DE3502925A1

DE3502925A1 - Turbinenstroemungsmesser

Info

Publication number: DE3502925A1
Application number: DE19853502925
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Yokohama Kanagawa Katayama; Takashi Kawasaki Kanagawa Kato; Yutaka Takarazuka Hyogo Morita
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Tokico Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Tokico Ltd
Priority date: 1984-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3502925C2; JPS60158316A; US4648281A; JPH0464009B2; GB8502200D0; GB2154327B; GB2154327A

Description

■ ■■'■- -.5- ■-·.■■. ' 10895 OSAKA GAS CO., LTD., Osaka, Japan und TOKICO LTD., Kawasaki, Japan

Turbinenströmungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Turbinenströmungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Turbinenströmungsmesser, bei dem ein Turbinenrotor von einem mechanischen Lager gehalten ist, wenn die Durchflußmenge eines Fluids gering ist, und bei dem ein dynamisches Drucklager auf den Turbinenrotor wirkt, wenn die Durchflußmenge des Fluides groß ist, wodurch der Meßbereich der Strömungsmenge bzw. Durchflußmenge erheblich vergrößert ist.

Üblicherweise wird ein Turbinenströmungsmesser bzw. Turbinendurchflußmengenmesser verwendet, um die Durchflußmenge von Gasen zu messen, die im Wohnbereich oder in der Industrie verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten, den Turbinenrotor in einem derartigen Turbinenströmungsmesser zu lagern. Dabei werden Kugellager, Drehlager, Gleitlager und dergl. verwendet. Diese bekannten Lager haben verschiedene Nachteile: Kugellager erfordern eine häufige Wartung, bei Drehlagern ist eine große Abnutzung infolge der Reibung festzustellen, wenn der Rotor mit großer Geschwindigkeit gedreht wird, und bei Gleitlagern tritt ein hoher Reibungswiderstand gegenüber der Drehung des Rotors auf.

Bei den bekannten Turbinenströmungsmessern, die eines der oben beschriebenen Lager verwenden, ist die Meßgenauigkeit im Bereich geringer Durchflußmengen und/ oder hoher Durchflußmengen gering, wodurch der effektive Meßbereich sehr klein ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Turbinenströmungsmesser anzugeben, bei dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmesser wird der Turbinenrotor von einem Drehlager nach Art einer Ein-Punkt-Lagerung gelagert, wenn die Strömungsmenge klein ist, und wenn die Strömungsmenge ansteigt, wird ein dynamisches Drucklager aufgebaut, wobei der Turbinenrotor bei ansteigender Strömungsmenge auch von diesem dynamischen Drucklager gehalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmesser kann die Strömungsmenge mit großer Genauigkeit sowohl im Bereich geringer Strömungsmengen als auch im Bereich großer Strömungsmengen gemessen werden, wodurch der effektive Meßbereich des Strömungsmessers erheblich vergrößert ist. Der erfindungsgemäße Turbinenströmungsmesser erfordert praktisch keine Wartung, wie dies bei einem Kugellager oder dergl. erforderlich ist.

Der erfindungsgemäße Turbinenströmungsmesser hat ein Gehäuse und einen darin drehbar angeordneten Turbinenrotor. Der Turbinenrotor ist in dem Gehäuse in Richtung seiner Drehachse um eine bestimmte Strecke verschieblich angeordnet. Der Strömungsmesser hat ferner ein Drehlager, das den Turbinenrotor lagert, wenn die Strömungsmenge klein ist, und ein dynamisches Drucklager zur drehbaren Lagerung des Turbinenrotors, wenn die Strömungsmenge groß ist.

Der Rotorkopf bzw. die Rotornabe des erfindungsgemäßen

Turbinenströmungsmessers ist mit mehreren spiralförmigen Nuten versehen, deren Breite zur Mitte des Rotorkopfes bzw. der Rotornabe hin abnimmt, und ein stationäres Bauteil ist dem Rotorkopf gegenüberliegend angeordnet, wobei ein Spalt einer vorbestimmten Dicke zwischen beiden verbleibt. Die spiralförmigen Nuten, die zusammen mit dem Rotorkopf gedreht werden, erzeugen bei zunehmender Strömungsmenge eine Pumpwirkung in dem Spalt, wodurch ein Fluid in dem Spalt zusammengedrückt wird und einen Fluidfilm bzw. eine Fluidschicht bildet, wodurch ein dynamisches Drucklager aufgebaut wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüehen gekennzeichnet.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der

Zeichnung. Dabei zeigen:
20

Fig. 1 in einem vertikalen Querschnitt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmessers;

Fig. 2 einen wesentlichen Teil des Turbinenströmungsmessers der Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung;

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht einen Turbinenrotor gemäß Fig. 2 in vergrößerter Darstellung mit einem weggeschnittenen Teil;

Fig. 4 in einem vertikalen Querschnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmessers ;

Fig. 5 und 6 Querschnitte entlang der Linien V-V und

VI-VI in Fig. 4 und

Fig. 7 und 8 in vertikalen Querschnitten einen wesentlichen Teil des Turbinenströmungs

messers gemäß Fig. 4 bei geringer bzw. großer Strömungsmenge.

¹^ Fig. 1 zeigt einen Turbinenströmungsmesser 11, der ein Strömungsmessergehäuse 12 aus Gußeisen oder Gußbronze hat. Das Gehäuse 12 ist mit einem Einlaßrohr 12a und einer mit einem Gewinde versehenen Auslaßbohrung 12b versehen, in die ein Auslaßrohr 13 eingeschraubt ist. Das Gehäuse 12 ist vertikal angeordnet, so daß seine Achse mit einer vertikalen Linie zusammenfällt. Der Innendurchmesser des Gehäuses 12 ist größer als der Innendurchmessers des Einlaßrohrs 12a und des Auslaßrohres 13, um den Druckverlust zu verringern.

Ein Nabenbauteil bzw. Anschlagbauteil 14, das aus Gußeisen oder Gußbronze besteht, ist einstückig mit der Innenfläche des Auslaßrohres 13 über mehrere Streben 14a ausgebildet. Ein weiteres Nabenbauteil 15 besteht aus einer leichten Spritzlegierung oder profilierten Kunststoffen und ist mit einer axialen Bohrung 15a, einer eine Feder haltenden Bohrung 15b und einer Durchgangsbohrung 15c versehen. Das Nabenbauteil 15 ist an der Oberseite des Nabenbauteils 14 mittels einer Schraube oder dergl. befestigt. Das Kopfende (obere Ende) des Nabenbauteils 15 hat eine halbkugelige Oberfläche 15d.

Eine Welle 16 ist mit einem Hubbegrenzeranschlag bzw. einer Scheibe 16a an ihrem unteren Ende und einem Drehbauteil I6b, das aus Kohlenstoffmetallen oder Stahl besteht, an ihrem oberen Ende versehen, was insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist. Die Welle 16 ist verschieblich in der axialen Bohrung 15a des Nabenbauteils 15 so eingesetzt, daß sie nach oben und nach unten bewegbar ist. Der Hubbegrenzeranschlag bzw. die Scheibe 16a der Welle 16 ist innerhalb der die Feder enthaltenden Bohrung 15b angeordnet. Die Welle 16 wird von einer Feder 17 nach oben beaufschlagt. Infolgedessen wird die Scheibe 16a ebenfalls nach oben beaufschlagt, um an der oberen Wand der die Feder haltenden Bohrung 15b anzuliegen, und das Drehbauteil I6b steht aus dem Nabenbauteil 15 nach oben vor. Innerhalb der die Feder haltenden Bohrung 15b ist ein Stopper 18 angebracht, der eine übermäßige Bewegung der Welle 16 nach unten verhindert.

