DE19503843C2 - Woltmannzähler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Woltmannzähler mit einem aus einer Nabe und daran angesetzten Flügeln bestehenden Flügelrad, welches zwischen einer feststehenden stromauf angeord­ neten Nabe und einer feststehenden stromab angeordneten Nabe drehbar und axial verschiebbar gelagert ist.

Bei der Durchströmung eines Woltmannzählers wird das Flügel­ rad in Drehung versetzt. Gleichzeitig wirkt aus der Strömung des fluiden Mediums eine hydrodynamische Axialschubkraft in Strö­ mungsrichtung auf das Flügelrad, die das stromab liegende Axial­ lager des Flügelrades zerschleißend beansprucht, was sich nach­ teilig auf die Lebensdauer dieses Lagers auswirkt.

Um diesen Verschleiß zu vermeiden bzw. zu verringern, werden Woltmannzähler mit Einrichtungen versehen, die die auf das Flü­ gelrad wirkende Axialschubkraft kompensieren, indem das Flügel­ rad in einen axialen Schwebezustand versetzt wird. Beispiele für derartige Einrichtungen sind aus der EP 0 076 189 B1 und der DE 41 05 840 A1 bekannt. Diese und auch die anderen zum Stand der Technik gehörenden Einrichtungen zur Axialschubentlastung des bzw. der Flügelradlager sind relativ kompliziert aufgebaut.

Aus der Patentschrift DE 22 27 620 C3 ist ein weiterer Wolt­ mannzähler der eingangs genannten Art bekannt. Dieser besitzt eine Kompensationsvorrichtung, welche bei Bewegung des Flügelra­ des in Strömungsrichtung dessen Drehzahl auf eine der Strömungs­ geschwindigkeit entsprechende Drehzahl erhöht und bei Bewegung des Flügelrades in Gegenströmungsrichtung dessen Drehzahl in ent­ sprechender Weise vermindert. Die Kompensationsvorrichtung be­ steht aus zwei Rutschkupplungen, wobei die eine Kupplung stromab angeordnet ist und aus einem starr mit dem Flügelrad verbundenen Kupplungselement sowie einem mit einem Motor verbundenen Kupp­ lungselement besteht. Der Motor wird von der feststehenden strom­ ab angeordneten Nabe getragen. Die andere, stromauf angeordnete Rutschkupplung besteht ihrerseits aus einem starr mit dem Flügel­ rad verbundenen Kupplungselement und einem starr mit der festste­ henden stromauf angeordneten Nabe verbundenen Kupplungselement. Wenn sich im Betrieb des Zählers dessen Flügelrad in Strömungs­ richtung verschiebt, kommen die Kupplungselemente der stromab angeordneten Rutschkupplung mehr und mehr in Eingriff, so daß über den Motor Rotationsenergie auf das Flügelrad übertragen wird. Dadurch wird dessen Drehzahl erhöht, bis diese der korrek­ ten, der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Drehzahl ent­ spricht. Das Flügelrad bewegt sich dann entgegen der Strömungs­ richtung des Fluids in eine Neutralstellung, so daß die vom Motor auf das Flügelrad übertragene Rotationsenergie ständig abnimmt. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit plötzlich vermindert, und das Flügelrad aufgrund seiner kinetischen Energie eine Drehzahl aufweist, die die korrekte Drehzahl übersteigt, bewegt sich das Flügelrad entgegen der Strömungsrichtung, indem es sich gewisser­ maßen in das Strömungsmittel hineinschraubt. Dadurch kommen die Kupplungselemente der stromauf angeordneten Rutschkupplung in Eingriff. Da eines dieser Kupplungselemente starr mit der fest­ stehenden stromauf angeordneten Nabe verbunden ist, wird dem Flü­ gelrad Rotationsenergie genommen, so daß dessen Drehzahl sinkt. Wenn die Drehzahl des Flügelrades wieder der korrekten Drehzahl entspricht, verschiebt sich das Flügelrad wieder in eine Neutral­ stellung. Mit den beiden Rutschkupplungen soll also die Drehzahl des Flügelrades automatisch geregelt werden, so daß diese ständig der korrekten Drehzahl entspricht. Dadurch sollen Meßfehler ver­ mieden werden.

