DE2244178C3 - Durchflußmesser für Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser fur Flüssigkeiten, mit einem einen Eünlaß und einen Auslaß aufweisenden Gehäuse und einem im Gehäuse ,'wischen EünlaU und Auslaß angeordneten, auf eiiu-r mit Bezug auf das Gehäuse drehbaren Welle sitzenden Rotor, wobei für die Welle sowohl am einlaß- als auch am auslaßseitigen Ende je ein Drucklager vorgesehen ist, die Drucklager einen Abstand voneinander aufwei-ί sen, der etwas größer als die Länge der Welle ist, und der lichte Durchflußquerschnitt im Bereich des Rotors größer ist als stromaufwärts desselben.

Ein Durchflußmesser der vorstehend beschriebenen Gattung ist aus der US-Patentschrift 33 64 743 bekannt.

ίο Bei dem bekannten Durchflußmesser wird durch einen Ring der Strömungsquerschnitt stromauf des Rotors gegenüber dem Strömungsquerschnitt im Bereich des Rotors verengt Hierdurch ergibt sich grundsätzlich ein mit steigender Durchflußgeschwindigkeit anwachsen-Jer Sog vor dem Rotor, durch welchen der Rotor in Richtung stromaufwärts gezogen wird. Diese Sogwirkung ist dem von der Flüssigkeitsströmung auf den Rotor ausgeübten Axialschub entgegengeridnet, welcher bestrebt ist, den Rotor in Strömungsrichtung zu drücken.

in der US-Patentschrift 31 82 504 ist ein ähnlich ausgebildeter Durchflußmesser beschrieben, bei welchem ebenfalls im Bereich der Rotorschaufeln ein gegenüber dem stromaufwärts benachbarten Bereich

-' vergrößerter Durchströmungsquerschniti vorgesehen ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 14 23 869 ist ein Strömungsmesser bekannt, welcher in einem zylindrischen Gehäuse einen an seinem äußeren Umfang mit Rotorflügeln bestückten Rotor, zwei einen Zwischenraum für die Nabe des Rotors begrenzende, konzentrisch im Gehäuse angeordnete und sich je vom Zwischenraum weg verjüngende Strömungsschilde und eine den Zwischenraum durchquerende und den Rotor

y< axial frei verschiebbar tragende feste Achse aufweist. Eine axiale Lagerung des Rotors mittels je eines Drucklagers ist also nicht vorhanden. In dem stromaufwärts befindlichen Strömungsschild ist parallel zur Strömungsrichtung eine Duichflußiiitung angeordnet

⁴⁽¹ und mündet in den Zwischenraum zwischen diesem Strömungsschild und der Rotornabe, wobei dieser Zwischenraum durch eine Aussparung in axialer Richtung zu einer offenen Kammer erweitert ist. Dabei ist der Durchmesser der Rotornabe kleiner als der

·»*· Durchmesser der der Rotornabe benachbarten Teile der Strömungsschilde stromaufwärts und stromabwärts. Die stromaufwärts gerichtete Schubkraft wird hier durch eine Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung in statischen Druck erzeugt. Diese Umwand-

"^l0 lung findet am stromabwärts gelegenen Strömungsschild statt. Die Strömung stößt gegen den Teil des Schildes, der den äußeren Umfang der Nabe des Rotors überlappt. Eine zusätzliche stromabwärts gerichtete Schubkraft wird dadurch erzeugt, daß die Stelle mit

'< hohem statischem Flüssigkeitsdruck über die Durchflußleitung mit der Kammer verbunden ist. Die Schubkräfte neutralisieren oder kompensieren sich gegenseitig durch eine Veränderung des Abstands zwischen den axialen Enden des Rotors und den benachbarten Enden

^;" der Schilde,

Auch bei diesem bekannten Strömungsmesser wird als« eine Schubkraft durch Umwandlung von kinetischer Strömungsenergie in statischen Druck erzeugt. Es iiai sich jedoch gezeigt, daß die mii diesen Maßnahmen

"' zu erreichende Kompensation des in Ströinungsrichtiing auf den Rotor wirkende Axialschubs sowie auch die An/cige^cfitiuigkcit noch nicht voll befriedigend

