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Flügelradzähler
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mende Mittel die Turbine verlässt, den Wert Null beträgt. In diesem Falle ist der Wirkungsgrad der Tur- bine, d. h. das Verhältnis der von der Turbinenachse aufgenommenen Leistung zur anfänglich in der
Flüssigkeit oder dem Gas, in Gestalt der am Turbineneintritt vorhandenen lebendigen Kraft, vorhandenen
Leistung, ein Maximum. Bei maximalem Turbinen-Wirkungsgrad ist die Rotationsgeschwindigkeit der
Turbine proportional der Geschwindigkeit dem in die Turbine eintretenden zu messenden Mittel. Bei einer
Axialturbine ist, wenn man von störenden Einflüssen absieht, die Rptationsgeschwindigkeit der Turbine notwendigerweise gleich der Hälfte der Rotationsgeschwindigkeit des in die Turbine eintretenden Mittels.
EinvonderTurbinenachseangetriebenerUmdrehungszählerkanndaherdasabgegebene Flüssigkeits-oder Gasvolumen über die Zeit integrieren und unmittelbar das ausströmende Flüssigkeits- oder Gasvolumen anzeigen.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Flügelradzähler für Flüssigkeiten oder Gase mit einer innen zylindrischen rohrförmigen Umhüllung, in der am Eintritt des zu messenden Mittels ein aus festen schraubenförmigen Schaufeln bestehender Stabilisator, der dem hindurchströmenden Mittel eine rotierende Bewegung in einem bestimmten Sinne um die Zählerachse erteilt, und hinter dem Stabilisator eine frei um die Zählerachse drehbare Turbine vorgesehen sind, die einen das Volumen der durchströmenden Flüssigkeit oder das Gases anzeigenden Umdrehungszähler antreibt.
Damit nun die Vorrichtung bei günstigstem Turbinen-Wirkungsgrad arbeiten kann, sind erfindungsgemäss die Schaufeln der Turbine so geformt, dass sie der Flüssigkeit oder dem Gas die rotierende Bewegung im wesentlichen wieder entziehen und hiebei eine entsprechende Leistung aufnehmen und die Turbine ist weiters mit einer Bremsvorrichtung verbunden, die an sie ein veränderbares Bremsmoment abgibt, und hinter der Turbine ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die auf die restliche Rotation der Flüssigkeit oder des Gases nach dem Verlassen der Turbine anspricht und das Bremsmoment der Bremsvorrichtung in Abhängigkeit von der restlichen Rotationsgeschwindigkeit derart einregelt, dass diese Rotationsgeschwindigkeit konstant auf dem Wert Null gehalten wird.
Gemäss einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung enthält die Regeleinrichtung zum Ermitteln der restlichen Rotationsgeschwindigkeit ein Flügelrad mit radialen ebenen Flügeln, das eine magnetische Turbinenbremse steuert ; diese Bremsvorrichtung besteht aus beweglichen Permanentmagneten, die ein veränderbares Bremsmoment auf die Turbine ausüben, wobei die Veränderung dieses Bremsmomentes durch Verstellen der erwähnten Magnete gegenüber der Turbine bewirkt wird. Diese Verstellung wird durch das Flügelrad mittels einer Übertragungseinrichtung, beispielsweise nach Art einer Verstellschraube, herbeigeführt.
Gemäss einer weiteren zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung kann eine Bremseinrichtung veiwendet werden, die unter anderem den Vorteil aufweist, dass sie den Anwendungsbereich des Zählers, d. h. die zulässige Minimalgeschwindigkeit und die zulässige Maximalgeschwindigkeit, bei günstigstem Turbinen-Wirkungsgrad vergrössert.
Zu diesem Zweck verwendet man bei dieser Ausführungsform erfindungsgemäss eine Bremsvorrichtung
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f (n)CM = F (n), die das treibende Drehmoment CM als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit n darstellt, u. zw. für eine bestimmte Stellung der auf die restliche Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bzw. des Gases ansprechenden Einrichtung, die zum Einstellen der Bremseinrichtung dient, nämlich in jener Stellung, in der die Turbine mit ihrem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet, d. h. wenn die restliche Rotationsgeschwindigkeit hinter der Turbine den Wert Null hat.
Wenn die mechanischen Charakteristiken bei dieser Stellung der auf die Restgeschwindigkeit ansprechenden Einrichtung genau übereinstimmen, kann die Regelung des Zählers bei allen Geschwindigkeiten erfolgen, ohne dass die auf die Restgeschwindigkeit ansprechende Einrichtung ihre Einstellung verändert, abgesehen von kurzen Verstellungen während einer Beschleunigung. Auf diese Weise kann man den Bereich zwischen der Minimalgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit vergrössern, beider der Zähler unter maximalem Wirkungsgrad arbeitet.