Aus der DE-OS 16 23 946 ist ein Woltmannzähler bekannt, bei dem mit der feststehenden, stromauf liegenden Nabe verbundene Flügel und mit dem Meßflügelrad verbundene Flügel als Bremstur­ bine zusammenwirken. Dadurch wird ein Bremsmoment erzeugt, dem gegenüber das aus der Lagerreibung und aus der Viskosenreibung resultierende Bremsmoment vernachlässigbar klein ist. Dies hat eine Linearisierung der Fehlerkurve des Zählers zur Folge. Eine weitere Wirkung der Bremsturbine besteht darin, daß sie wie eine Pumpe wirkt, die Flüssigkeit aus dem Hohlraum der stromauf ange­ ordneten feststehenden Nabe absaugt und dort einen Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck wirkt der aus der strömenden Flüssig­ keit auf das Flügelrad wirkenden Axialschubkraft entgegen, wo­ durch ein Ausgleich zwischen den Kräften erreicht werden soll. Eine axiale Verschiebbarkeit des Flügelrades ist in dieser Druck­ schrift nicht angesprochen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Woltmann­ zähler zur Verfügung zu stellen, bei dem die Kompensation der hydrodynamischen Axialschubkraft mit einfachen Mitteln erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Woltmannzähler der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die sich gegenüber­ liegenden Seiten der feststehenden stromab angeordneten Nabe sowie der Flügelradnabe als Teile einer Strömungskupplung ausge­ bildet sind, derart, daß die Teile der Flügelradnabe die antrei­ bende Seite und die Teile der feststehenden Nabe das Gegenrad bilden, wobei die in der Strömungskupplung entstehenden Kräfte das Flügelrad von der feststehenden Nabe wegdrücken.

Diese Ausbildung des Woltmannzählers ist vorgesehen, wenn dieser ausschließlich bei Vorwärtsströmung arbeitet. Soll er so­ wohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsströmung arbeiten, ist in Fortbildung der Erfindung vorgesehen, daß auch die sich gegen­ überliegenden Seiten der stromauf angeordneten feststehenden Nabe sowie der Flügelradnabe als Teile einer Strömungskupplung ausge­ bildet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die sich je­ weils gegenüberliegenden Seiten der feststehenden Naben und der Flügelradnabe durch radiale Querrippen voneinander getrennte Kam­ mern auf, die zueinander offen und gleichmäßig auf dem Umfang der Seiten verteilt sind. Auf der stromab liegenden Seite bilden die zueinander offenen Kammern der stromab zeigenden Seite der Flü­ gelradnabe und der stromauf zeigenden Seite der feststehenden Nabe eine erste Strömungskupplung, in der sich ein Teil des zu messenden Fluids als Arbeitsfluid kreisend bewegt. Hierbei ent­ stehen Kräfte, die das Flügelrad entgegen der Anströmrichtung von der feststehenden Nabe wegdrücken. Auf der stromauf liegenden Seite bilden die zueinander offenen Kammern der stromauf zeigen­ den Seite der Flügelradnabe sowie die stromab zeigende Seite der feststehenden Nabe in gleicher Weise eine zweite Strömungskupp­ lung. Die hier entstehenden Kräfte drücken das Flügelrad in An­ strömrichtung von der feststehenden Nabe weg.

Aufgrund der Axialbeweglichkeit des Flügelrades können sich die Strömungskupplungen öffnen bzw. schließen. Während sich eine Strömungskupplung öffnet und dadurch ihre Kräfte reduziert, schließt sich die andere Strömungskupplung und verstärkt ihre Kräfte.

Dieser Regelvorgang wird durch die hydrodynamische Axial­ schubkraft aus der Strömung überlagert. Das Flügelrad verharrt im axialen Schwebezustand, wenn sich die Axialschubkraft, unter­ stützt durch die axiale Kraft aus der zweiten Strömungskupplung, mit der axialen Gegenkraft aus der ersten Strömungskupplung im Gleichgewicht befindet.

Bei Rückwärtsströmungen tauschen die Strömungskupplungen ihre Funktionen und kompensieren in der gleichen Weise die Axialschub­ kraft.

Bevorzugte Ausführungen der Kammern ergeben sich aus den Un­ teransprüchen 4 und 5.

Es kann ferner zweckmäßig sein, wenn in den feststehenden Naben Kammern symmetrisch zur Drehachse des Flügelrades durch plane Flächen ersetzt sind. Dadurch ist eine Abstimmung der aus den Strömungskupplungen resultierenden Kräfte auf die auf das Flügelrad aus der Strömung wirkende Axialschubkraft möglich. Dieses Weglassen von wirksamen Kammern kann für die stromab liegende Strömungskupplung und die stromauf liegende Strömungs­ kupplung in gleichem Maße erfolgen. Es kann soweit getrieben wer­ den, daß an den feststehenden Naben die Kammern völlig weggelas­ sen werden, diese Seiten der feststehenden Naben also völlig plan sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Woltmann­ zähler gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Blick auf das Flügelrad der ersten Ausführungs­ form in Anströmrichtung,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Woltmann­ zähler gemäß einer zweiten Ausführungsform, und

Fig. 4 einen Blick auf das Flügelrad der zweiten Ausführungs­ form in Anströmrichtung.

