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Durchflussmengenmesser für strömungsfähige Medien
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fers gegenüber der Innenwand der Leiteinrichtung lässt sich jedoch gewinnen, wenn erfindungsgemäss in der äusseren Begrenzungswand der Leiteinrichtung eine ringförmige, nach innen offene Ausnehmung und innerhalb deren Axialerstreckung der Flügelkranz des Läufers angeordnet ist, dessen Aussendurchmesser dem Aussendurchmesser des von der Leiteinrichtung begrenzten Ringquerschnittes wenigstens gleich gehalten ist. Eine zweite, dem gleichen Zweck dienende Massnahme liegt in der Ausbildung und Anordnung der Läuferflügel, deren Projektion auf eine zur Läuferachse senkrechte Ebene nach einem Merkmal der Erfindung den Ringquerschnitt der Leiteinrichtung lückenlos überdecken soll.
Zur optimalen Erfüllung der oben genannten Bedingungen sind auch die Abmessungen des Strömungskanales der Leiteinrichtung und insbesondere das Verhältnis des Innendurchmessers zu dem Aussendurchmesser des Ringquerschnittes von Bedeutung, den das Gehäuse des Durchflussmengenmessers und die in diesem untergebrachte Leiteinrichtung begrenzt. Es ist zweckmässig, dieses Verhältnis auf Werte zwischen 0, 6 bis 0, 85 festzulegen, wobei sich für Gase ein Wert zwischen 0,6 bis 0,75, bei Flüssigkeiten zwischen 0,70 bis 0,85 empfiehlt.
Bei erfindungsgemäss aufgebauten Mengenmessern lassen sich die folgenden Eigenschaften erzielen : a) Lineares Verhältnis zwischen Flügelraddrehzahl und Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Betriebsbereich,
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und als Folge eine hohe Genauigkeit insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Geringes Trägheitsmoment der rotierenden Teile zur Sicherung eines schnellen Ansprechens auf Schwankungen des Durchflusses, e) eine einzige Zählerkonstante für Medien von unterschiedlicher Viskosität oder bei weitgehender Änderung der Viskosität infolge Temperaturschwankungen, f) geringer Druckverlust im Zähler, g) kein Pulsieren und praktisch kein Geräusch, h) unbehinderter Strömungsweg durch den Zähler, den daher auch feste Schwebstoffe passieren, ohne sich abzusetzen, i) einfache Konstruktion und geringe Kosten.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand zweier beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigt Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Durchflussmengenmesser, der in erster Linie für Gase bestimmt ist, Fig. 2 einen Schnitt im wesentlichen nach Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt im wesentlichen nach Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 in grösserem Massstab einen Teil im Schnitt mit einer Darstellung des Flügelradläufers des Zählers nach Fig. 1, Fig. 5 in grösserem Massstab ein Detail im Schnitt zur Darstellung der Beziehung zwischen den Flügeln des Flügelradläufers und dem ringförmigen Strömungsweg beim Zähler nach Fig. 1, Fig. 6 einen Schnitt im wesentlichen nach Linie 6-6 der Fig. 4, Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Flügelradläufers des Zählers nach Fig.
1 und einer Tragkonstruktion für diesen Läufer, Fig. 8 einen Axialschnitt durch- den Läufer des Zählers nach Fig. l, Fig. 9 eine Seitenansicht eines der Flügel des Läufers nach Fig. 8, Fig. 10 eine Draufsicht auf den Flügel nach Fig. 9, Fig. 11 bzw. Fig. 12 eine Abwicklung eines Teiles eines Zylinderschnittes durch die Aussenkanten bzw. die Füsse der Flügel des Läufers nach Fig. 8, Fig. 13 einen Längsschnitt durch das Zählwerksgetriebe und die magnetische Kupplung des Zählers nach Fig. 1 in grösserem Massstabe, Fig. 14 eine Ansicht der Konstruktion nach Fig. 13 von links, Fig. 15 einen Teillängsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des Zählers nach Fig. l, die in erster Linie zum Messen von Flüssigkeiten bestimmt ist, Fig.
16 eine Draufsicht auf einen der verwundenen Flügel des Läufers nach Fig. 15, Fig. 17 bzw. 18 eine Abwicklung eines Teiles eines Zylinderschnittel längs der Aussenkanten bzw. der Füsse der Flügel des Läufers nach Fig. 15, Fig. 19 einen schematischen Längsschnitt durch einen Flügelradzähler, Fig. 20 einen schematischen Querschnitt durch den Zähler nach Fig. 19, im wesentlichen entlang der Linie 20-20 in Fig. 19, Fig. 21 ein Geschwindigkeitsdiagramm im Anlaufzustand eines Flügelradzählers für Axialströmung nach der Fig. 19, Fig. 22 und 23 Geschwindigkeitsdiagramme bei stationärer Drehzahl des Flügelradzählers nach Fig. 19, Fig. 24 ein Diagramm zur Darstellung des Überganges beim Ansprechen des Flügelradzählers auf eine plötzliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und Fig.
25 und 26 je ein Diagramm zur Darstellung des Übergangsfehlers eines Flügelradzählers bei pulsierender Strömung.
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Fig. 1 - 14 zeigen einen Flügelrad- oder Turbinenzähler, der eine praktische Verkörperung der Grundsätze der Erfindung darstellt und zur Verwendung beim Messen beliebiger Medien mit Ausnahme solcher von hoher Viskosität geeignet ist, wobei diese spezielle Ausführungsform in gewissen Hinsichten besonders für die Verwendung bei der Messung von Gasen konstruiert ist. Fig. l, 2 und 3 zeigen einen Flügelrad-oder Turbinenzähler 20 mit einem auseinandernehmbaren zweiteiligen Gehäuse, das aus einem ersten rohrförmigen Eintrittsteil 22 und einem zweiten ebenfalls rohrförmigen Austrittsteil 28 besteht. Der Eintrittsteil 22 hat einen an seinem äusseren Ende angeschweissten Anschlussrohrflansch 24 und einen an seinem inneren Ende angeschweissten Verbindungsflansch 26.
Das zweite rohrförmige Austrittsglied 28 hat den gleichen Durchmesser wie das rohrförmige Glied 22, mit dem es achsgleich ausgefluchtet ist, und hat einen an seinem äusseren Ende angeschweissten Rohranschlussflansch 30 und einen am inneren Ende angeschweissten Flansch 32, der sich mit dem Flansch 26 des Gliedes 22 in Anlage befindet.
Wie in Fig. 2 deutlich dargestellt, sind die beiden Flansche 26 und 32 axial fluchtend aufeinander ausgerichtet und durch über den Umfang gleichmässig verteilt angeordnete Schrauben 34 starr miteinander verbunden. Die Fuge zwischen den Flanschen 26 und 32 ist durch ein Dichtungsglied 36 von der Art eines 0-Ringes gegen das Medium abgedichtet, der in einer ringförmigen Aussparung in der am Flansch 32 anliegenden Stirnfläche des Flansches 26 gehalten und zusammengedrückt ist. Der Innendurchmesser der rohrförmigen Glieder 22 und 28 ist vorzugsweise gleich dem der Leitung, in der der Zähler 20 zum Zwekke der Durchflussmengenmessung eingebaut ist.
Eine in geeigneter Weise stromlinienförmig ausgebildete zweiteilige Einsatzkonstruktion, die aus einer stromaufwärts und einer stromabwärts gelegenen Einheit 38 bzw. 40 besteht, ist innerhalb der rohrförmigen Glieder 22 bzw. 28, mit diesen koaxial ausgerichtet, montiert und beherbergt die Konstruktion zum Messen des Mediums und den Antriebsmechanismus für das Zählwerk. Die Einheiten 38 und 40 der Einsatzkonstruktion bilden zusammen mit den Innenwänden der Glieder 22 und 28 einen Venturikanal von hohler Form zwischen dem Eintrittsende des Zählers 20 am Flansch 24 und dem Austrittsende aus dem Zähler am Flansch 30. Dieser Venturikanal ist nach den im folgenden eingehend erläuterten Grundsätzen der Erfindung konstruiert.
Der Teil 38 des Einsatzes besteht aus einem hohlen Rumpfglied 42 mit einer stirnseitigen Aussparung 44 zur Aufnahme eines Lagerträgers 46 in axial fluchtender Anordnung, der amRumpfteil mittels Schrau- ben 48 befestigt ist, einer am gegenüberliegenden Ende des Rumpfgliedes 42 mittels Schrauben 52 starr befestigten Platte 50 und einem Kopf 54, der an der Platte 50 mittels eines Gewindebolzens 56 starr befestigt ist.
