DE19535683A1 - Woltmannzähler - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Woltmannzähler mit
einem aus einer Flügelradnabe und darauf angeordneten Flügeln be
stehenden Flügelrad, welches zwischen einer feststehenden strom
auf vom Flügelrad angeordneten Nabe und einer feststehenden
stromab vom Flügelrad angeordneten Nabe drehbar und axial ver
schiebbar gelagert ist, wobei die Außendurchmesser der zum Flü
gelrad weisenden Enden der feststehenden Naben jeweils größer
sind als der Außendurchmesser der Flügelradnabe an deren zu den
feststehenden Naben weisenden Enden, und der in Strömungsrich
tung wirkende Axialschub des axialdurchströmten Flügeirades durch
statische Druckdifferenzen an den beiden Stirnseiten der Flügel
radnabe ausgeglichen wird.
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. Zudem leidet
darunter auch die Meßgenauigkeit.
Zur Vermeidung bzw. Minderung der o.g. Nachteile sind zahl
reiche Lösungen bekannt, durch die ein Ausgleich der aus der
Strömung auf das Flügelrad wirkenden Axialschubkraft erreicht
wird bzw. werden soll.
In der US-PS 4 449 410 ist ein Woltmannzähler beschrieben,
bei dem ein Flügelrad, bestehend aus einer Nabe und darauf an
geordneten Flügeln, in einem rohrförmigen Durchströmelement
dreh- und axialverschiebbar gehaltert ist. Dazu ist stromauf und strom
abwärts vom Flügelrad je eine feststehende Nabe vorgesehen, in
denen die Flügelradwelle in Axiallagern gelagert ist.
Im Strömungsweg des zu messenden Fluids sind an den Naben
Durchmesserstufungen vorgesehen, und zwar so, daß die Außen
durchmesser der zum Flügelrad hin weisenden Enden der feststehen
den Naben jeweils größer sind als der Außendurchmesser der Flü
gelradnabe an deren zu den feststehenden Naben weisenden Enden.
Darüber hinaus sind aber auch die Innendurchmesser der zum Flü
gelrad weisenden Enden der feststehenden Naben größer als der
Außendurchmesser der Flügelradnabe an deren zu den feststehenden
Naben weisenden Enden. Dadurch kann die Flügelradnabe bei ent
sprechendem axialen Flügelradspiel in die feststehenden Naben mit
Spiel eindringen. Auf dieser Eindringlänge und etwas darüber hin
aus ist die Innenwandung der feststehenden Naben zylindrisch aus
geführt, so daß sich zwischen den eintauchenden Enden der Flügel
radnabe und diesen hohlzylindrischen Innenwandabschnitten jeweils
ein radialer Ringspalt gleichbleibenden Querschnitts ergibt. Des
weiteren ist das strömungsabwärts liegende Ende der Flügelradna
be gegenüber dem übrigen Teil dieser Nabe im Durchmesser vergrößert.
Damit weist natürlich auch die stromab liegende feststehen
de Nabe an ihrem zum Flügelrad weisenden Ende einen größeren
Durchmesser auf als die stromauf liegende feststehende Nabe.
Bei dem beschriebenen Woltmannzähler wird ein Axialschubaus
gleich des Flügelrades wie folgt erreicht:
Aufgrund der sprunghaften Änderung zwischen den Außendurch messern der stromauf liegenden Nabe und der Flügelradnabe bildet sich an dieser Stelle ein Strömungsabriß aus, der in allen axia len Positionen des Flügelrades einen annähernd gleichen Unter druck im Hohlraum der stromauf liegenden Nabe hervorruft. Am stromab liegenden Ende der Flügelradnabe bilden ihr dort ver größerte Außendurchmesser und der vergrößerte Durchmesser der stromab liegenden Nabe ein relativ großes Stauprofil, welches er heblich in die Flügelrad-Meridianströmung hineinragt und in allen axialen Positionen des Flügeirades eine scharfe Strömungsumlen kung herbeiführt. Durch den oben bereits erwähnten radialen Ring spalt wird der resultierende Staudruck und damit ein Überdruck auf die stromab weisende Seite der Flügelradnabe übertragen. Er bewirkt in allen Flügelradstellungen einen Axialschub entgegenge setzt zur Strömungsrichtung.
