DE1960186B2 - Massenströmungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Massenströmungsmesser der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten und in der US-PS 32 32 110 beschriebenen Art.

Massenströmungsmesser der Drehimpulsart werden in großem Umfange bei Flugzeugen zur Messung der Massenströmungsrate des Brennstoffes verwendet, der den Flugzeugantriebsaggregaten zugeführt wird. Derartige Strömungsmesser bestehen aus einem Gehäuse, durch das das zu messende Strömungsmittel fließt und in dem sich ein Wirbelgenerator und eine Reaktionsturbine befinden. Der Wirbelgenerator beaufschlagt das Strömungsmittel mit einem Drehimpuls oder mit Wirbel, der durch die Reaktionsturbine wieder beseitigt wird, die ihrerseits an einer Rotation durch eine geeignete Bremsvorrichtung gehindert ist. Da das auf die Reaktionsturbine ausgeübte Drehmoment des Strömungsmittels dem Produkt der Massenströmungsrate und der Winkelgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist, kann die Massenströmungsrate durch Auslenkung der Reaktionsturbine gegen die Gleichgewichtskraft der Bremsvorrichtung bestimmt werden, wenn Korrekturen für die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Strömungsmittels vorgenommen werden.

Bisher war es üblich, als Wirbelgenerator ein Laufrad zu verwenden, das durch einen Motor mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, um dem zu messenden Strömungsmittel eine Wirbelbewegung aufzuprägen. Um die Kosten zu senken und Schwierigkeiten zu verringern, war man bemüht, das motorgetnebene Laufrad durch einen Wirbelgenerator zu ersetzen, der die Energie des Strömungsmittels ausnutzt, um Wirbel zu erzeugen. Derartige Wirbelgeherätoren verwenden einen Satz schräger Schaufeln, die der Strömung ausgesetzt sind. Wenn jedoch die Wirbelgeschwindigkeit durch fest angeordnete Flügel erzeugt wird, die sich in der Strömung befinden, zum Unterschied vom Laufrad, das durch einen Motor konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, wird die Wirbelgeschwindigkeit bei hohen Strömungsraten größer. Hierdurch wird eine hötiere Drehmomentenausgangsleistung der Bremsvorrichtung, beispielsweise eines Drehmomentenmotors, erforderlich, die kostspielig und daher unerwünscht ist

Zur Lösung dieses Problems ist es bereits bekannt, Vorrichtungen mit veränderlichem Anstellwinkel der Flügel zu verwenden, um dadurch eine Anpassung der Wirbelgeschwindigkeit bei hohen Strömungsraten zu erreichen. Eine solche Flügelanstellwinkelsteuerung bringt aber unerwünschte Komplikationen mit sich, die die Zuverlässigkeit des Strömungsmeßsystems beeinflussen.

Ferner beschreibt zur Lösung dieses Problems die US-PS 3407 657 einen Massenströmungsmesser, bei dem ein Teil der Strömung bei größerer Strömungsmenge in einer Bypass-Strömung an dem Drallerzeuger vorbeigeleitet wird. Hierfür werden jedoch aufwendige, mechanisch komplizierte und störanfällige Mechanismen verwendet

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Massenströmungsmesser mit einem einfachen, betriebssicheren und billig zu fertigenden Steuerelement für die Bypass-Strömung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Strömungsmittel dem Wirbelgenerator über ein Rohr zugeführt ist, dessen Austrittsende die Schaufeln umgibt und das so ausgebildet ist daß sich sein Austrittsquerschnitt bei steigendem Strömungsmitteldruck in radialer Richtung progressiv erweitert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bypass-Steuerung einen sehr einfachen Aufbau besitzt und keine mechanisch miteinander in Eingriff stehende und sich abnutzende Bauteile aufweist, so daß die Fertigung und Wartung wesentlich vereinfacht ist. Darüberhinaus kann sich das Austrittsende des um den Wirbelgenerator herum angeordneten Rohres gemäß der Erfindung selbsttätig an die veränderlichen Strömungsraten anpassen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der Zeichnung näher erläutert Hierbei zeigt

