1、水表的结构和工作原理知识讲座 第二讲 水表的结构和工作原理第一节 旋翼式水表旋翼式水表是速度式水表的一种，是世界上用得最多的水表品种。在国家标准中，速度式水表的定义为“安装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流通过水表时，驱动叶轮(旋翼或螺翼) 旋转，而水流的流速与叶轮的转速成正比，因水流驱动叶轮处喷口的截面积为常数，故叶轮的转速与流量也成正比。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(旋翼或螺翼)的转数，从而记下通过水表的水量。一、多流束水表多流(束) 水表：水流通过水表时，有多束(股) 水流从叶轮盒四周流人，驱动叶轮旋转。这种水表
2、的公称口径一般为 15mm150mm。旋翼多流束式水表由表壳、中罩、表玻璃、密封垫圈、计量机构、计数机构和滤水网等组成。水流冲击叶轮后，叶轮开始转动，所转圈数通过计数机构累计，记录显示通过水表的水量。见图 2-1 和 2-2。图 2l 旋翼多流束水表的结构示意图1- 接管；2-连接螺母；3-接管密封垫圈；4-铅封；5-铜丝；6-销子；7-O 形密封垫圈；8-叶轮计量机构；9-罩子；10-盖子；11-罩子衬垫；12-表壳；1- 碗状滤丝网图 22 旋翼多流束水表的结构展开图1表盖；2轴销；3铜罩；4罩子衬垫；5表玻璃；6O 形密封圈；7计数器；8防磁环；9中心齿轮，10齿轮盒；11垫圈；12磁钢
3、座；13叶轮；14叶轮盒；15表壳；16调节螺钉；17调节螺钉垫片；18调节塞；19滤水网；20接管垫片；21接管；22连接螺母多流束水表的总体尺寸和连接方式见表 21。表 2 旋翼式多流束水表的总体尺寸和连接方式 mm各部件的作用、所用材料如下：1 表壳、中罩、表玻璃表壳、中罩、表玻璃和密封垫圈一起组成一密封体，使表壳内被测水不致渗漏至表外。按国家标准规定，水表应能承受水压 1.6MPa、持续 15min 和水压 2.0MPa、持续 1min 的压力试验。因此，表壳、中罩和表玻璃均应满足上述要求。表壳材料一般采用灰铸铁(HT l50，见 GB 94361988)或铸造铅黄铜(ZcuZn40P
4、b2，见 GB ll761987)。中罩材料一般采用铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见 GB 11761987)。表玻璃应采用符合 JB/T 84801996 的钢化玻璃。2 计量机构计量机构主要由齿轮盒、叶轮盒、整体叶轮、顶尖、调节板等组成，见图 23。计量机构是水表的“心脏”，它对水表的计量性能和耐用性起着关键的作用。图 23 旋翼式水表计量机构图1-齿轮盒：2-整体叶轮；3-叶轮盒；4- 顶尖，5-调节板(1)齿轮盒计数器置于齿轮盒中，与齿轮盒上部的内孔相配合。齿轮盒下部有一凸台，与叶轮盒相配合。齿轮盒在旋翼多流水表的机芯中，起着承下启上的作用。为此，要求齿轮盒上部内孔与下部凸台间应有
5、良好的同轴度。另外，齿轮盒外壁应有定位线或底部有定位键，以保证与叶轮盒配合时的定位要求，从而确保性能的稳定。旋翼式水表的齿轮盒底部一般均有三条左右的固定筋，其主要作用是，当水表在大流量运转时，对叶轮旋转起阻尼作用，以改善水表在大流量区域的性能曲线。因为当很小的流量通过水表时，其流速很低，水流的动能极小，不足以克服叶轮的惯性，故叶轮未转动。待稍加大流速，叶轮虽转动，但不能准确计量，故最小流量以下的流量范围水表呈偏慢的现象。此后逐渐加大流速，水表向快的趋势发展，如果没有齿轮盒上的筋加以阻尼，则这种趋势将会持续下去，直至偏快 1015左右后(与有筋阻尼相比较) ，其性能曲线才会趋向平稳。水流从叶轮盒
