DE2926566C2

DE2926566C2 - Strömungsmesser

Info

Publication number: DE2926566C2
Application number: DE2926566A
Authority: DE
Inventors: Koji Tokio/Tokyo Hotta; Shigeyoshi Nagata
Original assignee: Oval Engineering Co Ltd
Current assignee: Oval Engineering Co Ltd
Priority date: 1978-07-03
Filing date: 1979-06-30
Publication date: 1986-08-21
Also published as: DE2926566A1; FR2430602A1; US4329130A; NL7905192A; GB2024948B; GB2024948A; FR2430602B1

Description

ίο . _ LXanß _

oder annähernd 1 ist, wobei M der Modul, L die axiale Länge des schraubenförmig gezahnten Rotors (1,2) und β der Schrägungswinkel zwischen dem schraubenförmig angeordneten Zahnprofil und der Axialrichtung ist, und wobei ferner die Anzahl der Zähne Z = 3 ist

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, wobei jede Zahnflanke am konvexen Abschnitt zwischen dem Kopfkreis und dem Teilkreis mit einem konvex gekrümmten Vorsprung und zwischen dem Teilkreis und dem Zahnbodenkreis an einem konkaven Abschnitt der Zahnflanke mit einem weiteren Vorsprung versehen ist, wobei die Vorsprünge bezogen auf den konvexen bzw. konkaven Abschnitt der Zahnflanke eine geringe Länge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die am konkaven Abschnitt der Zahnflanke ausgebildeten Vorsprünge (13, 14) ebenfalls konkav ausgebildet sind.

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Strömungsmesser ist bereits aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 28 01 281 bekanntgewor-

den und umfaßt ein Paar ineinandergreifende schraubenförmig gezahnte und um parallele Rotorachsen dre- f

hende Rotoren. Die Zahnprofilkurven dieser Rotoren stehen in kontinuierlicher Berührung miteinander, wobei j

die gegenüberliegenden Zahnflanken jedes Zahnes im Schnitt senkrecht zur Rotorachse durch einen Kopfkreis, J

einen Teilkreis und einen Zahnbodenkreis jeweils um die Rotorachsen aufgeteilt sind und sich ferner die Teil- J

kreise berühren. Darüber hinaus sind an jeder Zahnflanke am konvexen Abschnitt vom Kopfkreis aus und vom Teilkreis aus über eine geringe Entfernung jeweils ein konvex gekrümmter Vorsprung vorgesehen, über die die Rotoren während des Kämmens miteinander im Eingriff stehen. Dadurch wird gewährleistet, daß der Strömungsmesser ohne zusätzliche Synchronisationsräder exakt und gleichmäßig betrieben werden können, wobei die Schlupfrate praktisch Null wird.

Ein Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einem Paar schraubenförmig gezahnter Rotoren ist auch aus der US-PS 27 01 683 bekanntgeworden. Um allerdings einen möglichst reibungslosen Betrieb dieses Strömungsmessers ermöglichen zu können, sind in die Verlängerung der Rotorachsen stirnseitig noch zwei ineinandergreifende Zahnräder (24,25) vorgesehen, über die der Betrieb der Rotoren synchronisiert werden soll. Dies ist deshalb erforderlich, da der Windungswinkel der Zahnreihen nur relativ gering ist, wodurch Probleme im Betrieb auftreten können.

