-
Nach dem Tragflügelprinzip arbeitender axialer Flügelradmesser zur
Mengenmessung durchströmender Flüssigkeiten Es sind Mehrstromflügelradzähler bekannt,
die nach dem Stoßprinzip eines einfachen Wasserrades arbeiten. Dieses ist wegen
seines hohen Druckverlustes und damit geringen Wirkungsgrades beim Bau von Wasserkraftmaschinen
durch das Auftriebsprinzip des Tragflügelrades nahezu vollständig verdrängt worden.
-
Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf Mengenmesser, die das
überlegene Auftriebsprinzip benutzen. Sie geht aus von axialen Flügekadmessern zur
Mengenmessung durchströmender Flüssigkeiten mit schwimmenden Flügeln. Ein solcher
ist der bekannte Woltmann-Flügelmesser, der ein axiales Tragfiügelrad verwendet,
dessen Flügel mit schneidenden Axialebenen einen von Null verschiedenen Winkel einschließen.
Das Flügelrad wird durch eine drallfreie, axiale Strömung in Drehung versetzt, dessen
Tourenzahl mit der Strömungsgeschwindigkeit monoton wächst. Die mit mechanischer
oder besser elektronischer Übertragung angezeigte Tourenzahl läßt daher Rückschlüsse
auf sekundliche Durchflußmenge, ihre Integration über die Zeit Rückschlüsse auf
die gesamte Durchflußmenge zu, die aber, wie noch gezeigt wird, nicht immer den
heutigen Forderungen der Meßtechnik entsprechen. Bei einem bekannten Woltmann-Wassermesser
sind in den frei durchfließenden Wasserstrom einstellbare Ablenkungskörper eingelegt,
die Teile des Wasserstromes in einer von der Axialrichtung abweichenden Richtung
gegen die Woltmann-Flügel leiten. Hierdurch soll ohne Drosselung der Wasserströmung
eine Regelung des Ganges des Flügelrades erreicht werden.
-
Diese bekannten Woltmann-Flügelmesser haben gewisse Mängel, die sich
aus folgendem ergeben: Wenn das Flügelrad bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit
(nach kurzer Anlaufzeit) seinen stationären Zustand erreicht hat, hat das Drehmoment
der auf das Flügelrad ausgeübten Strömungskräfte nur das Reibungsmoment der Lager
und das Übertragungsmoment des Anzeigemechanismus zu decken.
-
Zunächst steht hierfür die senkrecht auf der Relativströmung stehende
Auftriebskraft der Schaufeln (Tragflügel) des Flügelrades zur Verfügung. Sie ist
dem Schlupf (Anstellwinkel der Tragflügel) proportional. Da aber der Auftriebskoeffizient
des Anstellwinkels von der Reynoldszahl rnf (mit v = Relativgeschwindigkeit des
jeweiligen Tragilügelschnitts, D = charakteristische Länge des Flügelrades, v =
kinematische Zähigkeit der Flüssigkeit) abhängt, gilt dasselbe auch für den Schlupf
des Meßrades, d. h. der Eichfaktor des Meßgeräts ändert sich mit der Re-
lativgeschwindigkeit
und der Zähigkeit der Strömung.
-
Die Reynoldszahl-Abhängigkeit des Woltmann-Mengenmessers wird - wie
weiter unten noch eingehender dargelegt wird - noch dadurch kompliziert, daß bei
ihm auch der Reibungswiderstand der Flüssigkeit eine von Null verschiedene Umfangskomponente
besitzt.
-
Bei den heutigen Ansprüchen an die Meßgenauigkeit würden solche Abhängigkeiten
eine gesonderte Messung der kinematischen Zähigkeit notwendig machen mit entsprechend
erhöhtem Aufwand an Meßgeräten und Auswertung. Dieser Aufwand kann nur vermieden
werden, wenn das Flügelrad praktisch auftriebsfrei arbeiten und die Umfangskomponente
seines Strömungswiderstandes ausgeschaltet wird.