6、进水孔流人后，一方面驱动叶轮旋转，另一方面水流本身呈螺旋形上升，并从叶轮盒出水孔排出。在小流量时，因水流流速低，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙处的水流呈层流状态，水的粘性作用占主要地位，齿轮盒上的筋对叶轮转速无影响。当流速大到一定程度时(一般为 0.7ms 左右)，间隙处水流从层流过渡到湍流，造成齿轮盒若干条筋的下方产生旋涡，使叶轮转速有所减低。同时，因流速增大，在叶轮盒内呈螺旋上升的水流，有一部分冲到齿轮盒筋反射回来，其方向却与叶轮旋转方向相反，故又使叶轮转速降低，使水表不致于出现没有齿轮盒筋那样快 1015后才使误差趋向平稳的现象。变化示意见图 24。 图 24 齿轮筋对性能曲线的影响齿轮盒底
7、部装有三块可任意调节角度的调节板，其作用是通过调整调节板角度，以改变水流从调节板反射回来时反作用力的大小，即改变水流对叶轮转速阻尼力的大小，达到调节大流量区域误差的目的。这种调节对小流量区域影响不大。(2)叶轮盒叶轮盒是计量机构中最关键的部件。叶轮盒上部内孔与齿轮盒下台肩相配合。在叶轮盒低部中心一般有一螺孔，与顶尖相配合。但有些水表不用螺纹配合，而采取过盈配合，将顶尖用力压人。叶轮盒上部内孔与顶尖应具有良好的同轴度。在叶轮盒四周有两排斜孔，下排为进水孔，上排为出水孔，前者比后者对水表计量特性与压力损失的影响，更为至关重要。进水孔一般在叶轮盒注塑时一次成型为矩形孔或长方孔。进水孔可以均匀分布于叶
8、轮盒的四周，也可在叶轮盒四周呈对称排列。叶轮盒底部有若干条筋(一般为 3 条或 6 条) ，与齿轮盒上的筋作用相仿，主要是对水表在小流量区域运转时，使水流对叶轮转速产生阻尼。因此，调整叶轮下平面与叶轮盒筋之间的间隙，将会对小流量区域的示值误差产生影响。同时，当用水设备一旦关闭，水流不再流经水表时，由于筋的阻尼作用，能较快地克服叶轮的惯性，使其迅速停止转动，达到准确计量的目的。 对于内部调节式水表而言，在叶轮盒底部有若干个调节孔，如 LXS-15C20C 水表的叶轮盒底部，均布有三排、每排二只的调节孔。调节孔有斜孔和直孔两种，如两者截面积相同，则后者比前者具有更大的调节功能，同时，在误差调节时，
9、直孔比斜孔显得更敏感，在微量调节时比较难掌握。(3)叶轮无论是整体叶轮，或是组合叶轮，均要求叶轮上端的轴与下部的叶轮衬套孔(甚至玛瑙轴承窝) 之间，应有良好的同轴度。旋翼式水表所用的叶轮的形状为直板形。叶轮受到水流冲击后旋转，与叶轮轴和轴上的中心齿轮同时转动。对于大多数水表来说，在常用流量时，水表叶轮的转速，一般在 750900rmin。所以希望叶轮具有较好的动平衡性能，以减少运动副之间的磨损，提高水表使用寿命。(4)顶尖顶尖安装在叶轮盒底部的中心，在叶轮轴的下部，用于支撑叶轮转动。顶尖的最上尖部与叶轮轴的下端凹轴承直接形成点滑动接触，以便使叶轮转动更加灵敏。除了顶尖头、轴与螺纹间应具有良好的