Aufgrund der sprunghaften Änderung zwischen den Außendurch messern der stromauf liegenden Nabe und der Flügelradnabe bildet sich an dieser Stelle ein Strömungsabriß aus, der in allen axia len Positionen des Flügelrades einen annähernd gleichen Unter druck im Hohlraum der stromauf liegenden Nabe hervorruft. Am stromab liegenden Ende der Flügelradnabe bilden ihr dort ver größerte Außendurchmesser und der vergrößerte Durchmesser der stromab liegenden Nabe ein relativ großes Stauprofil, welches er heblich in die Flügelrad-Meridianströmung hineinragt und in allen axialen Positionen des Flügeirades eine scharfe Strömungsumlen kung herbeiführt. Durch den oben bereits erwähnten radialen Ring spalt wird der resultierende Staudruck und damit ein Überdruck auf die stromab weisende Seite der Flügelradnabe übertragen. Er bewirkt in allen Flügelradstellungen einen Axialschub entgegenge setzt zur Strömungsrichtung.
Bei dem oben stehend beschriebenen Woltmannzähler wird ge
genüber dem Stand der Technik mit relativ einfachen konstrukti
ven Mitteln ein Axialschubausgleich erreicht. Nachteilig sind
jedoch der relativ hohe Druckverlust aufgrund des erheblich in
die Meridianströmung hineinragenden Stauprofils sowie ein durch
die ungünstigen Durchströmungsbedingungen bedingter unruhiger
Lauf des Flügelrades.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wolt
mannzähler zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Ausgleich der
aus der Strömung auf das Flügelrad wirkenden Axialschubkraft mit
konstruktiv sehr einfachen Mitteln erreicht wird, der zudem auf
grund geringerer Druckverluste strömungstechnisch als günstiger
einzustufen ist und einen ruhigeren Lauf des Flügelrades auf
weist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Woltmannzähler
der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Flügelrad
nabe über ihre Breite einen gleichbleibenden, um ca. 4 bis 8%
kleineren Außendurchmesser aufweist, als die zum Flügelrad wei
senden Enden der feststehenden Naben.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß allein
schon dadurch, daß die Flügelradnabe in ihrem Außendurchmesser
etwas kleiner ausgeführt wird als die korrespondierenden Außen
durchmesser der stromauf bzw. stromab liegenden feststehenden
Naben, ein wirksamer automatischer Axialschubausgleich ohne die
Nachteile des bekannten Standes der Technik erreicht werden kann.
Dieser Zusammenhang wurde bisher nicht erkannt.
Die Wirkungsweise des automatischen Axialschubausgleichs bei
einem erfindungsgemäß ausgeführten Woltmannzähler ist folgende:
Bei der Durchströmung des Woltmannzählers bewirkt die plötz liche Querschnittsänderung unmittelbar hinter der stromauf lie genden Nabe eine Änderung der Meridiangeschwindigkeit bzw. der axialen Strömungsgeschwindigkeit, wobei in Abhängigkeit von der Grenzschichtausbildung an der stromauf liegenden Nabe und unab hängig vom Betrag der Querschnittsänderung eine Grenzschichtab lösung erfolgt, wodurch sich hinter dem Durchmessersprung (strom auf liegende Nabe/Flügelradnabe) ein Totwassergebiet ausbildet. Dabei erfolgt kein Anstieg des statischen Druckes im Bereich des zwischen der stromauf liegenden Nabe und dem Flügelrad bestehen den Axialspaltes.