-
Zwar kann das Reibungsmoment der Flügelradlager und das Auftriebsmoment
der Meßwertübertragung mit bekannten Mitteln auf vernachlässigbare Beträge reduziert
werden. Aber auch dann behalten die Auftriebskräfte beim Woltmann-Mengenmesser einen
merklichen und bei genügend kleinen Reynoldszahlen einen so starken Einfluß auf
den Schlupf des Flügelrades, daß der Woltmann-Flügel in diesem Bereich nicht mehr
als Meßgerät brauchbar ist. Der Grund liegt darin, daß der Woltmann-Flügel auch
im stationären Betrieb selbst bei idealen Bedingungen für Flügelradlagerung und
Meßwertübertragung gar nicht auftriebsfrei arbeiten kann, weil die Sehnen seiner
Schaufeiprofile notwendigerweise einen endlichen Winkel b mit schneidenden Axialebenen
bilden müssen. Die Widerstandskraft, die der Sehnenrichtung näherungsweise parallel
läuft, kann grundsätzlich nicht zu Null gemacht werden und bildet bei 8 * O eine
stets vorhandene, drehmomentenerzeugende
Komponente in Umfangsrichtung,
die zur Herstellung des Gleichgewichts durch eine entgegengesetzte Auftriebskomponente
ausgeglichen werden muß. Die letztere führt aber (zusammen mit der unterschiedlichen
Abhängigkeit der Auftriebs- und Widerstandskräfte von der Reynoldszahl) zur Reynoldszahl-abhängigen
Variation des Schlupfes mit der hieraus folgenden Beschränkung des Meßbereiches.
-
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, diese Schwierigkeit zu
beseitigen. Die Erfindung gibt an, wie die Anordnung beschaffen sein muß, um einwirklich
auftriebsfreies, axiales Flügelrad zu verwirklichen und damit schlupffreie und Reynoldszahl-unabhängige
Meßwerte zu erhalten.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß einerseits ein feststehendes
Vorleitrad vorgesehen, das der anströmenden Flüssigkeit einen Drall erteilt, und
andererseits haben die Flügel des Flügelrades ausschließlich achsparallele Profile,
wobei sie entweder eben oder gewölbt ausgeführt sind.
-
Hierdurch wird der Meßbereich des axialen Flügelrades auf beliebig
kleine Reynoldszahlen erweitert, ohne daß der große Vorteil des Woltmann-Messers,
nur geringe Druckverluste zu erzeugen, verlorengeht.
-
Vorteilhaft wird hinter dem Flügelrad in Strömungsrichtung ein Leitrad
angeordnet, dessen Flügel derart ausgebildet sind, daß ein Druckrückgewinn erzielt
werden kann.
-
Der Unterdruck im Flügelraum kann zur Axialschubentlastung des Flügelrades
ausgenutzt werden.
-
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß Ausführungsformen bekannt
sind, bei denen der Flüssigkeit durch ein von außen angetriebenes Impellerrad (mit
axialen, langen Schaufelkanälen) ein Drehmoment erteilt wird, dessen Umfangskomponente
der Umfangsgeschwindigkeit des Impellerrades möglichst streng proportional ist.
Das stromab vom Impeller angeordnete Meßrad ist entweder federnd mit dem Gehäuse
verbunden und nimmt dann das ganze Drehmoment aus der Flüssigkeit heraus, oder es
sind Mittel vorgesehen, die die Drehung des Meßrades (Turbine) abbremsen, also mindestens
einen Teil des Flüssigkeitsdralls herausnehmen. Das aufzuwendende Drehmoment wird
zur Messung des Massenflusses verwendet, und das Meßrad bleibt in Umfangsrichtung
auch nicht annähernd kraftlos. Die Unabhängigkeit der Messung von der Reynoldszahl
wird durch eine genau definierte Minderung des Flüssigkeitsdralls (lange Schaufelkanäle
der Turbine) angestrebt und wahrscheinlich auch erreicht, aber nur unter Hinnahme
eines großen Druckverlustes.
-
Demgegenüber legt die vorliegende Erfindung besonderen Wert darauf,
daß das Meßrad soweit, wie praktisch erreichbar, kraftlos, d. h., daß die Auftriebskraft
der Schaufeln vernachlässigbar klein bleibt und daß die unvermeidbare Widerstandskraft
möglichst vollständig vom Lager aufgenommen wird und nicht als Tangentialkraft auftritt.
