DE3502925C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinenströmungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Üblicherweise wird ein Turbinenströmungsmesser bzw. Turbinendurchflußmengenmesser verwendet, um die Durch­ flußmenge von Gasen zu messen, die im Wohnbereich oder in der Industrie verwendet werden. Es gibt verschiede­ ne Arten, den Turbinenrotor in einem derartigen Tur­ binenströmungsmesser zu lagern. Dabei werden Kugel­ lager, Drehlager, Gleitlager und dergl. verwendet. Diese bekannten Lager haben verschiedene Nachteile:
Kugellager erfordern eine häufige Wartung, bei Dreh­ lagern ist eine große Abnutzung infolge der Reibung festzustellen, wenn der Rotor mit großer Geschwindig­ keit 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 Meß­ genauigkeit im Bereich geringer Durchflußmengen und/ oder hoher Durchflußmengen gering, wodurch der effek­ tive Meßbereich sehr klein ist.

Aus der GB-PS 10 08 058 ist ferner bereits ein Strömungs­ messer bekannt, bei dem der Turbinenrotor auf einem Fluid­ lager gehalten ist. Bei diesem bekannten Strömungsmesser ist der Rotor zwischen zwei stationären Bauteilen ange­ ordnet, die sich stromaufwärts bzw. stromabwärts befinden. Der Rotor ist von mechanischen Lagern so gehalten, daß er in Richtung seiner Drehachse um einen kleinen Bereich bewegbar ist. Um einer stromaufwärts gerichteten Druck­ kraft infolge der kegelförmigen Gestalt des Rotors ent­ gegenzuwirken, ist das Fluidlager zwischen dem stromauf­ wärts gelegenen stationären Bauteil und der benachbarten Rotorflächen ausgebildet, wobei hierzu Hochdruckfluid von der stromaufwärts gelegenen Hochdruckzone durch Bohrungen in dem stationären Bauteil in den Zwischenbereich zwischen diesem und dem Rotor eingeführt wird.

Wenn bei dem bekannten Strömungsmesser ein Fluidlager einer Kraft entgegenwirken sollte, die den Rotor zur stromabwärts gelegenen Seite drückt, dann müßte das Fluidlager zwischen dem stromabwärts gelegenen stationären Bauteil und einer entsprechenden, gegenüberliegenden Fläche des Rotors ausgebildet sein. Dabei wäre es außer­ ordentlich schwierig, unter Verwendung entsprechender Verbindungskanäle zu der stromaufwärts gelegenen Hoch­ druckseite ein Fluidlager mit einer Hochdruckzone auf­ zubauen.

Ähnliche Schwierigkeiten ergäben sich bei einem weiteren, aus der GB-PS 9 92 091 bekannten Turbinenströmungsmesser, bei dem ebenfalls der Turbinenrotor zwischen zwei sta­ tionären Bauteilen angeordnet und ein Fluidlager zwischen den aneinander angrenzenden Flächen des Rotors und der stationären Bauteile ausgebildet ist. Auch hier wird das Fluid durch eine Bohrung in dem stromaufwärts gelegenen stationären Bauteil direkt von der stromaufwärts gelegenen Seite des Strömungsmessers in das Fluidlager eingeführt.

In der US-PS 30 97 529 ist schließlich ein Strömungsmesser beschrieben, bei dem ein Turbinenrotor auf einer stationären Achse angeordnet ist, wobei zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Rotors und der Achse ein Fluidlager gebildet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenströmungsmesser der betrachteten Art so weiter zu entwickeln, daß der effektive Meßbereich er­ heblich vergrößert ist, wobei dies mit einem verhältnis­ mäßig einfachen Aufbau des Turbinenströmungsmessers er­ reicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen 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 Tur­ binenrotor bei ansteigender Strömungsmenge auch von diesem dynamischen Drucklager gehalten wird. Mit 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 er­ fordert praktisch keine Wartung, wie dies bei einem Kugellager oder dergl. erforderlich ist.