Die US-Patentschrift 27 09 366 beschreibt einen Durchflußmesser für Flüssigkeiten, welcher ein vorderes im Durchströmungskanal fest angeordnetes Schild und einen in Durchströmungsrichtung dahinter angeordneten Rotorkörper aufweist, der einerseits im Schild und andererseits in einer hinteren Halterung mittels einer Welle gelagert ist Der Rotorkörper weist in seinem hinteren Bereich eine in den Durchströmungskanal radial vertagende Verdickung auf, welcher ein von der Wandung des Durchströmungskanals radial nach innen vorragender ringförmiger Vorsprung zur Bildung einer Strömur.gsverengung zugeordnet ist. Ferner befindet sich zwischen der vorderen Stirnfläche des Rotorkörpers und der hinteren Stirnfläche des Schildes ein Spalt für den Zutritt der Flüssigkeiisströmung. Im übrigen entspricht der Durchmesser des Rotorkörpers in dem dem Schild benachbarten Bereich größerer Länge, in welchem sich auch die Rotorschaufeln befinden, dem Durchmesser des Schildes. Bei dem bekannten Durchflußmesser soll der Rotorkörper aufgrundr der auf ihn einwirkenden Strömungskräfte in axialer Richtung im wesentlichen fixiert gehalten werden, wozu die Abmessungen der einzelnen Teile entsprechend aufeinander abgestimmt sind.

Zwar werden bei diesem bekannten Durchflußmesser auch Druckgefälle zur Lagerung des Rotorkörpers ausgenutzt, jedoch ist zur Erzielung des gewünschten Effekts ein besonders großer konstruktiver Aufwand notwendig, und außerdem ist dieser bekannte Durchflußmesser bei fluktuierender Strömung oder bei Störungen in der Strömung in seiner Funktionssicherheit gefährdet

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirksamen Durchflußmesser für Flüssigkeiten von der vorstehend beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem sich insbesondere eine verbesserte Kompensation des auf den Rotor in Durchströmungsrichtung wirkenden Axialschubs und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des stromabwärts angeordneten Drucklagers sowie andererseits eine Verbesserung der Anzeigegenauigkeit des Durchflußmessers ergeben soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eintrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel des Rotors von der stromabwärts gewandten Rückseite nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet.

Hierdurch wird ein dem in Durchströmungsrichtung gerichteten Axialschub entgegenwirkenden zusätzlicher Gegenschub erzeugt, welcher zu einer solchen Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers führt, daß sogar bei höheren Geschwindigkeiten eine Bewegung der Rotorwelle außer Kontakt mit diesem Drucklager erfolgt. Diese Gegenhubwirkung wird durch die beschriebene Neigung der eintrittsseiiigen Stirnflächen der Rotorschaufeln herbeigeführt und bewirkt insbesondere in Anbetracht der gegenüber dem Austritt höheren Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt des Rotors, daß dieser mit höherer Drehzahl gedreht wird, als der Durchfluß durch ihn an sich bewirken würde. Der Gegendruck auf den Rotor erfolgt dabei in Richtungen allgemein senkrecht zu den Schaufelflächen und mit Komponenten in Richtung stromaufwärts.

Zusätzlich erhält mau auch eine Verbesserung der Anzeigegenauigkeit. Dei geringen Durchflußmengen bewirkt die Neigung der eintrittsseitigen Stirnflächen der Rotorschaufeln, daß der Rotor eine höhere Drehzahl hat (verglichen mit der entsprechenden Drehzahl mit Schaufeln, deren eintrittsseitige Stirnflä-

ϊ chen senkrecht zur Drehachse stehen), wodurch die Anzeigegenauigkeit verbessert wird, ohne daß die Genauigkeit bei größeren Durchflußmengen merklich beeinträchtigt würde.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der

ίο Erfindung ist die austrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel des Rotors von der stromabwärts gewandten Rückseite nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel hin geneigt, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle stehenden Ebene einen

is spitzen Winkel bildet Hierdurch ergibt sich eine weitere Verbesserung der Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers.