10、同轴度外，顶尖头的材质应具有很高的耐磨性能，一般以特殊配方的硬质橡胶棒、聚甲醛等材料较佳。值得注意的是，不能片面追求水表的灵敏度(始动流量值)而将顶尖头做成很尖。否则，经短时间使用，顶尖头即会磨损，使水表出现大流量区域变快、最小流量时变慢的情况。这是因为在上述两种流量下，叶轮旋转时呈下沉状态，即叶轮玛瑙轴承与顶尖头相接触，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙增大，水流对叶轮转速的阻尼减小，水表在大流量区域变快。而小流量时，叶轮下平面与叶轮盒筋的间隙减小，水流对叶轮转速的阻尼增大。同时，顶尖头的磨损，使叶轮与顶尖的磨擦阻力增大，在两者的共同作用下，即造成水表在最小流量时变慢和始动流量值增大。如果顶尖头严重
11、磨损，即使在大流量情况下，其磨擦阻力的影响会达到或超过水流对叶轮转速阻尼减小的影响，水表在大流量时的误差又会恢复到准确或变慢。 3 计数机构 计数机构常称为计数器，常见的形式有指针式、字轮式和指针字轮组合式。(1)指针式计数机构指针式计数机构一般由上夹板、下夹板、托板、齿轮级、标度盘、指针、圆指针及螺钉等组成。a上夹板、下夹板夹板、下夹板和托板三者(有些产品将下夹板和托板合二为一) 组成齿轮架，齿轮组被夹持在其中。上、下夹板上相对应序号的轴孔投影，应分别重合。齿轮在齿轮架中的上、下窜量应保持在 0608mm 之间，若窜量过小，当上夹板一旦变形下凸时就会将齿轮上、下夹紧，齿轮组传动阻力就增大，水
12、表的始动流量和最小流量下的误差就达不到要求。上夹板下面中心有一凸台，其中有一孔与叶轮上端的光轴组成运动副。上夹板中心孔与其外圆(与齿轮盒配合处)要求具有良好的同轴度。 b齿轮齿轮组起着变速和计数作用。公称口径 1550mm 水表的齿轮组，均由 17 只齿轮组成。公称口径 80150mm 旋翼式水表的齿轮组由 18 个齿轮组成。图 2-5 为 LXS-15C25C 水表的齿轮排列图。如图所示，叶轮轴上的中心齿轮与第一位齿轮相啮合,齿轮组将叶轮转数记录下来，通过指针在度盘上指示出流经水表的水量。齿轮组的前三位齿轮为变速齿轮，起变速作用。自第三位(即第一位红针的) 齿轮的主动轮(即小齿)起，直到末位
13、齿轮止，起计数作用，称为计数齿轮，其相邻的两指针的齿轮间，其速比均为 10:1，由此构成连续十进位方式。齿轮排列展开图图 2-5 LXS-15C25C 水表的齿轮排列图和标度盘1-螺钉；2- 圆指针；3- 指针；410-齿轮；11-标度盘；12- 上夹板；13-下夹板；14-托板；15- 螺钉不同规格的水表，在通过等量水体积的情况下，其叶轮与第一位指针的转数比是不同的。变速齿轮的作用是通过其主、被动轮的齿数变化，取得不同的速成比而满足不同规格水表的需要，从而可最大限度地提高上、下夹板、度盘等零部件的通用化程度。 习惯上将水表第一位红指针转一圈与其叶轮的转数之比，称为该水表的减速比 i。这一减速
14、比为主动轮齿数与被动轮齿数之比。LXS-15C，20C，25C ，40C 的 i 值分别为 1：296，1：225，1：15577，1：3538，LXS-80。100，150 的 i 值分别为 1：100905、1：611819、1：24716。从这些减速比值，可计算出各种规格水表在各种流量下的叶轮转速。例如，要计算 LXS 一 15C 水表在常用流量(15m3h)下的叶轮每分钟转速时，可按下式计算：同理，可得到 LXS 一 20C， 25C，40C 规格的水表在常用流量下的叶轮转速为 9375，9087 和58967rrain。 c标度盘标度盘的分格，一要满足检定时的分辨率要求，二要满足在水
