DE3112959A1

DE3112959A1 - Turbinenlaeufer eines durchflussmessers

Info

Publication number: DE3112959A1
Application number: DE19813112959
Authority: DE
Inventors: Helmuth 5060 Bergisch-Gladbach Hoffmann
Original assignee: Hydrotechnik GmbH
Current assignee: Hydrotechnik GmbH
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-11-11
Also published as: GB2097132B; FR2503354A1; DE3112959C2; JPS57201813A; GB2097132A; JPS6328246B2; US4451207A; FR2503354B1

Description

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EYER & LINSER" PATENTANWÄLTE 3112959

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ROBERT-BOSCH-STR. 12A D-CO72 DREIEICH

Anmelder;

Pirn a

Hydrotechnik GmbH
Holzheiraer Straße 94-96

6250 Limburg/Lahn

Turbinenläufer eines Durchflußmessers

Beschreibung:

Die Erfindung "betrifft einen Turbinenläufer eines Durchflußmessers mit induktivem Impulsabgriff, bestehend aus einem Laufrad mit zylindrischer Grundform, wobei die Schaufeln des Laufrades als ebene Platten ausgebildet sind, welche zur Läuferachse einen Sohragungswxnkel ß aufweisen.

Derartige Durchflußmesser sind an sich bekannt und gehören zur Gruppe der mittelbaren Volumenzähler, welche nach dem Prinzip des sogenannten Woltmann-Flügelradzählers arbeiten und di_e zur genauen Messung des momentanen Vblumenstrome?, sowie zur Volumenmessung von Flüssigkeiten besonders geeignet sind. Ein Turbinenläufer mit geringer Masse, der in einem Rohrkörper zentrisch gelagert ist, wird in axialer Eichtung angeströmt, wobei das Meßmeditim, über Strömungsgleichrichter beruhigt, als quasi laminare Strömung auf das Turbinenrad trifft. Die Drehzahl des Turbinenrades ist hierbei proportional der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und entspricht damit über einen weiten Bereich dem durchgesetzten Volumen.

Die Drehzahl des Turbinenrades wird vorzugsweise rückwirkungsarm durch den nicht magnetischen Bohrkörper hindurch über einen induktiven Aufnehmer abgegriffen. Die Impulszahl pro Zeiteinheit ist dem momentanen Volumenstrora proportional, wobei selbst bei minimalem Volumenstrora die Drehzahl des Turbinenrades durch den induktiven Impulsabgriff nicht beeinflußt wird. Die hydraulischen Verluste sind jedoch viskositätsabhängig bzw. abhängig von der Reynoldzahl.

Durch die Auswahl hochwertiger und reibungsarmer Lagerwerkstoffe und durch die Verringerung der Flügelmasse ist man bemüht, das Brerasmoment möglichst klein zu halten, um den maximalen Effekt, d.h. den großen Meßbereich des Zählers zu erhalten oder zu erweitern. Dies wirkt sich auch auf die

Charakteristik der Fehlerkurve aus. Solche Maßnahmen hängen Jedoch weitgehend von dem Winkel der Schaufeln zur Achse des Turbinenrades at», sowie von der Anzahl der Schaufeln, wodurch auch die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades mitbestimmt wird.

Die Bestrebungen, die bekannten Turbinendurchflußmesser zu einem genauer f.·. Meßgerät zu machen, führten im Laufe der Zeit zu Neuerungen, die sich insbesondere auf die Ausbildung der Flügel bezogen.

So sind beispielsweise Konstruktionen mit zwei verschiedenen Steigungen bekannt, d.h. im vorderen Teil des Flügelrades wird eine steilere Steigung verwendet als im hinteren Teil. Dadurch wird erreicht, daß bei kleinen Mengen die Beaufschlagung intensiver wird und bei kleinen Durchflußmengen bereits Drehzahlbereiche erreicht werden, bei denen die untere Meßbereichsgrenze herabgesetzt werden kann. Um Jedoch andererseits nicht in zu hohe Drehzahlbereiche zu gelangen, die einen erhöhten Verschleiß zur Folge hätten, wurde der hintere Teil des Flügelrades mit einer flacheren Steigung versehen, die dt;n nötigen Ausgleich gewährleistet.

Ein Flügelrad mit zwei unterschiedlichen Steigungen auszubilden ist hinsichtlich der Herstellung sehr kostenaufwendig, wobei -'ι! ρ weii;<T'^r Nachteil noch hinzukommt, daß sich ein derartiges Flügelrad nicht für extrem große Meßbereiche eipnet.

Eine weitere bekannte Konstruktion der Woltmann-Flügel beruht auf einer Ausführung, bei der sechs Schaufeln den vollen Durchmesser aufweisen, während weitere sechs Schaufeln niederer gehalten sind, d.h. etwa die halbe Höhe aufweisen. Eine solche Konstruktion ist unter der Bezeichnung "Stufenflügel" bekannt. Die Schaufeln wurden dabei eben ausgebildet. Durch die Zwischenschaufeln konnte bei kleinen Durchflüssen die Grenzschichtbildung an den Flügelblättern verstärkt werden. Damit werden die außen liegenden Flügel-

blattflächen hoher beaufschlagt, wodurch der Zähler empfindlicher wird- Die untere Meßbereichgrenze konnte somit herabgesetzt werden.