Bei dem aus der US-PS 24 62 924 und dem aus der OS-PS 31 64 099 vorbekannten Strömungsmesser, die mit einer Vielzahl von Zähnen pro Rotor arbeiten, tritt in der Praxis der schwerwiegende Nachteil auf, daß gleichwohl während des Betriebs Pulsationen nicht auszuschließen sind, so daß bei diesem vorbekannten Strömungsmessern auch ständig ein Oberflächenkontaktdruck zwischen den sich berührenden Zähnen festzustellen ist. Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Strömungsmesser zu schaffen, der ohne zusätzliche Synchronisationsräder einen pulsierungsfreien Betrieb mit einem Zahn-zu-Zahn-Oberflächenberührungsdruck zwischen den Rotoren mit dem Optimalwert Null bei maximaler theoretischer Durchsatzmenge ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Strömungsmesser geschaffen, bei welchem das Windungsverhältnis / den Wert 1 oder annähernd den Wert 1 beträgt und zudem jeder Rotor drei Zähne aufweist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist zudem vorgesehen, daß am konkaven Abschnitt der Zahnflanken konkav ausgebildete Vorsprünge vorgesehen sind. Hierdurch wird ein sog. »primäres Zahnprofil« mit einem Schlupfverhältnis Null an der Zahnprofilkurve, dem sog. »sekundären Zahnprofil« geschaffen.

Der erfindungsgemäße Strömungsmesser eignet sich dabei insbesondere auch zur Messung von Abwasserflüssigkeiten, beispielsweise Faulschlamm.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen

Fig. 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines Strömungsmessers in ausschnittsweise Querschnittsdarstellung quer zu den Rotorachsen;

Fig. 2 eine Abdichtlinie entsprechend der Zahnprofilkurve bei einem Rotorpaar in abgewickelter Darstellung;

Fig. 3 das Verhältnis R₀ZR bezogen auf das Windungsverhältnis /zur Ermittlung der theoretischen Durchsatzmenge bei unterschiedlicher Anzahl von Rotorzähnen;

F i g. 4 einen Strömungsmesser in Querschnittsdarstellung quer zu den Rotorachsen mit jeweils drei Rotorzähnen und einem Windungsverhältnis / = 1; und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strömungsmessers in teilweiser Querschnittdarstellung quer zu den Rotorachsen, bei welchem an den konvexen und konkaven Zahnflankenabschnitten jeweils einkonvexer bzw konkaver Vorsprung vorgesehen ist.

Nachfolgend wird auf F ig. 1 bezuggenoi-imen, in der zwei Rotoren 1 und 2 gezeigt sind, die miteinander kämmen, wobei jeder Rotor drei Zähne aufweist. Jeder Zahn ist mit dem gleichen Profil und den gleichen Abmessungen versehen. Jeder Rotor 1,2 dreht um seine Rotorachsen 3,4 in einem Gehäuse des Strömungsmessers. In Fi g. 1 ist ferner ein Teilkreis 5 und ein Kopfkreis 6 am Rotor 1 und in ähnlicher Weise ein Teilkreis 7 und ein Kopfkreis 8 am Rotor 2 dargestellt. Darüber hinaus sind Zahnbodenkreise 9 und 10 am Rotor 1 bzw. 2 gezeigt. Durch Kurven A 1,5 lund Cl am Rotor 1 sowie durch eine Kurve Λ 2,5 2 und C 2 am Rotor 2 werden die Zahnprofilkurven festgelegt, wobei beispielsweise die Kurve Al, Bl und die Kurve A 2, B 2 mit Bodenzahnprofilen versehen sind, welche einen Mittelpunkt an den Teilkreisen 5,7 aufweisen. Ferner ist eine Kurve Bl, Cl bzw. eine Kurve 5 2, C2 mit einem Zykloiden-Zahnprofil versehen. Kurven Cl, Dl und Kurven C2, D2 stellen Zahnprofilkurven dar, welche sich vom Teilkreis aus zum Zahnbodenkreis hin der Rotoren 1,2 erstrecken. Diese Bereiche sind mit gekrümmten Zahnprofilen versehen, die einen Mittelpunkt an den Teilkreisen 5,7 der beiden Rotoren 1, 2 aufweisen.

Die Endabschnitte der gekrümmten Zahnprofile an dem konvexen bzw. dem konkaven Teil vom Teilkreis 5 aus sind bei beiden Rotoren 1 und 2 gleich.

Wenn zwei Rotoren 1 und 2 mit gleichen Profilen und gleichen Abmesssungen ohne Schlupf drehen, so kann eine Berührungslinie zwischen den beiden Motoren 1 und 2 in Form von vier Kurven PMQ, P'MQ', PR Q, P¹R 'Q' dargestellt werden.

