FI73833C - Vaetskestroemningsmaetare. - Google Patents

Description

1 73833

Nesteen virtausmittari

Esillä oleya keksintö koskee aksiaalisia tur-biinivirtausmittareita eli Woltmann-tyyppisiä virtaus-5 mittareita, joissa putkessa virtaavan nesteen määrä mitataan turbiinin ayulla, joka on asennettu sama-ak-selisesti putken kanssa, ja jonka kierrosten lukumäärä vastaa hetkellistä tai kumulatiivista tilavuusvirtaa.

On tunnettua, että tämän tyyppisissä laitteissa 10 neste aiheuttaa turbiinin aksiaalisen hydrodynaamisen paineen, joka on huomattava suurilla tilavuusvirroil1 a, ja joka on turbiinin siipien vastuskertoimen ja tila-yuusvirran neliön funktio. Esimerkiksi suuruusluokaltaan 3 500 m /h:n tilavuusvirroilla voi paine saavuttaa noin 15 12 daN.n suuruisen paineen halkaisijaltaan 150 mm:n putkessa.

Toisaalta tämä aksiaalipaine haittaa pienentäen laitteen mittatarkkuutta lisäämällä kitkavastusta, joka aiheutuu nesteen virtauksesta pyörivän turbiinin läpi ja 20 toisaalta sillä on käytännössäkin haitallinen vaikutus laitteeseen, mikä ilmenee laakerin ja turbiinin alavirran puoleisen tuen nopeana kulumisena ja johtaa laitteen toiminta-ajan lyhenemiseen ennenkuin viallisten komponenttien vaihdon on tapahduttava.

25 Lukuisia ratkaisuja on ehdotettu pyrittäessä kompensoimaan tai rajoittamaan tämäntyyppisen laitteen turbiinin aksiaalista painetta, nämä ratkaisut ovat yleensä pohjautuneet keinotekoisen vastavoiman luomiseen, joka vastaanottaa nesteen synnyttämän aksiaalisen pai-30 neen ja myös rajoittaa turbiinin siirtymää. Tähän kompensointiin käytettyihin keinoihin kuuluu esimerkiksi erityinen koko turbiinin muotoilu, venturi-vaikutteiset ohjaimet, painevarastokalvot, jotka on järjestetty ohjaimiin ja/tai turbiinin napaan, jne. On todellakin mahdol-35 lista, konstruktiivisesta, säätää turbiinin siipien 2 73833 vastuskerroin haluttuun arvoon: kuitenkin turbiinit saapuvat usein suoraan koneistuksesta, joten niissä on valmistus-toleranssi, josta seuraa, että vastuskerroin ei aina ole halutussa arvossaan; seurauksena painekorjaus saadaan ti-5 lavuusvirralla, joka ei aina ole sama kaikilla laitteilla ja kyseinen ongelma pysyy vain osittain ratkaisuna.

Keksintö pyrkii ratkaisemaan ylläkuvatut ongelmat aikaansaamalla keinot, joilla servojärjestelmän avulla pystytään tasapainottamaan Woltmann-mittarin turbiinin aksiaa-10 linen paine laajalla tilavuus virta-alueella.

Tavoitteen aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista, että navan alavirran puoleisella päällä on suurempi halkaisija kuin navan muulla osalla, jolloin navan lajaennetun alavirran puoleisen pään ja 15 alavirran puoleisen ohjaimen suhteelliset profiilit määrittelevät ylipaineen siten, että se vähenee navan siirtyessä aksiaalisesti ylävirran puoleista ohjainta kohti.

Laitteet suunnilleen vakiosuuruisen alennetun paineen vyöhykkeen muodostamiseksi turbiinin navan ylävirran puo-20 leisen päädyn vaiheille saattavat käsittää onton sylinteri-mäisen osan ylävirran puoleisen ohjaimen alavirran puoleisessa päässä, johon turbiinin napa osittain ulottuu missä tahansa sen aksiaalisessa asennossa; navan pään rengasmaisen virtaustien poikkileikkauksen äkillinen laajeneminen 25 aiheuttaa siten nestevirran irtoamisen paineen alenemisi-neen ylävirran puoleisen sisäpinnalta riippumatta turbiinin aksiaalisesta asemasta.

Turbiini asetetaan siten alttiiksi toisaalta siivistä johtuvalle hydrodynaamiselle paineelle ja toisaalta kahdel-30 le vastakkaisuuntaiselle voimalle, jotka vaikuttavat navan kummallekin puolelle ja jotka johtuvat erisuurista paikallisista paineista, jotka vaikuttavat vastaaville ja vastakkaisille pinnoille. Olettaen navan vastakkaisten pintojen mitat sopiviksi on siten saatu aikaan kullekin tilavuusvir-35 ralle dynaaminen tasapaino, jota vastaa hyvin määritelty turbiinin asema akselillaan, ja lopulta on löydettävissä va- tl 3 73833 kaa turbiinin aseman servo-ohjaus riippuen putkessa virtaa- van nesteen tilavuusvirrasta. Esimerkiksi turbiinin asema 3 muuttuu 2,5 mm tilavuusvirroilla 3 - 500 m /h 150 mm:n putkessa, mutta ennen kaikkea aksiaalinen paine ei enää vaiku-5 ta laakeriin ja alavirran puoleiseen tukeen edellä kuvat-tuine haittapuolineen ja vauriotekijöineen.

Tämän keksinnön mukaista nesteen virtausmittaria kuvataan nyt ei-rajoittavien esimerkkien valossa viitaten liitteenä olevaa puristukseen, jossa: 10 kuvio 1 esittää kaavamaisesti aksiaalileikkauksena

Woltmann-mittarin näytteen ylemmän ja alemman puolikkaan turbiinista sen kahdessa toiminta-asennossa ja kuvio 2 on kaavio, jossa esitetään paine-eron muuttuminen turbiinin kummallakin puolella sen aksiaalisen aseman 15 funktiona useilla eri tilavuusvirroilla.

Viitaten kuvioon 1, jossa esitetään sylinterimäisen putken 10 leikkauksessa turbiini 11, johon kuuluu yleisesti ottaen sylinterimäinen tapa 12, joka on varustettu kehältään siivillä 13, jotka suuntautuvat kohti putken akselia.

20 Turbiini 11 on asennettu pyörivästi tavallisella tavalla kahden onton ohjaimen välille, joista toinen 14 on ylävirran puolella ja toinen 15 alavirran puolella, jolloin mitattava neste virtaa laitteen toimiessa nuolen suuntaan sylinterimäisen putken osan 10 läpi. Ohjaimet 14 ja 15 on yhdis-25 tetty putkeen 10 olennaisesti säteen suuntaisilla rivoilla 16 ja 17 vastaavasti ja jotka ohjaimet tukevat sisällään varsia 18 ja 19 sama-akselisesti putken 10 kanssa ja jotka varret on tarkoitettu sijaitsemaan turbiinin navan 12 päissä olevissa aksiaalisissa porauksissa mahdollistaen sen 30 toisaalta pyöriä vapaasti akselinsa ympäri putkessa 10 ja toisaalta liikkua aksiaalisesta akseliansa pitkin. Alavirran puoleinen tuki, esimerkiksi kuula, on tavallisesti asennettu varren 19 poraukseen, mutta sitä ei ole esitetty piirustuksessa.

35 Napa 12 on varustettu alavirran puoleisesta päästään ruuvipyörällä, joka on hammaskosketuksessa (katkoviivoilla 4 73833 esitetyn) kartiohammaspyörän kanssa, joka puolestaan on yhdistetty mittarin ulosmenoakseliin ja kytketty ulkoisesti laitteisiin, jotka lukevat turbiinin tekemien kierrosten määrän.

5 Ylävirran puoleisessa ohjaimessa 14 on alavirran puo leisessa päässään suora sylinterimäinen osa 14A, johon turbiinin navan 12 ylävirran puoleisen pään sylinterimäinen osa ulottuu aksiaalisessa liikkeessään.

Navan 12 alavirran puoleisen pään vyöhyke 20 on hal-10 kaisijaltaan suurempi kuin sen suora sylinterimäinen osa ja alavirran puoleisessa ohjaimessa 15 on myöskin ylävirran puoleisessa päässään suora sylinterimäinen osa 15A, johon navan 12 laajennettu vyöhyke 20 voi ulottua turbiinin 11 aksiaalisen liikkeen aikana.

15 Osien 12 ja 14A sekä osien 20 ja 15A väliset säteit- täiset välykset ovat, esimekriksi 150 mm:n putkessa yhden millimetrin luokkaa.

Yllä kuvatun mittarin toimintaa kuvataan nyt viitaten kuvioon 2, jossa on esitetty eri tilavuusvirtoja vastaavia 20 käyriä, paine-eron Δρ (bar) turbiinin navan ylä- ja ala-virran puoleisten vastakkaisten tasojen paineiden välillä ollessa verrannollinen turbiinin aksiaaliseen asemaan x suhteessa sen vertailuasemaan. Tähän esimerkkiin on valittu halkaisijaltaan 150 mm:n putki.

25 Nesteen virratessa putkessa turbiini asettuu johonkin epämääräiseen aksiaaliseen asemaan. Voidaan olettaa esimerkiksi, että se sijoittuu kuvion 1 yläosan esittämään asemaan. Kun neste alkaa virrata ja tilavuusvirta on alle 3 3 m /h, painaa aksiaalinen paine, jonka se aiheuttaa tur-30 biinin siiville, sen vasten alavirran puoleista tukea. Jos tilavuusvirta on pieni, on kehittyvä hydrodynaaminen vaikutus riittämätön luomaan turbiinin puolten välille paine-eroa, joka olisi riittävä vastustamaan turbiinin nestepainetta, mutta tämä paine itsessään on liian heikko vaurioittamaan 35 trubiinin alavirran puoleista tukea.

Il 5 73833

Kun tilavuusvirta kasvaa, aiheuttaa nestevirtauksen irtoaminen ylävirran puoleisen ohjaimen 14 alavirran puoleisesta päästä alennetun paineen vyöhykkeen, joka vaikuttaa myöskin ylävirran puoleisen ohjaimen 14 sisäpuolelle.

5 Vastakohtana este nestevirralle, jonka esteen muodostaa navan 12 alavirran puoleisen pään ympärille alavirran puoleisen ohjaimen 15 ylävirranpuoleinen kehä, muodostaa paikallisen ylipaineen ohjaimeen 15. Alennettu paine ylävirran puoleisessa ohjaimessa 14 toisaalta ja ylipaine alavirran 10 puoleisessa ohjaimessa 15, joka vaikuttaa navan suurempihal-kaisijaiseen pintaan, toisaalta kasvattava ylävirtaan suuntautuvaa reaktiovoimaa. Tämä voima, joka on verrannollinen paine-eroon Ap ja navan 12 leikkaukseen, on suurempi kuin turbiinin siipien 13 vastus kyseessä olevilla tilavuusvir-15 roilla olettaen, että navan 12 halkaisija on mitoiltaan sopiva suhteessa turbiinin vääntöominaisuuksiin ja vastusker-toimeen (<3χ). Reaktiovoiman ollessa suurempi kuin vastusvoima on turbiinilla taipumus palata vastavirtaan. Kuitenkin tämän liikkeen aikana pienenee paine-ero &p, kuten ku-20 vion 2 käyrät ilmaisevat, koska alavirran puoleisen ohjaimen 15 ylipaine pienenee, koska navan 12 vyöhyke 20 pyrkii tulemaan pois ohjaimen 15 sylinterimäisestä osasta 15A.

Siten paine-ero Δρ pienenee samoin kuin turbiinin asema x, ja seuruksena navan 12 reaktiovoima myöskin pienenee.

25 Turbiini liikkuu siten ylävirtaan, kunnes tasapaino saavutetaan navalle 12 vaikuttavan reaktiovoiman ja turbiinin siipien vastusvoiman välillä asemassa, jossa turbiini stabiloituu. Koska kaikki muuttujat; nimittäin turbiinin siipien vastusvoima, paineen aleneminen ylävirran puoleisessa 30 ohjaimessa, ylipaine alavirran puoleisessa ohjaimessa, jotka liittyvät tähän prosessiin ovat suureita, joiden arvo on verrannollinen tilavuusvirran neliöön, säilyy tämän turbiinin tasapainoasema, jonka määrittää annettu tilavuusvirta, teoriassa samana riippumatta kyseisestä tilavuusvirrasta.

35 Käytännössä on huomattu, että muutokset tilavuusvirrassa voivat hieman siirtää tasapainoasemaa, suuruusluokaltaan 2,5 mm, suurilla tilavuusvirta-alueilla.

6 73833

Jos oletetaan, että navan vastakkaisten pintojen mitoitus on sopiva, saavutetaan lopulta aksiaalisten voimien tasapaino, jotka voimat vaikuttavat turbiinille vastakkaisiin suuntiin: hydrodynaaminen paine toisaalta ja vastavoi-5 ma, joka johtuu erisuurista paineista, jotka vaikuttavat navan vastakkaisiin pintoihin toisaalta. Tilavuusvirtakäy-rät kuviossa 2 näyttävät, että kullakin käyrällä on lineaarinen vyöhyke, jossa x:n muutoksia seuraavat vakiovirtauk-sella Δρ:η verrannolliset muutokset siten, että toiminta-10 pisteen ympäristössä, esimerkiksi x = 3 mm, on saatu aikaan kutakuinkin vakaa turbiinin aseman servo-ohjaus, jossa liikunta-alue on millimetrin luokkaa.

Kullakin tilavuusvirralla on siten vastaava näennäisesti vakaa turbiinin asema ja voidaan todistaa, että tämän 15 aseman abskissa x vaihtelee suhteellisen vähän, luokkaa 3 2,5 - 3 mm tilavuusvirta-alueen vaihdellessa 3 - 500 m /h esimerkin mukaisessa 150 mm:n putkessa.

Tällainen turbiinin keskimääräisen aksiaalisen aseman servo-ohjauksen ennaltavaraaminen tuo mukanaan paremmat mah-20 dollisuudet välttää nesteen hydrodynaamisen paineen vaurioittavat vaikutukset turbiinin alavirran puoleisen laakerin osiin, joihin ei koskaan kohdistu merkittäviä voimia ja saavutetaan parempi mittatarkkuus turbiinille mahdollistaen sen toiminta normaalisti ilman kitkaa.

25 Kuvio 1 on esitetty yksinkertaistetulla ja kaavamai sella tavalla helpottamaan keksinnön mukaisen mittarin toiminnan periaatteiden selitystä. On syytä ymmärtää, että käytännössä putkimainen elin, joka ympäröi turbiinin, voi olla varustettu päistään laipoilla sen kytkemiseksi putkeen, 30 jossa mitattava neste virtaa ja että mittarin rakenne sisältää tavallisesti vaakasuuntaisen aukon putkimaisessa elimessä, joka suljetaan kannella, johon kuuluu laskuri, ja jonka kautta turbiini voidaan asentaa ohjaitensa väliin ja nämä viimemainitut asentaa tämän elimen yhteydessä. Tätä 35 tunnettua asennustapaa ei ole esitetty eikä se muodosta osaa tästä keksinnöstä. Samoin mittarin näyttö, joka ilmai- 7 73833 see turbiinin kierrosten lukumäärän, ei ole välttämättä aikaansaatu mekaanisesti, vaan voidaan aikaansaada eri tavalla, esimerkiksi sähkömagneettisesti, fotosähköisesti, jne., jonkin sopivan tunnistimen avulla.

5 Keksintö on käyttökelpoinen nesteen tilavuusvirtamit- tareissa yleensä ja erityisesti suuritilavuuksissa vesimittareissa .

Claims (2)

73833

1. Laite nesteen virtauksen mittaamiseksi, johon kuuluu turbiini (11) , joka sijaitsee sylinterimäisessä putkes- 5 sa (10), joka on sovitettu mitattavan nesteen läpivirtausta varten nesteen ollessa paineen alaisena, ja jossa turbiinissa (11) on siivet (13) sylinterimäisen navan (12) kehällä ja joka on pyörivästi sovitettu ja aksiaalisesti liikkuva kahden kiinteän ohjaimen (14,15) välillä, joista toinen 10 (14) on ylävirran puolella ja toinen (15) alavirran puolel la, laitteet suunnilleen vakiosuuruisen alipainevyöhykkeen muodostamiseksi navan (12) ylävirran puoleisen pään poikkipinnan (24) puolelle riippumatta navan aksiaalisesta asennosta, jolloin alavirran puolinen ohjain (15) käsittää on-15 ton sylinterimäisen osan (15a), johon navan alavirran puoleinen pää työntyy välyssovitteella ylipainevyöhykkeen muodostamiseksi navan (12) alavirran puoleisen pään (20) poikkipinnan (22) puolelle siten, että turbiiniin kohdistuvaa, nesteen virtauksesta aiheutuvaa hydrodynaamista painetta 20 jatkuvasti tasataan ylipaineen ja alipaineen välisellä paine-erolla (Δρ) , tunnettu siitä, että navan (12) alavirran puoleisella päällä (20) on suurempi halkaisija kuin navan muulla osalla, jolloin navan (12) laajennetun alavirran puoleisen pään ja alavirran puoleisen ohjaimen 25 (15) suhteelliset profiilit määrittelevät ylipaineen siten, että se vähenee navan siirtyessä aksiaalisesti ylävirran puoleista ohjainta (14) kohti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että alavirran puoleisen pään ja ylävirran puo- 30 leisen pään poikkipinnoilla on suhteelliset halkaisijat, jotka on mitoitettu siten, että yli- ja alipaineen välinen paine-ero (Δρ) muuttuu oleellisesti lineaarisesti verrannollisena navan (12) aksiaaliseen asentoon nesteen virtaus-suureen mukaan. li