Der erfindungsgemäße Turbinenströmungsmesser hat ein Gehäuse und einen darin drehbar angeordneten Turbinen­ rotor. Der Turbinenrotor ist in dem Gehäuse in Rich­ tung seiner Drehachse um eine bestimmte Strecke ver­ schieblich angeordnet. Der Strömungsmesser hat ferner ein Drehlager, das den Turbinenrotor lagert, wenn die Strömungsmenge klein ist, und ein dynamisches Druck­ lager zur drehbaren Lagerung des Turbinenrotors, wenn die Strömungsmenge groß ist.

Der Rotorkopf bzw. die Rotornabe des erfindungsgemäßen Turbinenströmungsmessers ist mit mehreren spiralför­ migen Nuten versehen, deren Breite zur Mitte des Ro­ torkopfes bzw. der Rotornabe hin abnimmt, und ein sta­ tionäres Bauteil ist dem Rotorkopf gegenüberliegend angeordnet, wobei ein Spalt 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 ein Fluidfilm bzw. eine Fluidschicht bildet, wodurch ein dynamisches Drucklager aufgebaut wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

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

Fig. 2 einen wesentlichen Teil des Turbinenströmungs­ messers der Fig. 1 in einer vergrößerten Dar­ stellung;

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht einen Tur­ binenrotor gemäß Fig. 2 in vergrößerter Dar­ stellung mit einem weggeschnittenen Teil;

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

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 we­ sentlichen Teil des Turbinenströmungs­ messers gemäß Fig. 4 bei geringer bzw. großer Strömungsmenge.

Fig. 1 zeigt einen Turbinenströmungsmesser 11, der ein Strömungsmessergehäuse 12 aus Gußeisen oder Guß­ bronze hat. Das Gehäuse 12 ist mit einem Einlaßrohr 12 a und einer mit einem Gewinde versehenen Auslaß­ bohrung 12 b versehen, in die ein Auslaßrohr 13 einge­ schraubt ist. Das Gehäuse 12 ist vertikal angeordnet, so daß seine Achse mit einer vertikalen Linie zusam­ menfällt. Der Innendurchmesser des Gehäuses 12 ist größer als der Innendurchmesser des Einlaßrohrs 12 a und des Auslaßrohres 13, um den Druckverlust zu ver­ ringern.

Ein Nabenbauteil bzw. Anschlagbauteil 14, das aus Guß­ eisen oder Gußbronze besteht, ist einstückig mit der Innenfläche des Auslaßrohres 13 über mehrere Streben 14 a ausgebildet. Ein weiteres Nabenbauteil 15 besteht aus einer leichten Spritzlegierung oder profilierten Kunststoffen und ist mit einer axialen Bohrung 15 a, einer eine Feder haltenden Bohrung 15 b und einer Durchgangsbohrung 15 c 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 halbkuge­ lige Oberfläche 15 d.

