DE19535683C2 - Woltmannzähler - Google Patents

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 der in Strömungsrichtung auf das axial durchströmte Flügelrad wirkende Axialschub durch statische Druckdifferenzen an den beiden Stirnseiten der Flügelradnabe au­ tomatisch ausgeglichen wird, und die Außendurchmesser der zum Flügelrad weisenden Enden der feststehenden Naben jeweils größer sind als der Außendurchmesser der Flügelradnabe an deren zu den feststehenden Naben weisenden Enden.

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 vergrös­ sert. 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 Flügelrades 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.

Aus US 3,248,943 ist weiterhin ein Woltmannzähler bekannt, bei dem der Ausgleich der aus der Strömung auf das Flügelrad wir­ kenden Axialschubkraft dadurch erfolgt, daß in den feststehenden Naben Durchlaßöffnungen vorgesehen sind. Diese Durchlaßöffnungen sind an den Enden der kegelförmigen Naben angeordnet, also an einer Stelle, wo die Strömung kaum oder nur gering eingeschnürt ist. Folglich liegen diese Durchlaßöffnungen in Bereichen relativ hohen Drucks. Sie kommunizieren über die hohlen Naben mit Kammern an den Stirnseiten der Flügelradnabe, so daß in diesen Kammern ebenfalls Überdruck anliegt. Die Druckverhältnisse in den Kammern werden durch Ringspalte zwischen den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der feststehenden Naben und der Flügelradnabe gere­ gelt. Sind die Ringspalte groß, so sinkt der Druck in den zuge­ ordneten Kammern. Bei kleinem Ringspalt baut sich dann wieder ein Überdruck auf. Es pendelt sich somit ein Gleichgewichtszustand zwischen der Axialschubkraft der Strömung und dem Druck in den Kammern auf.

Ein weiterer Woltmannzähler ist aus DE 21 08 410 B2 bekannt. Hier wird der Ausgleich der Axialschubkraft durch Lippen an den feststehenden Naben erreicht. Diese Lippen bewirken, daß auf der stromab liegenden Seite der Flügelradnabe ein höherer Druck vor­ liegt als auf der stromauf liegenden Seite. Dadurch wird das Flü­ gelrad der Strömung entgegen in Richtung der stromauf angeordne­ ten feststehenden Nabe gedrückt. Um eine Berührung zwischen dem Flügelrad und der stromauf angeordneten Nabe zu vermeiden, ist in der Flügelradnabe eine Druckausgleichsbohrung vorgesehen.

Bei dem Woltmannzähler gemäß US 4,155,253 wird der Axial­ schubkraft-Ausgleich durch einen großen Durchmesser-Rücksprung der Flügelradnabe gegenüber dem Durchmesser einer oder beider feststehender Naben erreicht. Zusätzlich dazu ist die Flügelrad­ nabe an ihrer stromab und/oder stromauf liegenden Stirnseite mit einer Gegendruckplatte versehen, die den übrigen Durchmesser der Flügelradnabe weit überragt. Darüber hinaus sind bei einigen Aus­ führungsformen als weitere Maßnahme zum Ausgleich der Axialschub­ kraft in der stromab liegenden, feststehenden Nabe axiale Durch­ gangsbohrungen vorgesehen, über die der Hochdruck von der stromab liegenden Seite der stromab angeordneten, feststehenden Nabe auf die stromab weisende Stirnseite der Flügelradnabe sowie die dort angeordnete Gegendruckplatte wirkt.

Diese wie auch andere bekannte Woltmannzähler weisen, wie der eingangs beschriebene Zähler gemäß US 4,449,410, aufgrund der zum Axialschubausgleich getroffenen Maßnahmen relativ hohe Druckver­ luste bzw. einen unruhigen Lauf des Flügelrades auf. Sie sind zu­ dem wegen der zusätzlichen Maßnahmen, wie z. B. Druckausgleichs­ bohrungen, Gegendruckplatten, relativ kompliziert aufgebaut.

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 Axialschubausgleiches 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.

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 stromaufliegende 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 F_ax2 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 F_ax1, 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)

1. Woltmannzähler mit einem aus einer Flügelradnabe (5) und darauf angeordneten Flügeln (6) bestehenden 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 der in Strömungsrichtung auf das axial durch­ strömte Flügelrad (3) wirkende Axialschub durch statische Druck­ differenzen an den beiden Stirnseiten der Flügelradnabe (5) auto­ matisch ausgeglichen wird, und die Außendurchmesser (D₂, D₃) der zum Flügelrad (3) weisenden Enden der feststehenden Naben (7, 8) jeweils größer sind als der Außendurchmesser (D₁) der Flügelrad­ nabe (5) an deren zu den feststehenden Naben (7, 8) weisenden Enden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelradnabe (5) über ih­ re Breite (B) einen gleichbleibenden Außendurchmesser (D₁) auf­ weist, der um 4 bis 8% kleiner ist als die Außendurchmesser (D₂, D₃) der feststehenden Naben (7, 8) an deren zum Flügelrad (3) hinweisenden Enden.