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[摘 要] 在垂直螺翼式水表使用过程中，由于其特别的内部构造，其压力损失存在偏高的现象，制约了水表的流通能力。为此，针对垂直螺翼式水表压力损失偏高这一现象进行研究，分析其产生的原因，并对影响压损值的主要几个水表零件在结构和制造工艺上的改进，有效降低了其压力损失值。
[关键词] 垂直螺翼式水表；压力损失；改进
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 036
[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）15- 0093- 03
0 引 言
水表是居民日常生活用水和城镇水务部门供水结算的依据。其中垂直螺翼式水表是一种较为新型的水表，因其内部的螺翼式叶轮与管路方向是垂直放置而得名，具有量程范围宽、灵密度高、经久耐用等特点。但在实际使用中，垂直螺翼式水表的压力损失值接近甚至超过了国家标准所规定的最高限值，不仅影响了水表的流通能力，同时也造成了供水成本的上升。对此，有必要针对垂直螺翼式水表的内部结构和工艺展开详细的研究来减小水表的压力损失。
1 压力损失ΔP的定义及产生原因
水表的压力损失值是制造许可的一个硬性指标。根据GB/T778.1-2007《水表国家标准》：压力损失是指在给定流量下，管道中存在水表所造成的水头损失。并限定在额定（这里的额定是指常用流量Q3）工作条件下的最大压力损失应不超过0.063 MPa。标准给出了五个可选的压力损失等级，从低到高依次为△P10、△P16、△P25、△P40、△P63。
压力损失作为液体流动中的能量损失，主要分为沿程压力损失和局部压力损失[1]。水表压力损失作为局部压力损失是指水流流经水表时，由于表壳及机芯零件的阻挡，使水流方向和速度产生改变，造成流场的畸变，在内部形成漩涡引起液体质点间，以及质点和固体壁面间相互碰撞和摩擦而产生的压力损失。
压力损失主要表现为两种形式：①使水流产生围绕轴线转动的漩涡。水表机芯部件中的叶轮在水中旋转是形成此形式的主要构件；②二次流动。二次流动是指因水流分离而形成的一种受约束的、重复循环的二次涡流。水表形成二次流动的主要构件有表壳、滤水网等。水流流经表壳（滤水网）时，表壳（滤水网）垂直于水流方向截面面積的改变（增大或缩小），就会在此处附近形成二次涡流。
垂直螺翼式水表机芯部件与水流方向垂直放置的型式、内部安装的不锈钢滤水网以及表壳内腔复杂的反Z字形流道等这些特点，造成了其与水平螺翼式水表相比超高的压力损失。
2 垂直螺翼式水表压损偏高的解决方法
根据上节的描述，要想降低水表的压损，简单讲，就是减少水流产生的涡流、漩涡，增大流通面积，避免零件结构上的不规则性，减少对水流的阻挡，改善水流流动的平稳性。
理论上，水表内部与水接触的每个构件都会造成水流压力的损失[2]。限于篇幅，本文以DN808 mm口径的垂直螺翼式水表为例，仅对水表产生压力损失的主要三个构件（表壳、叶轮、滤水网）在结构和工艺方面的改进作一阐述。
2.1 表壳的改进
目前，国内大口径水表的表壳基本都釆用球铁铸造。球磨铸铁在抗拉、抗压强度、抗腐蚀性、铸造的成型性、制造成本上具有一定的优势。
对表壳的改进如图1所示，改进分两个方面。
2.1.1 结构的设计改进
（1）扩大了内腔尺寸。将原表壳上腔的直径由Φ85 mm扩至Φ110 mm，有效截面积比原增大了近68%，极大地提升了内腔的流通能力[3]。
（2）在上腔处增加了一个回流腔，使水流在该腔内变得更加平稳。
（3）抬高表壳壳底，将进水夹角由原36°变为8°，进水道设计成在表壳内腔底部的切线方向，促使水流以近似水平的角度进入表壳。
（4）取消进水处的挡水板结构。设计挡水板的作用是缓解进水水流的冲击，减少水流对水表机芯部件，特别是对叶轮部件的直接冲击，避免机械性损伤。但挡水板的存在，对水流的前进方向产生了阻挡，在此处极易形成涡流状态。同时通过提高叶轮部件的材料强度和结构强度，消除了无挡水板后存在的隐患。
2.1.2 制造工艺的改进
（1）在内腔各壁道的连接处，都设计成大圆弧的过渡连接，避免棱角的出现。
（2）铸造釆用现较为先进的V法造型。与原普通造型方法相比，减轻了铸件的质量，在产品尺寸精度、表面光洁度上都提升了一个台阶。
（3）在工艺文件中，严格规定了对壳体的砂粒、毛刺、飞边等清除要求。
