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Turbinen-Strömungsmesser
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axialer Durchströmung ist das Flügelrad, welches sich mit einer der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Drehzahl dreht. Für einen Strömungsmesser sind-innerhalb der jeweiligen gegebenen Fehlergrenzen-der Messbereich und die Lebensdauer von besonderer Bedeutung. Ferner wirkt sich auf die Messgenauigkeit und die Lebensdauer die Bremswirkung und die Abnützung des Fusslagers, welches die axiale Kraft aufnimmt, gleichfalls ungünstig aus und dieser Umstand begrenzt den Messbereich. Schliesslich beeinflusst die Betriebsdrehzahl die Lebensdauer.
Das stromende Medium übt auf das sich drehende Flügelrad eine axiale Kraft in Richtung der Stromung aus. Die axiale Kraft wird durch eine sogenannte axiale Entlastung mittels eines Fusslagers mit einem Lagerstein aus Achat, Rubin, Saphir u. dgl. oder mittels verschiedener hydraulischer Ausgleicheinrichtungen kompensiert ; unter Umständen werden beide Methoden gemeinsam verwendet.
Gemäss einer bekannten Lösung zur Kompensation der axialen Kraft entsteht infolge der gemeinsamen Wirkung des verstärkten Endes des sich auf einer durchgehenden Welle drehenden Flügelrades und eines Verengungsringes in der Verengung eine grössere Strömungsgeschwindigkeit und ein geringerer Druck als in den übrigen Querschnitten. Der in dem grösseren Querschnitt hinter dem Läufer auftretende grosste Druck drückt den Läufer in Richtung des Verengungsringes auch entgegen der axialen Kraft zurück.
Gemäss einer Variante dieses Prinzips fällt die Verengung mit der Stirnfläche des Kernteiles des Flügelrades zusammen, demzufolge entsteht an dieser Stelle der geringste Druck. Die Differenz des auf die Rückfläche des Flügelrades wirkenden grosseren Druckes und des erwähnten geringeren Druckes ergibt die axiale Entlastung.
Bei einer andern bekannten Ausführung wird ebenfalls ein bekanntes strömungstechnisches Prinzip nutzbar gemacht. Hier wird neben der feststehenden Welle der Raum mit grossem Querschnitt und mit grossem Druck mit dem Raum mit geringem Querschnitt und mit geringem Druck durch Bohrungen, deren Richtung in die Strömungsrichtung fällt, verbunden. Das durch die Bohrungen strömende Medium stromt zwischen dem Lagerkörper und der Ebene des Flügelradkernes nach aussen. Das aus den Bohrungen hinausströmende Medium gelangt zwischen den Ebenen plötzlich in einen Raum mit grösserem Querschnitt, wobei sich sein Druck verringert. Dieser Spalt weist demzufolge einen geringeren Druck als der andere auf und es entsteht auch hier eine kompensierende Kraft.
Nach einer weiteren bekannten Lösung sind die Lager hohl ausgebildet und die Hohlräume durch Bohrungen mit dem strömenden Medium verbunden. In den Hohlräumen des ersten Lagers entsteht eine Saugwirkung, da dieselben durch Bohrungen mit dem engen Querschnitt verbunden sind. Der Hohlraum des hinteren Lagers ist dagegen mit dem Raum des grosseren Druckes verbunden, wobei dieser Druck auch durch die Druckkraft der Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Ist die Welle genügend dick, dann
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kompensiert die auf ihr Ende wirkende Kraft die axiale Belastung.
Es ist schliesslich allbekannt, dass das erste Lager und der verstärkte Kernteil des Flügelrades den Rohrquerschnitt verengen. In der Verengung wird die Strömungsgeschwindigkeit grösser und der Druck geringer, als vor und nach diesem Querschnitt. Durch das Medium mit grösserem Druck wird der Läuferteil infolge des auf den zu diesem Zweck schief ausgebildeten Schulterteil wirkenden Druckes gegen das erste Lager gedrückt, wodurch das hintere Lager entlastet wird.
Die dargelegten Lösungen sind mit mehreren Nachteilen behaftet.
Die durch das strömende Medium entstehende dynamische Kraft wirkt in axialer Richtung auf das sich drehende Flügelrad, doch diese Kraft wird mittels einer auf Basis einer Druckdifferenz entstehenden statischen Kraftwirkung kompensiert. Derart kann aber nur ein Teil der axialen Kraft ausgeglichen werden. Eine wirkungsvolle Entlastung bildet sich nur nach dem Erreichen einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit aus, obwohl die axiale Entlastung eben bei der langsamen Strömung, beim Anlassen, wichtig wäre.
Auch die manchmal vorgesehenen geringen Bohrungen sind nachteilig, da bei der Verstopfung derselben sich überhaupt keine axiale Entlastung ausbildet.