Gemäß F i g. 2 ergibt sich eine Längsabwicklung der Berührungslinie, d. h. einer Abdichtungslinie der beiden Rotoren 1 und 2 bei wechselseitigem Eingriff. Dabei gilt folgende Gleichung:

L = !R — /tan/? = iM π/tanß (I)

(R: Radius des Teilkreises)

Hierin bedeuten / das Windungsverhältnis,,/? den Schrägungswinkel (Windungswinkel) zwischen dem schraubenförmig angeordneten Zahnprofil und der Axialrichtung eines jeden Rotors 1, 2, L die axiale Länge des schraubenförmig gezahnten Rotors, Z die Anzahl der Zähne und M den Modul.

Im Falle / = 1 werden die Rotationsdrehmomente Tl, T2 der beiden Rotoren 1,2 durch folgende Gleichung wiedergegeben:

(Rl-Rl)d0\ (2)

⁰

= (konstant)
Hierbei bedeuten:

R_r den Radius des Zahnbodenkreises, R₀ den Radius des Kopfkreises,

R_c den Abstand von der Achse bis zu dem Zykloid 5 1 C1,

κ einen Winkel, welcher zwischen den beiden Enden A 1 an dem Kopfkreis gebildet ist, und zwar in einer Anordnung in Radiusrichtung vom Achsmittelpunkt aus.

Demgemäß ist in jeder wechselseitigen Eingriffstellung das Rotationsdrehmoment der beiden Rotoren 1, 2 konstant.

Wenn das Windungsverhältnis / den Wert 2,3,... ebenso wie den Wert / = 1 erreicht, dann ist Tl + TI — konstant und ferner Tl - T2 = 0 ist, so daß die beiden Rotoren bei gleicher Drehzahl ohne Pulsation angetrieben werden. Da keine Energieübertragung zwischen den beiden Rotoren vorliegt, erhält man ideale Drehverhältnisse zwischen den beiden Rotoren, bei denen jeder Zahn-zu-Zahn-Oberflächenkontaktdruck fehlt.

Es wird nunmehr auf die theoretische Abgabenmenge q Bezug genommen, welche sich annähernd aus der folgenden Gleichung ergibt:

Da RJR größer ist, wird die theoretische Abgabemenge q grüßer und vorteilhafter.

Hinsichtlich der Anzahl der Zähne R₀ZR erhält man folgende Beziehung, wobei gilt:

max = 1 + 2 sin -2— (A)

71 = T2 = -£■ -JL- (J (Rl - R²)d6 + ^(Rl - R² _r)d6 + 2

Daher gilt, wenn

Z = 2-4r⁼ 1.7654

R
5

Z= 3 ■*£?■= 1,5176
R

Z = 4-^= 1,3902

Wenn Z = 2 ist, so ergibt sich R₀ZR als Maximum.

Da der Rotor eine Welle mit Lager umfaßt, wäre es nachteilhaft, den Kerndurchmesser des Rotors allzusehr zu reduzieren. Demgemäß läßt sich festhalten, daß der Wert R₀ZR = 1,5 dem optimalen Wert entspricht.

Andererseits muß bei schraubenförmig gezahnten Rotoren auch der Ausbau aus dem Gehäuse berücksichtigt werden. Da der Windungswinkel./? begrenzt ist, muß das Windungsverhältnis / der folgenden Beziehung genügen:

/ < (Z - 1) - — cos ' — + — κ (S)

π R₀ 2 π

Fig. 3 stellt das Ergebnis der Berechnung zu obiger Gleichung (5) dar.

Damit das Windungsverhältnis / den Wert 1 im Falle von Z = 2 erreicht, ist es erforderlich, daß das Verhältnis R₀ZR sehr klein wird, was jedoch nicht sehr praktisch ist. Wenn Z = 3 ist, so ergibt sich / = 1; wenn Z = 4 ist, so ergibt sich / = 1, / = 2.