-
Es ist ferner bekannt, ein mit ebenen Schaufelprofilen besetztes
Flügelrad mit einer einem Teil der anströmenden Flüssigkeit einen Drall verleihenden
Vorleiteinrichtung zur Strömungsanzeige zu verwenden. Damit soll eine gleichförmige
Geschwindigkeit der Anzeigevorrichtung ohne Rücksicht auf die-Durchflußmenge erreicht
werden. Diese Anordnung dient also nur der Strömungsanzeige, nicht aber einer Messung
der Durchflußmenge. Die hier getroffenen Maßnahmen sollen daher gerade eine von
der durch
flußmenge unabhängige Drehgeschwindigkeit eines Flügelrades bewirken, wobei
die Erfindung dagegen eine Möglichkeit angibt, die Drehgeschwindigkeit möglichst
exakt proportional der Durchflußmenge zu machen.
-
Ferner ist es bekannt, einen Schubausgleich rotierender Flügelräder
(z. B. bei Pumpen, Kompressen und Turbinen) durch geeignete Ausnutzung unterschiedlicher
Drücke zu erzwingen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird hierfür der
Unterdruck der Drallströmung im Drallraum des Flügelrades herangezogen. Bei einer
bekannten Ausführungsform, bei der ein Schubausgleich stattfindet, sind dagegen
unterschiedliche Drücke durch Querschnittsänderungen geschaffen.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und
erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 Diagramme eines bekannten Woltmann-Flügels, Fig.3
ein Diagramm einer erfindungsgemäßen Ausbildung, F 1 g. 4 einen Flügelradmesser
zur Mengenmessung durchströmender Flüssigkeiten, schematisch in einem Längsschnitt,
F i g. 5 einen Flügelradmesser mit mittlerer Axialschub entlastung und F i g. 6
einen Flügelradmesser mit automatisch einspielendem Axialschubausgleich, beide schematisch
und im Längsschnitt.
-
Bei einem Woltmann-Flügel stellt sich die Drehungsgeschwindigkeit
so ein, daß der Vektor der Relativgeschwindigkeit (zusammengesetzt aus axialer Strömungsgeschwindigkeit
und umgekehrter Drehgeschwindigkeit des Schaufelprofils) ziemlich genau in die Richtung
der Profüsehne fällt (F i g. 1). In dieselbe Richtung fällt auch der Kraftvektor
W des Strömungswiderstandes. Er hat eine Umfangskomponente W-sind*O, die im Zustand
stationärer Flügelraddrehung durch Auftriebskomponenten A cos balanciert werden
muß (Fig.2). Das heißt, das Schaufelprofll erfährt einen widerstandsproportionalen
Auftrieb. Hierfür ist bekanntlich ein nicht verschwindender Anstellwinkel, d. h.
ein Schlupf des Flügelrades notwendig.
-
Wäre nun dieser Schlupf bei allen Strömungsgeschwindigkeiten und
allen Strömungsmedien gleich, so würde er die Proportionalität zwischen der Drehgeschwindigkeit
des Flügelrades und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums nicht stören und damit
auch keinen Fehler in die Mengenmessung tragen.
-
Leider ist der Strömungswiderstand W im interessierenden Gebiet außerordentlich
stark von der Reynoldszahl Re = v;! (v = Relativgeschwindigkeit zum Flügelprofil,
1 = Profiltiefe, v = - = kinema-Q tische Zähigkeit der Flüssigkeit) abhängig, und
gleiches gilt natürlich auch für den balancierenden Auftrieb und für den zu seiner
Erzeugung nötigen Schlupf. Das hat unzulässig große Meßfehler zur Folge, wenn das
Meßgerät in einem Bereich verwendet wird, dessen Reynoldszahl weit von der Reynoldszahl
der Eichung entfernt ist.