Bei dieser zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung wird bei dem Bremsorgan vom Grundgedanken des Durchtritts eines Druckmittels durch eine regelbare Drosselöffnung Gebrauch gemacht ; hiezu dient eine Pumpe mit einer mechanischen Charakteristik, die die gleiche Gestalt wie die mechanische Charakteristik der Turbine aufweist, und die Einstellvorrichtung dieser Drosselöffnung ist an die Einrichtung angeschlossen, die auf die Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases am Turbinenausgang an - spricht und diese Geschwindigkeit auf den Wert Null zurückführt.
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Der erhöhte Druck, der von einer Pumpe geliefert werden kann, ermöglicht eine Verringerung des hindurchströmenden Flüssigkeits-oder Gasvolumens und infolgedessen eine Verringerung unbequemer Pumpen-Abmessungen ; man kann daher die Pumpe beispielsweise in der Nabe der Turbine unterbringen.
Gemäss der Erfindung wird als Pumpe eine einfache umlaufende Pumpe verwendet, insbesondere eine von der Turbine angetriebene Zahnradpumpe.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Einstellung der Drosselöffnung, die von dem durch die Pumpegeförderten Mittel durchströmt wird, mittels jener Einrichtung bewirkt, die auf die restliche Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases anspricht, ohne dass diese ein nennenswertes Drehmoment ausübt, u. zw. mittels eines entsprechend ausbalanzierten Verschliessorgans, wie z. B. einer geeignet geformten Drosselklappe.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in zwei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines axial aufgeschnittenen Zählers, Fig. 2 einen Zähler der zweiten Ausführungsform in gleicher Darstellung und Fig. 3 einen Schnitt gemäss der Linie III-III in Fig. 2.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Umhül-
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In dieser Umhüllung ist auf der Eintrittsseite des zu messenden Mittels ein Stabilisator 2 mit festen schraubenförmig verwundenen Schaufeln 2a angebracht, welcher der Flüssigkeit bzw. dem Gas eine Rotationsbewegung um die Achse der Vorrichtung aufzwingt. Diese Schaufeln bestehen mit der Wandung der Umhüllung und mit einem zentralen Getriebegehäuse 3 aus einem Stück.
Hinter dem Stabilisator ist eine Turbine 4 vorgesehen, die aus einer Nabe 4a, einem aus magne- tisch und elektrisch leitendem Material gefertigten Flansch 4b und aus Schaufeln 4c besteht, die auf der
Nabe sitzen und abgesehen vom notwendigen Spiel bis zur Umhüllung 1 reichen.
Die Schaufeln sind so geformt, dass sie dem durchströmenden Mittel eine nicht vernachlässig- bare Leistung entnehmen können.
Hiezu ist die Steigung der Schaufeln an ihrer Eintrittskante derart gewählt, dass das Mittel ohne Stoss eintritt, sofern die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine halb so gross ist wie die Rotationsgeschwindigkeit des den Stabilisator verlassenden Mittels ; ferner ist die konkave Fläche jeder Schaufel derart gekrümmt, dass die Strömungsrichtung des Mittels geändert wird und diese die Turbine mit der Rotationsgeschwindig- keit Null verlässt, sofern die Turbine die vorstehend erwähnte Geschwindigkeit aufweist. Schliesslich ist die konvexe Schaufeloberfläche von der konkaven Oberfläche der nachfolgenden Schaufel so weit entfernt, dass der Durchlassquerschnitt für das Mittel zwischen den beiden Schaufeln über die ganze Schaufellänge konstant ist.
Die Achse 5 der Turbine läuft in zwei im Inneren des Getriebegehäuses 3 vorgesehenen Lagern 6,7 und überträgt ihre Bewegung mittels eines Zahnradpaares 8, 8a auf eine Welle 9, die in Lagern 10,11, 12 läuft und z. B. einen Umdrehungszähler in bekannter Weise antreibt.
Die durch mechanische'Reibung in den Lagern 6,7, den Zahnrädern 8, 8a und dem Umdrehungszähler hervorgerufene Bremsung, die sich mit der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine ändert, aber nicht einstellbar ist, wird durch eine Regeleinrichtung ergänzt, die auf die Turbine ein veränderbares Bremsmoment ausübt, u. zw. in Abhängigkeit von der restlichen Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases am Ausgang der Turbine.
Diese Regeleinrichtung weist ein Flügelrad 13 auf, das aus einer Nabe 13a, einem Flansch 13b aus unmagnetischem Werkstoff und aus radialen, ebenen Flügeln 13c besteht und das auf die Rotationsgeschwindigkeit des strömenden Mittels am Ausgang der Turbine anspricht. Die Achse 14 dieses Flügelrades läuft in Lagern 15,16, die im Inneren eines Getriebegehäuses 17 angeordnet sind, und überträgt seine Bewegung über ein auf die Achse geschnittenes Gewinde 14a auf eine bewegliche zylindrische Mutter 18, die mit einem ausserhalb des Gehäuses 17 angeordneten, axial durchbohrten, zylindrischen Block 19 über zwei Stäbe 20,21 verbunden ist.