Eine Welle 16 ist mit einem Hubbegrenzungsanschlag bzw. einer Scheibe 16 a an ihrem unteren Ende und einem Drehbauteil 16 b, das aus Kohlenstoffmetallen oder Stahl besteht, an ihrem oberen Ende versehen, was insbeson­ dere aus Fig. 2 zu ersehen ist. Die Welle 16 ist ver­ schieblich in der axialen Bohrung 15 a des Nabenbau­ teils 15 so eingesetzt, daß sie nach oben und nach un­ ten bewegbar ist. Der Hubbegrenzeranschlag bzw. die Scheibe 16 a der Welle 16 ist innerhalb der die Feder enthaltenden Bohrung 15 b angeordnet. Die Welle 16 wird von einer Feder 17 nach oben beaufschlagt. Infolgedes­ sen wird die Scheibe 16 a ebenfalls nach oben beauf­ schlagt, um an der oberen Wand der die Feder haltenden Bohrung 15 b anzuliegen, und das Drehbauteil 16 b steht aus dem Nabenbauteil 15 nach oben vor. Innerhalb der die Feder haltenden Bohrung 15 b ist ein Stopper 18 an­ gebracht, 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 Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Der Rotorkopf 20 hat die Form einer hablkugeligen Schale und besteht aus leichten Legierungen wie beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder Titan oder formierten Kunst­ stoffen, 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 mitt­ leren 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 20 a in sei­ ner Innenfläche versehen, wie in den Fig. 2 und 3 dar­ gestellt ist. Jede spiralförmige Nut 20 a 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 20 a wird von dem Außenrand des Rotorkopfes 20 zu dessen Innenbereich zunehmend enger. Der Turbinenrotor 10 ist auf dem Nabenbauteil 15 an­ geordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei das Drehlagermetall 22 drehbar auf dem Drehteil 16 b der Welle 16 gehalten ist. Durch das Drehteil 16 b der Welle 16 und das Drehlagermetall 22, das eine konkave Innenfläche 20 a hat, ist ein Drehlager 23 gebildet. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, wird ein dynamisches Drucklager 24 während des Betriebs des Tur­ binenströmungsmessers 11 zwischen der halbkugeligen Fläche 15 b des Nabenbauteils 15 und der Innenfläche des Rotorkopfes 20, der mit den Spiralnuten 20 a ver­ sehen ist, aufgebaut.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist eine Prallplatte 25 mit mehreren Öffnungen 25 a und einem Stopper 31 in dem Strömungsmessergehäuse 12 im Einlaßbereich senkrecht zu dem ankommenden Fluidstrom befestigt. Der Stopfer 31 liegt dem Drehlagermetall 22 des Tur­ binenrotors 19 in einem kleinen Abstand gegenüber und verhindert eine übermäßige Verschiebung des Tur­ binenrotors 19 nach oben. Stromaufwärts der Prallplat­ te 25 ist ein Gitter 32 angeordnet, das große Fremd­ partikel abschirmt und gleichzeitig den Fluidstrom so stört bzw. verwirbelt, daß eine laminare Strömung verhindert ist. Ein Rotationssensor 33 einer magne­ tischen 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 19.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Turbinenströmungs­ messers 11 beschrieben. Ein Fluid (im vorliegenden Falle ein Gas), dessen Strömungsmenge gemessen werden soll, fließt von oben durch das Einlaßrohr 12 a in den Turbi­ nenströmungsmesser 11. Das Fluid durchströmt das Git­ ter 32 und die Öffnungen 25 a 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 Turbinen­ rotor 19 beginnt, in Richtung des in Fig. 3 dargestell­ ten Pfeils mit einer Empfindlichkeit umzulaufen, die auch für einen extrem kleinen Fluidstrom ausreicht.

Wenn die Strömungsmenge des Fluids allmählich an­ steigt, steigt auch die Druckkraft, die den Turbinen­ rotor 19 nach unten zwängt, an und der Turbinenrotor 19 wird zunehmend nach unten gegen die Kraft der Fe­ der 11 verschoben, bis das Scheibenbauteil 16 a der Welle 16 an dem Stopper 18 anliegt. Infolge der Ver­ schiebung des Turbinenrotors nach unten wird der Spalt zwischen der halbkugeligen Innenfläche des Ro­ torkopfes 20 und der halbkugeligen Außenfläche 15 d des Nabenbauteils 15 zunehmend schmaler. Wenn der Rotorkopf 20 sich in Richtung des in Fig. 3 darge­ stellten Pfeiles dreht, wird Fluid am unteren Rand­ bereich des Rotorkopfes 20 in die Nuten 20 a wegen der Viskosität des Fluides eingesaugt und es entsteht eine Art Pumpenwirkung der spiralförmigen Nuten 20 a, wobei diese Pumpenwirkung durch die Richtung, in der die spiralförmigen Nuten gebogen sind und sich er­ strecken, und durch die Drehrichtung des Rotorkopfes 20 hervorgerufen wird. Das eingesaugte Fluid wird zu­ sammengedrückt, wenn es zum Mittelabschnitt des Rotor­ kopfes 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 zwi­ schen der halbkugeligen Fläche 15 d und der Innenfläche des Rotokopfes 20, in der die spiralförmigen Nuten 20 a ausgebildet sind, wirkungsvoll aufgebaut. Der Tur­ binenrotor 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, hauptsäch­ lich von dem dynamischen Drucklager 24 getragen, was zur Folge hat, daß auf die Welle 16 nur eine kleine Kraft wirkt, die ausreicht, um die Achse des Turbinen­ rotors 19 auf der Achse der Drehwelle 16 zu halten. Somit wird die Reibung zwischen dem Drehbauteil 16 b der Welle 16 und dem Drehlagermetall 22 des Turbinen­ rotors 19 außerordentlich gering gehalten, wodurch eine Abnutzung durch Reibung selbst dann vermieden ist, wenn sich der Turbinenrotor 19 mit hoher Ge­ schwindigkeit 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. ge­ tragen. In diesem Fall ist die Reibung des Turbinen­ rotors 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 sche 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 Turbinen­ strömungsmesser 11 die Strömungsmenge mit großer Ge­ nauigkeit 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 mecha­ nische Reibung an dem Drehlager 23 und dem dynamischen Drucklager 24, weshalb eine Wartung des Lagers so gut wie unnötig ist.