Die Aussenfläche 58 des Kopfes 54 ist von geeignetem Querschnitt, der sich in der Strömungsrichtung erweitert, so dass der Strom des Gases oder eines andern Mediums, dessen Durchfluss gemessen werden soll, von einem Strom mit zylindrischem Querschnitt entsprechend der Leitung, an die der Zähler angeschlossen ist, in einen Strom von ringförmigem Querschnitt, entsprechend dem ringförmigen Kanal 60, umgewandelt wird, der von der zylindrischen Aussenfläche des Einsatzteiles 42 und der zylindrischen Innenfläche des Gehäusegliedes 22, das die Venturiverengung bildet, begrenzt wird.
Der Einsatzteil 38 ist innerhalb des rohrförmigen Gliedes 22 von radial liegenden Rippen 62 koaxial getragen, die um die gemeinsame Achse des Rumpfteiles 38 und des rohrförmigen Gliedes 22 herum gleichmässig ver-
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ben 66 an dem rohrförmigen Glied 22 starr befestigt sind. Die Rippen 62 sind an ihren gegenüberliegenden Enden stromlinienförmig ausgebildet, um eine durch sie hervorgerufene Wirbelbildung in dem Strom auf ein Mindestmass zu beschränken, und ihre Länge in axialer Richtung ist so gewählt, dass jegliche Geschwindigkeitskomponente des Mediumstromes in tangentialer Richtung ausgeschaltet ist, so dass, wenn der Strom sich dem Ende des Gliedes 22 nähert, die Strömungsrichtung im wesentlichen eine rein axiale ist.
Der in bezug auf die Strömungsrichtung untere Einsatzteil 40 ist in der Form eines hohlen Gliedes 68, dessen Aussenfläche 70 in der Strömungsrichtung des Mediums konvergiert und von einem zylindrischen Teil 72, der mit der Aussenfläche des Gliddes 42 koaxial und von gleichem Durchmesser ist wie diese, sich zu einer Spitze 74 verjüngt und der in geeigneter Weise gekrümmt ist, um die Strömungsform des Mediums beim Übergang vom ringförmigen Kanal 60 in den zylindrischen Kanal des in der Strömungsrichtung hinter dem Zähler gelegenen Rohres unter minimaler Wirbelbildung und minimalem Druckverlust wieder herzustellen.
Das Glied 68 ist innerhalb des rohrförmigen Gliedes 28, zu diesem koaxial, mittels gleichmässig über den Umfang verteilter Bolzenpaare 76 und 78, die in das Glied 68 eingeschraubt sind, und mittels Schrauben 80, die durch die Wand des rohrförmigen Gliedes 28 hindurchgeführt und in die Enden der Bolzen 76 und 78 eingeschraubt sind, getragen. Am Ende des Gliedes 68 ist in der Nähe des Einsatzteiles 38 eine bei 85 mit Öffnungen versehene Platte 82 montiert, die einen Schublagerträger 86 trägt.
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Der Läufersatz 88 des Zählers besteht aus einer Welle 90, die aus magnetischem Material gebildet ist und an dem Glied 46 mittels im Abstand voneinander angeordneter Radiallager 92 und 94 gelagert und mittels eines vorentmagnetisierten Hufeisendauermagneten 96 magnetisch aufgehängt ist, der in dem Glied 46 oberhalb der Welle 90 montiert ist, einem mit Speichen versehenen Laufrad 98, das in gleichmässig über den Umfang verteilten Turbinenflügeln 100 an der Peripherie desselben endet, die innerhalb des Ringkanals 60 angeordnet sind und sich quer über diesen erstrecken, und ein Kupplungs-Antriebsglied 102 für einen magnetischen Antrieb in Form eines Dauermagneten, der am gegenüberliegenden Ende der Welle 90 ausserhalb des Lagers 92 befestigt ist. Die Lager 92 und 94 sind Ringsaphir-Radiallager.
Diese Lager sollen in erster Linie die radiale Lage des Läufers 88 begrenzen. Sie haben nur eine geringe Belastung zu tragen, da das Gewicht des Rotors durch die magnetische Aufhängekraft des Magneten 96 getragen wird und der Läufer in hohem Masse ausgewuchtet ist. Die geringe Axialbewegung des Läufers 88 und der Welle 90 (0, 25-0, 38 mm) während des Anlaufens und Stillsetzen des Zählers gewährleistet eine selbsttätige Reinigung der Radiallager 92 und 94. Die resultierende magnetische Kraft des Magneten 96 ist von solcher Grössenordnung, dass sie dem Gewicht des Läufersatzes 88 das Gleichgewicht hält, und die Wirklinie der magnetischen Kraft ist durch den Schwerpunkt des Läufersatzes 88 geführt. Bei einer prak-
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siert, dass er nach Einbau in dem Flügelradsatz seine remanente Magnetisierung unbegrenzt behält.
Zwischen dem Magneten 96 und der Welle 90 soll ein genügender Luftspalt (bei dieser praktischen Ausführungsform z. B. 2, 5 mm) vorgesehen sein, so dass ein unvermeidbares Radialspiel der Welle 90 in den Lagern 92 und 94 die magnetische Kraft nicht in nennenswertem Masse ändert.
Das Flügelrad 98 des Läufers 88 ist zwischen den benachbarten Enden der Einsatzteile 38 und 40 an der Verbindungsstelle der Flansche 26 und 32 an den Gehäusegliedern 22 und 28 angeordnet und ist durch Entfernen des rohrförmigen Gliedes 28 zusammen mit dem darin montierten Einsatzteil 40 nach Abnehmen der Flansche 26 und 32 zu Wartungszwecken bequem zugänglich. Wenn das rohrförmige Glied 28 und der Einsatzteil 40 auf diese Weise entfernt sind, kann der ganze Läufersatz als eine Einheit herausgenommen werden, indem die Schrauben 48 zum Abnehmen des Lagerträgers 46 vom Einsatzteil 42 entfernt werden. Dieser Teilsatz ist in Fig. 7 dargestellt.
Da der in Fig. 2 gezeigte Flügelradzähler in erster Linie für die Messung von Gasen konstruiert ist, hat die Konstruktion des Flügelrades 98 eine Form ähnlich der im einzelnen in Fig. 4 - 12 dargestellten.
Sie besteht aus einer kleinen Nabe 97, die am Ende der Welle 90 befestigt ist und mehrere (bei der dargestellten Ausführungsform achtzehn) Speichen 99 hat, die von ihr nach aussen vorspringen und deren jede einen von einer gleichen Anzahl von Flügeln 100 trägt. Die Flügel 100 sind aus dünnem Blech, hohl und entsprechend den in Fig. 9 - 12 dargestellten Umrissen ausgebildet. Die Flügel 100 sind gerade, symmetrische, aerodynamisch günstig ausgebildete Flügelkörper mit geringem Widerstand mit der Überlappung Null. Die Sehnen schliessen mit der Läuferachse beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen Winkel von 55, 50 ein. Wenn ein etwas höherer Anlaufstrom zulässig ist, können zur Verminderung der Kosten die profilierten Flügelkörper durch gerade, ebene Plättchen ersetzt werden.
Die Schubkraft des Läufers 88 wird (Fig. 4) durch ein Saphirschublager aufgenommen, das an einem Stopfen 104 montiert ist, der in elastischer Weise durch eine Druckfeder 106 abgestützt und in dem Glied 86 des Einsatzteiles 40, mit dem Läufersatz 88 axial fluchtend, montiert ist. Die elastische Abstützung dieses Lagers verhindert eine Beschädigung desselben während des Transportes. Der normale Schub des Läufers 88 ist sehr gering, er beträgt zirka 62, 5 g bei einer Nennleistung von 575 m3/h Luft unter atmosphärischem Druck bei der dargestellten praktischen Ausführungsform.
Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, hat die Aussenwand des geraden, ringförmigen Strömungskanals 60 des Flügelradzählers eine Erweiterung oder Ausnehmung 107, die zur Stabilisierung der Strömung entsprechend proportioniert ist und in die die äusseren Enden der Läuferflügel 100 vorspringen, wobei das Spiel in axialer und radialer Richtung reichlich bemessen ist, z. B. 1 1/2 mm oder darüber beträgt.
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weg 60, ohne in die Ausnehmung 107 abzuweichen. Die Stabilität dieses Strömungsschemas wird in hohem Masse durch die Fliehkraftwirkung der Drehung des Mediums innerhalb des erweiterten Teiles 107, die der eines starren Körpers ähnlich ist, unterstützt, die durch die Drehung der Flügel 100 hervorgerufen ist.
Diese Anordnung einer dem äusseren Läuferrand gegenüberliegenden Ausnehmung, die im folgenden als"Wirbelsperre"bezeichnet wird, schaltet die Möglichkeit vollständig aus, dass Medium durch das Spiel zwischen den Läuferflügeln 100 und dem Flügelradgehäuse 22,26, 32 und 28 hindurchströmt, was sonst die Hauptursache eines Absinkens der Genauigkeit bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit bei herkömmlichen Flügelradzählern ist.