Ein Turbinenrotor 19 hat einen Rotorkopf bzw. eine Rotornabe 20 und mehrere Schaufeln 21, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist. Der Rotorkopf 20 hat die Form einer halbkugeligen Schale und besteht aus leichten Legierungen wie beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder Titan oder formierten Kunststoffen, und die Schaufeln oder Flügel 21 sind am unteren Abschnitt des Rotorkopfs 20 zur Richtung der Achse des Rotorkopfes (Richtung des Fluidstromes) um einen bestimmten Winkel verdreht angeordnet. Im mittleren Teil des Rotorkopfes 20 ist ein Drehlagermetall 22 aus einem Kohlenstoffmetall bzw. Hartmetall oder Edelstein vorgesehen, das dort eingesetzt und an dem Rotorkopf 20 befestigt ist. Der Rotorkopf 20 ist ferner mit mehreren 'spiralförmigen Nuten 20a in seiner Innenfläche versehen, wie in den Fig. 2 und 3 dar-

gestellt ist. Jede spiralförmige Nut 20a läuft in einer Gegenrichtung zur Drehrichtung des Turbinenrotors 19 zusammen, wobei diese Drehrichtung in Fig. 3 nach links (im Gegenuhrzeigersinn) verläuft. Die Breite einer je-. den spiralförmigen Nut 20a wird von dem Außenrand des Rotorkopfes 20 zu dessen Innenbereich zunehmend enger. Der Turbinenrotor 10 ist auf dem Nabenbauteil 15 angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei das Drehlagermetall 22 drehbar auf dem Drehteil 16b der Welle 16 gehalten ist. Durch das Drehteil 16b der Welle 16 und das Drehlagermetall 22, das eine konkave Innenfläche 20a hat, ist ein Drehlager 23 gebildet. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, wird ein dynamisches Drucklager 24 während des Betriebs des Turbinenströmungsmessers 11 zwischen der halbkugeligen Fläche 15b des Nabenbauteils 15 und der Innenfläche des Rotorkopfes 20, der mit den Spiralnuten 20a versehen ist, aufgebaut.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist eine Prallplatte 25 mit mehreren öffnungen 25a und einem Stopper 31 in dem Strömungsmessergehäuse 12 im Einlaßbereich senkrecht zu dem ankommenden Fluidstrom befestigt. Der Stoppfer 31 liegt dem Drehlagermetall 22 des Turbinenrotors 19 in einem kleinen Abstand gegenüber und verhindert eine übermäßige Verschiebung des Turbinenrotors 19 nach oben. Stromaufwärts der Prallplatte 25 ist ein Gitter 32 angeordnet, das große Fremdpartikel abschirmt und gleichzeitig den Fluidstrom so stört bzw. verwirbelt, daß eine laminare Strömung verhindert ist. Ein Rotationssensor 33 einer magnetischen Widerstandsart, einer Wirbelart oder einer Widerstandsart ist in das Gehäuse 12 an einer Stelle angeordnet, die den Schaufeln 21 gegenüberliegt, und

dieser Sensor erfaßt die Drehung des Turbinenrotors

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Turbinenströmungsmessers 11 beschrieben. Ein Fluid (im vorliegenden Falle ein Gas), dessen Strömungsmenge gemessen werden soll, fließt von oben durch das Einlaßrohr 12a in den Turbinenströmungsmesser 11. Das Fluid durchströmt das Gitter 32 und die Öffnungen 25a in der Prallplatte 25 und drückt gegen die Schaufeln 21 des Turbinenrotors 19.

Da der Turbinenrotor 19 in diesem Zustand durch das Drehlager 23 in einem einzigen Punkt gehalten ist, ist der Drehwiderstand des Lagers gering und der Turbinenrotor 19 beginnt, in Richtung des in Fig. 3 dargestellten Pfeils mit einer Empfindlichkeit umzulaufen, die auch für einen extrem kleinen Fluidstrom ausreicht.