15、表正常的使用年限内水表的显示数不返回零。1m3 及其倍数的指针和度盘用黑色， 1m3 以下的用红色。规程 JJGl621985 和标准 GBT7781996 规定：水表最小分度值(水表标准称为检定分格值)应满足检定时的准确度不低于 o5( 每一次读数允许有不超过 12 最小分度值的允许读数误差)，以及最小流量检定所需时间不应超过 1h30min；应能在不越过零的情况下记录下相当于在常用流量下工作至少 1999h的以立方米表示的用水量体积。 说明：国际建议 OIMLR49 一 l：2000(E) 中的表述为“检定标尺的分格值，应足够小以保证指示装置的分辨率误差不大于最小流量 Ql 下运行 lh3
16、0min 的实际体积的 05( 对 2 级表)”，这样的表述更准确。 LXS-15C25C 水表的标度盘如图。 26 所示。在水表检定时，要注意最小分格值的读数，见图 26 所示。水表最小位圆标度的主分格值为 00001m(或称 011)，其间一分为二作为细分格，则成为检定分格或最小分度值000005 m3。根据人机工程学原理，为取得较快的读数，采取二步内插法，即根据目测，将细分格再假想插入一条等分中线。如果指针指向小于(或等于) 细分格中的假想中线，则读取下限分格值，如图 26(a)应读作000005 m3，如果指针指向大于(或等于) 细分格中的假想中线，则读取上限分格值，如图 26(b)中
17、应读为000010m3。图 2-6 水表标度盘读数检定分格值、检定用水量、检定所需时间三者互为联系、互相牵制，在水表的检定分格值设计、检定用水量的确定及水表检定装置的量器量限设计时都需考虑。检定分格值应符合表 2-2 的要求。水表的十进位数应符合表 2-3的要求。表 22 水表的检定分格值最小流量 qmin(m3h) 检定分格的最大值m30.0226qmin0.0666 0.00020.0666qmin0.133 0.00050.133qmin0.266 0.0010.226qmin0.666 0.0020.666qmin1.330 0.0051.330qmin2.660 0.012.660q
18、min6.660 0.026.660qmin13.300 0.0513.300qmin-26.600 0.126.600qmin66.600 0.266.600qmin133 0.5表 2-3 水表的十进位数(2)指针字轮组合式、字轮式指针字轮组合式计数机构具有读数清晰、抄读方便等优点，越来越多的水表包括 E 型表、干式水表和液封式水表普遍采用这样的计数机构。国内的指针字轮组合式计数机构一般由 3 位或 4 位红指针与 5 位字轮组成，其排列示意图见图 27。对于公称口径 1525mm 的水表，其第一位字轮的分格值为 0.1 m3，数字颜色为红色，其后等于或大于 1m3 的四个字轮上的数字均为
19、黑色。有些企业生产的这种计数机构，将字轮组置于字轮匣中，字轮匣的四周和底部与被测水隔开，仅在上夹板上开有供读数的狭长的 5 个“窗孔”，避免字轮被水中的一些杂质卡死或影响抄读的缺陷。字轮的进位是在相邻低位数字轮上的数字自 9 转至 0 时完成的。字轮式计数机构除了指示始动流量用星形指针外，其余读数位均用字轮。图 27 指针字轮组合式计数机构排列图1-标度盘；2-圆指针；3-(红色)；411- 齿轮； 12-蜗杆齿轮；13-标牌；14- 上夹板；15-字轮轴；16-F 夹板；1-十牙轮；18- 头位字轮；19-中间字轮；20- 四八牙轮；21-牙轮轴4 滤水网国内自来水质近年来明显提高，但部分管