（4）表壳加工完毕后，对其表面增加一道喷塑处理，涂层厚度控制在0.15～0.25 mm。经喷塑处理后，表面光洁度能达到4，极大地降低了水流与内腔壁的摩擦系数。
2.2 叶轮的改进
垂直螺翼式水表的工作原理是水流在轴向方向冲击叶轮后，水流通过两叶片间的通道旋转流出。所以，叶轮的横向截面大小直接决定了水表的流通能力。对叶轮的改进如图2所示。
（1）DN80原叶轮的直径是Φ85 mm，本文将其直径扩大到了Φ100 mm，这样一来，水流通过叶轮的通道面积扩大了近20%（在不考虑叶片厚度的情况下）。
（2）叶轮柄的外部加强筋改为内部的十字筋，以减少叶轮在水中旋转时的挡水阻力。
2.3 滤水网的改进
垂直螺翼式水表内部安装的一个与水流方向垂直的不锈钢滤水网是该表的一大特点，虽然提高了水表的防污性能，但却增加了水表的压力损失值。经测试，DN80口径的垂直螺翼式水表，有无滤水网，压力损失相差0.02MPa。滤水网的改进如下：
（1）将原圆孔状的过滤孔，设计成蜂窝状的正六边形，如图3所示，这一改进，单位面积上滤网的流通面积增加了10%。
（2）在制作工艺上将杯状的滤水网由原来的先板材卷制再焊接而成改为整体冲模拉伸，避免了原产品形状的不规则性。
3 经改进后的压力损失值
通过以上三个主要零件的设计改进后，取改进前、后的DN80整机，进行压力损失测试，测试结果对比见图4。
测试结果表明，经改进后的压力损失值，有了大幅度地降低。按标准要求，在Q3（63 m3/h）流量时，压损值由原来的0.06 MPa降至0.02 MPa，压力损失等级从原最高的△P63降为△P25。
经测试，在0.3 MPa的管路压力下，该表能达到的最大流通量由原来的80 m3/h提升到110 m3/h，流通能力提高近38%。
4 结 语
综上所述，垂直螺翼式水表压损偏高一直是困扰广大的用水单位和制造单位的一个难题，需要给予改进。本文分析了垂直螺翼式水表的压力损失值偏高这一现象，并对几个主要零件的结构及制造工艺进行改进，经过测试，结果表明：经改进后的压力损失值得到了大幅度地降低，有效解决了垂直螺翼式水表压力损失偏高的难题，流通能力也得到了提高。
主要参考文献
[1]赵斌，李斌.螺翼式水表的改进建议[J]. 中国计量，2011（5）：54.
[2]杜正，张凯，姚灵，等. 垂直螺翼式水表下整流器压损特性的数值模拟[J].中国计量大学学报，2011，22（3）：237-241.
[3]何广红.直管段直径的大小对螺翼式水表计量结果的影响[J]. 品牌与标准化，2017（12）.
[关键词] 垂直螺翼式水表；压力损失；改进
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 036
[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）15- 0093- 03
0 引 言
水表是居民日常生活用水和城镇水务部门供水结算的依据。其中垂直螺翼式水表是一种较为新型的水表，因其内部的螺翼式叶轮与管路方向是垂直放置而得名，具有量程范围宽、灵密度高、经久耐用等特点。但在实际使用中，垂直螺翼式水表的压力损失值接近甚至超过了国家标准所规定的最高限值，不仅影响了水表的流通能力，同时也造成了供水成本的上升。对此，有必要针对垂直螺翼式水表的内部结构和工艺展开详细的研究来减小水表的压力损失。
1 压力损失ΔP的定义及产生原因
水表的压力损失值是制造许可的一个硬性指标。根据GB/T778.1-2007《水表国家标准》：压力损失是指在给定流量下，管道中存在水表所造成的水头损失。并限定在额定（这里的额定是指常用流量Q3）工作条件下的最大压力损失应不超过0.063 MPa。标准给出了五个可选的压力损失等级，从低到高依次为△P10、△P16、△P25、△P40、△P63。
压力损失作为液体流动中的能量损失，主要分为沿程压力损失和局部压力损失[1]。水表压力损失作为局部压力损失是指水流流经水表时，由于表壳及机芯零件的阻挡，使水流方向和速度产生改变，造成流场的畸变，在内部形成漩涡引起液体质点间，以及质点和固体壁面间相互碰撞和摩擦而产生的压力损失。
压力损失主要表现为两种形式：①使水流产生围绕轴线转动的漩涡。水表机芯部件中的叶轮在水中旋转是形成此形式的主要构件；②二次流动。二次流动是指因水流分离而形成的一种受约束的、重复循环的二次涡流。水表形成二次流动的主要构件有表壳、滤水网等。水流流经表壳（滤水网）时，表壳（滤水网）垂直于水流方向截面面積的改变（增大或缩小），就会在此处附近形成二次涡流。