Bei der Durchströmung des Woltmannzählers bewirkt die plötz liche Querschnittsänderung unmittelbar hinter der stromauf lie genden Nabe eine Änderung der Meridiangeschwindigkeit bzw. der axialen Strömungsgeschwindigkeit, wobei in Abhängigkeit von der Grenzschichtausbildung an der stromauf liegenden Nabe und unab hängig vom Betrag der Querschnittsänderung eine Grenzschichtab lösung erfolgt, wodurch sich hinter dem Durchmessersprung (strom auf liegende Nabe/Flügelradnabe) ein Totwassergebiet ausbildet. Dabei erfolgt kein Anstieg des statischen Druckes im Bereich des zwischen der stromauf liegenden Nabe und dem Flügelrad bestehen den Axialspaltes.
Dieser Spalt bildet eine ungedrosselte Verbindung zum Fluid
im Hohlraum der stromauf liegenden Nabe. Die betriebsabhängige
Breite des Axialspaltes kann dadurch das Totwassergebiet beein
flussen, weil zusätzliche Energie aus dem Fluid im Nabenhohlraum
in das Totwassergebiet gelangen kann. Dabei wird mit zunehmender
Spaltbreite die axiale Erstreckung des Totwassergebietes kleiner
und die Strömung kommt bereits im Flügelrad wieder zur Anlage an
die Umfangsfläche der Flügelradnabe. Das Totwassergebiet wird al
so durch die axiale Position des Flügelrades gesteuert.
Für die Ausbildung des automatischen Axialschubausgleichs ist
der Axialspalt zwischen dem Flügelrad und der stromab liegenden
Nabe von entscheidender Bedeutung. Befindet sich das Flügelrad
kurz vor der stromab liegenden Nabe (kleiner Axialspalt), ent
steht unmittelbar vor dem Durchmessersprung an der stromauf, lie
genden Nabe ein Staudruckgebiet, weil die Staustromlinie bereits
wieder an der Flügelradnabenwand anliegt. Die dadurch ausgelöste
Druckerhöhung im Bereich des stromab liegenden Axialspaltes er
zeugt eine Schubkraft, die eine axiale Flügelradverschiebung ent
gegengesetzt zur Strömungsrichtung bewirkt.
Mit zunehmender Vergrößerung des stromab liegenden Axial
spaltes nimmt der Staudruckeffekt ab. Das stromauf liegende Tot
wassergebiet ragt umso mehr in dem Bereich der Flügelradnabe hin
ein, je mehr der stromauf liegende Axialspalt verkürzt wird. Da
durch wird die Meridianströmung mit zunehmender Verkleinerung des
stromauf liegenden Axialspaltes durch das Totwassergebiet von der
Flügelradnabenwand abgelenkt. Infolge der strömungsbedingten
Schubspannungen zwischen der wandnahen Stromlinie und dem Fluid
im Hohlraum der stromab liegenden feststehenden Nabe tritt ein
Ejektor-Effekt im Bereich des stromab liegenden Axialspaltes auf
und erzeugt dort eine Unterdruckwirkung, die das Flügelrad in
Strömungsrichtung axial verschiebt. Dadurch tritt eine Umkehrung
der Wirkungsrichtung des Axialschubes auf - der Axialschub wirkt
in Strömungsrichtung.
Durch das Zusammenwirken von Totwassergebiet am stromauf
liegenden Axialspalt und spaltabhängiger Überdruck-/Unterdruck
wirkung (Wechselspiel zwischen Stauwirkung bzw. Ejektor-Effekt)
am stromab liegenden Axialspalt findet ein vollautomatischer
Schubausgleich statt. Das Flügelrad ist in jeder Axialposition
hydraulisch entlastet, sofern stationäre Strömungsverhältnisse
vorliegen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Woltmannzähler in
schematischer Darstellung, und
Fig. 2 und 3 Darstellungen gem. Fig. 1 zur Erläuterung des
Wirkprinzips des automatischen Axialschubaus
gleiches.
In den Figuren wurden weitere, für Woltmannzähler übliche
Bauteile, die dem Stand der Technik angehören, also nicht er
findungswesentlich sind, nicht dargestellt.
Mit 1 ist ein rohrförmiges Element bezeichnet, welches von
dem zu messenden Fluid in Richtung der Pfeile 2 durchströmt wird.
