DE2244178A1

DE2244178A1 - Durchflussmesser fuer fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2244178A1
Application number: DE2244178A
Authority: DE
Inventors: George Howard Swenson
Original assignee: Hersey Products Inc
Current assignee: Hersey Products Inc
Priority date: 1971-09-08
Filing date: 1972-09-08
Publication date: 1973-03-15
Also published as: IL40212A0; US3811323A; DE2244178C3; NL7212191A; IL40212A; FR2152668A1; JPS4837163A; DE2244178B2; GB1390048A; AU4648772A; BE788370A; AU466948B2; ES406327A1; CH549789A; FR2152668B1; CA968186A; IT972437B

Description

Hersey Products Inc.» Dedham,

(Massachusetts,USA)

Durchflussmesser für Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser für Flüssigkeiten, insbesondere einen Wasserzähler.

Es liegen ihr die Aufgaben zu Grunde, die Lebensdauer der Drucklager zu verlängern und die Messgenauigkeit zu verbessern. Hinsichtlich der Verlängerung der Lebensdauer der , Drucklager wird bezweckt, die vom stromabwärts gelegenen Ende einer Welle, mittels welcher eine Messturbine drehbar gelagert ist, auf ein Drucklager übertragene Kraft bei steigender Durchflussmenge zu vermindern oder in bevorzugten Ausführungsformen sogar ganz zu beseitigen. Die angestrebte Verbesserung der Messgenauigkeit soll darin bestehen, dass die oberen und unteren Grenzen des Bereiches der Durchflussmengen, innerhalb dessen die Messung bis auf 1% genau ist, sowohl nach oben als auch nach unten erweitert werden sowie der Bereich der Durchflussmengen, innerhalb dessen die Messung bis auf 5% genau ist, nach unten erweitert wird; ferner soll der Einfluss in der eintretenden Flüssigkeit vorhandener Störungen auf die Genauigkeit auf ein Mindestrnass herabgesetzt und die Schaffung eines grösseren Spieles zwischen dem Rotor und der ihn umgebenden Gehäusewand ohne nennenswerte Verminderung der Genauigkeit ermöglicht werden.

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Schliesslich sollen diese Verbesserungen in einem einfachen, zuverlässigen und sehr praktischen Gerät verkörpert sein.

Der Durchflussmesser, auf den sich die Erfindung bezieht, besitzt ein Gehäuse mit einem Eintritts- und einem Austrittsende und einen zwischen diesen angeordneten, von einer Welle getragenen Rotor mit einer Vielzahl von Schaufeln, wobei jede Schaufel eine stromaufwärts gewandte Vorderseite, auf welche die am Eintrittsende in das Gehäuse einströmende Flüssigkeit trifft und den Rotor und seine Welle um ihre Achse in Drehung versetzt, eine zur Vorderseite entgegengesetzt liegende, stromabwärts gewandte Rückseite, eine eintrittsseitige Stirnfläche und eine austrittsseitige Stirnfläche besitzt.

Was die Verminderung der Abnützung der Drucklager betrifft, so ist der erfindungsgemässe Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass er ein stromaufwärts und ein stromabwärts angeordnetes Drucklager für die genannte Welle aufweist, wobei diese beiden Drucklager einen genügenden Abstand voneinander aufweisen, damit die Welle nicht gleichzeitig an beiden ansteht. Ferner sind erfindungsgemäss die Durchflussquerschnitte um den Rotor derart bemessen, dass unter dynamischen Bedingungen die stromabwärts gewandte Seite des Rotors infolge verminderter Strömungsgeschwindigkeit gemäss der Bernoulli'sehen Gleichung einem höheren Druck ausgesetzt ist als die stromaufwärts gewandte Seite, welcher Druckunterschied umso ausgeprägter ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, so dass mit steigender Strömungsgeschwindigkeit die Axialkraft auf das stromabwärts angeordnete Drucklager trotz der stromabwärts gerichteten strömungsbedingten Axialkraft auf die Schaufeln und trotz beispielsweise durch Magnete erzeugten Axialkräften, welche die Welle gegen das stromabwärts angeordnete Drucklager zu ziehen suchen, vermindert oder gar aufgehoben wird. In der bevorzugten Ausführungsform kann dieses stromabwärts angeordnete Drucklager erfindungsgemäss dadurch entlastet werden - wobei sich bei höheren