-
Dieser Fehler kann nur durch Ausschalten des Strömungswiderstandes
bereinigt werden, d. h., der WiZerstandsvektor darf keine Komponente tangential
zur Flügelradebene besitzen, und da er mit der Relativgeschwindigkeit
zusammenfällt,
kann diese Schlußfolgerung auch folgendermaßen ausgedrückt werden: Die Relativströmung
des Schaufelprofils muß ganz in einer axialen Ebene liegen, also drallfrei sein.
Das ist bei drehendem Flügelrad nur möglich, wenn die ankommende Absolutströmung
eine Drallströmung ist (Fig. 3).
-
Die Bedingung drallfreier Relativströmung ist streng genommen in
jedem koaxialen Zylinderschnitt zu erfüllen. In diesem ausgezeichneten und strömungstechnisch
klarsten Fall kann man die Notwendigkeit der absoluten Drallströmung vor dem Flügelrad
auch folgendermaßen nachweisen: Die Profilsehnen des Flügelrades müssen ungefähr
in die Richtung der Relativströmungv, d. h. in axiale Ebenen fallen. Ein solches
Flügelrad könnte durch eine drallfreie Strömung überhaupt nicht in Drehung versetzt
werden.
-
Wird die Bedingung drallfreier Relativströmung in jedem koaxialen
Zylinderschnitt erfüllt, so muß eine ganz bestimmte absolute Drallverteilung erzeugt
werden, die der Bedingung w1sinÖ1 = -v.co gehorcht, wo w, der absolute Geschwindigkeitsvektor
hinter dem festen Vorleitrad und 6, der Winkel ist, den er mit einer schneidenden
Axialebene einschließt.
-
Vielfach genügt es aber, die Drallfreiheit der Relativströmung nur
im Mittel zu erzwingen. Bei arbeitsfreiem Flügelrad geschieht das einfach dadurch,
daß alle Schaufeiprofile des drehenden Flügelrades den Einstellwinkel cs = O bekommen.
Bei nicht arbeitsfreiem, aber nur schwach belastetem Flügelrad muß man den Schaufeln
mit symmetrischen Profilen einen kleinen Voranstellwinkel oder - falls man am Sehnenwinkel
8 = 0 festhalten will ~ den Profilen eine leichte Wölbung geben. Im allgemeinen
wird schon die im Mittel drallfreie Relativströmung den Strömungswiderstand und
damit die Reynoldszahlabhängigkeit des Meßgeräts genügend ausschalten.
-
Das neue Meßprinzip verlangt also die Herstellung einer absoluten
Drallströmung durch ein festes Vorleitrad und ein nachgeschaltetes, drehbares Flügelrad,
mit Schaufeln, deren Profilsehnen sehr nahe an axiale Ebenen fallen. Genügt die
absolute Drallverteilung dem oben angegebenen Gesetz w1sina1 = -yO, = so wird beim
arbeitsfreien Rad drallfreie Relativströmung in jedem koaxialen Zylinderschnitt
erhalten.
-
Bei anderer Drallverteilung der Absolutströmung wird die Relativströmung
nur im Mittel drallfrei sein, was aber in vielen Fällen der Meßaufgabe bereits genügt.
Man hat nur darauf zu achten, daß am drehenden Flügelrad keine Abreißströmungen
auftreten.
-
Wenn auch die Meßaufgabe schon mit einem festen Vorleitrad und einem
nachgeschalteten drehenden Flügelrad der oben beschriebenen Art gelöst wird, so
wird doch logischerweise dem Flügelrad ein Nachleitrad nachgeschaltet, das ein ungefähres
Spiegelbild des Vorleitrades ist. Dieses Nachleitrad hat die Aufgabe, den absoluten
Drall unter Druckrückgewinn aus der Strömung herauszunehmen, wodurch der Druckverlust
des Meßgeräts erheblich gesenkt werden kann. Wird das Gerät sowohl in den Profilen
des Flügelrades als auch in den Schaufeln der beiden Leiträder genau spiegelbildlich
zur Flügelradebene
(achsensenkrechte Mittelebene durch das Flügelrad) ausgeführt,
so gestattet das Gerät Vor- und Rückwärtsbetrieb mit gleichem Eichfaktor. Bei nur
ungefähr spiegelbildlicher Ausführung sind die Eichfaktoren bei Vorwärts- und Rückwärtsströmung
verschmieden.