In diesem rohrförmigen Element 1 ist ein Flügelrad 3 dreh- und
axial verschiebbar gelagert, welches aus einer Flügelradwelle 4,
einer Nabe 5 sowie darauf angeordneten Flügeln 6 besteht.
Stromauf vom Flügelrad 3 ist eine Nabe 7 und stromab vom Flü
gelrad 3 eine Nabe 8 vorgesehen, wobei zwischen den zum Flügelrad
3 hinweisenden Enden der Naben 7, 8 und den axialen Stirnseiten
des Flügelrades 3 Axialspalte 9, 10 verbleiben.
Die Naben 7, 8 sind jeweils über sich radial erstreckende
Stege 11 bzw. 12 mit dem rohrförmigen Element 1 verbunden, d. h.,
feststehend in diesem Element 1 gehaltert.
Die Flügelradwelle 4 erstreckt sich in die Hohlräume 18, 19
der Naben 8, 7 hinein und ist an ihren Stirnseiten mit Bohrungen
13 versehen. Diese Bohrungen 13 nehmen Zapfen 14 auf, die in den
Scheitelpunkten der Naben 7, 8 orts- und drehfest angeordnet
sind. Die Länge der Zapfen 14 und die Tiefe der Bohrungen 13 sind
so aufeinander abgestimmt, daß sich das Flügelrad 3 mit Spiel
zwischen dem stromab weisenden Ende der Nabe 7 und dem stromauf
weisenden Ende der Nabe 8 axial bewegen kann. Die Paarung Zapfen
14 - Bohrung 13 stellt ein fluidgeschmiertes Quergleitlager dar,
welches neben der Axialbewegung gleichzeitig eine Drehbewegung
des Flügelrades 3 gewährleistet. Die beschriebene Lagerung des
Flügelrades 3 ist bei Woltmannzählern üblich.
Die axiale Ausdehnung der Flügel 6 entspricht der Breite B
der Flügelradnabe 5. Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die Flügelrad
nabe 5 auf ihrer gesamten Breite B einen konstanten Außendurch
messer D₁ besitzt. Weiterhin ist zu erkennen, daß dieser Außen
durchmesser D₁ etwas kleiner ist als die Außendurchmesser D₂ und
D₃ der zum Flügelrad 3 hinweisenden Enden der Naben 7, 8. Im Rah
men der vorliegenden Erfindung ist D₁ um ca. 4 bis 8% kleiner
als D₂ bzw. D₃, wobei die prozentuale Abweichung zwischen D₁ und
D₂ nicht identisch mit der Abweichung zwischen D₁ und D₃ sein
muß.
Aufgrund der unsteten Durchmesserabstufung zwischen dem
stromab weisenden Ende der Nabe 7 und der Flügelradnabe 5 bildet
sich unmittelbar hinter diesem Ende der Nabe 7 ein Totwasserge
biet 15 aus, welches sich über den Axialspalt 9 hinweg bis auf
die Wand der Flügelradnabe 5 erstreckt. Die axiale Erstreckung
des Totwassergebietes 15 auf die Wand der Flügelradnabe 5 ist um
so größer, je kleiner der Axialspalt 9 ist. Wenn sich das Flügel
rad 3 dicht an der Nabe 7 befindet (Fig. 2), also bei kleinem
Axialspalt 9, erstreckt sich das Totwassergebiet 15 relativ weit
in das Flügelrad 3 hinein. Die wandnahe Meridianströmung 16 wird
dann durch das Totwassergebiet 15 von der Wand der Flügelradnabe
5 abgelenkt, wodurch sie nicht oder nur sehr vermindert auf den
durch den Durchmessersprung D₁/D₃ am stromauf weisenden Ende der
Nabe 8 gebildeten kleinen Staurand 17 auftrifft.
Aufgrund der strömungsbedingten Schubspannung zwischen der
wandnahen Meridianströmung 16 und dem Fluid im Hohlraum 18 der
Nabe 8 bildet sich dann im Bereich des Axialspaltes 10 eine Ejek
torwirkung aus, die dort einen Unterdruck erzeugt. Die daraus re
sultierende Kraft Fax2 ist mit der aus der Strömung auf das Flü
gelrad 3 wirkenden Axialschubkraft gleichgerichtet, wodurch das
Flügelrad 3 mit einer daraus resultierenden Kraft in Strömungs
richtung verschoben wird. Dadurch verkleinert sich der Axialspalt
10 und damit auch die axiale Erstreckung des Totwassergebietes 15
auf die Wandung der Flügelradnabe 5 (Fig. 3).