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Durchflussgeschwindigkeiten die Rotorwelle von ihm abheben kann -, dass die eintrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel von der . stromabwärts gewandten Rückseite nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel geneigt ist _s um insbesondere, in Anbetracht der gegenüber dem Austritt höheren Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt des Rotors diesen zu einer Drehung mit höherer Drehzahl zu veranlassen als der Durchfluss durcli ihn an sich bewirken würde, wodurch auf die Rotorschaufeln ein umgekehrter, stromaufwärts gerichtete Komponentei aufweisender Auftrieb in senkrecht zu den Schaufeln stehenden Richtungen hervorgerufen wird.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Messgenauigkeit ist der erfindungsgemässe Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die eine Stirnfläche jeder Schaufel nach hinten gegen das Austrittsende des Gehäuses von der stromabwärts gewandten Rückseite "nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel geneigt ist, wobei diese Stirnfläche mit einer zur Achse senkrecht stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet uns so die Genauigkeit der Messung verbessert. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Schaufeln schraubenflächenförmig; sowohl die eintrittsseitige als auch die austrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel sind in der beschriebenen Weise geneigt; überdies sind die Stirnflächen von innen nach aussen um 10 geneigt, so dass die Schaufel an ihrer Spitze schmaler ist als an ihrer Wurzel, wodurch die Genauigkeit verbessert wird; in diesen bevorzugten Ausführungsformen sind stromaufwärts des Rotors Gleichrichterschaufeln angeordnet; eine Eintrittsnabe zwischen der Eintrittsöffnung des Gehäuses und dem Rotor» vermindert, den Durchflussquerschnitt und bewirkt, dass die Flüssigkeit als Strahl gegen die eintrittsseitigen Stirnflächen der Rotorschaufeln strömt; der Rotor ist auf der Welle zwischen einem axial einstellbaren Edelstein-Drucklager gelagert, das zwischen zwei Magneten angeordnet ist, welche die Rotorwelle mit einem Abtriebsorgan kuppeln; von zwei Wellen trägt die eine eine Schnecke und die andere ein mit

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dieser kämmendes Schneckenrad, wobei die eine Welle mit dem Abtriebsorgan in Antriebsverbindung steht und die andere mittels dör Magneten mit dem Rotor gekuppelt ist, und wobei diese Wellen mit Längsspiel gelagert sind, um die Ueberwindung der Haftreibung beim Anlaufen des Durchflussmessers zu erleichtern, die die Schnecke tragende Welle zwischen zwei Edelstein-Druchlagern und die das Schneckenrad tragende Welle mit einem Ende auf einem Edelstein-Druchlager gelagert ist; die eintrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel bildet einen Winkel von 22° und die austrittsseitige Stirnfläche der Schaufel einen solchen von 20° mit einer zur Rotorachse senkrechten Ebene; der Rotordurchmesser beträgt 93,7 nun, die Schaufeldicke 3,2 mm, das Spiel zwischen Schaufel und Gehäuse 0,76 mm, und der kleinste und der grösste Steigungswinkel der Schaufeln 31,5 bzw. 43 (wobei vorzugsweise der kleinste Steigungswinkel nicht weniger als 25° und der grösste nicht mehr als 55° beträgt). · -

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemässen Durchflussmesser ein Wasserzähler dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt nach der Linie

1-1 von Fig. 2 durch den Wasserzähler, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wasserzähler ge-

mäss der Linie 2-2 von Fig. 1, und

Fig. 3 eine Seitenansicht des Rotors dieses Wasser

zählers .

Im Gehäuse 20 des in der Zeichnung dargestellten Wasserzählers ist in Strömung richtung hinter der Eintrittsöffnung 22 ein Eintrittsaggregat 10 angeordnet, in welchem sich von einem etwa eiförmigen Nabenteil IM zehn in gleichen Winkelabständen angeordnete Gleichrichterschaufeln 12 nach einem sich innen kegelig verengenden, aussen zylindrischen Mantelteil 16 erstrecken. Obwohl in' der Zeichnung der Nabenteil IU die Schaufeln 12 und der Mantelteil 16 als getrennte Teile dargestellt sind, können sie zweck-

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massig aus einem Stück aus dem von der General Electric Company vertriebenen Kunststoff Noryl bestehen. Drei Rippen 23 erstrekken sich von der Aussenwand 2 5 des Nabenteils 14 nach der eigentlichen Nabe 27. Der freie Durchflussquerschnitt zwischen dem Mantelteil 16 und dem Nabenteil 14 beträgt 80% des freien Durchflussquerschnittes längs und um die Nabe des Rotors HO, welcher Durchflussquerschnitt seinerseits 80% desjenigen zwischen den Stützschaufeln 64, 66 und 68 ausmacht. In der Bohrung 28 des Nabenteiles 14 ist eine Welle 30 aus rostfreiem Stahl mittels Graphitbüchsen 32, die durch ein Distanzrohr 34 aus Gummi voneinander getrennt sind, drehbar gelagert; in das eine Ende dieser Bohrung 28 ist ein Stopfen 24 aus Bronze eingeschraubt.