-
Das Gehäuse 1 besitzt ein fest angeordnetes Vorleitrad 2 und ein
ebenfalls fest angeordnetes hinteres Leitrad 3, die Achslager (Naben) 4, 5 für die
Achse 6 des Flügelrades 7 aufweisen. Der Raum im Gehäuse 1 zwischen den Leiträdern
2 und 3 ist mit Ziffer 8 bezeichnet. Die Drehung des Flügelrades wird elektromagnetisch
oder mechanisch (nicht gezeichnet) auf ein Zählwerk übertragen.
-
Die auf den fest angeordneten Leitschaufeln 2 heranströmende Flüssigkeit
wird durch den Durchgang durch die Leitschaufel 2 in eine Drallbewegung versetzt.
Hierbei verursacht die strömende Flüssigkeit eine Drehung des Flügelrades 7 um die
Achse 6. Hinter dem Flügelrad 7 wird die Flüssigkeit durch das zweite fest angeordnete
Leitrad 3 geführt, wo der Drall aufgehoben wird, so daß die Flüssigkeit hinter dem
Leitrad 3 wieder eine geradlinige Strömung erhält.
-
Beim Durchgang durch das Eintrittsleitrad erfährt das Strömungsmedium
einen Druckfall, beim Durchgang durch das Austrittsleitrad einen Druckanstieg.
-
Das drehende Flügelrad 7 arbeitet also in einem Unterdruckraum 8.
Der Druckunterschied dieses Raumes gegen den Raum außerhalb der Leiträder läßt sich
leicht zur Axialschubentlastung ausnutzen.
-
Führt man z. B. den vergleichsweise höheren Druck, der sich hinter
dem Austrittsleitrad 3 aufbaut, durch Nabenbohrungen 9, 10 zum hinteren Spalt 11
zwischen drehender Flügelradscheibe7 und feststehender Nabe 3 a, so wird mit geeigneter
Querschnittswahl eine mittlere Axialschubentlastung erhalten, die allerdings die
Variation des Axialschubes mit der Reynoldszahl nicht voll ausgleicht. In Fig. 5
sind einfachheitshalber nur hintere Nabenbohrungen 9, 10 dargestellt. Um den gleichen
Effekt auch für entgegengesetzte Strömungsrichtung fruchtbar zu machen, müßten auch
vordere Nabenbohrungen (nicht gezeichnet) vorgesehen werden. Die jeweils stromauf
liegenden Bohrungen sind dann zu verschließen.
-
Wie Fig. 5 zeigt, sind bei der soeben beschriebenen Anordnung immer
noch Drucklager notwendig.
-
Es können aber leicht auch automatisch regulierfähige Axialschubentlastungen
mit schwimmender Einspielung angegeben werden. Ein Beispiel zeigt die schematische
F i g. 6. Die beiden Endkalotten 12, 13 der Nabe sind hier fest mit dem drehenden
Flügelrad 7 verbunden. Da die Drücke vor dem feststehenden Eintrittsleitrad 2 ungefähr
gleich den Drücken hinter dem ebenfalls feststehenden Austrittsleitrad3 sind, heben
sich die Strömungskräfte auf die beiden Endkalotten 12, 13 der Nabe ungefähr auf.
In der Darstellung in F i g. 6 sind die Bohrungen 14, 15 durch die Nabe 5 des Austrittsleitrades
3 voll geöffnet und leiten den vollen Überdruck der wieder drallfrei gemachten Strömung
auf die stromab liegende Seite der Flügelradnabe 7. Die Bohrungen 16, 17 durch die
Nabe 4 des Austrittsleitrades 2 dagegen sind ganz abgedeckt. Die stromauf liegende
Seite der Flügelradnabe 7 steht also unter dem ungeschwächten Einfluß des Unterdruckes
der Drallströmung. Insgesamt gibt die in Fig. 6 dargestellte Anordnung einen Axialschubüberausgleich.
Bei weiter stromauf geschobener
Stellung des Flügelrad-Nabenkalotten-Systems
sinkt der Axialschubausgleich, um in eingespielter Stellung den Axialschub des Flügelrades
genau zu balancieren.