Da das Gitter 32 den Fluidstrom zwangsläufig stört bzw. aufteilt, ist es möglich, eine Änderung in der Zählerkonstanten bzw. Meßkonstanten infolge einer Än­ derung 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 Meßgenauig­ keit groß, wenn der Fluidstrom laminar ist, und sie sinkt, wenn der Fluidstrom turbulenter wird und die Strömungsmenge zunimmt. Wenn der Fluidstrom vollstän­ dig verwirbelt ist, steigt die Zählerkonstante ge­ ringfügig 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 Tur­ binenströmungsmessers auszuschließen. Bei dem erfin­ dungsgemäßen Turbinenströmungsmesser ist es jedoch möglich, die Messung der Strömungsmenge auch in diesem Übergangsbereich mit hoher Genauigkeit auszuführen.

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

Ein Strömungsmessergehäuse 42 eines Turbinenströmungs­ messers 41 ist vertikal angeordnet, so daß die Achse des Gehäuses 42 mit einer vertikalen Achse zusammen­ fällt. Bei dieser Ausführungsform fließt der Fluid­ strom vom Boden des Gehäuses 42 nach oben.

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

Ein stromabwärts angeordneter Kegel 46 ist in den obe­ ren Abschnitt des Gehäuses 42 eingesetzt. Ein Ring 46 a paßt über eine Stufe 42 b des Gehäuses 42 und ist mit­ tels eines Ringes 47 befestigt, der in den oberen End­ abschnitt des Gehäuses 42 eingeschraubt ist. Der Kegel 46 ist mit einer Lagerbohrung 46 b einer vorbestimmten Tiefe in seinem unteren Endabschnitt, und ein Dreh­ lager 48 ist in die Lagerbohrung 46 b eingesetzt.

Von der Mitte des oberen Endabschnitts des Kegels 46 erstrecken sich zwei Fluid einführende Bohrungen 46 c in einer umgekehrten V-Form. Wie aus Fig. 5 zu er­ sehen ist, stehen die Fluid einführenden Bohrungen 46 c in Verbindung mit zwei Öffnungen in einer ringförmigen Nut 46 e in der Unterfläche 46 d des Kegels 46.

Ein Turbinenrotor 49 hat eine Welle 50, einen Rotorkopf bzw. eine Rotornabe 51, die einstückig an der Rotor­ welle 50 vorgesehen ist, und mehrere Schaufeln 52, die an der Rotornabe 51 befestigt sind. Beide Enden der Welle 50 sind in die jeweiligen Lagerbohrungen 43 b und 46 b der Kegel 43 und 46 eingesetzt und dort dreh­ bar 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 51 a ausgebildet, die im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 6 zusammenlaufen, d. h. in umgekehrter Richtung zur Drehrichtung des Turbinenro­ tors 49. Die Breite einer jeden spiralförmigen Nut 51 a wird kleiner, wenn die Nut sich der Mitte der Rotor­ nabe 51 nähert. Die äußeren Enden der spiralförmigen Nuten 45 a erreichen nicht den äußeren Rand der Rotor­ nabe 51, sondern enden an einer Stelle, die mit der ringförmigen Nut 46 e übereinstimmt, die an der Unter­ seite 46 d des stromabwärts gelegenen Kegels 46 aus­ gebildet wird. Wie weiter unten näher beschrieben wird, wird ein dynamisches Drucklager 53 zwischen den spiral­ förmigen Nuten 51 a und der Unterseite 46 d aufgebaut, wenn sich der Turbinenrotor 49 dreht. In Fig. 6 ist der Außendurchmesser der Schaufeln 42 mit einer strich­ punktierten Linie dargestellt.