Der auf der Welle 30 sitzende Rotor 40 besteht aus Polypropylen, so dass die Dichte des Rotoraggregates derjenigen von Wasser benachbart ist, und besitzt neun in gleichen Winkelabständen angeordnete, schraubenflächenförraige Schaufeln 42, die auf einer in wesentlichen zylindrischen Nabe 44 sitzen. Jede Schaufel weist eine stromaufwärts gewandte Vorderseite 46, auf welche das in den Wasserzähler einströmende V/asser derart trifft, dass der Rotor im Sinne des in Fig. 3 eingetragenen Pfeiles gedreht wird, eine stromabwärts gewandte Rückseite 48, eine eintrittsseitige Stirnfläche 50 und eine austrittsseitige Stirnfläche 52 auf. Die Stirnflächen 50 und 52 sind nach hinten gegen die Austrittsöffnung 54 des Gehäuses hin von der Rückseite 48 nach der Vorderseite 46 geneigt, und die Schaufeln verjüngen sich überdies nach aussen unter einem Winkel von 10°, so dass sie an ihrem Ende schmaler sind als an ihrem Fuss nächst der Nabe 44. Die Dicke jeder Schaufel beträgt 3,2 mm, und der Aussendurchmesser des ganzen Rotors beträgt 93,7 mm. Das Spiel zwischen den Schaufeln und der Innenwand des Mantelteiles 16 ist 0,76 mm. Jede Schaufel folgt einer rechtsdrehenden Schraubenfläche von 301,07 mm Steigung, Der Steigungswinkel erreicht 31,5 beim Durchmesser von 58,72 mm und 43 an der Schaufelspitze; er soll

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vorzugsweise nirgends weniger als 2 5 und nirgends mehr als 55 betragen.

Zwischen der Austrittsöffnung 51 und dem Rotor 40 befindet sich ein Nabenkörper 62, der vorzugsweise aus einem Stück mit dem Gehäuse 20 und den Stützschaufeln 61, 66 und 68 (Fig. 2) besteht; in Fig. 1 sind jedoch der Nabenkörper 62 und die Stützschaufeln 61 und 68 als vom Gehäuse 20 verschiedene Teile dargestellt. Am Nabenkörper 62 ist ein Deckel 70 angeschraubt, wobei zur Abdichtung ein O-Ring 72 aus Gummi eingelegt ist. Eine Stahlwelle 71, die eine Schnecke 76 trägt, ist an ihren beiden Enden in Büchsen 78 und 80 gelagert» von denen die erste im Deckel 70, die zweite im Nabenkörper 62 sitzt. Auf der Welle 71 ist ferner ein Kupplungsteil 86 befestigt, der einen vierpoligen keramischen Magneten 88 trägt; dieser wirkt mit einem gleichen, auf dem Rotor 10 sitzenden Magneten 90 derart zusammen, dass die Wellen 30 und 71 magnetisch miteinander gekuppelt sind. Der Kupplungsteil 86 ist zweckmässig aus einem Stück mit der Schnecke 76 aus Nylatron GS (Lieferantin: Polymer Corporation, Polypenco Divis ion,Reading, Pennsylvania, USA) hergestellt.

Auf einer Welle 91, die sich durch eine Bohrung

96 der Stützschaufel 61 und des Gehäuses 20 erstreckt und mittels Büchsen 98 und 100 im Gehäuse 20 bzw. im Nabenkörper 62 drehbar gelagert ist, sitzt ein Schneckenrad 92 (Fig. 2), das mit der Schnecke 76 kämmt.

Ein Rädergetriebe 108, das ein auf der Welle 9»+ sitzendes Ritzel 110 aus Bronze umfasst, überträgt die Drehung der Welle 91 auf ein herkömmliches Zählwerk 111.

Im der Welle 30 zugewandten Teil des Bronzestopfens 21 und im Deckel 70 gegenüber einer in der Welle 30 sitzenden Kugel 130 sind Drucklager 112 bzw. 111 aus synthetischem Saphir angeordnet, wobei das Lagerspiel durch Drehen des Bronzestopfens 21 einstellbar ist. Das Län^sspiel der Welle 30 beträgt 0,10 mra. Gleichartige Drucklager 118, 119 und 120 sind in den

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Lagerbüchsen 78, 80 und 100 vorgesehen und so eingestellt, dass die Welle 74 ein Längsspiel von 0,2 5 nun und die Welle 94 ein solches von 0,35 nun aufweist. Die Kugel 130 besteht aus Wolframkarbid und ist in eine Vertiefung in der austrittsseitigen Stirnfläche der Welle 30 eingepresst, um mit dem Drucklager 114 zusammenzuwirken.