Aufgrund dieser Verschiebung erstreckt sich das Totwasserge
biet 15 zunehmend weniger weit in das Flügelrad 3 hinein. Durch
den sich vergrößernden Axialspalt 9 gelangt zudem zusätzlich
Energie aus dem Fluid im Hohlraum 19 der Nabe 7 in das Totwasser
gebiet 15, so daß sich dieses nicht nur relativ (in bezug auf die
axiale Position des Flügelrades 3), sondern auch absolut ver
kürzt.
Mit dem Fortschreiten der Axialbewegung des Flügelrades 3 in
Strömungsrichtung legt sich die wandnahe Meridianströmung 16 auf
grund der Verkürzung der axialen Erstreckung des Totwassergebie
tes 15 und der damit einhergehenden Verminderung der Ablenkung in
zunehmendem Maße an die Wand der Flügelradnabe 5 an.
Wenn sich das Flügelrad 3 kurz vor der Nabe 8 befindet (klei
ner Axialspalt 10), entsteht unmittelbar vor dem Durchmesser
sprung D₁/D₃ an der Nabe 8 ein Staudruckgebiet, weil die bereits
wieder an der Wand der Flügelradnabe 5 anliegende wandnahe Meri
dianströmung 16 auf den Staurand 17 auftrifft. Die dadurch im Be
reich des Axialspaltes 10 hervorgerufene Druckerhöhung erzeugt
eine Schubkraft Fax1, die eine axiale Verschiebung des Flügelra
des 3 entgegengesetzt zur Strömungsrichtung bewirkt.
Durch den beschriebenen Wirkungsmechanismus findet ein auto
matischer Ausgleich der aus der Strömung auf das Flügelrad 3 wir
kenden Axialschubkraft statt. Die Lager 13, 14 werden geschont
und die Meßgenauigkeit verbessert.
Claims (1)
- Woltmannzähler mit einem aus einer Flügelradnabe (5) und darauf angeordneten Flügeln (6) bestehendes Flügelrad (3), wel ches zwischen einer feststehenden, stromauf vom Flügelrad (3) angeordneten Nabe (7) und einer feststehenden, stromab vom Flü gelrad (3) angeordneten Nabe (8) drehbar und axial verschiebbar gelagert ist, wobei die Außendurchmesser (D₂, D₃) der zum Flügel rad (3) weisenden Enden der feststehenden Naben (7, 8) jeweils größer sind als der Außendurchmesser (D₁) der Flügelradnabe (5) an deren zu den feststehenden Naben (7, 8) weisenden Enden, und der in Strömungsrichtung wirkende Axialschub des axial durchströ menden Flügelrades (3) durch statische Druckdifferenzen an den beiden Stirnseiten der Flügelradnabe (5) ausgeglichen wird, da durch gekennzeichnet, daß die Flügelradnabe (5) über ihre Breite (B) einen gleichbleibenden Außendurchmesser (D₁) aufweist, der um 4 bis 8% kleiner ist, als die Außendurchmesser (D₂, D₃) der feststehenden Naben (7, 8) an deren zum Flügelrad (3) hinweisenden Enden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995135683 DE19535683C2 (de) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | Woltmannzähler |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE1995135683 DE19535683C2 (de) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | Woltmannzähler |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19535683A1 true DE19535683A1 (de) | 1997-03-27 |
DE19535683C2 DE19535683C2 (de) | 1999-03-25 |
Family
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Family Applications (1)
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DE1995135683 Revoked DE19535683C2 (de) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | Woltmannzähler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19535683C2 (de) |
Cited By (2)
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1995
- 1995-09-26 DE DE1995135683 patent/DE19535683C2/de not_active Revoked
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