Der Effekt der Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers wird noch weiter gefördert, wenn der lichte Durchflußquerschnitt unmittelbar stromabwärts des Rotors größer ist als im Bereich des Rotors.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann der erfindungsgemäße Durchflußmesser stromaufwärts des Rotors angeordnete Gleichrichterschaufeln aufweisen, wodurch sich eine besonders gleichmäßige strahlförmige Anströmung der Rotorschaufeln ergibt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Welle des Rotors zwischen zwei Edelstein-Drucklagern läuft und über

jo eine Magnetkupplung mit einem Abtriebsorgan in Antriebsverbindung steht, wobei das eine Drucklager zwischen den beiden Kupplungsmagneten angeordnet und das andere Drucklager mit Bezug auf das eine Drucklager axial einstellbar ist

Mit Vorteil ist dabei der erfindungsgemäße Durchflußmesser gekennzeichnet durch zwei Wellen, von denen die eine mit dem Antriebsorgan in Antriebsverbindung steht, während die andere mittel-· der Magnetkupplung mit dem Rotor verbunden ist, wobei die beiden Wellen durch eine Schnecke und ein Schneckenrad miteinander in Antriebsverbindung stehen. Vorteilhafterweise ist dabei die die Schnecke tragende Welle zwischen zwei Edelstein· Drucklager gelagert, wobei beide Wellen mit Axialspiei gelagert

·»*' sind, wodurch die Überwindung der Haftreibung beim Anlaufen des Durchflußmessers merklich erleichtert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Es

v> zeigt

Fig. I einen schematischen Längsschnitt nach der Linie 1 -1 von F i g. 2 durch einen Wasserzähler,

Fir? einen Querschnitt durch den Wasserzähler gemäß der Linie 2-2 von F i g. I und

•>j Fig.3 eine Seitenansicht des Rotors dieses Wasserzählers.

Im Gehäuse 20 des in der Zeichnung dargestellten Wasserzählers ist in Strömungsrichtung hinter der Eintrittsöffnung 22 ein Eintrittsaggregat 10 angeordnet,

ro in welchem sich von einem etwa eiförmigen Nabenteil 14 zehn in gleichen Winkelabständen angeordnete Gleichrichterschaufeln 12 nach einem sich ;nnen kegelig verengenden, außen zylindrischen Mantelteil 16 erstrekken. Obwohl in der Zeichnung der Nabenteil 14, die

'■'· Schaufeln 12 und der Mantulteil 16 als getrennte Teile dargestellt sind, können sie zweckmäßig aus einem Stück aus Kunststolf bestehen. Drei Rippen 23 erstrecken sich von der Außenwand 25 des Nabenteils

14 nach der eigentlichen Nabe 27. Der freie Durchflußquerschnitl /wischen dem Manteltcil 16 und dem Nabenteil 14 betragt 80% des freien Durchflußquerschnittcs längs und um die Nabe des Rotors 40. welcher Diirehfliißi|iiersohnitt seinerseits 80% desjenigen /wischen den Stützschaufeln 64, 66 und 68 ausmacht. In der Bohrung 28 des Nabenteilcs 14 ist eine Welle 30 aus rostfreiem Stahl mittels Graphitbüchsen 12. die durch ein Distanzrohr 34 aus Gummi voneinander getrennt sind, drehbar gelagert; in das eine finde dieser Bohrung 28 ist ein Stopfen 24 aus Bronze eingeschraubt.

Der auf der Welle 30 sitzende Rotor 40 bestellt ,ms Polypropylen, so daB die Dichte des Rotoraggregatc derjenigen von Wasser benachbart ist. und besitzt neun in gleichen Winkclabslänclcn angeordnete, schraubcnflachcnförmigc Schaufeln 42, die auf einer im wesentlichen zylindrischen Nabe 44 sit/cn. |ede Schaufel 42 weist eine stromaufwärts gewandte Vorderseite 46 auf, welche das in den Wasserzähler einströmende Wasser derart trifft, daß der Rotor im Sinne des in Cig. 3 eingetragenen Pfeiles gedreht wird, eine stromabwärts gewandte Rückseite 48, eine eintrittsscitigc Stirnfläche 50 und eine austrittsseitige Stirnfläche 52 auf. Die Stirnflächen 50 und 52 sind nach hinten gegen die Ausirittsöffnung 54 des Gehäuses hin von der Ruckseite 48 nach der Vorderseite 46 geneigt, und die Schaufeln verjüngen sich überdies nach außen unter einem Winkel von 10". so daß sie an ihrem Finde schmaler sind als an ihrem Fuß nächst der Nabe 44. Die Dicke jeder Schaufel beträgt 3,2 mm. und der Außendurchmcsser 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 rci htsdrehenden Schraubenflächc von 301,07 mm Steigung. Der Steigungswinkel erreicht 31,5 beim Durchmesser von 58,72 mm und 43" an der Schaufelspitze; er soll vorzugsweise nirgends weniger als 25^r und nirgends mehr als 55" betragen.