Auch eine derartige Maßnahme ist hinsichtlich der Herstellung des Läuferrades kostenaufwendig.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Koeffizient der gleitenden Reibung stets kleiner ist als der Haftreibungskoeffizient und daß dieser Zusammenhang bezüglich des AnlaufVerhaltens von Türbinenrädern berücksichtigt werden kann. Mit anderen Worten, ein Körper, der durch einen Stoß oder eine impulsförmig wirkende Kraft in Bewegung gesetzt wird, wird hierzu einer geringeren Krafteinleitung bedürfen als ein Körper, der durch eine kontinuierlich ansteigende Kraft beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Laufrad eines Turbinenläufers derartig auszubilden, daß die Haftreibung eines stehenden Laufrades bei einer äußerst geringen Geschwindigkeit des Mediums überwunden wird, um so den Meßbereich in Richtung kleiner Ströme zu erweitern. Neben anderen Einflüssen eignen sich hierfür besonders impulsförmig auftretende Kräfte, welche gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung derartig zu erzeugen sind, daß entsprechende Einwirkungen auf das ruhende Laufrad erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem eingangs aufgeführten Turbinenläufer eines Durchflußmessers mit induktivem Impulsabgriff die zwischen den Schaufeln befindlichen Fußflächen des Läuferrades ebene Flächen sind, welche mit den anliegenden Schaufelflächen gerade und zu einander parallel verlaufende Fußlinien bilden.

Durch diese Maßnahme nach der Erfindung schließen die an-

und abströmseitlgen Kanten der Fußflächen nicht mehr bändig an den An-bzw. Abströmkörper an,sondern es bilden sich in Achsrichtung des Laufrades betrachtet an den Stirnseiten desselben dreieckige Flächen aus, so daß An- und Abströmkanten an den Stirnflächen des Läuferrades entstehen. An diesen Abströmkanten bilden sich in unregelmäßiger Folge Wirbel aus, die auf das Läuferrad impulsförmige Kräfte übertragen, welche ihrerseits ausreichend sind,die Haftreibung des ruhenden Laufrades frühzeitig zu überwinden. Im Zusammenwirken mit der Schrägstellung der Schaufeln entsteht bei der Anströmung derselben eine Kraftkomponente in Richtung des Umfanges des Läuferrades, welche eine Drehkraft ausübt. Im Zusammenwirken mit den impulsform!ρ auftretenden Kräften wird daher erreicht, daß die ruhende Reibung des Läuferrades bereits bei äußerst geringen Stx'ömungsgeschwindigkeiten überwunden wird, so daß der Meßbereich in Richtung kleiner Ströme erweitert ist.

In Weiterbildung der Erfindung schneiden die jeweils im gleichen Abstand von einer Stirnfläche des Läuferrades entfernt befindlichen und auf den in »Strömungsrichtung verlaufenden Mittellinien der Fußflächen stehenden Flächennormalen sich in einem Punkt der Läuferachse des Laufrades.

Durch diese Maü'i/ihmc der Erfindung lassen sich die wirksamen Abreißkanten verändern, so daß der gewünschte Effekt beeinflußbar ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die durch den Schwerpunkt aller Fußflächen verlaufenden Flächennormalen die Läuferachse des Läuferrades Ln einem Punkt schneiden.

Bei dieser Ausführungsforra der Erfindung sind die Abreißkanten an den beiden Stirnseiten des Läuferrades gleich groß ausgebildet.

Die Stirnflächen des Läuferrades sind vorzugsweise eben ausgebildet, wodurch sich nicht nur hinsichtlich der gewünschten Wirbelbildung sondern auch für die Herstellung des Läuferrades Vorteile ergeben.

Die Fußlinien bilden zur Läuferachse einen Schrägungswinkel ß, der zwischen 20 und 30° liegt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Schrägungswxnkel ß=25°. Durch diese Maßnahme werden bereits bei einer äußerst geringen Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ausreichende Kräfte erzeugt, welche unmittelbar nach der Überwindung der Haftreibung zum Einsatz kommen können, um eine Drehbewegung zu bewirken.

Die Erfindung wird anhand der Figuren, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßturbine;

Fig. 2 einen sektorförmigen Ausschnitt eines Läuferrades in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 eine Darstellung eines Läuferrades mit nur teilweise wiedergegebenen Schaufeln und

Fig. 4- die charakteristische Fehlerkurve gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Fehlerkurve eines entsprechenden Meßgerätes gemäß dem Stand der Technik.