Das untere Ende der Rotorwelle 50 steht mit dem Dreh­ lager 45 in Berührung (Fig. 7), wenn der Turbinenro­ tor 49 sich infolge seines eigenen Gewichtes nach un­ ten bewegt, wobei ein schmaler Spalt l ₁ zwischen dem oberen Ende der Rotorwelle 50 und dem Drehlager 48 besteht. Ein weiterer schmaler Spalt l ₂ befindet sich zwischen der Unterseite der Rotornabe 51 und der Ober­ seite des stromaufwärts gelegenen Kegels 43. Ein wei­ terer kleiner Spalt l ₃ ist zwischen der Oberseite der Rotornabe 51 und der Unterseite 46 d des stromabwärts gelegenen Kegels 46 gebildet, wobei der Spalt l ₃ größ­ er als der Spalt l ₁ 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 gegenüber­ liegt.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Turbinenströ­ mungsmessers 41 beschrieben. Das zu messende Fluid strömt von dem Boden des Gehäuses 42 aus in das Ge­ häuse nach oben gerichtet ein (Fig. 4). Das Fluid drückt gegen die Schaufeln 52 und dreht den Turbinen­ rotor 49. Wenn die Strömungsmenge klein ist, wird das untere Ende der Welle 50 von dem Drehlager 45 in ei­ nem einzigen Punkt gehalten, so daß sich der Turbi­ nenrotor 49 selbst dann mit großer Feinfühligkeit dreht, wenn die Durchflußmenge klein ist. Der Tur­ binenrotor 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 Druck­ kraft die nach unten gerichtete Kraft aus dem Eigen­ gewicht des Turbinenrotors 49, und der Turbinenrotor 49 wird allmählich nach oben bewegt. Damit wird der Spalt l ₃ zwischen der Oberseite der Rotornabe 51 und der Unterseite 46 d des stromabwärts gelegenen Kegels 46 zunehmend schmaler. Wenn das obere Ende der Welle 50 das Drehlager 38 berührt (Fig. 8), nimmt der Spalt l ₃ einen minimalen Wert l ₄ (= l ₃ - l ₁) an.

Ein Teil des Fluids, das durch die Schaufeln 52 hin­ durchgegangen ist, wird in den Spalt l ₄ von dem äuß­ eren 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 46 c und die ringförmige Nut 46 e eingeführt wird. Das so eingeführte Fluid wird durch die Pumpen­ wirkung der spiralförmigen Nuten 51 a, die sich in Richtung des in Fig. 6 dargesellten Pfeils drehen, eingesaugt, wobei das Fluid zusammengedrückt wird, wenn es von den spiralförmigen Nuten 51 a zur Mitte der Rotornabe 51 geführt wird, wobei ein Fluidfilm bzw. eine Fluidschicht in dem Spalt l ₄ gebildet wird.

Auf diese Weise wird ein dynamisches Drucklager 53 zwischen der Unterseite 46 d des Kegels und den spi­ ralförmigen Nuten 51 a des Rotors 51 wirkungsvoll auf­ gebaut. Der Turbinenrotor 49 wird somit hauptsächlich 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 l ₄, fließt Fluid in den oben erwähnten Abschnitt durch die Fluid einführen­ den Bohrungen 46 c von der stromabwärts gelegenen Sei­ ten des Kegels 46, wobei die Strömung wirkungsvoll die Bewegung des Fluids vom äußeren Rand zum Innenbereich durch die Spiralnuten 51 a verstärkt und den Aufbau des dynamischen Drucklagers 53 unterstützt.

In diesem Falle wird die nach oben gerichtete Druck­ kraft, die von dem Fluid auf den Turbinenrotor 49 aus­ geübt wird, hauptsächlich von dem dynamichen Druck­ lager 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 vorzeiti­ ge 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 Tur­ binenrotor 19 von dem dynamischen Drucklager 53 abge­ stützt. Auf diese Weise kann der Turbinenströmungs­ messer der vorliegenden Erfindung die Strömungsmenge in einem breiten Meßbereich genau messen, wie dies auch bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbei­ spiel der Fall ist.