Jedoch beträgt die Differenz der theoretischen Abgabemenge, wenn (R₀ZR) max gilt, in Gleichung (4) 40% zwischen Z = I und Z = 4. Demgemäß gilt für eine Maximierung der theoretischen Abgabemenge eines Strömungsmessers bei kontinuierlicher gegenseitiger Berührung der Zahnprofilkurven, daß die Zahl der Zähne bei jedem Rotor 1 und 2 gleich Drei und das Windungsverhältnis /gleich Eins oder angenähert diesem Verhältnis ist. Nachfolgend wird auf Fig. 5 bezuggenommen, bei der bei jedem Rotor 1, 2 an der Zahnprofilkurve AlBlCl, also dem Bereich zwischen dem Kopfkreis und dem Teilkreis konvex gekrümmte Vorsprünge 11,12 als Primärzahnprofile ausgebildet sind, während an einer Fläche der Zahnprofilkurve A 2 B 2 C 2, also der Zahnprofilkurve im Bereich zwischen Teilkreis und Zahnbodenkreis konkav gekrümmte Vorsprünge 13 und 14 als Primärzahnprofile ausgebildet sind, wobei jeder dieser Vorsprünge 13,14 ein Schlupfverhältnis von Null aufweist. Auf Grund der gekrümmten Vorsprünge 11,12,13 und 14 stehen die übrigen gekrümmten Zahnprofilkurven mit Ausnahme der geringen Vorsprungshöhe A nicht in Berührung. Dies ist ein Merkmal dieser Zahnprofilkurve, wobei die Zahnprofilkurven beider Rotoren identisch sind.

Wenn die oben geschilderten beiden Rotoren 1 und 2 mit den gleichen Profilen und den gleichen Abmessungen im wechselseitigem Eingriff über ihre Vorsprünge 11,12,13 und 14 stehen und dabei ohne Schlupf gedreht werden, so kann die Berührungslinie der beiden Rotoren 1,2 über die vier Kurven PMQ, P'MQ', PRQ, P¹R 'Q' beschrieben werden.

Durch den geschilderten Strömungsmesser wird sichergestellt, daß durch den kontinuierlichen Zahn-zu-Zahn-Obcrfiächcnkontakt keine Blockierung von Fluid zwischen den entsprechenden Zahnprofilkurven auftreten kann. Mit anderen Worten ergibt sich ein Raum, bei dem jegliche Flüssigkeit zwischen den entsprechenden Zahnprofilkurven der beiden Rotoren völlig entfernt werden kann. Das heißt eben, daß keine Flüssigkeitsblockierung dazwischen auftreten kann. Zusätzlich ist bei beiden Rotoren 1,2 das Windungsverhältnis /gleich 1 oder annähernd 1, so daß die Rotoren ohne Pulsation drehen können, wobei bei jeder Zahn-zu-Zahn-Oberflächenberührung der Druck einen Wert Null erreicht, da eine EnergieübertraguBg zwischen beiden Rotoren nicht stattfindet. Darüber hinaus arbeitet dieser Strömungsmesser auch äußerst genau, wobei er auch hinsichtlich seiner theoretischen Abgabemenge auf einen Maximalwert ausgelegt ist

Der beschriebene Strömungsmesser eignet sich besonders günstig zur Messung von Abwässern, beispielsweise Faulschlamm. Er kann dabei auch an Stelle eines Hydraulikmotors, einer Pumpe oder eines anderen FMd-Baueiementes verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einem Paar ineinandergreifender schraubenförmig gezahnter und um parallele Rotorachsen drehender Rotoren, deren entsprechende Zahnprofilkurven in kontinuierlicher Berührung miteinander stehen, wobei die gegenüberliegenden Zahnflanken jedes Zahnes im Schnitt senkrecht zur Rotorachse durch einen Kopfkreis, einen Teilkreis und einen Zahnbodenkreis jeweils um die Rotorachsen aufgeteilt sind und die Teilkreise einander berühren, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis