DE3112959C2

DE3112959C2 - Turbinenläufer eines Durchflußmessers

Info

Publication number: DE3112959C2
Application number: DE3112959A
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: 1984-01-26
Also published as: JPS57201813A; JPS6328246B2; DE3112959A1; FR2503354B1; FR2503354A1; GB2097132A; GB2097132B; US4451207A

Description

4. Turbinenläufer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß ά,ε Stirnflächen (10) des Läuferrades (4) eben ausgebildet sind.

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

6. Turbineniäufer ülch Ai sprach 5, dadurch gekennzeichnet daß der Sehr igungswinkel β 25° beträgt

Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer eines Durchflußmessers mit induktivem Impulsabgriff, bestehend aus einem Laufrad mit zylindrischer Grundfoi m, wobei die Schaufeln des Laufrades als ebene Platten ausgebildet sind, welche zur Läuferachse einen Schrägungswinkel β aufweisen.

Derartige Durchflußmesser sind an sich bekannt und gehören zur Gruppe der mittelbaren Voiumenzähler, welche nach dem Prinzip des sogenannten Woltmann-Flügelradzählers arbeiten und die zur genauen Messung des momentanen Volumenstromes, sowie zur Volumenmessung von Flüssigkeiten besonders geeignet sind. Ein Turbinenläufer mit geringer Masse, der in einem Rohrkörper zentrisch gelagert ist wird in axialer Richtung angeströmt, wobei das Meßmedium, über Strömungsgleichrichter beruhigt als quasi laminare Strörr.ung 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 Rohrkörper hindurch über einen induktiven Aufnehmer abgegriffen. Die Impulszahl pro Zeiteinheit ist dem momentanen Volumenstrom proportional, wobei selbst bei minimalem Volumenstrom 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 Bremsmoment 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 \chse des Turbinenrades ab, sowie von der Anzahl der Schaufeln, wodurch auch die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades mitbestimmt wird.

Die Bestrebungen, dii bekannten Turbinendurchfluß-

l; messer zu einem genaueren 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

2a 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 Rügelrades mit einer flacheren Steigung versehen, die den nötigen Ausgleich gewährleistet

Ein Flügelrad mit zwei unterschiedlichen Steigungen auszubilden ist hinsichtlich der Herstellung sehr kostenaufwendig, wobei als weiterer Nachteil noch hinzukommt da« sich ein derartiges Flügelrad nicht für extrem große Meßbereiche eignet

Eine weitere bekannte Konstruktion der Woltmann-Flügel beruht auf einer Ausführung, bei der sechs Schaufeln den vcilen 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 außenliegenden Flügelblattflächen höher beaufschlagt wodurch der Zähler empfindlicher wird. Die untere Meßbereichsgrenze konnte somit herabgesetzt werden.

Auch eine derartige Maßnahme ist hinsichtlich der Herstellung des Läuftrrades 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 Turbinenrädern 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 sieh 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 Durchflußtnessers mit induktivem Impulsabgriff die zwischen den Schaufeln befindlichen Fußflächen des Läuferrades ebene Flächen sind, weiche mit den anliegenden Schaufelflächen gerade und zu einander parallel verlaufende Fußlinien bilden.

Durch dies«. Maßnahme nach der Erfindung schließen die an- und absirömseitigen Kanten der Fußflächen nicht mehr bündig 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 Abs?römka< " an den is Stirnflächen des Läuferrades eins; nen. η diesen Abströmkanten bilden sich in unregelmäßiger Folge Wirbel aus, die auf das Läuferrad im^uisförrnige Kräfte übertragen, weiche ihrerseits ■-. .^reichend sind, die ψ Haftreibung des ruhende' Laufrades frühzeitig zu ρ überwinden. Im Zusammenwirken mit der Schrägstel- § lung der Schaufeln entsteht bei der Anströmung g derselben eine Kraftkomponente in Richtung des H Umfanges des Läuferrades, weiche eine Lrehkraft F ausübt Im Zusammenwirken mit den impulsförmig i; auftretenden Kräften wird daher erreicht, daß die ruhende Reibung des Läuferrades bereits bei äußerst :: geringen Strömungsgeschwindigkeiten überwunden [-" wird, so daß der Meßbereich in Richtung kleiner Ströme r erweitert ist In Weiterbildung der Erfindung schneiden die jeweils

r im gleichen Absland von einer Stirnfläche des Läuferrades entfernt befindlichen und auf den in ■ Strörnangsrichtung verlaufenden Mittellinien der Fußflächen stehenden Fiächennormalen sich in einem Punkt der Läuferachse des Laufrades.