Das Flügelrad 1 ist in beiden Ausführungsbeispielen einteilig ausgeführt und besteht aus der Welle 2, der Nabe 3 und den Flü­ geln 4. Es ist zwischen einer stromauf liegenden Nabe 5 und ei­ ner stromab liegenden Nabe 6 drehbar und axial verschiebbar ge­ lagert. Dazu sind in den Naben 5, 6 übliche Axiallager vorge­ sehen.

Im ersten Ausführungsbeispiel hat die Flügelradnabe 3, an der Welle 2 beginnend, zunächst Scheibenform und geht dann im Bereich des Außenumfangs der Naben 5, 6 in einen kranzförmigen Ansatz über, auf dem die Flügel 4 angeordnet sind. In die stromauf zei­ gende Stirnseite des Ansatzes sind auf seinem Umfang verteilt Kammern 7 gleichen Längs- und Querschnittes eingearbeitet, die durch radiale Stege 8 voneinander getrennt sind. Die Kammern 7 sind zur stromauf gelegenen Nabe 5 hin offen und haben Quer­ schnitte in Form von Kreissektorabschnitten.

Den Kammern 7 liegen auf den Umfang der Nabe 5 verteilt eben­ falls durch Querrippen 8 voneinander getrennte Kammern 9 gegen­ über, die zu den Kammern 7 hin offen sind. Der Öffnungsquer­ schnitt jeder der Kammern 9 entspricht dem aus Fig. 2 ersicht­ lichen der Kammern 7. Die Kammern 7 und 9 bilden in ihrem Zusam­ menwirken eine erste Strömungskupplung.

Baugleich zu den Kammern 7 und 9 sind auf der stromab liegen­ den Seite des Flügelrades 1 und in der stromab liegenden Nabe 6 Kammern 10 bzw. 11 vorgesehen, die eine zweite Strömungskupplung bilden.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Woltmannzähler unter­ scheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel u. a. dadurch, daß die Kammern 7, 10 in der Flügelradnabe 3 im Prinzip zur Flügel­ radachse 2 hin verlängert sind, und so die Querschnittsform von Kreissektoren haben.

Des weiteren sind die den Kammern 7, 10 gegenüberliegenden Seiten 9, 11 der feststehenden Naben 5, 6 plan gestaltet, d. h., die Kammern werden hier völlig weggelassen. Auch bei dieser Ge­ staltung bilden die Kammern 7, 10 in Wechselwirkung mit den pla­ nen Flächen 9, 11 Strömungskupplungen und die gewünschte Schub­ kraftentlastung des Flügelrades 1 tritt ein.

Claims (8)

1. Woltmannzähler mit einem aus einer Nabe (3) und darauf ange­ ordneten Flügeln (4) bestehenden Flügelrad (1), welches zwischen einer feststehenden stromauf angeordneten Nabe (5) und einer feststehenden stromab angeordneten Nabe (6) drehbar und axial verschiebbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Seiten der feststehenden stromab angeordneten Nabe (6) sowie der Flügelradnabe (3) als Teile einer Strömungs­ kupplung ausgebildet sind, derart, daß die Teile (10) der Flü­ gelradnabe (3) die antreibende Seite und die Teile (11) der fest­ stehenden Nabe (6) das Gegenrad bilden, wobei die in der Strö­ mungskupplung entstehenden Kräfte das Flügelrad (1) von der fest­ stehenden Nabe (6) wegdrücken.

2. Woltmannzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die sich gegenüberliegenden Seiten der stromauf angeordneten feststehenden Nabe (5) sowie der Flügelradnabe (3) als Teile (7, 9) einer Strömungskupplung ausgebildet sind.

3. Woltmannzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die sich jeweils gegenüberliegenden Seiten der festste­ henden Naben (5, 6) und der Flügelradnabe (3) durch radiale Quer­ rippen (8) voneinander getrennte Kammern (9, 7 bzw. 11, 10) auf­ weisen, die zueinander offen und gleichmäßig auf dem Umfang ver­ teilt sind.

4. Woltmannzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (9, 7 bzw. 11, 10) die Querschnittsform von Kreis­ sektoren haben, welche sich etwa vom Außenumfang der Naben (3, 5, 6) bis in den Bereich der Flügelradwelle (2) erstrecken.

5. Woltmannzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (9, 7 bzw. 11, 10) die Querschnittsform von am Au­ ßenumfang der Naben (3, 5, 6) liegenden Kreissektorabschnitten haben.

6. Woltmannzähler nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den feststehenden Naben (5, 6) Kammern (9, 11) symmetrisch zur Drehachse des Flügelrades (1) durch plane Flächen ersetzt sind.

7. Woltmannzähler nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den feststehenden Naben (5, 6) die Kammern (9, 11) völlig weggelassen und durch plane Flächen ersetzt sind.

8. Woltmannzähler nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die stromab liegende Strömungskupplung mehr Kammern vorgesehen sind als für die stromauf liegende Strömungs­ kupplung.