Zwischen der Austrittsöffnung 54 und dem Rotor 40 befindet sich ein Nabenkörper 62. der vorzugsweise aus einem Stück mit dem Gehäuse 20 und den Stützschaufeln 64.66 und 68 (F ig. 2) besteht: in Fig. 1 sind jedoch der Nabenkörper 62 und die Stiitzschautein 64 und b» 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 74. 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 74 ist ferner ein Kupplungsteil 86 befestigt, der einen vierpoligen keramischen Magneten 88 trägt; dieser wirkt mit einem gleichen, auf dem Rotor 40 sitzenden Magneten 90 derart zusammen, daß die Wellen 30 und 74 magnetisch miteinander gekuppelt sind. Der Kupplungsteil 86 ist zweckmäßig aus einem Stück mit der Schnecke 76 hergestellt.

Auf einer Welle 84, die sich durch eine Bohrung 96 der Stützschaufel 64 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 94 sitzendes Ritzel 110 aus Bronze umfaßt, überträgt die Drehung der Weile 94 auf ein herkömmliches Zählwerk IU.

Im der Welle 30 zugewandten Teil des Bronzestopfens 24 und im Deckel 70 gegenüber einer in der Welle 30 sitzenden Kugel 130 sind Drucklager 112 bzw. IH aus synthetischem Saphir angeordnet, wobei das l.agerspiel der Welle 30 0,40 mm beträgt. Gleichartige Drucklager 118, 119 und 120 sind in den Lagerbüchser 78, 80 und 100 vorgesehen und so eingestellt, daß die Welle 74 ein Längsspiel von 0,25 mm und die Welle 94 ein solches von 0.35 mm aufweist. Die Kugel 130 bestehl aus Wolframkarbid und ist in eine Vertiefung in der austrittsseitigen Stirnfläche der Welle 30 eingepreßt, um mit dem Drucklager 114 zusammenzuwirken.

Heim Hetrieb trifft das durch die Fintrittsöffnung 22 einströmende Wasser auf die Vorderseite 46 und die Stirnfläche 50 der Rotorschaufcln 42 und versetzt der Rotor 40 in Drehung. Mittels der Kupplungsmagnetc 8f und 90. der Schnecke 76 und des Schneckenrades 9i wird dadurch die Welle 94 angetrieben. Das Längsspie der Wellen 74 und 94 erlaubt diesen, beim Anlaufen de« Wasserzählers axiale Schlagbewegungen auszuführen wodurch die Haftreibung leichler überwunden wird.

Während des Anlaufens drückt die gegenseitige Anziehung der Magnete 88 und 90 die Kugel 130 dei Welle 30 gegen das Drucklager 114. Mit zunehmendei Durchflußmenge nimmt auch der in Durchflußrichtun·; wirkende hydrodynamische Axialschub zu. Indessen ha die Zunahme der Durchflußmenge noch eine größere Wirkung dadurch, daß der auf die stromabwärt.' gewandten Rückseiten der Rotorschaufeln wirkende Druck nactt der Bernoullischen Gleichung größer ist al; der auf die stromaufwärts gewandten Vorderseiten dei Schaufeln wirkende, wobei die stromaufwärts und die stromabwärts gewandten Schaufelflächen gleich groC sind. Dies wird durch den bereits erwähnten umgekehr ten 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 Ausführungsbei spiel bei einer Durchflußmenge von ungefähr 570 l/min die Kugel 130 vom Drucklager 114 ganz abgehoben, se daß die Welle 30 an das stromaufwärtige Drucklagei 112 anzustehen kommt. Die Abnützung der Lager wire dadurch vermindert bzw. tritt wechselweise an beider üruckiagern auf, was uie LeueiiMJauci unü Bcuicussi cherheit des Gerätes vergrößert.