Durch diese Maßnahme der Erfindung lassen sich die wirksamen Abreißkanten verändern, so daß der gewünschte Effekt beeinflußbar ist

Vorteilhaft ist es, wenn die durch den Schwerpunkt to aller Fußflächen verlaufenden Flächennormalen die Läuferachse des Läuferrades in einem Punkt schneiden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Abreißkanten an den Oeiden 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 Schrä- '.» gungswinkel ß. der zwischen 20° und 30° liegt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Schrägungswinkel β = 25°. Durch diese Maßnahme werden bereits bei einer äußerst geringen Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ausreichende ü Kräfte erzeugt, weiche 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, w Hierbei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßturbine,
* F i g. 2 einen sektorförrr.igen Ausschnitt eines Läufer-

rades in vergrößerter Darstellung,

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

F i g. 4 die charakteristische Fehlerkurve gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Fehlerkurve eines entsprechenden Meßgerätes gemäß dem Stand der Technik.

Die F i g. 1 zeigt einen Durchflußmtsser 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 Strömungsriühtung an. Unmittelbar hinter dem Einlaufanschluß befindet sich im Strömungskanal 15 ein Strömungsgleichrichter 18. welcher beispielsweise sechs Leitbieche aufweist, die an einem Ring 30 eingangsseitig befestigt sind und gleichzeitig zur Halterung der Läuferachse 2 dienen. Zur Verminderung der Wiibelbildung 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 Lauf ;rrad anströmende Flüssigkeit in den Schaufelbereich des Läuferrades gelangt Dem Strömungskörper 21 schließt sich unmittelbar eine weitere Leitblech' Ordnung 23 an. welche ebenfalls zur Strömungsgleichrichtung dient

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

Die Fig.2 zeigt einen sektorförmigen Ausschnitt eines Laufrades 4 durch seine Mitte, wob~i 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. Di
Stirnflächen ίθ des Läuferrades 4 sind ebtn ausgebildet, wie aus der F i g. 1 deutlich zu entnehmen ist. Desgleichen läßt sich der Fig. 1 der Schrägurigswinkel β entnehmen, der zwischen der Achse 2 des Laufrades 4 und der Fußlinien 5 bzw. 6 der Schaufelflächen liegt.

Die F i g. 4 zeigt die charakteristische Fehlerkurve (durchgezogen) im Vergleich zur entsprechenden Fehlerkurve eines Durchlaufmessers nach dem Stande der Technik (gestrichelt dargestellt). Wie der Kurvenverlauf deutlich zeigt, setzt beispielsweise die Meßkurve bei einem Fehler von - 1% bei einer Durchströmmenge von 18 I pro Minute ein, wobei sich dieser konkrete Meßwert auf eine hergestellte Ausführungsform der Erfindung bezieht. Die Kurve steigt sehr sieii an und erreicht bei nur einer geringen Zunahme der Durchstrcnimenge ihr Maximum, um sich dort dem Wert anzugleichen, der sich auch bei den Ausführungsformen der Läuferräder nach dem Stande derTecnnik ergibt.

Wie ohne weiteres erkennbar ist. kan.i mu der Maßnahme nach der Erfindung der Einsatzpunk! des Durchlaufmessers zu geringen Durchlaufmengen hin verschoben werden, so daß eine erhebliche Meßbereichserv.dterungerreicht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der vereinfachten Herstellung der Laufräder, da die Fräsarbeit bei einer einzigen hii.stellung des Fräsers erfolgen kann. Damit werden eine Reihe weiterer Arbeitsgänge eingespart, wo daß insgesamt eine nennenswerte Verbilligung erzielt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

31 12 95' Patentansprüche:

1. Turbinenläufei eines Durchflußmessers mit induktivem Impulsabgriff, bestehend aus einem Laufrad mit zylindrischer Grundform, wobei die Schaufeln des Laufrades als ebene Platten ausgebildet sind, weiche zur Läuferachse einen Schrägungswinkel β 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) bLJen.

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 Läuff rachse (2) des Laufrades (4) schneiden.

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