Wenn die Strömungsmenge des Fluids allmählich ansteigt, steigt auch die Druckkraft, die den Turbinenrotor 19 nach unten zwängt, an und der Turbinenrotor 19 wird zunehmend nach unten gegen die Kraft der Feder 11 verschoben, bis das Scheibenbauteil I6a der Welle 16 an dem Stopper 18 anliegt. Infolge der Verschiebung des Turbinenrotors nach unten wird der Spalt zwischen der halbkugeligen Innenfläche des Rotorkopfes 20 und der halbkugeligen Außenfläche 15d des Nabenbauteils 15 zunehmend schmaler. Wenn der Rotorkopf 20 sich in Richtung des in Fig. 3 dargestellten Pfeiles dreht, wird Fluid am unteren Randbereich des Rotorkopfes 20 in die Nuten 20a wegen der Viskosität des Fluides eingesaugt und es entsteht eine Art Pumpenwirkung der-spiralförmigen Nuten 20a, wobei diese Pumpenwirkung durch die Richtung, in der die spiralförmigen Nuten gebogen sind und sich erstrecken, und durch die Drehrichtung des Rotorkopfes

20 hervorgerufen wird. Das eingesaugte Fluid wird zusammengedrückt, wenn es zum Mittelabschnitt des Rotorkopfes 20 geführt wird, und es bildet einen Fluidfilm bzw. eine Fluidschicht in dem Spalt. Auf diese Weise wird ein dynamisches Drucklager 24 in dem Spalt zwischen der halbkugeligen Fläche 15d und der Innenfläche des Rotorkopfes 20, in der die spiralförmigen Nuten 20a ausgebildet sind, wirkungsvoll aufgebaut. Der Turbinenrotor 19 wird hauptsächlich von dem dynamischen Drucklager 24 gegen die Druckkraft gehalten und mit hoher Geschwindigkeit gedreht.

In diesem Zustand ist die Druckkraft, die von dem Fluidstrom auf den Turbinenrotor 19 wirkt, hauptsächlieh von dem dynamischen Drucklager 24 getragen, was zur Folge hat, daß auf die ¥elle 1-6 nur eine kleine Kraft wirkt, die ausreicht, um die Achse des Turbinenrotors 19 auf der Achse der Drehwelle 16 zu halten. Somit wird die Reibung zwischen dem Drehbauteil 16b der Welle 16 und dem Drehlagermetall 22 des Turbinenrotors 19 außerordentlich gering gehalten, wodurch eine Abnutzung durch Reibung selbst dann vermieden ist, wenn sich der Turbinenrotor 19 mit hoher Geschwindigkeit dreht.

Wenn die Strömungsmenge, des Fluids klein ist, wird das Drehlagermetall 22 des Turbinenrotors 19 von der Welle 16 in einem einzigen Punkt gehalten bzw. getragen. In diesem Fall ist die Reibung des Turbinenrotors 19 klein und es ist möglich, auf eine sehr kleine Strömungsmenge mit hoher Empfindlichkeit zu reagieren. Wenn hingegen die Strömungsmenge des Fluids groß ist, wird der Turbinenrotor 19 wirkungsvoll von dem dynamischen Drucklager 24 getragen. Die mechani-

sehe Reibung ist in diesem Falle weitgehend an dem Lagerabschnitt reduziert, so daß der Turbinenrotor 19 ansprechen kann und sich mit hoher Genauigkeit selbst bei einer sehr großen Strömungsmenge dreht.

Auf diese Weise kann der oben beschriebene Turbinenströmungsmesser 11 die Strömungsmenge mit großer Genauigkeit in einem breiten Meßbereich messen, der sich von dem Bereich einer kleinen Strömungsmenge bis zu einer großen Strömungsmenge erstreckt. Außerdem hat der Turbinenströmungsmesser 11 eine geringe mechanische Reibung an dem Drehlager 23 und dem dynamischen Drucklager 24, weshalb eine Wartung des Lagers so gut wie unnötig ist.