20、线难免还存在锈垢、麻丝、铁屑及砂砾等杂质，这些杂质随着水流最终来到水表进口处。为防止杂质进入水表机芯，造成水表故障，故在水表进口端均装有滤水网。常用的为碗状滤水网，安置在叶轮盒的外面，这种结构容垢能力较大，且即使堵塞一部分网孔后对计量能力也影响较小；另一种为筒状滤水网，安置于水表表壳的进水一方，效果比碗状滤水网差。二、单流束水表单流(束) 水表：水流通过水表时，仅有一束(股) 水流驱动叶轮旋转。单流水表的公称口径一般为 15(或者13)25mm，体积较小，误差调节装置放置在外部。旋翼单流湿式水表主要由表壳、中罩、表玻璃、密封垫圈、叶轮、下顶尖、计数机构、调节板和滤水网等组成。结构示意如图 28
21、。图 2-8 单流水表结构示意图1-接管；2- 连接螺母，3-密封圈，4-夹紧圈；5-压紧圈；6-计数器；7-防磁环；8- 传动齿轮组件；9-盖；10-垫圈；11-O 形密封圈；12-锁紧螺钉；13-螺母；14- 铅封；15-铜丝；16- 滤水网，17-齿轮盒组件；18-调节片；19- 开槽盘头螺钉；20-顶尖；21-叶轮组件；22-表壳；23-齿轮盒盖旋翼单流水表在所有水表品种中，属于结构最简单、体积最小、重量最轻、成本最低的一种。旋翼单流水表主要零部件的要求与作用，大致与旋翼多流湿式水表相同。以下为一些不同之处：1 表壳 单流束水表与多流束水表相比，少了齿轮盒和叶轮盒，其中某些功能就由表壳
22、承担。如表壳上部内孔与计数器相配合，取代了齿轮盒的部分功能。表壳的进出水孔和其内孔中心螺孔，取代了叶轮盒的功能。因此，单流水表表壳的加工精度要求，远远高于多流水表。如应具备较高精度的进、出水孔的孔径、粗糙度及其切线半径。表壳上部台肩与中心螺孔应保持较高的同轴度。如无高精度多工位的专用机床，很难达到这些要求和取得高的生产效率。2 调节板 单流水表只有内调式而无外调式，其误差调节是通过改变计数器下方的三块调节板的角度来达到的，其调节原理与 LXS 一 80150 旋翼多流束水表中的上调节板相似。3 滤水网单流水表的滤水网是一片呈球面的薄片，其上有许多小孔。滤水网置于表壳进口端，以阻拦水中杂质通过。
23、但受表壳进水端通径的限制，滤水网的孔的总面积难以达到设计要求的水表公称口径面积的 1.5 倍。因此，当单流水表稍有水中的杂质堵塞网孔时，在同等流量条件下，通过滤水网并驱动叶轮旋转的水流速大于未堵前的水流速，从而使叶轮转速提高，造成水表变快。所以，单流水表对水质和流场的要求较高。4 下顶尖单流束水表仅一股水流驱动叶轮旋转，所以当叶轮以较高速度旋转时，始终受到一个垂直于水流切线方向的推力，使顶尖造成单边磨损。为此，要求下顶尖采用较耐磨的材料制造。三、干式水表干式水表因其计数机构与被测水隔绝，故不受水中悬浮杂质的影响，确保计数机构的正常工作和读数的清晰，同时也不会像湿式水表那样，因表内外温差而造成玻
24、璃下方起雾或凝结水珠等影响水表抄读的现象。 旋翼多流干式水表的误差调节装置一般为外调型式，其外形尺寸及内部结构与同规格的湿式水表基本相似，许多零部件也能互相通用。干式水表与湿式水表的最大区别在于计量机构。见图 2-9。其叶轮与中心齿轮相分离，叶轮上端由磁性元件(磁环或柱状磁钢)与中心齿轮下端的磁性元件相耦合。当水流推动叶轮旋转时，通过叶轮上端的磁性元件与中心齿轮下端的磁性元件相吸或相斥，驱动中心齿轮同步旋转，并由中心传动计数器记录流经水表的水量。图 2-9 干式水表计量机构1-叶轮盒；2-叶轮组件；3- 水表指示机构总成如上所述，干式水表的计量机构与湿式水表有所不同。1 干式水表的磁性元件干式