Bei geringen Durchflußmengen (im dargestellter Ausführungsbeispiel unterhalb 114 l/min), verbessert die Zunahme der Rotordrehzahl (verglichen mit dei Drehzahl mit Schaufeln, deren eintrittsseitige Stirnflä chen senkrecht zur Drehachse stehen, vgl. Fig. 1 infolge der Neigung der eintrittsseitigen Schaufelstirn flächen 50 die Genauigkeit der Durchflußanzeige, c^une daß diese Genauigkeit bei größeren Durchflußmenger wesentlich beeinträchtigt würde. Bei größeren Durch flußmengen setzt die Neigung der auslrittsseitiger Schaufelstirnflächen 52 die an der Austrittskante dei Schaufeln auftretende Kavitation herab, so daß dei Strömungswiderstand am Rotor keinen Wert erreicht bei welchem dessen Drehzahl und damit die Anzeigege· nauigkeit des Gerätes unzulässig vermindert wäre, woh aber groß genug ist, um eine Beschleunigung des Rotor; über die der Strömungsgeschwindigkeit entsprechend« Drehzahl hinaus zu verhindern. Im vorliegender Ausführungsbeispiel wird die Anzeige am genauesten wenn die Flächen 50 und 52 mit senkrecht zui Rotorachse stehenden Ebenen Winkel von 22° bzw. 20^c bilden. Eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung de: Neigungswinkels zwischen der Stirnfläche 50 und dei genannten Ebene vermindert den Wirkungsgrad dei

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 Vermir^w'rung 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 Wasserströmung auf die Rotordrehzahl auf ein Mindestmaß.

Die gegen die Schaufelspitzen verminderte Breite der Schaufeln setzt den Geschwindigkeitsgradienten an den Sohaufelspitzen bei großen Durchflußmengen herab und erhöht dadurch die Arbeitsgenauigkeit des Gerätes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser für Flüssigkeiten, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Gehäuse und einem im Gehäuse zwischen Einlaß und Auslaß angeordneten, auf einer mit Bezug auf das Gehäuse drehbaren Welle sitzenden Rotor, wobei für die Welle sowohl am einlaß- als auch am auslaßseitigen Ende je ein Drucklager vorgesehen ist, die Drucklager einen Abstand voneinander aufweisen, der etwas größer als die Länge der Welle ist, und der lichte Durchflußquerschnitt im Bereich des Rotors größer ist als stromaufwärts desselben, dadurch gekennzeichnet, daß die eintrittsseitige Stirnfläche (50) jeder Schaufel (42) des Rotors (40) von der stromabwärts gewandten Rückseite (48) nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite (46) der Schaufel (42) hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle (30) stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, 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 (42) hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle (30) stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Durchflußquerschnitt unmittelbar stromabwärts des Rotors (40) größer ist als im Bereich de* Rotors (40).

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, d^ er stromaufwärts des Rotors (40) angeordnete Gleichrichterschaufeln (12) aufweist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30) des Rotors (40) zwischen zwei Edelstein-Drucklagern (112, 114) läuft und über eine Magnetkupplung (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) mit Bezug auf das Drucklager (114) axial einstellbar ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei Wellen (74, 94), von denen die eine (94) mit dem Abtriebsorgan (110) in Antriebsverbindung steht, während die andere (74) mittels der Magnetkupplung (88, 90) mit dem Rotor (40) verbunden ist, wobei die beiden Wellen (74, 94) durch eine Schnecke (76) und ein Schneckenrad (92) miteinander in Antriebsverbindung stehen.

7. DurchfluUmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schnecke (76) tragende Welle (74) zwischen zwei Edelstein-Drucklagern (118, 119) und die das Schneckenrad (92) tragende Welle (94) mit ihrem einen Ende auf einem Edelstein-Drucklager (120) gelagert ist, wobei beide Wellen (74,94) mit Axialspiel gelagert sind,