Da das Gitter 33 den Fluidstrom zwangsläufig stört bzw. aufteilt, ist es möglich, eine Änderung in der Zählerkonstanten bzw. Meßkonstanten infolge einer Änderung der Strömungsmenge wirkungsvoll zu verhindern. Dadurch ist der Meßbereich, in dem der Strömungsmesser die Strömungsmenge korrekt messen kann, vergrößert, und gleichzeitig ist die Auswirkung des oberen Rohres auf den Fluidstrom reduziert. Bei den bisher üblichen Turbinenströmungsmessern für eine Axialströmung ist die Zählerkonstante bzw. Meßkonstante oder Meßgenauigkeit groß, wenn der Fluidstrom laminar ist, und sie sinkt, wenn der Fluidstrom turbulenter wird und die Strömungsmenge zunimmt. Wenn der Fluidstrom vollständig verwirbelt ist, steigt die Zählerkonstante geringfügig an und nähert sich einem konstanten Wert.

Aus diesem Grund ist es bisher üblich, den obigen Übergangsströmungsbereich, in dem der Meßfehler groß ist, von dem wirksamen Meßbereich eines axialen Turbinenströmungsmessers auszuschließen. Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmesser ist es jedoch

möglich, die Messung der Strömungsmenge auch in diesem Übergangsbereich mit hoher Genauigkeit auszuführen.

Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmessers mit Bezug auf die Fig. 4 bis 8 beschrieben.

Ein Strömungsmessergehäuse 42 eines Turbinenströmungsmessers 41 ist vertikal angeordnet, so daß die Achse des Gehäuses 42 mit einer vertikalen Achse zusammenfällt. Bei dieser Ausführungsform fließt der Fluidstrom vom Boden des Gehäuses 42 nach oben.

Ein stromaufwärts gelegener Kegel 43 ist in den unteren Abschnitt des Gehäuses 42 eingesetzt. Ein Ring 43a paßt über eine Stufe 42a des Gehäuses 42 und ist mittels eines Ringes 44 befestigt, der vom Boden des Gehäuses 42 in dieses eingeschraubt ist. Der Kegel 43 hat eine Lagerbohrung 43b einer vorbestimmten Tiefe in seinem oberen Endabschnitt,und ein Drehlager 45 aus Kohlenstoffmetallen oder Edelsteinen ist in die Lagerbohrung 43b eingebettet.

Ein stromabwärts angeordnete Kegel 46 ist in den oberen Abschnitt des Gehäuses 42 eingesetzt. Ein Ring 46a paßt über eine Stufe 42b des Gehäuses 42 und ist mittels eines Ringes 47 befestigt, der in den oberen Endabschnitt des Gehäuses 42 eingeschraubt ist. Der Kegel 46 ist mit einer Lagerbofirung 46b einer vorbestimmten Tiefe in seinem unteren Endabschnitt, und ein Drehlager 48 ist in die Lagerbohrung 46b eingesetzt.

Von der Mitte des oberen Endäbschnitts des Kegels 46 erstrecken sich zwei Fluid einführende Bohrungen 46c in einer umgekehrten V-Form. Wie aus Fig. 5 zu er-

sehen ist, stehen die Fluid einführenden Bohrungen 46c in Verbindung mit zwei öffnungen in einer ringförmigen Nut 46e in der Unterfläche 46d des Kegels 46.

Ein Turbinenrotor 49 hat eine Welle 50, einen Rotorkopf bzw. eine Rotornabe 51, die einstückig an der Rotorwelle 50 vorgesehen ist, und mehrere Schaufeln 52, die an der Rotornabe 51 befestigt sind. Beide Enden der Welle 50 sind in die jeweiligen Lagerbohrungen 43b und 46b der Kegel 43 und 46 eingesetzt und dort drehbar gehalten. Das obere und das untere Ende der Welle 50 bestehen aus Kohlenstoffmetall bzw. Hartmetallen oder aus Stahl. In der Oberseite der Rotornabe 51 sind mehrere spiralförmige Nuten 51a ausgebildet, die im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 6 zusammenlaufen, d.h. in umgekehrter Richtung zur Drehrichtung des Turbinenrotors 49· Die Breite einer jeden spiralförmigen Nut 51a wird kleiner, wenn die Nut sich der Mitte der Rotornabe 51 nähert. Die äußeren Enden der spiralförmigen Nuten 45a erreichen nicht den äußeren Rand der Rotornabe 51» sondern enden an einer Stelle, die mit der ringförmigen Nut 46e übereinstimmt, die an der Unterseite 46d des stromabwärts gelegenen Kegels 46 ausgebildet ist. Wie weiter unten näher beschrieben wird, wird ein dynamisches Drucklager 53 zwischen den spiralförmigen Nuten 51a und der Unterseite 46d aufgebaut, wenn sich der Turbinenrotor 49 dreht. In Fig. 6 ist der Außendurchmesser der Schaufeln 42 mit einer strichpunktierten Linie dargestellt.