Anstelle der Ausbildung der spiralförmigen Nuten (20 a) in der Innenfläche des Turbinenrotors (19) gemäß der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform können die spiralförmigen Nuten in einer äußeren Umfangs­ fläche an dem gegenüberliegenden Endabschnitt des Naben­ bauteils 15 ausgebildet sein. Ebenso können die spiral­ förmigen Nuten 51 a anstelle ihrer Ausbildung in der In­ nenfläche des Turbinenrotors 51 gemäß der in den Fig. 4 bis 7 dargestellten zweiten Ausführungsform in der strom­ abwärts liegenden Unterseite 46 d des Kegels 46 angeordnet sein.

Claims (6)

1. Turbinenströmungsmesser mit einem Gehäuse, durch das ein zu messendes Fluid strömt, einem Turbinenrotor, der drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Rotor­ kopf aufweist, an dem mehrere Schaufeln angebracht sind, einer Lagereinrichtung zum mechanischen drehbaren Lagern des Rotorkopfs durch mechanischen Kontakt mit diesem, einem stationären Bauteil, das innerhalb des Gehäuses dem Rotorkopf gegenüberliegend angeordnet ist, und einer dynamischen Drucklagereinrichtung, die ein dynamisches Drucklager mittels des Fluids zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil aufbaut, wenn sich der Turbinen­ rotor dreht, wodurch die Lagerkraft des Lagers reduziert wird und das Lager den Rotorkopf so abstützt, daß dieser in Richtung seiner Drehachse um einen kleinen Bereich bewegbar ist, so daß der Turbinenrotor in einer Richtung verschoben wird, daß ein Spalt zwischen dem Ro­ torkopf und dem stationären Bauteil verkleinert wird, wenn die Durchflußmenge des Fluids ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor in einer vorbestimmten Richtung drehbar ist, daß die dynamische Drucklagereinrichtung (24, 53) mehrere spiralförmige Nuten (20 a, 41 a) aufweist, die in einer Fläche des Rotorkopfs (20, 51) dem stationären Bau­ teil (15 d, 36 d) gegenüberliegend ausgebildet sind, daß jede der spiralförmigen Nuten eine Breite hat, die von dem Umfang zur Mitte des Rotorkopfs abnimmt und daß jede spiralförmige Nut in einer Gegenrichtung zur Drehrich­ tung des Turbinenrotors zu kleineren Radien zusammenläuft.

2. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) die Form einer halbkugeligen Schale hat, daß das stationäre Bauteil eine halbkugelige Fläche (15 d) an einem Abschnitt hat, der dem Rotor gegen­ überliegt, und daß die spiralförmigen Nuten (20 a) an der Innenfläche des Rotorkopfes ausgebildet sind.

3. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 2, 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 Dreh­ lagerabschnitt (16 b, 22, 23) zum drehbaren Halten der Mitte des Rotorkopfes aufweist, wobei der Drehlagerab­ schnitt eine Welle (16), die in vertikaler Richtung bewegbar ist, und eine Federeinrichtung (17) aufweist, die die Welle nach oben beaufschlagt, und daß die dyna­ mische Drucklagereinrichtung im wesentlichen ein dyna­ misches Drucklager bildet, wenn der Turbinenrotor in­ folge einer Druckkraft aus dem Fluidstrom nach unten ver­ schoben ist.

4. 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 und 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.

5. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 1, 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 ein­ führenden Durchgangsbohrungen (46 c) versehen ist, die von dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kegels zu einer Fläche des Kegels verlaufen, die der Fläche des Rotor­ kopfes mit den Spiralnuten gegenüberliegt, wobei die eine oder mehrere Fluid einführenden Durchgangsbohrungen Fluid von dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Kegels, wo der Gegendruck im Vergleich zu dem Bereich des Strömungs­ messers, an dem die Schaufeln angeordnet sind, groß ist, zu einem Spalt zwischen dem Rotorkopf und dem stationären Bauteil einführt bzw. einführen.

6. Turbinenströmungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel (46) mit einer ringförmigen Nut (46 e) ver­ sehen ist, die einem äußeren Umfangsabschnitt der spiral­ förmigen Nuten an dem Rotorkopf gegenüberliegt, und daß jede der fluideinführenden Durchgangsbohrungen (46 c) eine Endöffnung zu der ringförmigen Nut hat.