Beim Betrieb trifft das durch die Eintrittsöffnung 22 einströmende Wasser auf die Vorderseite 46 und die Stirnfläche 50 der Rotorschaufeln 42 und versetzt den Rotor 40 in Drehung. Mittels der Kupplungsmagnete 88 und 90, der Schnecke 76 und des Schneckenrades 92 wird dadurch die Welle 94 angetrieben. Das Längsspiel der Wellen 74 und 94 erlaubt diesen, beim Anlaufen des Wasserzählers axiale Schlagbewegungen auszuführen, wodurch die Haftreibung leichter überwunden wird.

Während des Anlaufens drückt die gegenseitige

Anziehung der Magnete 88 und 90 die Kugel 130 der Welle 30 gegen das Drucklager 114. Mit zunehmender Durchflussmenge nimmt auch der in Durchflussrichtung wirkende hydrodynamische Axialschub zu. Indessen hat d'ie Zunahme der Durchflussmenge noch eine grössere Wirkung dadurch, dass der auf die stromabwärts gewandten Rückseiten der Rotorschaufeln wirkende Druck nach der Bernoulli'sehen Gleichung grosser ist als der auf die stromaufwärts gewandten Vorderseiten der Schaufeln wirkende, wobei die stromaufwärts und die stromabwärts gewandten Schaufelflächen gleich gross sind. Dies wird durch den bereits erwähnten umgekehrten Auftriebseffekt noch unterstützt. Während die Durchflussmenge zunimmt, vermindert sich die Kraft, welche die Kugel 130 gegen das Drucklager 114 drückt,und schliesslich wird (im dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer Durchflussmenge von ungefähr 570 l/min) die Kugel 130 vom Drucklager 114 ganz abgehoben, so dass die Welle 30 an das stromaufwärtige Drucklager 112 anzustehen kommt. Die Abnützung der Lager wird dadurch vermindert, bzw. tritt wechselweise an beiden Drucklagern auf, was die Lebensdauer und Betriebs-

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sicherheit des Gerätes vergrössert. ;

Bei geringen Durchflussmengen (im dargestellten

Ausführungsbeispiel unterhalb 114 l/min), verbessert die Zunahme der Rotordrehzahl (verglichen mit der Drehzahl mit Schaufeln, deren eintrittsseitige Stirnflächen senkrecht zur Drehachse stehen, vgl. Fig. 1) infolge der Neigung der eintrittsseitigen Schaufelstirnflachen 50 die Genauigkeit der Durchflussanzeige, ohne dass diese Genauigkeit bei grösseren Durchflussmengen wesentlich beeinträchtigt würde. Bei grösseren Durchflussmengen setzt die Neigung der austrittsseitigen Schaufelstirnflächen 52 die an der Austrittskante der Schaufeln auftretende Kavitation herab, so dass der Strömungswiderstand am Rotor keinen Wert erreicht, bei welchem dessen Drehzahl und damit die Anzeigegenauigkeit des Gerätes unzulässig vermindert wäre, wohl aber gross genug ist, um eine Beschleunigung des Rotors über die der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Drehzahl hinaus zu verhindern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Anzeige am genauesten, wenn die Flächen 50 und 52 mit senkrecht zur Rotorachse stehenden Ebenen Winkel von 22° bzw. 20° bilden. Eine Vergrösserung bzw. Verkleinerung des Neigungswinkels zwischen der Stirnfläche 50 und der genannten Ebene vermindert den Wirkungsgrad der Umwandlung des Strömungsdruckes des Wassers in das Drehmoment in bezug auf die Rotorachse (Winkel unter 22 liefern eine zu geringe Kraftkomponente quer zur Rotorachse, solche über 22 lassen das Wasser leichter längs den Flächen 50 abströmen). Die Wirkung der Flächen 50 für die Erhöhung der Rotordrehzahl wird durch die leichte Strahlwirkung verbessert, die von der Verminderung" des Strömungsquerschnittes von der Eintrittsöffnung 22 zum Mantelteil 16 herrührt.

Der von den Flächen 52 hervorgerufene begrenzte Widerstand, der auf den Rotor wirkt, vermindert die Wirkung von stromaufwärts des Rotors auftretenden Störungen der VJasserströmung auf die Rotordrehzahl auf ein Mindestmass.

