JPH0261688B2 - - Google Patents
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- JPH0261688B2 JPH0261688B2 JP57172490A JP17249082A JPH0261688B2 JP H0261688 B2 JPH0261688 B2 JP H0261688B2 JP 57172490 A JP57172490 A JP 57172490A JP 17249082 A JP17249082 A JP 17249082A JP H0261688 B2 JPH0261688 B2 JP H0261688B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/10—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with axial admission
-
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/10—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with axial admission
- G01F1/12—Adjusting, correcting, or compensating means therefor
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Control Of Water Turbines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は軸流タービン流量計、もしくはワルト
マン(Woltmann)タイプの流量計に関する。本
発明による流量計は、導管内を流れる流体の量
を、導管と同軸に配置されたタービン手段を用
い、瞬間的あるいは累積的流れを示す回転数によ
り測定することができる。
マン(Woltmann)タイプの流量計に関する。本
発明による流量計は、導管内を流れる流体の量
を、導管と同軸に配置されたタービン手段を用
い、瞬間的あるいは累積的流れを示す回転数によ
り測定することができる。
このタイプの流量計においては、流体がタービ
ンに対して軸方向の水圧を与えることが知られて
おり、特に高流量の場合には、タービン翼の抗力
CX係数および流量の自乗の関数として軸方向水
圧を生ずる。例えば、500m3/時の流量に対して
は、圧力は150mm径の導管内において、約12daN
の値に達する。
ンに対して軸方向の水圧を与えることが知られて
おり、特に高流量の場合には、タービン翼の抗力
CX係数および流量の自乗の関数として軸方向水
圧を生ずる。例えば、500m3/時の流量に対して
は、圧力は150mm径の導管内において、約12daN
の値に達する。
この軸方向圧力は、タービンの回転に対して作
用する摩擦抵抗の増大により、流量計の測定精度
を悪化させるとともに、軸受、タービン下流の支
持部の急速な摩耗を生じ、不具合な部品を交換し
なければならない前の流量計の作動期間を短縮さ
せる。
用する摩擦抵抗の増大により、流量計の測定精度
を悪化させるとともに、軸受、タービン下流の支
持部の急速な摩耗を生じ、不具合な部品を交換し
なければならない前の流量計の作動期間を短縮さ
せる。
このようなタービンへの軸方向圧力を均衡化さ
せたり、制限するための多くの改良がなされた
が、これらの改良は、通常は、軸方向圧力に対し
て人為的に反力を生じさせるものであつたり、あ
るいはタービンの移動を制限するものであつた。
この均衡化のために用いられる手段は、例えば、
すべてのタービンを特別の形状とすること、ベン
チユリ効果を生ずる流線型にすること、流線型部
に圧力供給オリフイスを設けること、および(ま
たは)タービンハブを改良することなどがある。
構造上、タービン翼の抗力係数を望ましい値に調
整することは可能であるが、タービンは、通常、
削り出しにより製作され、製作上の公差がある。
そのため、この抗力係数を常に望ましい値にする
ことはできない。その結果、流量に対して得られ
た圧力の修正は、すべての装置に対して常に同一
ではなく、問題点は部分的に解決されたにすぎな
い。
せたり、制限するための多くの改良がなされた
が、これらの改良は、通常は、軸方向圧力に対し
て人為的に反力を生じさせるものであつたり、あ
るいはタービンの移動を制限するものであつた。
この均衡化のために用いられる手段は、例えば、
すべてのタービンを特別の形状とすること、ベン
チユリ効果を生ずる流線型にすること、流線型部
に圧力供給オリフイスを設けること、および(ま
たは)タービンハブを改良することなどがある。
構造上、タービン翼の抗力係数を望ましい値に調
整することは可能であるが、タービンは、通常、
削り出しにより製作され、製作上の公差がある。
そのため、この抗力係数を常に望ましい値にする
ことはできない。その結果、流量に対して得られ
た圧力の修正は、すべての装置に対して常に同一
ではなく、問題点は部分的に解決されたにすぎな
い。
本発明はこのような欠点を解決するためになさ
れたものであり、サーボシステムを採用して、タ
ービンに作用する軸方向圧力に対して真の動バラ
ンスを与えることのできるワルトマンタイプの流
量計を提供することを目的とする。
れたものであり、サーボシステムを採用して、タ
ービンに作用する軸方向圧力に対して真の動バラ
ンスを与えることのできるワルトマンタイプの流
量計を提供することを目的とする。
本発明による流量計は、管状導管内に測定すべ
き流体を横切るように配置されており、筒体ハブ
の外周囲に翼が設けられ、上流側と下流側の2つ
の固定流線型部の間に回転自在に配設されたター
ビンと、ハブの上流側面の側にほぼ一定の値の圧
力降下領域を生み出す機構と、ハブの下流側面の
側に圧力過大領域を与える機構とからなるととも
に、ハブの下流側面の側に圧力過大領域を与える
機構は、ハブの下流端の形状と下流側流線型部と
の組合せからなり、ハブの下流端の形状は、その
位置で拡大した径を有し、流線型部の形状は、ハ
ブの下流端が流線型部の内部に入り込むことので
きる寸法の中空円筒状部分を有している。これに
より、流体の流れによりタービンに生ずる流体力
学的圧力は、タービンのハブの両側に生ずる圧力
の差により常にバランスがとられる。
き流体を横切るように配置されており、筒体ハブ
の外周囲に翼が設けられ、上流側と下流側の2つ
の固定流線型部の間に回転自在に配設されたター
ビンと、ハブの上流側面の側にほぼ一定の値の圧
力降下領域を生み出す機構と、ハブの下流側面の
側に圧力過大領域を与える機構とからなるととも
に、ハブの下流側面の側に圧力過大領域を与える
機構は、ハブの下流端の形状と下流側流線型部と
の組合せからなり、ハブの下流端の形状は、その
位置で拡大した径を有し、流線型部の形状は、ハ
ブの下流端が流線型部の内部に入り込むことので
きる寸法の中空円筒状部分を有している。これに
より、流体の流れによりタービンに生ずる流体力
学的圧力は、タービンのハブの両側に生ずる圧力
の差により常にバランスがとられる。
タービンのハブの上流側面の側にほぼ一定の値
の圧力降下領域を生み出す機構は、タービンのハ
ブが軸線方向に部分的に入り込むことのできる、
上流側流線型部の下流端に形成された中空円筒状
部を有し、ハブの端部における環状通路断面の急
激な拡大は、タービンの軸線方向位置とは関係な
く、上流側流線型部の内側に圧力降下を発生させ
る流体流れの分離作用を生じさせる。
の圧力降下領域を生み出す機構は、タービンのハ
ブが軸線方向に部分的に入り込むことのできる、
上流側流線型部の下流端に形成された中空円筒状
部を有し、ハブの端部における環状通路断面の急
激な拡大は、タービンの軸線方向位置とは関係な
く、上流側流線型部の内側に圧力降下を発生させ
る流体流れの分離作用を生じさせる。
かくして、タービンには、一方においてタービ
ン翼に生ずる流体圧力が作用し、他方においてハ
ブの両側に2つの反対の力が作用し、2つの異な
つた表面に存在する部分的圧力に差異を生ずる。
ハブの横断面に対して好適寸法をとることによ
り、それぞれの流量に対し動的均衡を図ることが
でき、タービンをその軸線に沿つて良好な位置に
配置することができる。そして、最終的に、導管
を流れる流量に従い、タービン位置の安定的なサ
ーボコントロールを行うことができる。例えば、
タービンの位置は、150mm導管内を3m3/時から
500m3/時の流量が通過する際、2.5mmの間隔で変
化するが、すべての軸方向圧力は、もはや軸受お
よび下流側支持部に作用せず、前述したような不
都合や損害を生じない。
ン翼に生ずる流体圧力が作用し、他方においてハ
ブの両側に2つの反対の力が作用し、2つの異な
つた表面に存在する部分的圧力に差異を生ずる。
ハブの横断面に対して好適寸法をとることによ
り、それぞれの流量に対し動的均衡を図ることが
でき、タービンをその軸線に沿つて良好な位置に
配置することができる。そして、最終的に、導管
を流れる流量に従い、タービン位置の安定的なサ
ーボコントロールを行うことができる。例えば、
タービンの位置は、150mm導管内を3m3/時から
500m3/時の流量が通過する際、2.5mmの間隔で変
化するが、すべての軸方向圧力は、もはや軸受お
よび下流側支持部に作用せず、前述したような不
都合や損害を生じない。
以下、図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。
て説明する。
第1図に示すように、管状の導管10内には、
ほぼ円筒状をし、周囲に導管10の軸線に向けて
傾斜した翼13が取付けられたハブ12を備えた
タービン11が配設されている。タービン11
は、通常の態様で、上流側流線型部14と下流側
流線型部15の2つの中空の流線型部の間に配設
され、タービン11の作動により、矢印の方向に
導管10内を横切る流体量が測定される。2つの
流線型部14,15は、それぞれほぼ半径方向に
向いたリブ16,17により導管10に固定され
ているとともに、導管10と同一軸線上に配置さ
れタービンのハブ12の両端部に設けられた軸方
向孔内にそれぞれ挿入された内方向アーム18,
19を備えている。タービンのハブ12はこれに
より、導管10の軸線のまわりを自由に回転する
ことができるとともに、この軸線に沿つて軸方向
移動することができる。例えばボールのような下
流側支持部(図示せず)は、アーム19の挿入さ
れている孔内に配設されている。
ほぼ円筒状をし、周囲に導管10の軸線に向けて
傾斜した翼13が取付けられたハブ12を備えた
タービン11が配設されている。タービン11
は、通常の態様で、上流側流線型部14と下流側
流線型部15の2つの中空の流線型部の間に配設
され、タービン11の作動により、矢印の方向に
導管10内を横切る流体量が測定される。2つの
流線型部14,15は、それぞれほぼ半径方向に
向いたリブ16,17により導管10に固定され
ているとともに、導管10と同一軸線上に配置さ
れタービンのハブ12の両端部に設けられた軸方
向孔内にそれぞれ挿入された内方向アーム18,
19を備えている。タービンのハブ12はこれに
より、導管10の軸線のまわりを自由に回転する
ことができるとともに、この軸線に沿つて軸方向
移動することができる。例えばボールのような下
流側支持部(図示せず)は、アーム19の挿入さ
れている孔内に配設されている。
ハブ12はその下流端に、ピニオン(破線で示
す)と噛合うウオームを備え、ウオームは流量計
の出力軸にキー止めされるとともに、タービンの
回転数を合計し指示する外方の装置に連結されて
いる。
す)と噛合うウオームを備え、ウオームは流量計
の出力軸にキー止めされるとともに、タービンの
回転数を合計し指示する外方の装置に連結されて
いる。
上流側流線型部14は、その下流端に、真直ぐ
な円筒部14Aを有し、この円筒部14Aに、ハ
ブ12の上流端の円筒部がその軸線方向移動の際
入り込むことができるようにされている。
な円筒部14Aを有し、この円筒部14Aに、ハ
ブ12の上流端の円筒部がその軸線方向移動の際
入り込むことができるようにされている。
ハブ12は、その下流端部に、その真直ぐな円
筒部より大きい径の拡大部20を有し、下流側流
線型部15は、その上流端に、タービン11の軸
線方向移動の際、ハブ12の拡大部20が入り込
むことのできる真直ぐな円筒部15Aを有してい
る。
筒部より大きい径の拡大部20を有し、下流側流
線型部15は、その上流端に、タービン11の軸
線方向移動の際、ハブ12の拡大部20が入り込
むことのできる真直ぐな円筒部15Aを有してい
る。
ハブ12と円筒部14Aの間および拡大部20
と円筒部15Aの間の半径隙間は、例えば150mm
導管において、それぞれ1mmである。
と円筒部15Aの間の半径隙間は、例えば150mm
導管において、それぞれ1mmである。
次に上述した流量計の作用について、第2図を
参照して説明する。第2図において、カーブはそ
れぞれ異なつた流量を示しており、タービンのハ
ブの平面を横切る上流と下流において生ずる圧力
間の差△p(バー内における)を軸線方向位置X
の関数として示している。この例においては150
mm径の導管を採用した。
参照して説明する。第2図において、カーブはそ
れぞれ異なつた流量を示しており、タービンのハ
ブの平面を横切る上流と下流において生ずる圧力
間の差△p(バー内における)を軸線方向位置X
の関数として示している。この例においては150
mm径の導管を採用した。
導管内に流体の流れがない場合、タービンは不
確定な軸方向位置をとる。例えば、第1図の上半
分に示す位置にタービンが位置していると仮定し
よう。流れが始まり、流量が3m3/時以下の時に
は、タービン翼に生ずる軸方向圧力は、下流側支
持部に作用する。低流量の場合には、流体力学的
効果は、タービンへの流体圧力に抗する圧力差
を、ハブの両端部に十分に生じさせない。しかし
この場合、流体圧力はそれ自体非常に小さく、タ
ービン下流側の支持部を損傷させることはない。
確定な軸方向位置をとる。例えば、第1図の上半
分に示す位置にタービンが位置していると仮定し
よう。流れが始まり、流量が3m3/時以下の時に
は、タービン翼に生ずる軸方向圧力は、下流側支
持部に作用する。低流量の場合には、流体力学的
効果は、タービンへの流体圧力に抗する圧力差
を、ハブの両端部に十分に生じさせない。しかし
この場合、流体圧力はそれ自体非常に小さく、タ
ービン下流側の支持部を損傷させることはない。
流量が増大するにつれて、上流側流線型部14
の下流端に流体流の分離を生じさせ、この分離
は、上流側流線型部14の内側に影響を与える圧
力降下領域を形成する。反対に、ハブ12の下流
端のまわりの下流側流線型部15の上流端の周囲
には流体流れの妨害部が形成され、流線型部15
内に局部的な過圧を生ずる。上流側流線型部14
内には圧力降下が生じるとともに、下流側流線型
部15内には圧力過大が生じ、この過大な圧力は
ハブの拡大部20に作用するので、ハブには上流
方向の反作用力が働く。この反作用力は、圧力差
△pとハブ12の断面積に比例し、タービンのト
ルク特性と抗力係数CXを考慮してハブ12の直
径に対する適切な量に仮定された流量におけるタ
ービン翼13の抗力よりも大きい。反作用力が抗
力より大きければ、タービンは上流側へ戻ろうと
する。しかしながら、この移動の間において、第
2図のカーブに示すように圧力差△pは減少す
る。これは、下流側流線型部15内の過大圧力
は、ハブ15の拡大部20が、流線型部15の円
筒部15Aから離れるに従い減少するからであ
る。かくして圧力差△pはタービンの位置Xと同
時に減少し、その結果、ハブ12の反作用力も減
少する。タービンはハブ12に作用する反作用力
とタービン翼13の抗力とが均衡する位置まで上
流側に移動し、そこでタービンは安定する。この
プロセス中に含まれるすべてのパラメータ、すな
わちタービン翼の抗力、上流側流線型部内の圧力
降下、下流側流線型部内の圧力過大は、流量の二
次関数として求められる量であるので、このター
ビンの均衡する位置は、いかなる流量に対して
も、理論的に同じ位置に定めることができる。実
際には、均衡位置は理論的位置よりもわずかの量
だけ移動することがあるが、これは大流量の範囲
でも2.5mm程度である。
の下流端に流体流の分離を生じさせ、この分離
は、上流側流線型部14の内側に影響を与える圧
力降下領域を形成する。反対に、ハブ12の下流
端のまわりの下流側流線型部15の上流端の周囲
には流体流れの妨害部が形成され、流線型部15
内に局部的な過圧を生ずる。上流側流線型部14
内には圧力降下が生じるとともに、下流側流線型
部15内には圧力過大が生じ、この過大な圧力は
ハブの拡大部20に作用するので、ハブには上流
方向の反作用力が働く。この反作用力は、圧力差
△pとハブ12の断面積に比例し、タービンのト
ルク特性と抗力係数CXを考慮してハブ12の直
径に対する適切な量に仮定された流量におけるタ
ービン翼13の抗力よりも大きい。反作用力が抗
力より大きければ、タービンは上流側へ戻ろうと
する。しかしながら、この移動の間において、第
2図のカーブに示すように圧力差△pは減少す
る。これは、下流側流線型部15内の過大圧力
は、ハブ15の拡大部20が、流線型部15の円
筒部15Aから離れるに従い減少するからであ
る。かくして圧力差△pはタービンの位置Xと同
時に減少し、その結果、ハブ12の反作用力も減
少する。タービンはハブ12に作用する反作用力
とタービン翼13の抗力とが均衡する位置まで上
流側に移動し、そこでタービンは安定する。この
プロセス中に含まれるすべてのパラメータ、すな
わちタービン翼の抗力、上流側流線型部内の圧力
降下、下流側流線型部内の圧力過大は、流量の二
次関数として求められる量であるので、このター
ビンの均衡する位置は、いかなる流量に対して
も、理論的に同じ位置に定めることができる。実
際には、均衡位置は理論的位置よりもわずかの量
だけ移動することがあるが、これは大流量の範囲
でも2.5mm程度である。
ハブ12の横断面の好適寸法を仮定することに
より、タービンに対し反対方向に作用する軸方向
力を得ることができる。タービンには流体力学的
圧力が作用するとともに、ハブの横断面には圧力
差による反作用力が作用する。第2図における流
量のカーブは、それぞれのカーブにおいて増加す
る線形領域があることを示しており、この領域に
おいては、定常流における位置Xの変位が圧力差
△pの変化に比例している。例えば位置X=3mm
の作動点のまわりでは、タービンの位置の安定し
たサーボコントロールが、1mmのオーダーの間隔
内でなされている。
より、タービンに対し反対方向に作用する軸方向
力を得ることができる。タービンには流体力学的
圧力が作用するとともに、ハブの横断面には圧力
差による反作用力が作用する。第2図における流
量のカーブは、それぞれのカーブにおいて増加す
る線形領域があることを示しており、この領域に
おいては、定常流における位置Xの変位が圧力差
△pの変化に比例している。例えば位置X=3mm
の作動点のまわりでは、タービンの位置の安定し
たサーボコントロールが、1mmのオーダーの間隔
内でなされている。
したがつて、それぞれの流量ごとに、タービン
にとつて準安定的な位置があり、この位置の横座
標Xは、例えば150mm径の導管内に3m3/時から
500m3/時に変化する流量が流れたとき、2.5から
3mmの間隔で微小変位することがわかる。
にとつて準安定的な位置があり、この位置の横座
標Xは、例えば150mm径の導管内に3m3/時から
500m3/時に変化する流量が流れたとき、2.5から
3mmの間隔で微小変位することがわかる。
このような、タービンの軸方向位置のサーボコ
ントロールを用いることにより、タービンの下流
側軸受部に対し流体力学的圧力による損傷を与え
ることがなく、またタービンを摩擦なしに作動さ
せ正確な測定を行うことができる。
ントロールを用いることにより、タービンの下流