垂直螺翼式水表机芯部件与水流方向垂直放置的型式、内部安装的不锈钢滤水网以及表壳内腔复杂的反Z字形流道等这些特点，造成了其与水平螺翼式水表相比超高的压力损失。
2 垂直螺翼式水表压损偏高的解决方法
根据上节的描述，要想降低水表的压损，简单讲，就是减少水流产生的涡流、漩涡，增大流通面积，避免零件结构上的不规则性，减少对水流的阻挡，改善水流流动的平稳性。
理论上，水表内部与水接触的每个构件都会造成水流压力的损失[2]。限于篇幅，本文以DN808 mm口径的垂直螺翼式水表为例，仅对水表产生压力损失的主要三个构件（表壳、叶轮、滤水网）在结构和工艺方面的改进作一阐述。
2.1 表壳的改进
目前，国内大口径水表的表壳基本都釆用球铁铸造。球磨铸铁在抗拉、抗压强度、抗腐蚀性、铸造的成型性、制造成本上具有一定的优势。
对表壳的改进如图1所示，改进分两个方面。
2.1.1 结构的设计改进
（1）扩大了内腔尺寸。将原表壳上腔的直径由Φ85 mm扩至Φ110 mm，有效截面积比原增大了近68%，极大地提升了内腔的流通能力[3]。
（2）在上腔处增加了一个回流腔，使水流在该腔内变得更加平稳。
（3）抬高表壳壳底，将进水夹角由原36°变为8°，进水道设计成在表壳内腔底部的切线方向，促使水流以近似水平的角度进入表壳。
（4）取消进水处的挡水板结构。设计挡水板的作用是缓解进水水流的冲击，减少水流对水表机芯部件，特别是对叶轮部件的直接冲击，避免机械性损伤。但挡水板的存在，对水流的前进方向产生了阻挡，在此处极易形成涡流状态。同时通过提高叶轮部件的材料强度和结构强度，消除了无挡水板后存在的隐患。
2.1.2 制造工艺的改进
（1）在内腔各壁道的连接处，都设计成大圆弧的过渡连接，避免棱角的出现。
（2）铸造釆用现较为先进的V法造型。与原普通造型方法相比，减轻了铸件的质量，在产品尺寸精度、表面光洁度上都提升了一个台阶。
（3）在工艺文件中，严格规定了对壳体的砂粒、毛刺、飞边等清除要求。
（4）表壳加工完毕后，对其表面增加一道喷塑处理，涂层厚度控制在0.15～0.25 mm。经喷塑处理后，表面光洁度能达到4，极大地降低了水流与内腔壁的摩擦系数。
2.2 叶轮的改进
垂直螺翼式水表的工作原理是水流在轴向方向冲击叶轮后，水流通过两叶片间的通道旋转流出。所以，叶轮的横向截面大小直接决定了水表的流通能力。对叶轮的改进如图2所示。
（1）DN80原叶轮的直径是Φ85 mm，本文将其直径扩大到了Φ100 mm，这样一来，水流通过叶轮的通道面积扩大了近20%（在不考虑叶片厚度的情况下）。
（2）叶轮柄的外部加强筋改为内部的十字筋，以减少叶轮在水中旋转时的挡水阻力。
2.3 滤水网的改进
垂直螺翼式水表内部安装的一个与水流方向垂直的不锈钢滤水网是该表的一大特点，虽然提高了水表的防污性能，但却增加了水表的压力损失值。经测试，DN80口径的垂直螺翼式水表，有无滤水网，压力损失相差0.02MPa。滤水网的改进如下：
（1）将原圆孔状的过滤孔，设计成蜂窝状的正六边形，如图3所示，这一改进，单位面积上滤网的流通面积增加了10%。
（2）在制作工艺上将杯状的滤水网由原来的先板材卷制再焊接而成改为整体冲模拉伸，避免了原产品形状的不规则性。
3 经改进后的压力损失值
通过以上三个主要零件的设计改进后，取改进前、后的DN80整机，进行压力损失测试，测试结果对比见图4。
测试结果表明，经改进后的压力损失值，有了大幅度地降低。按标准要求，在Q3（63 m3/h）流量时，压损值由原来的0.06 MPa降至0.02 MPa，压力损失等级从原最高的△P63降为△P25。
经测试，在0.3 MPa的管路压力下，该表能达到的最大流通量由原来的80 m3/h提升到110 m3/h，流通能力提高近38%。
4 结 语
综上所述，垂直螺翼式水表压损偏高一直是困扰广大的用水单位和制造单位的一个难题，需要给予改进。本文分析了垂直螺翼式水表的压力损失值偏高这一现象，并对几个主要零件的结构及制造工艺进行改进，经过测试，结果表明：经改进后的压力损失值得到了大幅度地降低，有效解决了垂直螺翼式水表压力损失偏高的难题，流通能力也得到了提高。
主要参考文献
[1]赵斌，李斌.螺翼式水表的改进建议[J]. 中国计量，2011（5）：54.
[2]杜正，张凯，姚灵，等. 垂直螺翼式水表下整流器压损特性的数值模拟[J].中国计量大学学报，2011，22（3）：237-241.
[3]何广红.直管段直径的大小对螺翼式水表计量结果的影响[J]. 品牌与标准化，2017（12）.