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Die gegen die Schaufelspitzen verminderte Breite der Schaufeln setzt den Geschwindigkeitsgradienten an den Schaufelspitzen bei grossen Durchflussmengen herab und erhöht dadurch die Arbeitsgenauigkeit des' Gerätes. ·

Rotorschaufeln mit verschieden geneigten Flächen auf Eintritts- und Austrittsseite sind aus der USA-Patentschrift 2 989 004 von Zeidler u.a. (20. Juni 1961) bekannt, ebenso grundsätzlich die Anwendung des Bernoulli'sehen Druckgefälles zur Erzeugung einer stromaufwärts gerichteten Achsialschubkornponente bei einem Durchflussmesserelement, das einen Rotor mit Schaufeln umfasst, aus der USA-Patentschrift 2 709 von Potter (31. Mai 1955). Keine dieser Patentschriften offenbart jedoch die vorstehend beschriebene einfache, zweckmassige Lösung und deren Vorteile. -"■"'"

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Claims

Patentansprüche

, Durchflussmesser für Flüssigkeiten mit einem einen Einlass und einem Auslass aufweisenden Gehäuse und einem im Gehäuse zwischen Einlass und Auslass angeordneten» auf einer in bezug auf das Gehäuse drehbaren Welle sitzenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass für diese Welle (30) sowohl am einlass- als auch am auslassseitigen Ende je ein Drucklager (112, HU) vorgesehen ist, welche Drucklager einen Abstand voneinander aufweisen, der etwas grosser als die Länge der Welle ist, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Durchflussquerschnitt im Bereich des Rotors (40) grosser ist als stromaufwärts desselben, wodurch infolge der gemäss der Bernoulli'sehen Gleichung eintretenden Druckverminderung stromaufwärts des Rotors der Axialdruck auf das austrittsseitige Drucklager (114) mit steigender Durchflussmenge abnimmt.
2. Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eintrittsseitipe Stirnfläche (50) jeder Schaufel (42) des Rotors (40) von der stromabwärts gewandten Rückseite (48) nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite (46) der Schaufel hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der genannten Welle (30) stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet, zum Zwecke, eine Entlastung des austrittsseitipen Drucklagers (114) zu bewirken und die Anzeigegenauigkeit des Durchflussmessers zu verbessern.
3. Durchflussmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die austrittsseitige Stirnfläche (52) jeder Schaufel (42) des Rotors (40) von der stromabwärts gewandten Rückseite (48) nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite (46) der Schaufel hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der¹ Welle stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet, zum

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Zwecke, den bei grosser Durchflussmenge auf den Rotor wirkenden kavxtationsbedingten Strömungswiderstand zu verringern aber nicht zu beseitigen.
4. Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Durchflussquerschnitt unmittelbar
stromabwärts des Rotors (40) grosser ist als im Bereich des Rotors, um die gemäss der Bernoulli'sehen Gleichung eintretende
stromaufwärts auf den Rotor wirkende Kraft zu verstärken,
5. Durchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine derartige Bemessung seiner Teile, dass sich die genannte Welle (30) bei einer Durchflussmenge, die im Bereich
derjenigen liegt, für welche der Durchflussmesser ausgelegt ist, vom austrittsseitigen Drucklager (114) abhebt und mit dem eintrittsseitigen Drucklager (112) in Berührung kommt.
6. Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er stromaufwärts des Rotors (40) angeordnete
Gleichrichterschaufeln (12) aufweist.
7. Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (40) auf einer Welle (30) sitzt, die
zwischen zwei Edelstein-Drucklagern (112,114) lauft und über
ein Magnetpaar (88,90) mit einem Abtriebsorgan (110) in Antriebsverbindung steht, wobei das" eine Drucklager (114) zwischen den beiden Kupplungsmagneten (88,90) angeordnet und das andere Drucklager (112) in bezug auf das erstgenannte (114) axial einstellbar ist.
8'. Durchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch zwei Wellen (74,94), von denen die eine (94) mit dem Abtriebsorgan (110) in Antriebsverbindung steht, während die andere (74) mittels einer Magnetkupplung (88,90) mit dem Rotor
(40) verbunden ist, welche beiden Wellen durch Schnecke (76)
und Schneckenrad (92) miteinander in Antriebsverbindung stehen.
9. Durchflussmesser nach,Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Schnecke (76) tragende Welle (74) zwi-

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sehen zwei Edelstein-Drucklagern (118,119) und die das Sqhnekkenrad (92) tragende Welle (94) mit ihrem einen Ende auf einem Edelstein-Drucklager (120) gelagert ist, wobei beide Wellen mit Axialspiel gelagert sind.

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