Das untere Ende der Rotorwelle 50 steht mit dem Drehlager 45 in Berührung (Fig. 7), wenn der Turbinenrotor 49 sich infolge seines eigenen Gewichtes nach unten bewegt, wobei ein schmaler Spalt I₁ zwischen dem oberen Ende der Rotorwelle 50 und dem Drehlager 48

besteht. Ein weiterer schmaler Spalt I₂ befindet sich zwischen der Unterseite der Rotornabe 51 und der Oberseite des stromaufwärts gelegenen Kegels 43. Ein weiterer kleiner Spalt 1, ist zwischen der Oberseite der Rotornabe 51 und der Unterseite 46d des stromabwärts gelegenen Kegels 46 gebildet, wobei der Spalt 1, grosser als der Spalt I₁ ist.

Ein Rotationssensor 54 ist an dem Kegel 43 an einer Stelle befestigt, die der Rotornabe 51 gegenüberliegt, und ein Magnet 55 ist an einer Stelle in die Rotornabe 51 eingebettet, die dem Rotationssensor 54 gegenüberliegt.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Turbinenströmungsmessers 41 beschrieben. Das zu messende Fluid strömt von dem Boden des Gehäuses 42 aus in das Gehäuse nach oben gerichtet ein (Fig. 4). Das Fluid drückt gegen die Schaufeln 52 und dreht den Turbinenrotor 49. Wenn die Strömungsmenge klein ist, wird das untere Ende der Welle 50 von dem Drehlager 45 in einem einzigen Punkt gehalten, so daß sich der Turbinenrotor 49 selbst dann mit großer Feinfühligkeit dreht, wenn die Durchflußmenge klein ist. Der Turbinenrotor 49 dreht sich in der durch den Pfeil in Fig. 6 dargestellten Richtung.

Wenn die Strömungsmenge ansteigt, übersteigt die nach oben auf den Turbinenrotor 49 einwirkende Druckkraft die nach unten gerichtete Kraft aus dem Eigengewicht des Turbinenrotors 49, und der Turbinenrotor 49 wird allmählich nach oben bewegt. Damit wird der Spalt 1_ zwischen der Oberseite der Rotornabe 51 und der Unterseite 46d des stromabwärts gelegenen Kegels

46 zunehmend schmaler. Wenn das obere Ende der Welle 50 das Drehlager 38 berührt (Fig. 8), nimmt der Spalt 1* einen minimalen Wert I^ (= 1, - I₁) an.

Ein Teil des Fluids, das durch die Schaufeln 52 hindurchgegangen ist, wird in den Spalt I^ von dem äusseren Umfangsabschnitt des Spaltes aus eingeführt, während gleichzeitig ein weiterer Fluidstrom von dem stromabwärtigen Abschnitt des stromabwärts angeordneten Kegels 46 fortlaufend durch die zwei Fluid einführenden Bohrungen 46c und die ringförmige Nut 46e eingeführt wird. Das so eingeführte Fluid wird durch die Pumpenwirkung der spiralförmigen Nuten 51a, die sich in Richtung des in Fig. 6 dargestellten Pfeils drehen, eingesaugt, wobei das Fluid zusammengedrückt wird, wenn es von den spiralförmigen Nuten 51a zur Mitte der Rotornabe 51 geführt wird, wobei ein Fluidfilm bzw. eine Fluidschicht in dem Spalt 1. gebildet wird.