Diese Stäbe können frei in entsprechenden Bohrungen des Flansches 17a gleiten, und der Block 19 trägt mehrere Permanentmagnete 19a, deren Kraftfluss sich über ein Weicheisenstück 22 schliesst, das an einem Fortsatz 23 des Getriebegehäuses 3 befestigt ist. Das Gehäuse 17 wird durch Rippen 24 gehalten, die innen an der Umhüllung 1 sitzen.
Im Betriebe strömt das zu messende Mittel, dessen Volumen gemessen werden soll, durch die Umhüllung in dem durch die Pfeile f, f'angedeuteten Sinne. Es wird, ehe es die Turbine 4 erreicht, durch den Stabilisator 2 beeinflusst. Seine Energie, die mittels des Stabilisators 2 in lebendige Kraft umgeformt
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wurde, wird durch die Turbine 4 wiedergewonnen, und die Bewegung der Flüssigkeit oder des Gases am Turbinenausgang kann zu einer Parallelströmung (parallel zur Achse des Zählers) werden, wenn nämlich die Turbine, mit ihrem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet. Dann erhält das Flügelrad 13 keinerlei Impuls und bleibt in Ruhe ; infolgedessen bewegen sich dann auch die mit diesem Flügelrad verbundenen Teile nicht.
Die von der Turbine aufgenommene Leistung dient einesteils zum Überwinden der mechanischen Reibung und zum Antrieb der Welle 5 sowie der daran angeschlossenen Apparate. Der Rest der an der Welle 5 der Turbine 4 verfügbaren Leistung wird. durch Wirbelströme aufgezehrt, die in den Metallteilen durch das Feld der Permanent-Magnete 19a erzeugt werden. In diesem Betriebszustand, in dem der Wirkungsgrad der Turbine ein Maximum ist, ist die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 4 proportional der Rotationsgeschwindigkeit des strömenden Mittels am Ausgang des Stabilisators 2. Bei dem in Fig. l dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem eine reine Axialturbine verwendet wird, ist die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine gleich der halben Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases am Ausgang des Stabilisators 2.
Eine Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine ergibt also ein Mass für das Volumen des hindurchströmenden Mittels.
Ist der Wirkungsgrad der Turbine nicht maximal, so besitzt das strömende Mittel am Turbinenausgang noch eine gewisse Rotationsgeschwindigkeit, die auf das Flügelrad 13 einwirkt und es im gleichen Sinne umlaufen lässt. Infolgedessen werden die Magnete 19a in dem Sinne verstellt, der das auf die Tur-
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der mechanischen Reibung und zum Antrieb des Umdrehungszählwerks sowie der Zahnradpumpe. Die me- chanische Charakteristik des Bremssystems besitzt dann eine Form, die mit der der Turbine übereinstimmt.
Die Turbine arbeitet hiebei mit ihrem günstigsten Wirkungsgrad. und ihre Rotationsgeschwindigkeit ist dem zu messenden Volumen des strömenden Mittels proportional ; der Umdrehungszähler kann daher die Flüssigkeits-bzw. Gasabgabe über der Zeit integrieren und unmittelbar das Volumen des hindurchge- strömen Mittels anzeigen.
Ist dagegen der Turbinenwirkungsgrad nicht maximal, so weist das Mittel beim Austritt aus der Tur- bine noch eine gewisse Rotationsgeschwindigkeit auf, und das Flügelrad 13'wird in demselben Sinne in
Umdrehung versetzt. Es verstellt die Drosselklappe 36 derart, dass sich die Drosselöffnung der Zahnrad- pumpe um einen angemessenen Betrag ändert. Dementsprechend ändert sich auch das auf die Turbi- ne einwirkende Bremsmoment, bis die Turbine wieder mit dem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet. So- bald dies erreicht ist, erhält das Flügelrad keinen Impuls mehr, die Drosselklappe bleibt in der erreich- ten Stellung stehen, und der Zähler arbeitet in der oben beschriebenen Weise.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Flügelradzähler für Flüssigkeiten oder Gase mit einer innen zylindrischen rohrförmigen Umhül- lung, in der am Eintritt des zu messenden Mittels ein aus festen schraubenförmigen Schaufeln bestehender Stabilisator, der dem hindurchströmenden Mittel eine rotierende Bewegung in einem bestimmten Sinne um die Zählerachse erteilt, und hinter dem Stabilisator eine frei um die Zählerachse drehbare Turbine vorgesehen ist, die einen das Volumen der durchströmenden Flüssigkeit oder des Gases anzeigenden Umdrehungszähler antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Turbine so geformt sind, dass sie der Flüssigkeit oder dem Gas die rotierende Bewegung im wesentlichen wieder entziehen und hiebei eine entsprechende Leistung aufnehmen, wobei diese Turbine mit einer Bremsvorrichtung verbunden ist,
die an sie ein veränderbares Bremsmoment abgibt, und hinter der Turbine eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die auf die restliche Rotation der Flüssigkeit oder des Gases nach dem Verlassen der Turbine anspricht und das Bremsmoment der Bremsvorrichtung in Abhängigkeit von der restlichenRotationsgeschwin- digkeit derart einregelt, dass diese Rotationsgeschwindigkeit konstant auf dem Wert Null gehalten wird.