F i g. 1 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Massenströmungsmessers, der einen strömungsgeregelten Wirbelgenerator besitzt,

F i g. 2 eine perspektivische Explosionsansicht, die gewisse Konstruktionseinzelheiten des Wirbelgenerators wiedergibt,

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Wirbelgenerators bei einer geringen Strömung,

F i g. 4 eine ähnliche Ausführungsform wie F i g. 3 mit der Ausnahme, daß hier ein Zustand hoher Strömung gezeigt ist, und

F i g. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wirbelgeschwindigkeit und der Strömung angibt.

Die Fig. 1 zeigt einen Massenströmungsmesser der Drehimpulsart, der die vorliegende Erfindung verkörpert Der Strömungsmesser hat ein zylindrisches Gehäuse 12, das mit Endflanschen 13 uid 14 versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie mit einem Zuleitungsrohr verbunden werden können, durch das das zu messende Strömungsmittel fließt Das Strömungsmittel, das durch ein Einlaßende 15 eintritt, strömt durch einen Wirbelgenerator 16, der dem Strömungsmittel ein? Winkelgeschwindigkeit oder Wirbel auf- to prägt

Abströmseitig zum Wirbelgenerator 16 sind eine Geschwindigkeitsturbine 17 mit einem Wirbelgeschwindigkeitsgeber 31 und eine Reaktionsturbine 18 angeordnet, die zur Rotation mit Hilfe geeigneter und nicht is näher dargestellter Lager koaxial auf der Welle 19 befestigt sind. Die Geschwindigkeitsturbine 17 besitzt eine äußere zylindrische Ummantelung 20, die von einer Nabe 21 durch radial angeordnete Flügel'22 getrennt ist, weiche längsgerichtete Strömungskanäle 23 bilden. Das wirbelnde Strömungsmittel aus dem Wirbelgenerator 16 trifft Stuf die Flügel 22 und bewirkt eine Drehung der Geschwindigkeitsturbine 17, strömt sodann durch die Strömungskanäle 23 und verläßt die Turbine abströmseitig. Die Strömungskanäle 23 sind genügend lang, so daß das die Turbine verlassende Strömungsmittel eine gleiche Winkelgeschwindigkeit besitzt, die auch gleich der Drehgeschwindigkeit der Turbine ist

Die Reaktionsturbine 18 ist ähnlich aufgebaut, wie die Geschwindigkeitsturbine 17 und besitzt eine äußere zylindrische Ummantelung 24, die durch radiale Flügel 26 von der Nabe 25 entfernt ist, welche längsausgerichtete Strömungskanäle 27 bilden. Das wirbelnde Strömungsmittel verläßt die Geschwindigkeitsturbine 17, trifft auf die Flügel 26 auf und verursacht eine Auslenkung der Reaktionsturbine, die durch geeignete Mittel, wie beispielsweise durch einen elektromagnetischen Drehmomentmotor 28, gebremst wird. Seine Ausgangsleistung ist eine Funktion der Auslenkung der Reaktionsturbine 18, die durch geeignete Vorrichtungen, wie beispielsweise einen Drehwinkelgeber 30, gemessen wird. Außerdem ist ein Turhinengeschwindigkeitsabgriff 31 vorgesehen, der ein Geschwindigkeitssignal erzeugt, das der Geschwindigkeit der Turbine 17 proportional ist, die auch der Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist, das aus dieser ausströmt

Wie den F i g. 2,3 und 4 zu entnehmen ist, besitzt der Wirbelgenerator 16 eine Basis 32 und ein Nasenteil 33, dessen äußere Oberflächen wie gezeigt Oberflächen der Umwälzung um eine Achse A-A sein können. Die Achse A-A fällt vorzugsweise mit den Achsen des zylindrischen Gehäuses 12 und der Turbinenwelle 19 zusammen, um eine symmetrische Wirbelströmung um die zuvorgenannten Achsen zu gewährleisten. ^r>>