25、水表磁性材料常用的有铁氧体和钕铁硼，磁性元件的结构形状一般有环状磁钢、柱状磁钢和环状磁钢与“冂”形矽钢片。2 干式水表的齿轮盒干式水表的计数机构是依赖齿轮盒与被测水隔绝，所以齿轮盒底部及四周须能承受力 2MPa 压力试验而不变形。为此，在设计干式水表时，除了在齿轮盒上、下底部增设了十余条加强筋外，往往在齿轮盒上底部和内壁衬以金属的碗状内衬，以防其受压变形。齿轮盒上、下底部的中心处各有一轴孔，分别与中心齿轮轴与叶轮轴相配合。为了尽量减小运动部件的磨擦阻力，提高始动流量值，一般在上轴孔底部镶有一粒凹面(或平面) 宝石轴承。干式水表的计数机构，除了靠齿轮盒四周和底部将其中被测水隔绝外，最好在齿轮盒上
26、部也采取良好的密封措施，以防表外污水流入侵蚀计数机构。四、立式水表 在安装空间狭小的场所，可以安装立式水表，实物图见附录 C 图 C.3。立式水表的内部构造与一般旋翼式水表相同，不同之处是立式水表的入水口和出水口在水表的同侧，可以装在给水管的立柱上。立式水表具有抄表方便、不用保护盒、节省安装费用等优点。五、定量水表在一些化工生产、玻璃生产、食品加工、建筑混凝土搅拌等过程中，需要定量供水，一种方法是在稳定流条件下控制供流时间来实现定量供水，另一种方法就是使用定量水表。定量水表有电气控制和数控两种类型，其基本原理相同，其外形见附录 C 图 C.12。定量水表由带有电气控制部分的旋翼式水表 (或水平
27、螺翼式水表)、电磁阀及定量控制仪三部分组成。数控定量水表的原理是，启动电磁阀后水流通过水表，使叶片感应出一系列的脉冲信号。脉冲信号经放大、分频后与定值器所预置的流量相减，当减到零时，经过控制器关闭电磁阀，完成一次定量供水。定量水表一般为工业用途，其口径在 25mm 以上。定量水表的一次供水量根据水表的口径和定值器预置值而定，如公称口径 25mm水表的一次供水量可以为 1550L，40mm 水表的一次供水量可以为 60200L 等。因为流量范围可以定点或较小，定量水表的一次供水量的误差可以控制在1内。六、同轴水表(单接口水表)同轴水表又称单接口水表，其水流的进口与出口在同一个接口上，其接管是专用
28、接管。单接口水表是一种可用于多路共管管道输送供给系统的水表。该产品采用专用接口，与多路共管的供水管组成一个管路系统，单一管路系统内部采用多路扇形通道，适用于多层楼房用户(最多可达垂直单元 8 层、8 个用户) 的户外集中安装的“一户一表” ，见图 210。图 2-10 单接口水表与多路共管系统图七、性能特点1 误差特性旋翼式水表的误差特性用水表的示值误差 E 与流量之间的关系来表示。旋翼式水表的误差特性曲线见图 211。其特征为：在小流量时，误差急剧偏负；随着流量增至分界流量附近，误差曲线快速向正向移动，并达到一个峰值；当流量继续增大时，误差曲线又向负方向偏移。图 2ll 旋翼式水表误差特性图旋翼式水表的计量等级一般只达到 A 级或 B 级，其对应的流量范围和特性流量点可参看附录 D。2 压力损失 旋翼式水表的压力损失在其过载流量下应不超过 0.1MPa。不装过滤器的旋翼式水表的实际压力损失在(0.0400.085)MPa 范围内。3 耐压强度旋翼式水表应能承受水压 1.6MPa、持续 15min 和水压 2.OMPa、持续 lmin 的压力试验。4 使用寿命和计量性能变化趋势