側軸受部に対し流体力学的圧力による損傷を与え
ることがなく、またタービンを摩擦なしに作動さ
せ正確な測定を行うことができる。
第1図は本発明による流量計の作動原理を簡便
に説明するために、単純化し図式化した態様で示
してある。実際には、タービンを取り囲む管状部
材は、測定する流体を流すための導管に接続する
のに用いるフランジを装備しており、また流量計
には管状部材(導管)に側面窓を備え、積算計が
収納されている。また、タービンは2つの流線型
部の間に配置され、流線型部は管状部材内に配設
されている。このような公知の配置構造は図示し
ていない。同様に、タービンの回転数を示す流量
計の出力は、機械的に得られるだけでなく、例え
ば電磁気的、光電方式等の他の方法により得るこ
とができる。
に説明するために、単純化し図式化した態様で示
してある。実際には、タービンを取り囲む管状部
材は、測定する流体を流すための導管に接続する
のに用いるフランジを装備しており、また流量計
には管状部材(導管)に側面窓を備え、積算計が
収納されている。また、タービンは2つの流線型
部の間に配置され、流線型部は管状部材内に配設
されている。このような公知の配置構造は図示し
ていない。同様に、タービンの回転数を示す流量
計の出力は、機械的に得られるだけでなく、例え
ば電磁気的、光電方式等の他の方法により得るこ
とができる。
この発明は、通常の流量計として用いられるだ
けでなく、特に大流量の水量計としても用いるこ
とができる。
けでなく、特に大流量の水量計としても用いるこ
とができる。
第1図は本発明による流量計の断面を図式的に
表わした図であり、上部と下部はそれぞれタービ
ンの2つの作動位置を示しており、第2図はター
ビンのハブの両端における圧力差の変化をいくつ
かの流量ごとにタービンの軸方向位置の関数とし
て示したグラフである。 11…タービン、12…ハブ、13…タービン
翼、14…上流側流線型部、15…下流側流線型
部、14A,15A…円筒部、20…拡大部。
表わした図であり、上部と下部はそれぞれタービ
ンの2つの作動位置を示しており、第2図はター
ビンのハブの両端における圧力差の変化をいくつ
かの流量ごとにタービンの軸方向位置の関数とし
て示したグラフである。 11…タービン、12…ハブ、13…タービン
翼、14…上流側流線型部、15…下流側流線型
部、14A,15A…円筒部、20…拡大部。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 測定すべき圧力流体を横切つて使用される管
状導管10内に配設され、外周囲に翼13が設け
られた筒状のハブ12を備え上流側と下流側の2
つの固定流線型部14,15との間を軸方向移動
可能に配設されるとともに回転可能に配設された
タービン11と、ハブ12の軸方向位置に関係な
く、ハブ12の上流側面の側にほぼ一定の圧力降
下領域を生み出す機構と、からなり、前記下流側
流線型部15は中空円筒部15aを有し、この円
筒部15aに前記ハブ12の下流端が〓間を有し
て延び、ハブ12の下流端20の横断面の近くに
圧力上昇領域を生じさせ、流体の流れによりター
ビンに作用する流体力学的圧力が上昇圧力と降下
圧力との差圧△Pにより連続的にバランスされる
とともに、ハブ12の下流端20は前記ハブ12
の残りの部分に比べ拡大された径を有し、ハブ1
2の拡大した下流端形状と前記下流側流線型部1
5の形状との組合せにより前記上昇圧力が定めら
れ、前記ハブ12が前記上流側流線型部に向けて
軸方向移動する際に前記圧力が降下することを特
徴とする流量計。 2 前記上昇圧力と降下圧力との差圧△Pが流量
に対してハブ12の軸方向位置の関数としてほぼ
直線的に変化するよう、ハブの上流端と下流端の
横断面が相対的な径寸法を有していることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の流量計。
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