Um die Peripherie der Basis 32 sind mehrere Flügel 34 angeordnet, die unter einem bestimmten Winkel schräg zur Achse A-A angebracht sind. Die Flügel können — wie dargestellt — gebildet werden, indem in der Basis Schlitze 35 ausgefräst werden. Der Wirbel- fco generator wird im Gehäuse 12 durch Streben 36 gestützt, die sich von einem Stützring 37 aus radial nach innen erstrecken.

Das Strömungsmittel, das durch das Einlaßende 15 des Strömungsmessers eintritt, trifft zuerst auf das Nasenteil 33, das das Strömungsmittel radial nach außen umlenkt bis es die Schlitze 33 zwischen den Flügeln 34 in der Basis 33 erreicht. Bei geringen Strömungsraten (Fig.3) fließt es dann in einem ersten Strömungspfad durch die Schlitze 35 und verläßt abströmseitig den Wirbelgenerator, wie durch die Pfeile 38 angezeigt ist Da die Schlitze und Flügel schräg angebracht sind, erhält das fließende Strömungsmittel eine Wirbelgeschwindigkeit aufgeprägt

Um bei geringer Strömung eine hohe Wirbelgeschwindigkeit zu erzielen, ist ein zylindrisches Röhr 40 vorgesehen, das ein Abströmende 41 aufweist das bei geringer Strömung die Basis 33 des Wirbelgenerators umgibt, gegen ihn drückt und somit das gesamte einkommende Strömungsmittel durch die Schlitze 35 zwingt Das Abströmende 41 des Rohres 40 besitzt mehrere elastische Finger 43, die sich bei hoher Strömung aufgrund des Strömungsmitteldruckes umbiegen, der durch das mit Hilfe des Nasenteiles 33 nach außen umgelenkte Strömungsmittel entsteht, wie in F ig. 4 gezeigt

Bei höheren Strömungsraten fließt daher ein Teil des Strömungsmittels in einen zweiten Strömungspfad, der durch die Pfeile 39 angedeutet ist, um die Flügel und Schlitze herum und wird somit nicht mit Wirbeln beaufschlagt Dies hat die Wirkung, daß die mittlere Wirbelgeschwindigkeit des gesamten Strömungsmittels, das den Wirbelgenerator abströmseitig verläßt, verringert wird. Dies macht es nicht erforderlich, daß eine entsprechend hohe Drehmomentenausgangsleistung aus dem Drehmomentenmotor 28 zur Verfügung gestellt werden muß.

Um das geschlitzte Rohr 40 zentral in der Strömung zu befestigen, wird das stromaufwärtsgelegene Ende über einen Flanschring 44 geschoben. Ein zweiter Flanschring 45 wird sodann über die Anordnung geschoben. Die aneinander stoßenden Flansche der Ringe können dann gegeneinander durch Schweißen oder Löten befestigt werden. Die Nuten 46, die in den Ring 45 geschnitten sind, vervollständigen die Anordnung und sorgen für eine Klemmreibung. Auch die Teile 46a zwischen den Nuten 46 stellen definierte Biegepunkte für die elastischen Finger 43 dar. Das Rohr 40 und die elastischen Finger 43 werden aus einem geeigneten elastischen Material hergestellt, das nicht magnetisch, jedoch chemisch beständig ist, und die Eigenschaft hat, vielen Biegungen standzuhalten, ohne an die Festigkeitsgrenzen zu gelangen. Die zusammengeflanschte Anordnung wird dann zentral in dem Strömungskanal neben dem Einlaßende 15 des Strömungsmessers mit Hilfe von nicht dargestellten Klemmvorrichtungen befestigt, so daß das Auslaßende 41 des Rohres 40 den Wirbelgenerator 16 umgibt