Auf diese Weise wird ein dynamisches Drucklager 53 zwischen der Unterseite 46d des Kegels und den spiralförmigen Nuten 51a des Rotors 51 wirkungsvoll aufgebaut. Der Turbinenrotor 49 wird somit hautpsächlich von dem dynamischen Drucklager 53 gegen die Druckkraft abgestützt,so daß der Turbinenrotor 49 glatt mit hoher Geschwindigkeit bei verringertem Reibungswiderstand umläuft.

Da der statische Druck in dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des stromabwärts angeordneten Kegels 46 größer ist als der statische Druck um den äußeren Randabschnitt des Spalts 1^, fließt Fluid in den oben erwähnten Abschnitt durch die Fluid einführenden Bohrungen 46c von der stromabwärts gelegenen Sei-

te des Kegels 46, wobei die Strömung wirkungsvoll die Bewegung des Fluids vom äußeren Rand zum Innenbereich durch die Spiralnuten 51a verstärkt und den Aufbau des dynamischen Drucklagers 53 unterstützt.

In diesem Falle wird die nach oben gerichtete Druckkraft, die von dem Fluid auf den Turbinenrotor 49 ausgeübt wird, hauptsächlich von dem dynamischen Drucklager 53 aufgenommen, so daß die Kraft, die auf das Drehlager 48 wirkt, außerordentlich klein ist. Die Reibung zwischen dem oberen Ende der Welle 50 und dem Drehlager 48 ist deshalb sehr klein und eine vorzeitige Abnutzung durch Reibung ist verhindert.

Der Turbinenrotor 49 wird zwischen dem unteren Ende der Welle 50 und dem Drehlager 45 bei einer kleinen Durchflußmenge von einem Ein-Punkt-Drehlager gehalten. Wenn die Strömungsmenge dagegen groß ist, wird der Turbinenrotor 19 von dem dynamischen Drucklager 53 abgestützt. Auf diese Weise kann der Turbinenströmungsmesser der vorliegenden Erfindung die Strömungsmenge in einem breiten Meßbereich genau messen, wie dies auch bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr liegen zahlreiche Variationen und Modifikationen im Rahmen des Erfindungsgedankens.

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Claims

Reichel u. Eaidbel Parksiraße 13 6000Frankiuria.M.l 10895 OSAKA GAS CO., LTD., Osaka, Japan und TOKICO LTD., Kawasaki, Japan ?§ίentansg ?Ü2^§

1. Turbinenströmungsmesser mit einem Gehäuse, durch das ein zu messendes Fluid strömt, einem Turbinenrotor, der drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist, der einen Rotorkopf und mehrere an dem Rotorkopf angeordnete Schaufeln aufweist, einer Lagereinrichtung zur mechanischen drehbaren Lagerung des Rotorkopfs durch mechanischen Kontakt mit dem Rotorkopf und einem stationären Bauteil, das in dem Gehäuse dem Rotorkopf gegenüberliegend angeordnet ist,

gekennzeichnet durch eine dynamische Drucklagereinrichtung (24, 53), die ein dynamisches Drucklager durch das Fluid zwischen dem Rotorkopf (20, 51) und dem stationären Bauteil (15d, 36d) aufbaut, wenn sich der Turbinenrotor dreht, wodurch die Lagerkraft reduziert ist.

2. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12, 42) so angeordnet ist, daß seine Achse mit der Richtung der Schwerkraft übereinstimmt, daß das Lager den Rotorkopf so abstützt, daß dieser in Richtung seiner Drehachse um einen kleinen Bereich

ORIGINAL INSPECTED f

bewegbar ist, wobei der Turbinenrotor in einer Richtung verschoben wird, daß ein Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil verkleinert ist, wenn die Durchflußmenge des Fluides ansteigt, und daß die dynamische Drucklagereinrichtung ein dynamisches Drucklager bildet, das wirksam ist, wenn der Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil schmal ist.

3. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor in einer vorbestimmten Richtung gedreht wird, daß die dynamische Drucklagereinrichtung mehrere spiralförmige Nuten (20a, 41a) aufweist, die in einer Fläche des Rotorkopfes (20, 51) ausgebildet

sind, die dem stationären Bauteil gegenüberliegt, wobei ^r* die spiralförmigen Nuten eine Breite haben, die von

dem äußeren Umfang zur Mitte des Rotorkopfs abnimmt, und wobei die spiralförmigen Nuten in einer Richtung verlaufen, die entgegengesetzt der Drehrichtung des Turbinenrotors ist.

4. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) die Form einer halbkugeligen Schale hat, daß das stationäre Bauteil eine halbkugelige Fläche (I5d) an einem Abschnitt hat, der dem Rotorkopf gegenüberliegt, und daß die spiralförmigen Nuten (20a) an der Innenfläche des Rotorkopfes ausgebildet sind.

5. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (12) vertikal angeordnet ist, so daß seine Achse mit der Richtung der Schwerkraft'überein-

stimmt, daß das Fluid vertikal von der Oberseite zu der Unterseite des Gehäuses strömt, daß das Lager einen Drehlagerabschnitt (I6b, 22, 23) zum drehbaren Halten der Mitte des Rotorkopfes aufweist, wobei der Drehlagerabschnitt eine Welle (16), die in vertikaler Richtung bewegbar ist, und eine Federeinrichtung (17) aufweist, die die Welle nach oben beaufschlagt, und daß die dynamische Drucklagereinrichtung im wesentlichen ein dynamisches Drucklager bildet, wenn der Turbinenrotor infolge einer Druckkraft aus dem Fluidstrom nach unten verschoben und ein Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil eng ist.

6. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (42) vertikal angeordnet ist, so daß seine Achse mit der Richtung der Schwerkraft übereinstimmt, daß das Fluid vertikal von der Unterseite zu der Oberseite des Gehäuses strömt, daß die Lagereinrichtung ein Paar oberer und unterer Drehlagerabschnitte (45, 48, 50) zum wahlweisen Lagern der Mitte des Rotorkopfes an dessen oberen oder unteren Ende aufweist, daß der Rotorkopf in Richtung seiner Drehachse bewegbar ist, daß der Rotorkopf von dem unteren Drehlagerabschnitt (45) infolge seines Gewichtes gehalten ist,wenn die Strömungsmenge klein ist, daß der Rotorkopf durch eine Druckkraft des Fluides nach oben verschoben wird und von dem oberen Drehlagerabschnitt (48) gehalten ist, wenn die Strömungsmenge groß ist, und daß die dynamische Drucklagereinrichtung im wesentlichen ein dynamisches Drucklager bildet, wenn der Rotor sich infolge der Druckkraft des Fluides nach oben bewegt und ein Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil schmal wird.

7. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stationäre Bauteil einen stromabwärts angeordneten Kegel (46) aufweist, der an der stromabwärts gelegenen Seite des Rotorkopfes diesem gegenüberliegend angeordnet ist, wobei der Kegel mit einer oder mehreren Fluid einführenden Durchgangsbohrungen (46c) versehen ist, die von dem stromabwärts gelegenen Abschnitts des Kegels zu einer Fläche des Kegels verlaufen, die der Fläche des Rotorkopfes mit den Spiralnuten gegenüberliegt, wobei die eine oder mehreren Fluid einführenden Durchgangsbohrungen Fluid von dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kegels, wo der Gegendruck groß ist, zu einem Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem sta-

15' tionären Bauteil einführt bzw. einführen.

8. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel (46) mit einer ringförmigen Nut (46e) versehen ist, die einem äußeren Umfangsabschnitt der spiralförmigen Nuten an dem Rotorkopf gegenüberliegt, und daß jede der Fluid einführenden Durchgangsbohrungen (46c) eine Endöffnung zu der ringförmigen Nut hat.