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Das magnetische Antriebsglied 102 (Fig. 2 und 13), das am linken Ende der Turbinenläuferwelle 90 montiert ist, ist durch die Wand einer geschlossenen, nicht magnetischen Büchse 110 hindurch mit einem magnetischen Nachfolgerglied 108 magnetisch gekoppelt. Die rohrförmige Zwischenwand 110 bildet eine Dichtung für das Medium und ist durch eine Tragplatte 112 mit dem Glied 42 gegen das Medium dichtend montiert. Diese Tragplatte 112 ist am Glied 42 mittels Schrauben 114 befestigt und mittels einer in einer Nut am Glied 42 eingelegten und zusammengedrückten 0-Ringdichtung 116 und mittels einer in der Platte 112 in einer Nut eingelegten und zusammengedrückten 0-Ringdichtung 118 gegen die rohrförmige Zwischenwand 110 gegen das Medium dichtend angeordnet.
Das magnetische Nachfolgerglied 108 treibt ein Ritzel 120, das, wie Fig. 2 und 13 zeigen, über ein geeignetes Getriebe mit einer vertikalstehenden Welle 122 verbunden ist, die ihrerseits mit einer Zählwerksantriebswelle 124 achsgleich fluchtend angeordnet und gekoppelt ist. Die Zählwerksantriebswelle 124 (Fig. 3) ist durch ein festes, rohrförmiges Gehäuse 126 hindurchgeführt. Dieses Gehäuse 126 erstreckt sich durch den ringförmigen Kanal 60 zwischen den Gliedem 22 und 42 und ist am Glied 42 durch eine eingesetzte Buchse 128 befestigt, die im zusammengebauten Zustand im wesentlichen zu einem Bestandteil des Gliedes 42 wird. Die dauernde Abdichtung zwischen dem Gehäuse 126 und dem Stopfen 128 wird durch einen 0-Ring 130 hergestellt. Das Gehäuse 126 ist am Glied 22 mittels eines Einsatzgliedes 132 montiert, das am Glied 22 angeschweisst ist.
Ein O-Ring 134 bildet eine Abdichtung gegen das Medium zwischen dem Gehäuse 126 und dem Einsatzglied 132.
Die Welle 124 ist mit einer Eingangswelle 136 eines herkömmlichen Anzeigers 138 mit Zifferblatt (Fig. 1 und 3) verbunden, der oben am Mengenmesser 20 montiert ist und in einem aufrechten, rohrförmigen Stutzen 140 untergebracht ist, der im wesentlichen radial vorspringend an der Aussenseite des rohrförmigen Gliedes 22 starr befestigt ist.
Die Kraftübertragung von dem Ritzel 120 zu der vertikalen Welle 122 erfolgt über ein Getriebe (Fig. 13 und 14), dessen Bestandteile an einem Getriebegehäuse gelagert sind, das eine Grundplatte mit Stützen 144 aufweist, an welchen mittels Schrauben 148 eine Montageplatte 146 aufgesetzt ist. Die Stützen sind mit Schrauben 152 mit den Enden eines Bügels 150 verschraubt. Der Bügel sitzt mit einer zentralen Öffnung 154 auf einem zylindrischen Fortsatz 156 der Büchse 110 und stützt sich gegen einen Flansch 158 an diesem Fortsatz ab. Der Sitz zwischen der Leibung der Öffnung 154 und der. Zylinderflä- che des Fortsatzes ist entweder ein Presssitz oder die beiden Teile sind auf andere Weise, z. B. durch Löten miteinander, zu einer festen Einheit verbunden.
Das Getriebe zwischen dem Ritzel 120 und der Vertikalwelle 122 besteht aus einem an der Platte 146 gelagerten Zahnrad 160, das mit dem Ritzel kämmt und mit einem zweiten Ritzel 162 drehfest verbunden ist, einem mit diesem kämmenden, ebenfalls an der Platte gelagerten Zahnrad 164, das mit einem weiteren Ritzel 166 auf Drehung gekuppelt ist, welches mit einem Zahnrad 168 in Eingriff steht. Die Welle 174 des letztgenannten Zahnrades ist in einem mit der Grundplatte des Antriebsgehäuses verbundenen Ansatz 170 und in der Montageplatte 146 gelagert, durchsetzt diese und trägt an dem vorragenden Ende ein Rad 172, das mit einem Zahnrad 176 kämmt, auf dessen Welle 178 eine Schnecke 180 sitzt. Die Schnecke steht mit einem Schneckenrad 182 in Eingriff, das mit der die Abtriebswelle des Getriebes bildenden Vertikalwelle 122 drehfest verbunden ist.
Konstruktionsmässig besteht das Kupplungsantriebselement 102 des magnetischen Antriebs aus einem rostfreien Stahlbügel 184, der an der Flügelradläuferwelle 90 achsgleich befestigt ist, und zwei Stabmagneten 186 und 188 mit rechteckigem Querschnitt, die in Aussparungen 190 und 192 an den Armen des Bügels 184, z. B. durch Weichlöten, befestigt sind. Die Längsmittellinien der Flachstabmagneten 186 und 188 sind von der Achse der Welle 90 gleich weit entfernt und zu ihr parallel. Die Magnete liegen knapp an der Aussenwand der rohrförmigen Zwischenwand 110.
Der Folgemagnetsatz ist innerhalb des geschlossenen und rohrförmigen Hohlraumes 194 der rohrförmigen Zwischenwand 110 angeordnet und darin mittels einer Welle 196 koaxial drehbar montiert, und die Welle ist in im Abstand voneinander angeordneten Lagern 198 und 200 gelagert, die von entsprechend angepassten, rohrförmigen Lagerhaltegliedern 204 bzw. 206 getragen sind. Die Glieder 204 und 206 sind durch die ausrichtende Anlage der Zylinderfläche 208 am Glied 206 mit der zylindrischen Wand 210 der Aussparung im Glied 204 koaxial ausgerichtet gehalten und mit einem ausrichtenden Sitz an der zylin- drischen Innenwand der rohrförmigen Zwischenwand 110 aufgenommen.
Das Folgeglied 108 ist mit einem zylindrischen Magnetträger 212 aus Kunststoff ausgestattet, der diametral gegenüberliegende, in die Mantelfläche geschnittene, halbzylindrische Aussparungen 214 und 216 zur Aufnahme der zylindrischen Folgemagneten 218 bzw. 220 hat. Die Magneten 218 und 220 sind vorzugsweise im wesentlichen von der gleichen Länge wie die Antriebsmagneten 186 und 188 und sind mit diesen entlang der gemeinsamen
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Achse der Wellen 90 und 196 in ausgerichteter Lage gehalten.
Der Magnetträger 212 aus Kunststoff ist an der Welle 196 durch zwei Tragzapfen 222 mit der Welle gemeinsam drehbar befestigt und die koplanaren Achsen dieser Zapfen sind parallel zur Mittellinie der Welle 196 und gegen die Aussparungen 214 und 216 versetzt und ragen durch Öffnungen in den Magnetträger 212 aus Kunststoff, und ihr freies Ende ist durch einen Flansch 224 abgestützt, der koaxial zur Welle 196 rechts vom Lager 200 starr an der Welle befestigt ist.
Die Beziehung zwischen den Antriebsmagneten 186 und 188 und den Folgemagneten 218 und 220 ist so beschaffen, dass, wenn die Welle 90 entsprechend einem Strom eines Mediums durch die Flügel 100 des Flügelrades des Läufersatzes 88 in Drehung versetzt wird, der Folgemagnetsatz 108 entweder durch Anziehung der Folgemagneten 218 und 220 durch die Antriebsmagneten 186 oder 188 oder durch Absto- ssen der Folgemagneten 218 und 220 von den Antriebsmagneten 186 und 188 in Drehung versetzt wird.
Die auf Abstossung beruhende Antriebskupplung (Repulsionskupplung) wird wegen ihrer wesentlich niedrigeren Reaktion auf den Flügelradläufer 98 im vorliegenden Falle für die Genauigkeit beim Messen von Medien von geringer Dichte, z. B. von Gasen, für vorteilhafter erachtet. Im Falle von Flügelradzählern von grossen Abmessungen zum Messen von Flüssigkeiten kann eine gewisse Reaktion auf denFlügelradläu- fer ohne nennenswerte Auswirkung auf die Messgenauigkeit zugelassen werden. Die auf Anziehung beruhende Antriebskupplung (Attraktionskupplung) ist in diesem Fall wegen ihres höheren Übertragungsdrehmomentes, der höheren Beschleunigungsfähigkeit und der höheren Anlaufgeschwindigkeit der auf Absto- ssung beruhenden Antriebskupplung gleicher Grösse vorzuziehen.
Eine Drehung des Folgesatzes 108 versetzt die Welle 196 und das am Ende derselben ausserhalb des Lagers 198 befestigte Ritzel 120 in Drehung und verursacht eine Drehung der Zählwerksantriebswelle 122 über den in Fig. 13 und 14 dargestellten und oben beschriebenen Zahnradge- : : riebesatz.
Aus der obigen Beschreibung sowie aus Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, dass die Platte 50, die Dichtung 51, das Glied 42, die Platte 112, die Dichtungen 116 und 118 und die rohrförmige Zwischenwand 110 eine abgedichtete Kammer 230 begrenzen, die von dem durch den Kanal 60 strömenden Medium isoliert ist, u. zw. durch das rohrförmige Gehäuse 126, das mit Dichtungen 130 und 134 ausgestattet ist.
Die Drehbewegung des Folgesatzes 108 wird ausserhalb der Zählergehäuseglieder 23 und 28 ohne Verwendung irgendwelcher dynamischer Dichtungen gegen das Medium, also z. B. ohne Stopfbüchsen auf das Zählwerk 138 übertragen. Auf diese Weise wird ein gegen das Medium abgedichteter Zählwerksatz mit äusserst geringer mechanischer Reibung geschaffen.
Fig. 15 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Flügelradzählers nach Fig. 1 - 14. Diese Ausführungsform nach Fig. 15 eignet sich besonders für die Messung von Flüssigkeiten, und ein tatsächlich ausgeführter Zähler ist wesentlich grösser als bei der Ausführung nach Fig. 1 - 14. Konstruktionsmässig sind die Zähler, abgesehen von der Läuferkonstruktion und-anordnung, gleich. Der Zähler ist mit achsgleichen rohrförmigen Gehäuseteilen 300 und 302 ausgestattet, die mittels Schrauben 304 aneinander be-
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schlossen sind.
Der Zähler enthält ferner koaxiale Einsatzteile 308 und 310 von gleichem Durchmesser, die in den Gehäuseteilen 300 bzw. 302 koaxial montiert sind und einen ringförmigen Kanal 312 begrenzen, der die Verengung eines Venturi-Kanals von hohler Form begrenzt, sowie einen zwischen den gegenüberliegenden Enden der Einsatzteile 308 und 310 eingefügten Flügelradläufer 314.
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einer Anzahl von Flügeln 328. Die Nabe 316 ist an der Welle 318 befestigt, die mit ihren gegenüberliegenden Enden in gegenüberliegenden Schubkugellagern 320 und 322 gelagert ist, welch letztere von den Einsatzteilen 308 bzw. 310 koaxial getragen sind. Der ringförmige Kranz 324 ist von der Nabe 316 mittels einer Anzahl von Speichen 326 getragen, die im wesentlichen in der gleichen Weise angeordnet sind wie die Radspeichen eines Fahrrades.
Die an der Aussenseite des Kranzes 324 montierten Flügel erstrekken sich quer zum Kanal 312 und ihre Aussenkanten springen in eine ringförmige Aussparung 330 vor, die wie beim ersten Ausfiihrungsbeispiel eine"Wirbelsperre"bildet, ein Begriff, der später eingehend erläutert wird.
Die Flügel 328 sind, wie Fig. 16 - 18 erkennen lassen, massiv, symmetrisch, jedoch strömungsdynamisch günstig, verwunden und in den Kranz eingesetzt. Jeder Flügel 328 ist in solcher Weise verwunden, dass er für eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung des eintretenden Stromes über die ganze Länge des Flügels vom Fuss bis zur Aussenkante in axialer Richtung den gleichen Angriffswinkel bietet.
Der Flügelwinkel betr ; ; gt 55, 50 an der Flügelaussenkante und vermindert sich bis zu 41, 50 am Flügelfuss, jeweils gemessen in bezug auf die Axialrichtung. Die Sehnenlänge der Flügel ist so gewählt, dass die Überlappung zwischen den Flügeln über die ganze Länge derselben Null beträgt, was, wie später erläu-
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tert wird, einen Ausfüllungsgrad von a = 1, 2 an der Flügelaussenkante und o = 1, 5 am Flugelfuss führt.
Bei dem Zähler nach Fig. 15 ist das Zählwerk in der Strömungsrichtung unterhalb des Flügelradläufers 314 angeordnet. Es wird von einer Welle 332 angetrieben, die mit der Flügelradläuferwelle 318 in der dargestellten Weise antriebsmässig gekoppelt ist. Die Konstruktion des Zählwerks und seiner Kupplung mittels einer magnetischen Antriebskupplung mit der Welle 332 sind die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Eine magnetische Aufhängung des Flügelradläufers 314 oder der Welle 332 des Flügelradzählers von grossen Abmessungen ist zum Messen von Flüssigkeiten nicht erforderlich und die magnetische Antriebskupplung zum Zählwerk kann beim Messen von Flüssigkeiten auf der magnetischen Anziehung beruhen (Attraktionskupplung).
. Aus der folgenden Analyse des Flügelradzählers bei Medien von niedriger und mittlerer Viskosität ergeben sich weitere Merkmale der Erfindung.
A. Anlaufbedingungen (Fig. 19 - 21).
Bei Verwendung von Einrichtungen zum Geraderichten der Strömung und bei einwandfreier Konstruktion des Flügelradgehäuses und der Ausbildung des Einsatzkopfes kann angenommen werden, dass die Eintrittsgeschwindigkeit v an dem Flügel des Flügelrades rein axial und über den ganzen ringförmigen Strömungskanal gleichmässig verteilt ist.
Es soll zunächst der Zustand in dem Augenblick betrachtet werden, der dem Anlaufen des Flügelrades unmittelbar vorangeht. Das Antriebsdrehmoment Td, das das Medium auf die Flügel ausübt, befindet sich gerade im Gleichgewicht mit dem gesamten Widerstandsdrehmoment T und das Flügelrad steht noch still. Fig. 21 zeigt das Geschwindigkeitsdiagramm in diesem Augenblick.
Es sei bemerkt, dass im folgenden die mit dem Index 1 oder 2 versehenen Grössenbezeichnungen v-
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ssen an einer zwischen den erwähnten Schnitten liegenden Stelle bedeuten.
Das Element dT des Antriebsdrehmomentes an den Flügeln ist eine Funktion des Abstandes r von der Flügelradachse und ist für einen elementaren Ringquerschnitt der Breite dr gleich
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worin dQ die Durchflussmenge pro Zeiteinheit durch den elementaren Ringquerschnitt, p die Dichte des Mediums und vt die Tangentialkomponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit im Abstand r bedeutet, die von diesem Abstand abhängt. Es kann nachgewiesen werden, dass jeder Flügel sich so verhält, als würde er längs seiner gesamten Erstreckung mit einer konstanten, u. zw. jener Eintrittsgeschwindigkeit angeströmt, die an einer Stelle im Abstand r* herrscht.
Der Wert für diesen Abstand ergibt sich zu
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Hieraus folgt, dass der Radius r* die ringförmige Fläche zwischen der Innenwand des Flügelradgehäuses (r = pro) und der Flügelradnabe (r = ri) in zwei flächengleiche Teile teilt, und folglich der Massenfluss durch jede dieser Teilflächen den gleichen Wert hat. Das gesamte Antriebsdrehmoment entsteht durch Summieren der elementaren Momente über dem gesamten durchströmten Ringquerschnitt A.
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in welcher Gleichung Qg die unmittelbar vor dem Anlaufen durch das Flügelrad strömende Menge, den "Anlauffluss", und vt die Tangentialkomponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit an der Stelle r = r* bedeutet.
Da der Druckabfall beim Passieren eines Flügelrades mit richtig konstruierten Flügeln auch bei gas-
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darf-" < 0, 05werden-kann von der Berücksichtigung einer Kompression des Mediums während des Durchströmens abgesehen werden. Wegen der Kontinuität und wenn die Durchmesser des Gehäuses und der Nabe zwischen den Schnitten 1 und 2 unveränderlich sind, folgt
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worin
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den wirksamen Durchflussquerschnitt, v1 die Eintrittsgeschwindigkeit in das und vu dite Austrittsgeschwin-
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Werte 1 nicht stark abweicht, gilt in erster Annäherung :
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mit L = ro-ri, der wirksamen Länge der Flügel.
Mit diesen Werten ergibt sich
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wobei a den Wert des Austrittswinkels α2 an einer im Axialabstand r* gelegenen Stelle bezeichnet, und nach Einsetzen in Gl. 3 :
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oder
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wenn Qs durch v gemäss
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ausgedrückt wird.
Die Gleichungen (5) und (5a) sagen aus, dass das für einen gegebenen Flügelradzähler verfügbare Drehmoment direkt proportional der Dichte p des Mediums und proportional dem Quadrat der Durchflussmenge (oder der Eintrittsgeschwindigkeit des Stromes) ist. Bei einer gegebenen Eintrittsgeschwindigkeit eines Stromes eines gegebenen Mediums wächst Td ungefähr mit der dritten Potenz des mittleren Halbmessers des Zählers und wächst mit steigendem Austrittswinkel ex, des Mediums, gemessen in bezug auf die Achsrichtung. Sowohl Versuche als auch die Analyse lehren, dass die Flügel eines Flügelradzählers von hoher Genauigkeit genügend eng angeordnet sein sollen, so dass die Abweichung zwischen der tat-
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ss2 klein, also x2 = ss2 ist.
Folglich ist auch
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oder
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ss* bedeutet einen mittleren Wert des Winkels ss,.
Bei Anlaufbedingungen ist das Antriebsdrehmoment gleich dem gesamten Widerstandsmoment Td = Tr. Das gesamte Widerstandsmoment Tr setzt sich aus einem Teil Tm aus der mechanischen Reibung und aus einem Teil Tf zusammen, welcher der Reibung des Mediums entspringt. Die hier als mechanischer Anteil eingeführte Grösse berücksichtigt dabei die Lagerreibung und den Leistungsbedarf des Zählers, sie ist eine Coulomb'sche Grösse und von der Durchflussmenge unabhängig. Der auf die Reibung des Mediums zurückgehende Anteil Tf ist hauptsächlich von dem Flügeleintrittsverlust, dem Profilwiderstandsverlust des Flügels und dem Flügelaustrittsverlust bestimmt, er hängt von dem Durchflussvolumen
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pro Zeiteinheit, der Dichte p, der Viskosität J. L des Mediums und der geometrischen Anordnung des Flügelsystems ab.
Wegen der komplizierten Art des Strömungsschemas in der Flügelanordnung gestaltet sich die Bestimmung der einzelnen Komponenten der Reibung des Mediums beim gegenwärtigen Stand der Kenntnis der Strömungslehre sehr schwierig. Es kann jedoch angenommen werden, dass der Anteil Tf aus zwei Summanden zusammengesetzt ist, dem von Kräften der inneren Reibung abhängenden und zu der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Widerstandsdrehmoment Tw und einem Widerstandsmoment Tt,
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nung des Läufers sowie vom Spiel zwischen diesem und den benachbarten ortsfesten Gerätebestandteilen ab, sein genauer Wert ist nur mittels praktischer Versuche bestimmbar. Der andere, als "Wirbelkoeffi- zient"bei.
Anlaufbedingungen benannte Koeffizient, Kt, ist weitgehend von der besonderen Form der Flügel, von den Flügelwinkeln und von dem Ausfüllungsgrad des Flügelsystems bestimmt. Auch sein Wert kann nur mit Versuchen genau ermittelt werden.
Aus Gleichung (6) folgt
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und nach dem Einsetzen aus (7)
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Für alle Medien, wie z. B. Luft, Gase, Wasser, Benzin, leichtes Treiböl usw., die nicht eine be- sonders grosse Viskosität aufweisen, und bei zum Erreichen eines möglichst kleinen Koeffizienten Kw konstruiertem Zähler ist das Widerstandsdrehmoment Tw meist beträchtlich kleiner als die Anteile Tt und Tm, so dass mit guter Annäherung
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ist. Sowohl die theoretische Analyse als auch die Ergebnisse praktischer Versuche ergeben, dass zwischen
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eines der unbedingten Erfordernisse für einen Flügelradzähler von hoher Genauigkeit mit einem weiten Betriebsbereich in bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit oder mit grossem Strömungsverhältnis ist.
Die
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nachstehenden Folgerungen ergeben sich aus der Betrachtung der Gleichungen (8) und (9) :
1. Das aus der mechanischen Reibung entspringende Moment Tm soll so klein wie möglich sein.
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rundeter Vorderkante und scharfer Hinterkante haben, damit die Koeffizienten Kt und Kw klein bleiben.
5. Der Anlauffluss Qs ist ungefähr derQuadratwurzel derDichte p des Mediums verkehrt proportional.
Ein Flügelradzähler kann daher einen bedeutend grösseren Wert Tm vertragen, wenn er zum Messen von Flüssigkeiten verwendet wird, als wenn er zur Messung von Gasen dienen soll. Auch bei Messungen an Gasen unter hohem Druck darf Tm grösser sein als bei Mengen unter niedrigem Druck.
B. Synchron-Bedingungen.
Die Bezeichnung "synchron" wird im folgenden verwendet, um jenen Zustand zu bezeichnen, bei dem das Flügelrad des Zählers sich in stetiger Drehung befindet. Auch hier ergibt sich das bei Synchronbedingungen verfügbare Antriebsdrehmoment Td aus
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Gemäss dem Geschwindigkeitsdiagramm der Fig. 22 bzw. 23 ist
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worin w die Winkelgeschwindigkeit des Flügelradläufers bezeichnet.
Für das Äntriebsdrehmoment folgt dann
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Bei Synchronlauf gilt Td = Tr : Td ist dem gesamten Drehmoment gleich, das der Bewegung des Läufers entgegenwirkt und wie bei Anlaufbedingungen aus drei Summanden bestehend angesehen werden kann :
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Cw ist ein dimensionsloser Koeffizient und im folgenden als"viskoser Koeffizient bei Synchronbedingungen" bezeichnet. Er hängt in hohem Mass von der Ausbildung der Flügel sowie auch des gesamten Läufersatzes, dem relativen Spiel zwischen dem Läufersatz und den diesem benachbarten ortsfesten Teilen ab. Eine genaue Bestimmung des Koeffizienten Cw ist nur durch praktischen Versuch möglich.
Auch Ct ist ein dimensionsloser Koeffizient. Er sei im folgenden "Wirbelkoeffizient des Flügelradzählers bei Synchronbedingungen" benannt und er hängt vor allem von den Flügelwinkeln und dem Ausfüllungsgrad des Flügelsystems, der Ausbildung der Läuferspeichen (oder der Läuferscheibe) und anderer Teile des Läufersatzes ab. Eine genaue Bestimmung von Ct kann ebenfalls nur durch Versuche geschehen.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass bei Synchronbedingungen zwar die mechanische Reibung Tm im wesentlichen die gleiche ist wie bei Anlaufbedingungen, die Koeffizienten Cw und Ct jedoch von den Koeffizienten Kw und Kt abweichen. Die Gründe hiefür sind folgende : a) Da der Läufersatz nun nicht mehr stillsteht, treten infolge der Drehung der Läuferspeichen (odes der Läuferscheibe), der Läufemabe und anderer Teile des Läufersatzes ausser den Flügelverlusten noch zusätzliche Reibungsverluste des Mediums auf, die eher von der Drehgeschwindigkeit des Läufers als von der Durchflussmenge Q in der Zeiteinheit abhängen. Innerhalb des Betriebsbereiches des Flügelradzähler gilt jedoch w proportional Q, die Gleichung (11) kann daher als gerechtfertigt gelten.
Das Vorhandensein dieser zusätzlichen Reibungskomponenten erhöht die Werte Cw und Ct über Kw bzw. Kt hinaus. b) Der Angriffswinkel i = BI - al des Flügelsystems bei synchroner Drehzahl ist bedeutend klei. ner als der Angriffswinkel il = 81 bei Anlaufbedingungen. Diese Abnahme an Flügelverlusten führt zu einer erheblichen Verringerung der Werte Cw und Ct unter die Werte K bzw. Kt.
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so folgt
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oder, mit dimensionslosen Grössen
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Man sieht daraus, dass der Schlupf infolge der turbulenten Reibung vom Wirbelkoeffizienten Ct, aber nicht von der Durchflussmenge in der Zeiteinheit Q abhängt.
Der Schlupf infolge der viskosen Reibung ist umgekehrt proportional Q und seine Wirkung auf die Genauigkeit des Zählers nimmt mit zunehmender Durchflussmenge in der Zeiteinheit Q ab. Der Schlupf infolge mechanischer Reibung ist verkehrt proportional dem Quadrat der in der Zeiteinheit hindurchfliessenden Menge. Er hat also bei geringer Durchflussmenge je Zeiteinheit eine ausgeprägte Wirkung auf die Genauigkeit des Flügelradzählers und wird bei hoher Durchflussmenge je Zeiteinheit verhältnismässig bedeutungslos.
Ausser bei Medien von hoher Viskosität ist die Strömung in einem Flügelradzähler von angemessener Grösse innerhalb des betrieblichen Bereiches des Durchflusses je Zeiteinheit bei nahezu allen praktischen Anwendungsfällen turbulent. Wenn der Flügelradzähler für den niedrigen Wert des viskosen Koeffizienten Cw richtig konstruiert ist. ist die viskose Reibung T = C, r u Q gewöhnlich im Vergleich zur turbulen-
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Bei einem idealen Flügelradzähler zur genauen Messung der durchströmenden Menge muss die Drehzahl pro Volumseinheit des hindurchfliessenden Volumens über den ganzen Anwendungsbereich, d. h. die rechte Seite der Gleichung (12) bzw. (13) konstant sein.
Aus dieser Forderung entspringen vier Bedingungen.
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Mediums dem Austrittswinkel ss der Flügel wenigstens annähernd gleichkommt.
2. Die mechanische Reibung muss klein sein, damit der auf das Widerstandsdrehmoment Tm zurückgehende Schlupf auch bei dem Minimalwert Qmin, für welchen der Zähler ausgelegt ist, vernachlässigt werden kann. Wegen der im Nenner auftretenden Dichte p muss bei zur Messung von Medien geringer Dichte, z.
B. von Gasen bei niedrigem Druck, bestimmten Zählerkonstruktionen die Reibung auf das er- reicnbare Mindestmass herabgedrückt werden.
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auch schwach, abhängig ist, muss dieser Beiwert jedenfalls möglichst klein sein : Um dieser Forderung zu genügen, müssen die Flügel richtig, strömungsdynamisch günstig, mit geringem Widerstand und bezüglich der Flügelwinkel, der Verwindung und des Ausfüllungsgrades optimal konstruiert sein und auch der ringförmige Strömungskanal muss sowohl stromaufwärts als auch unmittelbar stromabwärts des rotierenden Flügelkranzes richtig ausgelegt sein.
4. Jedenfalls soll auch der Koeffizient Cw so klein wie möglich gehalten sein. Das heisst, dass enge Laufspiele tunlichst zu vermeiden sind und die der viskosen Reibung ausgesetzte Oberfläche des Läufers auf einen Mindestwert verringert wird.
C. Mindestdurchflussmenge pro Zeiteinheit im Betriebsbereich der Strömungsmessung-Qmin'
Die kleinste dem Messbereich angehörende Durchflussmenge pro Zeiteinheit, Qmin'eines Flügelradzählers kann näherungsweise durch den Wert des Anlaufflusses Qs ausgedrückt werden, indem für Tm aus Gleichung (9) in Gleichung (13) eingesetzt und in erster Annäherung Kt = Ct gesetzt wird.
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Für einen richtig konstruierten Flügelradzähler, der innerhalb seines Betriebsbereiches arbeitet, können der Einfallwinkel auf das Flügelsystem und der Winkel der Ablenkung des Mediums beim Hindurch-
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schätzt werden :
Aus Versuchsergebnissen und aus der Analyse ergibt sich, dass der Gesamtschlupf eines gut konstruierten Flügelradzählers (ss= < x.,) innerhalb des Betriebsbereiches mit Sicherheit unter 70/0 liegt.
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Im Interesse einer einfachen Konstruktion und geringer Kosten ist es sehr erwünscht, symmetrische Flügel zu verwenden, wenn sie (wie später noch eingehend besprochen wird) zufriedenstellend arbeiten.
Für ein symmetrisches Flügelsystem ist
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Aus Gleichung (15) ergibt sich
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Für einen erwünschten Bereich von Flügelwinkeln 400 < ss 2 < 600 (der im folgenden noch eingehend besprochen wird), ergibt die Gleichung (16),
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Jedoch ist für ein symmetrisches Flügelsystem
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und dementsprechend auch
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derstand bleibt derWiderstandskoeffizient für alle Werte des Angriffs- (oder Einfall-) Winkels von 0 bis 20 sehr niedrig und konstant. Daraus kann geschlossen werden, dass bei praktisch allen Anwendungsfällen des Flügelradzählers symmetrische Profile befriedigend und keine gebogenen Flügel erforderlich sind.
Im Hinblick auf die Fig. 22 und 23 ist die Änderung der absoluten Winkelverdrängung des Mediums beim Durchgang durch die Flügel oder der Winkel der Ablenkung des Mediums beim mittleren Halbmesser r* durch
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Da das Medium eine sehr geringe Tangentialgeschwindigkeit hat, wenn es das Flügelsystem verlässt, wie dies durch die obige Gleichung zum Ausdruck gebracht wird, sollte ein Druckrückgewinn nicht angestrebt werden.
E. Druckverlust des Flügelradzählers.
Der gesamte Druckverlust in einem Flügelradzähler, H, kann in zwei Teile unterteilt werden, nämlich (i) den Druckverlust in dem bewegten Flügelkranz, der im folgenden als "Flügelkranzverlust" Hb bezeichnet ist, und (ii) alle übrigen Verluste im Zähler, zu denen in erster Linie der von der Venturiausbildung bedingte Verlust gehört und die im folgenden als "Venturiverlust" Hv bezeichnet werden.
Der Flügelkranzverlust kann weiter unterteilt werden in a) den Verlust infolge Überwindung der mechanischen Reibung, b) den Verlust infolge des Profilwiderstandes an den Flügeln,
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c) den Verlust infolge des Ringwiderstandes entsprechend der Reibung an den Wänden und d) sekundäre Strömungsverluste, wie den Verlust infolge von Wirbelbildung an den Profilhinterkanten usw.
Innerhalb des Betriebsbereiches der Strömungsmessung des Flügelradzählers kann jedoch der Flügel- kranzverlust unter Verwendung eines Sammelkoeffizienten Cb für den Verlust als Ganzes behandelt und
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angesetzt werden.
Darin bedeutet
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die durchschnittliche Relativgeschwindigkeit des Mediums beim Durchtritt durch den Flügelkranz.
Der Koeffizient Cb des Flügelkranzverlustes hängt von der Flügelkonstruktion und den Betriebsbedingungen, insbesondere vom Angriffswinkel, ab. Der Effektivwert von Cb kann durch Versuch festgestellt werden.
Aus Fig. 22 und 23 folgt jedoch
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Ferner
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Der Venturiverlust Hv hängt von der Grösse der Änderung der kinetischen Energie des Mediums beim Durchtritt durch den Flügelabschnitt (Schnitt 1 oder 2, Fig. 20) gegenüber der kinetischen Energie im Rohrabschnitt (Schnitt 0 oder 3, Fig. 20) ab. Er kann ausgedrückt werden als
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Darin sind
Va = Geschwindigkeit des Mediums im Ringquerschnitt 1 oder 2. v = Geschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung vor Eintritt in den Zähler oder nach Verlassen desselben.
Cv = der Koeffizient des Venturiverlustes, der von der Ausbildung des Strömungsweges durch den
Zähler, dem Querschnittsverhältnis und der Reynold'sehen Zahl abhängt. Er kann durch prak- tischen Versuch ermittelt werden.
Jedoch ist
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worin Ap die Querschnittsfläche des Rohres bedeutet.
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Der gesamte Druckverlust des Flügelradzählers ist daher gleich
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Aus der Gleichung geht hervor, dass
1. der Druckverlust im Zähler direkt proportional der Dichte des durch den Zähler hindurchströmenden Mediums ist, also H proportional p. Für Gas von einer gegebenen Temperatur gilt p proportional p, worin p im wesentlichen der Leitungsdruck ist, und somit, dass der absolute Druckverlust eines Flügelradzählers für Gase direkt proportional dem Leitungsdruck ist.
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Druckverlustschen Gesetz der Bewegung ist
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worin I das Trägheitsmoment des Läufers in bezug auf die Läuferachse ist.
Aus den letzten drei Gleichungen im Verein der angenäherten Beziehung
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aus Gleichung (12) erhält man
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J 01 d01w als eine Funktion der Zeit t ergibt.
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Die Gleichung (24a) ist in Fig. 24 als Kurve dargestellt. Daraus ist zu ersehen, dass die Läuferge- schwindigkeit w eine Exponentialfunktion der Zeit ist. Ihre Zeitkonstante T ist gleich.
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und gibt das Intervall an, das der Läufer braucht, um den Bruchteil
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der Differenz der Winkelgeschwindigkeit aufzuholen. Dieses Intervall ist direkt proportional dem Trägheitsmoment I und verkehrt proportional dem Quadrat des mittleren Radius r*, der Dichte des Mediums p und der in der Zeiteinheit hindurchströmenden Menge Q2.
Wenn man den Fall eines Flügelradzählers mit einer Zeitkonstante
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betrachtet, der zum Messen eines abrupt schwankenden Durchflusses von etwa der im Diagramm der
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ve anspricht, die in Fig. 26 als strichlierte Linie eingetragen ist. Es kann analytisch nachgewiesen werden, dass der Flügelradzähler zu schnell läuft, und der in Prozenten der Durchflussmenge Q ausgedrückte Fehler et ist durch die folgende Gleichung gegeben :
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Fig. 25 ist ein Diagramm entsprechend dieser Gleichung. Es ist zu ersehen, dass der Fehler bei eine Änderung der Durchflussmenge je Zeiteinheit beim Flügelradzähler sowohl von der Art der Schwankung selbst als auch vom Zähler abhängt.
Für einen gegebenen Flügelradzähler wächst der Fehler beim Wech-
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her Frequenz und grosser Amplitude klein bleiben soll. Aus der obigen Analyse kann folgendes geschlossen werden :
1. Das Trägheitsmoment des Läufersatzes soll so klein gehalten werden, wie im Hinblick auf die Festigkeit, Steifigkeit und die funktionellen Beziehungen zwischen den verschiedenen Teilen des Läufersatzes vertretbar ist.
2. Bei einem gegebenen Trägheitsmoment des Läufersatzes sollte der mittlere Radius rm des Läufers so gross gemacht werden, wie dies ohne Beeinträchtigung der andern Erfordernisse, z. B. eines geringen Druckverlustes, einer mässigen Läuferdrehzahl usw. praktisch möglich ist.
3. Das Ansprechen des Flügelradzählers auf Änderungen der Durchflussmenge in der Zeiteinheit ist bei Gasen von erheblich grösserer Bedeutung als bei Flüssigkeiten, da die Zeitkonstante der Dichte des Mediums verkehrt proportional ist.
Wichtige bauliche Merkmale des Flügelradzählers nach der Erfindung.
Auf Grund der oben besprochenen Theorie des Flügelradzählers im Verein mit praktischen Erfahrungen und Versuchsergebnissen an mehreren nach der Theorie konstruierten und in Luft, Erdgas, Wasser, Benzin, Stoddard's Lösungsmittel, dünnem und dickem Öl geprüften Flügelradzählern werden im folgenden einige wichtige Anhaltspunkte für die Konstruktion und die sich daraus ergebenden baulichen Merkmale eines erfindungsgemässen Zählers besprochen.
1. Die Wirbelsperre.
In der obigen Analyse wurde eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung über den ringförmigen Querschnitt angenommen, und es wurde davon ausgegangen, dass die Wirkung des Randwiderstandes infolge endlicher Flügellänge vernachlässigbar klein ist. Die herkömmliche Massnahme zum Erfüllen dieser Forderung besteht darin, dass man das Spiel an der Flügelaussenkante kleiner hält als 2% der Flügellänge. Dieses geringe Spiel erfordert nicht nur die Einhaltung sehr enger Herstellungstoleranzen, sondern
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oben erwähnten Annahmen können jedoch auch erfüllt werden, wenn jene neue Einrichtung verwendet wird, die als"Wirbelsperre"bezeichnet wurde.
Der gerade Strömungsweg 60 (Fig. 4 und 5) des Flügelradzählers hat eine richtig proportionierte Ausnehmung 107 (zur Stabilisierung der Strömung), in die die Läuferflügel 100 vorspringen oder mit der die Läuferflügel mindestens gerade abschliessen (d. h. Flügeldurchmesser gemessen über die Aussenkanten Dt Do des Flügelradgehäusedurchmessers), mit reichlichem Spiel, wie in Fig. 5 dargestellt. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die axiale Länge der Erweiterung 107 im wesentlichen gleich einem geradzahligen Vielfachen ihrer in radialer Richtung gemessenen Tiefe zu wählen.
Infolge seiner Trägheit strömt das Medium durch den geraden Strömungskanal 60, ohne in die Erweiterung 107 abzuweichen. Die Stabilität dieser Strömungsschemas wird in hohem Masse durch die Fliehkraftwirkung der Rotation des Mediums innerhalb der Erweiterung 107 unterstützt, die durch die Drehung des Flügelkranzes 100 hervorgerufen ist. Diese neuartige"Wirbelsperre"schaltet die Leckwirkung des Spieles zwischen den Aussenkanten der Läuferflügel 100 und dem Turbinengehäuse 22, 26,32 und 28 selbst für Durchflussmengen unterhalb Qmin vollständig aus. Die ungewöhnliche Grösse des tatsächlichen Spieles bei dieser Einrichtung verhindert jegliche mögliche Störung durch vom Mediumstrom mitgeführte Teilchen, macht die Einhaltung enger Herstellungstoleranzen überflüssig und vermindert dadurch die Herstellungskosten.
Das Brems- oder Verzögerungsdrehmoment, das in der Wirbelsperre erzeugt und auf den Flügelradläufer ausgeübt wird, hat die gleiche funktionelle Beziehung zur Strömung wie das Antriebsdrehmoment (d. h. es erhöht gerade den Wert von Ct in Gleichung 13) und dies hat eine Senkung der Anzeigekurve des Zählers über den ganzen Betriebsbereich der Strömungsmessung, ohne Änderung des Charakters derselben, um einen konstanten Betrag zur Folge. Da dieser Betrag der Senkung der Anzeigekurve für alle Medien der gleiche ist, kann er ein für alle Male durch direkte Kalibrierung des Messzählwerkes korrigiert werden. Dauerversuche haben ausserdem gelehrt, dass die Erweiterung durch die fegende Wirkung der Läuferflügel sauber gehalten wird.
2. Magnetische Aufhängung des Flügelradläufersatzes.
Aus der Besprechung der Gleichungen (9), (14) und (13) ist zu schliessen, dass die Leistung des Flügelradzählers am unteren Ende seines Messbereiches in erster Linie durch die Grösse der mechanischen Reibung Tm in dem Zähler bestimmt wird. Diese Wirkung der mechanischen Reibung ist besonders bei Flü- gelradzählem kritisch, die zur Messung von Medien geringer Dichte, z. B. von Gasen, verwendet werden,
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da der Schlupf des Läufers zum Überwinden einer gegebenen mechanischen Reibung der Dichte des Mediums verkehrt proportional ist (Gleichung 12).
Für einen Flügelradzähler für Gase stellt die Lagerreibung infolge des Gewichtes des Läufersatzes einen wesentlichen Teil der mechanischen Reibung Tm dar und muss daher auf einem mit der mechanischen Festigkeit und Steifigkeit des Läufersatzes und mit den Gesichtspunkten der Fertigung zu vereinbarenden Mindestmass gehalten werden. Die Wirkung des Gewichtes des Läufersatzes auf die mechanische Reibung kann mit Hilfe einer sehr einfachen, aber wirksamen Einrichtung, die als"magnetische Aufhängung"des Flügelradläuiersatzes bezeichnet ist, fast vollständig ausgeschaltet werden.
Das Gewicht des Läufersatzes wird praktisch durch die von einem geeigneten und in richtiger Lage angeordneten Dauermagneten (z. B. einem hufeisenförmigen Dauermagneten 96 nach Fig. 2) auf die Läuferwelle ausgeübte magnetische Anziehungskraft aufgehoben. Der Dauermagnet wird vorher leicht entmagnetisiert, so dass nach Einbau des Magneten in den Zähler der remanente Magnetismus für unbegrenzte Zeit konstant bleibt. Die Anordnung des Magneten erfolgt in solcher Weise, dass die resultierende magnetischen Anziehungskraft ungefähr die gleiche Wirklinie hat wie die Resultierende der Schwerkraft auf den Läufersatz.
Zwischen dem Magnet 96 und der Läuferwelle 90 soll ein genügender Luftspalt vorhanden sein, so dass ein etwa zulässiges Radialspiel der Läuferwelle 90 innerhalb der Radiallager 92 und 94 die Grösse der magnetischen Kraft nicht merklich zu ändern vermag. Die Hauptfunktion der Radiallager besteht daher darin, die Radiallage des Läufers zu bestimmen. Da der Läufer statisch und dynamisch ausgewuchtet ist und das Gewicht des Läufersatzes durch die magnetische Aufhängung aufgenommen ist, haben die Lager 92 und 94 eine nur sehr geringe Last zu tragen, was eine lange Lebensdauer und eine sehr geringe Lagerreibung gewährleistet. Diese niedrige Lagerreibung führt zu einer bedeutend besseren Zählerleistung (insbesondere bei niedrigen Durchflussmengen je Zeiteinheit) und einem bedeutend weiteren Messbereich.
3. Magnetischer Antrieb des dicht abgeschlossenen Zählwerks.
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stand bisher darin, zwischen dem Messglied und einem äusseren Zählwerk eine geeignete Kupplung vorzusehen und gleichzeitig einen gegen das Medium dichten Abschluss aufrecht zu erhalten. Es mag sein, dass herkömmliche dynamische Dichtungen, z. B. eine Stopfbüchse oder eine gewöhnliche Magnetkupplung, bei Verdrängungszählern zufriedenstellend arbeiten. Diese Art von Dichtungen kann jedoch bei Flügelradzählern von hoher Genauigkeit nicht zugelassen werden, u. zw. vor allem wegen der auf den Läufersatz ausgeübten übermässigen mechanischen Reibung. Es wurde daher eine neue Art eines magnetischen Antriebes entwickelt, der als"Doppelrepulsions"-Antrieb bezeichnet wurde und von dem eine Form in Fig. 13 dargestellt ist.
Dieser Antrieb arbeitet bei Flügelradzählern für Gase, von denen eine Ausführungsform in Fig. 2 dargestellt ist, sehr befriedigend. Er verursacht praktisch keine mechanische Reibung, hat ein sehr niedriges Trägheitsmoment, eine hohe Beschleunigungsfähigkeit und ein verhältnismässig hohes Übertragungsdrehmoment. Im Falle des Flügelradzählers für Flüssigkeiten (Fig. 15), bei
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ner höheren Beschleunigungsfähigkeit.
4. Durchmesserverhältnis.
Ausser in einigen Sonderfällen wird der Durchmesser des Flügelradgehäuses gleich gross gewählt wie der Durchmesser der Rohrleitung, in die der Flügelradzähler zum Zwecke der Strömungsmessung eingebaut werden soll. Diese Konstruktion hat folgende Vorteile : (i) Sie gestattet den fluchtenden Einbau in der Leitung,
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entnommen. Theorie und praktische Versuchsergebnisse erweisen, dass der Angriffswinkel für symmetrische Flügel geringer ist als 20, u. zw. innerhalb des gesamten Betriebsbereiches der Strömungsmessung (Gleichung 17).
Es ist daher keine Flügelkrümmung notwendig und
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Ausserdem sind symmetrische Flügel im Hinblick auf die Fertigung und die Kosten sehr erwünscht. Eine unrichtige Flügelkrümmung beeinträchtigt ausserdem den Zählerbetrieb anstatt ihn zu verbessern.
8. Flügeldicke.
Niedriges Gewicht und niedriges Trägheitsmoment des Läufers erfordern dünne Flügel. Versuche haben ausserdem gezeigt, dass die Flügeldicke auf die strömungsdynamischen Eigenschaften der Flügel innerhalb des Betriebsbereiches der Strömungsmessung keinen nennenswerten Einfluss hat. Die Flügeldicke soll daher auf einem mit der mechanischen Festigkeit, der Steifigkeit und mit Gesichtspunkten der Fertigung zu vereinbarenden Mindestmass gehalten werden. Für Flügelradzähler für Gase, bei denen es auf das Gewicht und Trägheitsmoment des Läufers ganz entscheidend ankommt (vgl. die Diskussion der Gleichungen 9,13 und 25) können in einigen Anwendungsfällen hohle Flügel gerechtfertigt sein.
9. Flügelwinkel.
Bei gegebenem Strömungszustand gibt es eine optimale Flügeleinstellung, die den günstigsten Wirkungsgrad der Flügel ergibt. Für einen innerhalb seines Betriebsbereiches arbeitenden Flügelradzähler mit symmetrischen, profilierten Flügeln ist der Wirkungsgrad auch innerhalb eines Bereiches von : lion Abweichung von der optimalen Flügelstellung noch gut. Ein hohes Antriebsdrehmoment erfordert jedoch gro- sse Flügelwinkel (Gleichungen 5 und 10), während ein geringer Druckverlust einen kleinen Flügelwinkel erfordert (Gleichung 22).
Der wünschenswerte Bereich der Flügelwinkel 8 = B1 = 82, gemessen in bezug auf die Achsrichtung, stellt daher einen Kompromiss zwischen den oben genannten Faktoren und dem erwünschten Wert der maximalen Läuferdrehzahl dar und ergibt sich durch den Versuch zu 400 < ss < 60 .
Der Flügelwinkel soll für Medien von niedriger Dichte, z. B. Gase, etwas höher sein als für Medien von hoher Dichte, wie Flüssigkeiten.
10. Ausfüllungsgrad.
Es wurde im Zusammenhang mit der obigen Analyse nachdrücklich darauf hingewiesen (vgl. die Diskussion der Gleichungen 5a und 13), dass die Flügel eines Flügelradzählers von hoher Genauigkeit genü-
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Ein hoher Ausfüllungsgrad bedeutet jedoch eine grosse Flügelgesamtfläche, und diese führt zu hoher Flügelprofilreibung. Der richtige Wert des Ausfüllungsgrades soll daher genügend niedrig sein, um einen niedrigen Flügelreibungsverlust zu gewährleisten, anderseits jedoch hoch genug sein, dass das Medium durch die Flügelanordnung genau geführt wird, u. zw. unter einem Winkel, der praktisch gleich ist dem der Flügelanordhung selbst.
Glücklicherweise ist die tatsächliche Ablenkung, die das Medium durch die Flügelanordnung erfährt, nur sehr gering (Winkel S < 6, 90, Gleichung 19), und es ist nur ein mässiger Wert des Ausfüllungsgrades erforderlich, um die Bedingung α2=ss2 zu erfüllen.
Versuchsergebnisse zeigen, dass sich die folgenden Grenzen für den Ausfüllungsgrad als wünschenswert ergeben haben :
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Der Ausfüllungsgrad soll für zusammendrückbare Medien, wie Gase, etwas höher sein als für unzu- sammendrückbare Medien, z. B. Flüssigkeiten.
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worin C die Sehnenlänge des Flügels am Radius r ist. Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass der Ausfüllungsgrad des Flügelsystems im Abstand r diesem Radius verkehrt proportional ist. Um also den gleichen Wert des Ausfüllungsgrades über die gesamte Flügellänge in dem geplanten Wert
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beim mittleren Radius r* zu erhalten, muss die Sehnenlänge C des Flügels mit dem Radius r in linearem Verhältnis wachsen, so dass
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Flügelfussist.
Dabei soll die Flügelzahl für zusammendrückbare Medien, wie Gase, etwas grösser sein als für unzusammendrückbare Medien, z. B. Flüssigkeiten.
12. Flügelverwindung (vgl. Fig. 15-18).
Der Flügel wird zuerst für den mittleren Radius r* des Läufers konstruiert. Gestützt auf die Annahme, dass die Eintrittsgeschwindigkeit in den Flügelkranz, va, annähernd über den Querschnitt (1) in Fig. 19 gleichmässig verteilt ist, sind die Flügel am besten bei andern Radien in solcher Weise verwunden, dass der gleiche Angriffswinkel über die ganze Flügellänge aufrecht erhalten bleibt.
Dies bedeutet, dass die geplante Bedingung des maximalen Flügelwirkungsgrades (Verhältnis Zug : Widerstand), geringste Grösse und grösstmögliche Änderung des Wirbelkoeffizienten (Ct, Gleichung 13) über die ganze Länge der Flügel aufrecht erhalten wird, was ein maximales gesamtes Antriebsdrehmoment je Einheit des Läuferschlupfes, eine minimale gesamte Reibung des Mediums und die bestmögliche lineare Beziehung zwischen Läuferdrehzahl und Durchflussmenge je Zeiteinheit zur Folge hat.
Die funktionelle Beziehung zwischen dem Grad der Flügelverwindung und dem Abstand von der Läuferachse ist folgende : Aus Gleichung 17 folgt bei dem mittleren Halbmesser r* des Läufers (Fig. 22)
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entsprechend der Forderung nach gleichem Angriffswinkel über die gesamte Länge der Flügel, ist also nicht in nennenswertem Masse bedenklich.
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dere wenn es sich um strömungsdynamisch günstige Flügel handelt. Für Flügelradzähler, bei denen eine äusserst hohe Genauigkeit nicht erforderlich ist, niedrige Kosten jedoch wesentlich sind, insbesondere bei kleinen Zählern, erweisen sich daher gerade, unverwundene Glieder (Fig. 10 und 12) in den meisten Fällen als befriedigend.
Fig. 15 zeigt eine der erwünschten Formen des Flügelradläufers, dessen Flügelanordnung den Bedingungen entspricht, die oben für solche Flügelradzähler angegeben wurden, bei denen es auf äusserst hohe Genauigkeit ankommt, während Gewicht, Trägheitsmoment des Läufers und Fertigungskosten nicht entscheidend sind, wie dies bei mittleren und grossen Flügelradzählern für Flüssigkeiten der Fall ist.
Wenr anderseits das Gewicht und das Trägheitsmoment des Läufers sowie die Herstellungskosten bestimmend
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Aus der obigen Analyse wurde in bezug auf den nach den oben aufgezählten Anhaltspunkten konstruierten Flügelradzähler folgende wichtige Folgerung gezogen :
Wenn die mechanische Reibung Tm so klein ist, dass der Schlupf des Läufers infolge Tm auch bein Minimum des Durchflusses im Betriebsbereich der Strömungsmessung bei Medien von nicht hoher Visko
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sität unbedeutend wird, reduziert sich die Gleichung (13) zu
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