Die Wirkung des Wirbelgenerators 16 und des Rohres 40, überhöhte Wirbelgeschwindigkeiten bei hoher Strömung zu verhindern, während eine entsprechende Wirbelgeschwindigkeit bei geringer Strömung erzeugt wird, wird durch die Kurve in Fig.5 verdeutlicht Diese Kurve zeigt wie die Wirbelgeschwindigkeit, die durch die Drehgeschwindigkeit der Turbine 17 gemessen wird, über einen Strömungsbereich von nahezu 0—11300 kg/h (25 000 Pfund pro Stunde) während der mit einem Strömungsmesser durchgeführten Versuche variiert, der die Wirbelgeneratorkonstruktion wie oben beschrieben aufweist

Wie aus der Kurve zu entnehmen ist, steigt die Wirbelgeschwindigkeit bei 2260 kg/h (5000 Pfund pro Stunde) sehr schnell auf über 330 Umdrehungen/Minute an, nach der die Wirbelgeschwindigkeit allmählich auf etwa 240 Umdrehungen/Minute bei der maximalen Strömung von 11 300 kg/h (25 000 Pfund pro Stunde)

abfällt. Dieser Abfall der Turbinengeschwindigkeit ist durch die Zunahme der Strömung um die Flügel 34 und Schlitze 35 herum verursacht.

Da das Strömungsmittel, das aus dem ersten FluBpfad, der durch die Pfeile 38 angezeigt ist, aus dem Wirbelgenerator 16 ausströmt, eine Wirbelgeschwindigkeit besitzt, die sich von der Strömung unterscheidet, die durch den zweiten FluBpfad, der durch die Pfeile 39 angezeigt ist, strömt, ist es vorteilhaft. Mittel vorzusehen, um eine gleiche mittlere Wirbelgeschwindigkeit des Strömungsmittels zu erzeugen, bevor es in die Reaktionsturbine 18 gelangt. Dies wird durch die Geschwindigkeitsturbine 17 erreicht, deren Rotationsgeschwindigkeit ein befriedigendes Maß der mittleren Wirbelgeschwindigkeit liefert. Die Geschwindigkeitsturbine 17 übt daher zwei Funktionen aus, nämlich die Wirbelgeschwindigkeit zu ermitteln und das Geschwindigkeitssignal zu liefern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Massenströmungsmesser der Drehimpulsart mit einer gehemmten Reaktionsturbine, die in dem Pfad des wirbelnden Strömungsmittels angeordnet ist zur s Messung der Massenströmungsrate, wobei in dem Strömungspfad stromaufwärts von der Reaktions-^ä turbine eine umlaufende Turbine angeordnet ist und davor ein Wirbelgenerator, der einen die Strömung nach außen ablenkenden zentralen halbkugelförmi- "> gen Grundkörper und daran angebrachte, zur Strömung schräg angeordnete Schaufeln aufweist, um dem strömenden Medium in dem so gebildeten ringförmigen Strömungskanal eine Wirbelbewegung zu erteilen, d ad u rch g e k e ή η ζ e i c h η et, daß das Strömungsmittel dem Wirbelgenerator (16) über ein ..Rohr (40) zugeführt ist, dessen Austrittsend? (41) die Schaufeln (34) umgibt und das so ausgebildet ist, daß sich sein Austrittsquerschnitt bei steigendem Strömungsmitteldruck in radialer Rich- ^M tung progressiv erweitert

2. Massenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (40) am Austrittsende mit Längsschlitzen (42) versehen ist zur Bildung elastischer Finger (43), die sich in Abhängigkeit vom Strömungsmitteldruck in radialer Richtung biegen.

3. Massenströmungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schaufeln (34) durch Stege zwischen in den Grundkörper des Wirbelgenerators (16) eingearbeiteten Schlitzen (35) gebildet sind und daß bei kleinen Strömungsraten das Austrittsende (41) des Rohres (40) den Grundkörper am Außenumfang der Schaufel anliegend umgibt