water meter is in鄄 stalled horizontally. Through the dynamic grid and 6DOF method of Fluent software，the flow field simulation of the water meter is performed，and the frictional resistance moment at three flow points under different installation posture in the test is estimated. The simulation error is obtained according to the frictional resistance moment，and the com鄄 parison and analysis with the test error confirm that these frictional resistance moments are in line with expectations and reliable. Key words：water meter；multiple posture；measurement error；frictional resistance
气动推进杆
压力表 温度计
气动推进杆 气动推进杆
流量计 气动推进杆
分阀门
出水管 量筒
进水阀门
铝合金支架
泄水阀
图 2 多姿态冷水检定装置图 Fig.2 Multi鄄attitude cold water verification device diagram
2.2 试验结果 将水表水平安装记为 A，水表安装成流动方向
加6DOF方 法 做 了 水 表 的 流 场 仿 真 ，估 算 出 在 试 验 中 不 同 安 装 姿 态 在3个 流 量 点 情 况 下 的
摩擦阻力矩，依据摩擦阻力矩得到仿真误差，与试验误差进行对比分析，证实这些摩擦阻
力矩是符合预期且可靠的。
关键词：水表；多姿态；计量误差；摩擦阻力
中图分类号：TH814 文献标识码：A
叶轮衬套内壁面与叶轮盒顶尖轴之间的流体 摩擦阻力矩如式（3）所示：
MR2 =
8π
2
2
r1
2
r2
22
l1
μn
（3）
r2 -r1
式中：r1 为顶尖轴半径；r2 为叶轮衬套内壁半径；l1 为 顶尖轴孔的长度。
叶轮叶片与叶轮盒底面之间的流体摩擦阻力 矩如式（4）所示：
MR3
=
π
2
2
rw
h1
μn
（4）
式中：h1 为叶轮底部至叶轮盒底面之间的距离。 叶轮叶片与叶轮盒顶面之间的流体摩擦阻力
齿轮盒 表壳
计数机构 叶轮 叶轮盒 滤水网
图 1 水表结构图 Fig.1 Water meter structure diagram
1.2 工作原理 水流从进水口端流入经滤水网从叶轮盒进水
口处流进切向冲击叶轮后，驱动叶轮旋转，所转圈 数通过叶轮轴上的联动部件与计数机构相连接，使 计数机构累积叶轮的转数，从而记下通过水表的水 量，水流再从叶轮盒出水口端流出。 1.3 叶轮驱动力与阻力矩的分析
矩如式（5）所示：
2
MR4
=
π 2 rw h2
μn
（5）
式中：h2 为叶轮顶部至叶轮盒顶面之间的距离。
计数器中因叶轮轴带动齿轮啮合传动产生的
机械摩擦阻力矩 MR5 无法用公式直接表达。
综上便得到了叶轮所受到的所有阻力矩之和
如式（6）所示：
ｎ
移MRi =MR1 +MR2 +MR3 +MR4 +MR5
（6）
程师，研究方向为水表内部结构优化。
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Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ＆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０24,39穴4雪
水 表[1]。 分析多姿态安装下水表的流量性能的主要困
难是确定摩擦阻力矩。 文 献[2]研究了计 算不同迎 角和流量下流动对叶轮叶片径向截面的转矩。 这些 扭 矩 后 来 被 引 入 到 流 量 计 的 分 析 模 型 中 ； 文 献 [3] 采 用 SST k鄄w 模 型 对 单 流 束 表 内 部 的 流 动 进 行 了 数 值模拟，得到水表性能曲线，并通过实验值对比，估 算出在 120 L/h 流量点下叶轮所需克服的机械摩擦 阻力矩。
在实际情况中，当水流通过水表时，叶轮还会受 到阻力矩的作用，分别为叶轮叶片最大外缘与叶轮 盒腔体壁面之间的流体摩擦阻力矩如式（2）所示：
MR1 =
8π
2
2
rw
2
rb
22
lμn
（2）
rb -rw
式中：l 为叶片宽度； μ 为水的粘度；rb 为叶轮盒腔体 内壁半径；n 为叶轮转速；rw 为叶轮叶片半径。
ｉ＝１
2 试验对象
2.1 试验条件 （1） 试 验 环 境 ： 水 压 ：0.42 MPa； 水 温 ：20℃ ； 室
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仪表与自动化装置
温：22℃；湿度：61.2 %RH。 （2）试 验 方 法 ：试 验 样 品 为 多 流 束 旋 翼 式 水 表 ，
在安装时满足以下要求：一台样品水表安装成水平 方向，一台样品水表安装成流动方向为自下而上的 垂直方向，一台样品水表安装成流动轴线处于垂直 和 水 平 方 向 之 间 的 一 个 中 间 角 度 （45°），一 台 样 品 水 表安装成流动方向为自上而下的垂直方向，所有的 水表无论处于水平方向、垂直方向还是一个中间角 度，其流动轴线位置的允差均应为±5°。
文 章 编 号 ：１００１鄄９９４４（２０24）04鄄０116鄄０5
Influence of Multi鄄attitude Installation on Flow Performance of Water Meter
PENG Yun1，2，LOU Jiajun1，2，LIU Bo1，TANG Zhenji2