Die Figur 1 zeigt einen Durchflußmesser im Längsschnitt etwa in natürlicher Größe. Das Gehäuse 14- umschließt einen runden Strömungskanal 15 und ist eingangsseitig mit einem Einlauf 16 und ausgangsseitig mit einem Auslauf 17 versehen, welche mit einem Gewinde ausgerüstet sind. Der Pfeil 13 zeigt die Strömungsrichtung an. Unmittelbar

hinter dem Einlaufanschluß befindet π ich im Strömungskanal 1S ein Ströraungsgleichrichter 18| welcher beispielsweise sechs Leitbleche aufweist, die an einem Ring 30 eingangsseitig befestigt sind und gleichzeitig zur Halterung der Läuferachse 2 dienen. Zur Verminderung der Wirbelbildung ist der Läuferachse 2 ein Strömungskörper 19 vorgeschaltet. Vor und hinter dem Läuferrad 4 sowie am Auslaufende der Achse 2 sind weitere Strömungskörper 20, 21 und 22 vorhanden. Der Strömungskörper 20 ist derartig ausgebildet, daß die das L'^:uferrad anströmende Flüssigkeit in den Schaufelbereich des L^;:uferrades gelangt. Dem Ströraungskörper schließt sich unmittelbar eine weitere Leitblechanordnung an, welche ebenfalls zur Strömungsgleichrichtung dient.

Im Urafangsbereich des Läuferrades 4 ist eine Bohrung 24 zur Aufnahme eines induktiven Impulsabgriffes 25 vorgesehen. Weitere Bohrungen 26 und 27i welche in der Zeichnung durch Kappen 28 und 29 verschlossen sind, dienen zur Aufnahme entsprechender Druckwertgeber.

Die Figur 2 zeigt einen sektorförmigen Ausschnitt eines Laufrades ^ wobei die zwischen den Schaufeln 1 befindlichen Fußflächen 3 ebene Flächen sind. Diese bilden mit den anliegenden Schaufelflächen 8 und 9 gerade,zueinander parallel verlaufende Fußlinien 5 bzw. 6.

Die durch den Schwerpunkt aller Fußflächen 3 verlaufenden Flächennormalen 7 schneiden die Läuferachse 2 des Läuferrades 4 in einem Punkt. Die Stirnflächen 10 des Läuferrades 4 sind eben ausgebildet, wie aus der Figur 1 deutlich zu entnehmen ist. Desgleichen läßt sich der Figur der Schrägungswinkel ß entnehmen, der zwischen der Achse des Laufrades 4 und der Fußlinien 5 bzw. 6 der Schaufelflächen liegt.

Die Figur 4 zeigt die charakteristische Fehlerkurve (durchgezogen) im Vergleich zur entsprochenden Fohlerkurve eines

— 10 —
* durch seine Mitte

Durchlaufmocser s nach dem Stande der x dargestellt). Wie der Kirrvenverlauf deutlich zeigt, setzt beispielsweise die Meßkurve bei einem fehler von - "% bei einer Durchstroinmenge von 18 1 pro Minute ein, wobei sich dieser konkrete Meßwert auf eine hergestellte Ausführungsform der Erfindung bezieht. Die Kurve steigt sehr steil an und erreicht bei nur einer geringen Zunahme der Durchstrcmmenge ihr Maxiraun, um sich dort dem Wert anzugleichen, der sich auch bei den Ausführungr.formen 'ier Läuferrüder nach dem Stande der Technik ergibt.

Wie ohne weiteres erkennbar ist, kann mit der Maßnahme nach der Erfindung der Einsatzpunkt, der: Durchlaufmessers zu geringen Durchlauf mengen hin verschoben v/erden, so daß eine erhebliche Meßbereichserweiterung erreicht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der vereinfachten Herstellung der Laufräder, da die Fräsarbeit bei einer einzigen Einr.t^H ungnen Fräsers erfolgen kann. Damit werden eine lilcihn weiterer Arbeitsgänge eingespart., so daß insgesamt <> i :i<"> n'-nrienr.werte Verb i L1 i gung erzielt, w i. rd .

Leerseite

Claims

Patentansprü ehe

1. Turbinenläufer eines Durchflußmessers mit induktivem Impulsabgriff, bestehend aus einem Laufrad mit zylindrischer Grundform, wobei die Schaufeln des Laufrades als ebene Platten ausgebildet sind, welche zur Läuferachse einen Schrägungswinkel ß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Schaufeln (1) befindlichen Fußflächen (3) des Läuferrades (4) ebene Flächen sind, welche mit den anliegenden Schaufelflächen (8,9) gerade und zueinander parallel verlaufende Fußlinien (5,6) bilden.

2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die jeweils im gleichen Abstand von einer Stirnfläche (.10) des Läuferrades (4) entfernt befindlichen und auf den in Strömungsrichtung verlaufenden Mittellinien (11) der Fußflächen stehenden Flächennormalen (7) sich in einem Punkt (12) der Läuferachse (2) des Laufrades (4) schneiden.

3. Turbinenläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die durch den Schwerpunkt aller Fußflächen (3) verlaufenden Flächennormalen (7) die Läuferachse (2) des Läuforrades (4) in einem Punkt schneiden.

4. Turbinenläufer nach Anspruch 1, ? oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen ("¹O) des Läuferrades (4) eben ausgebildet sind.

5· Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußlinien (5,6) zur Läuferachse (2) einen Schrägungswinkel ß bilden, der zwischen 20 und 30° liegt.

6. Turbinenläufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Schrägungswinkel ß 25° beträgt.