Bei dem erfindungsgemässen Turbinen-Strömungsmesser mit axialem Durchfluss strömenden Mediums sowie mit einem auf einer drehbar gelagerten Welle angeordneten Flügelrad sind die erwähnten Nachteile dadurch vermieden, dass in der Strömungsrichtung hinter dem Flügelrad ein vom Flügelrad unabhängiger Ring vorgesehen ist, der den auf ihn treffenden Teil des Mediums umkehrt und auf das Flügelrad entgegen der Strömungsrichtung zur Wirkung bringt.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Turbinen-Strömungsmessers werden an Hand eines beispielsweisen, in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. l zeigt einen axialen Längsschnitt des Stromungsmessers und Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des Strömungsmessers in der Ebene der Flügel.
Wie in Fig. l ersichtlich, ist das Flügelrad 2 im Gehäuse 1 des Strömungsmessers drehbar gelagert. Um das Flügelrad herum sind innerhalb des Gehäuses in den Räumen 3 die Impulswahrnehmer 4 in entsprechender Anzahl angeordnet.
In Strömungsrichtung (Pfeile 7) hinter dem Flügelrad 2 ist ein Umlenkring 5 vorgesehen, wobei das Ende des Flügelrades in einem Raum 6 mit erweitertem Querschnitt liegt.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, werden die erwähnten Nachteile auf folgende Weise beseitigt.
Die axiale Kraft, welche infolge des in Richtung der Pfeile 7 strömenden Mediums entsteht und auf das Flügelrad wirkt, wird durch zwei gleichzeitig wirkende Kräfte ausgeglichen. Die eine kompensierende Wirkung ergibt eine dynamische Kraft, welche durch Umkehren eines Teils des strömenden Mediums in Richtung der Pfeile 8 beim erfindungsgemässen Strömungsmesser erreicht wird. Zur Umkehrung des strömenden Mediums dient der hinter dem Flügelrad 2 angeordnete Umlenkring 5. Ein Teil des in ursprünglicher Richtung strömenden Mediums wird daher durch den Ring 5 umgekehrt und kann nur durch den geringeren Querschnitt hinter dem Flügelrad 2 hindurchströmen und wird demzufolge beschleunigt. Das umgekehrte und beschleunigte Medium wirkt mit seiner dynamischen Kraft auf die Endoberfläche des Flügelrades und drückt dasselbe entgegen der axialen Kraft zurück.
Die andere Wirkung beruht auf einer Druckdifferenz. Der Vorderteil des Flügelrades 2 besitzt einen geringeren Querschnitt und liegt in einem Raum mit geringerem Druck als das Ende des Flügelrades, welches einen grosseren Querschnitt aufweist und in einem Raum mit grosserem Druck liegt. Die auf die Endoberfläche wirkende resultierende Druckdifferenz drückt das Flügelrad gegen die axiale Kraft zurück und kompensiert zusammen mit der erwähnten Wirbelkraft vollständig die axiale Kraft.
Der Vorteil dieser Lösung im Vergleich zu den bekannten Lösungen besteht darin, dass die axiale Kraft dynamischen Ursprunges nicht nur durch eine statische - und nicht jeweils proportional wirkendeKraft der Druckdifferenz kompensiert wird, sondern auch durch eine der axialen Kraft proportionale, ebenfalls dynamische Wirbelkraft ausgeglichen wird. Diese Wirbelkraft spielt insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine bedeutende Rolle, wogegen die aus der Druckdifferenz entstehende
Kraft bei grosseren Geschwindigkeiten ausgebildet wird.
Bei dem erfindungsgemässen Turbinen-Strömungsmesser können zur Erfassung der Drehzahl auch mehrere impulswahrnehmende Signalgeber 4 verwendet werden, u. zw. in einer gegenseitigen Anordnung und elektrischen Schaltungsreihe, durch welche eine Erhöhung der Anzahl der Ausgangsimpulse bei einer Umdrehung des Flügelrades gesichert wird. Hier wird die Anzahl der Ausgangsimpulse bei einer Umdrehung als das Produkt der Flügelzahl und der Anzahl der Impulswahrnehmer erhalten. Die Anzahl der Flügel und der Impulswahrnehmer sowie die gegenseitigen Lagen derselben müssen derart gewählt
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werden, dass jeweils gleichzeitig nur ein einziger Flügel mit einem einzigen Wahrnehmer in Verbindung steht.
Dies wird in Fig. 2 beispielsweise dargestellt. Hier sind fünf Flügel auf dem Flügelrad 2 vorgesehen und dazu gehören vier Wahrnehmer 4, wodurch bei jeder Umdrehung desFlügelrades 20 Impulse erhalten werden.