JPS61500378A - 逆回転複タ−ビン流れ測定方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 逆回転複タービン流れ測定方式 本発明は流れ測定方式に関するものでラシ、更に詳細には体積流体流量を測定す る方式に関するものである。

タービンの回転速度が流体の流れの速度及び体積に比例する単一タービン複羽根 体積流量計は公知である。この様な装置において、流体速度測定誤差を発生させ る非軸方向流れ成分を除去する為に流量計ハウジングの入口に流体流れ直線化器 を配設することが通常である。然しなから、この様な非軸方向流れ成分を完全に 除去することは必ずしも可能ではなく、従って単一タービン流量計は流体の１旋 回”に起因する速度誤差に露呈される。軸受摩擦に起因するタービン拘束トルク 及び流体抗力トルクは、単一タービン流量計における別のタービン速度誤差発生 。

源である。体積流れの測定は測定したタービン速度に直接比例するので、これら のタービン速度減少発生源は体積流れ誤差に帰着する。

本発明者の知得したところでは、主乃至は上流タービンと反対方向に回転する第 ２″″センサ′タービンを設けることによって、流れ内の非軸方向乃至は１旋回 １成分に起因する誤差を事実上除去することが可能でちる。主タービン速度に影 響を与える非軸方向速度ベクトル成分はセンナタービン速度に反対の効果を発生 する。その結果、タービン及びセンナ速度信号の和の正味の変化はゼロ（０）で らシ、′旋回″効果に起因する誤差は事実上除去される。

本発明が更に知見したところでは、主タービンよシも低い速度で下流センサター ビンを動作させることによって、即ちタービンは異なった羽根角度を持っておシ 従って任意の流量に対して主タービン及びセンナタービン速度が所定比に維持さ れていることによって、主タービン１スリツプ”誤差が除去され且つ著しく小さ い、即ち主タービン及びセンナタービン速度の比に比例する係数だけ小さなセン サタービン１スリツｆ＃誤差で置換される。

タービン１スリツプ１はタービン拘束トルクに起因する速度誤差項でおシ、且つ タービン回転速度を体積流量に正確に比例する理論速度よシも小さくさせる。こ の体積流量に対する理論的タービン角速度の関係を次式で表わすことが可能であ る。

尚、ω＝メタ−ン角速度 Ｑ；体積流量 Ａ−タービンを介して０流路面積 然しなから、実際には、タービンにかかる拘束トルクに打ち勝つ為にタービンを 駆動する為に成るトルクが必要とされる。発生される駆動トルクは、質量流量と 結果的に得られる流体速度変化ΔＶとの積に比例し、且つタービン拘束トルクτ 、に打ち勝つ必要がちる。タービン拘束トルクは、典旦的に、軸受の摩擦及び成 る種の流体抗力トルクに起因するものであシ、それらは体積流量の２乗に比例し 、且つ、成る場合には、レイノルズ数の関数でおる。タービン拘束トルクは基本 的に次式で表わされるっτ、＝βｑｉ２７ω　（２） 尚、τ２＝拘束トルク、 ρ＝原流体粘性、 Δω＝理想状態からのタービン速度変化、Ｑ及びｉは前に説明した。

並び換えて且りＱで割ると次式が得られる。

従って、理想状態と比較し、実際の流量計に対する式ω／Ｑは、完全な流量計に 対する理論項から拘束トルクに起因する“スリジｆ２項を差し引いた形で表わさ れる。

本流量計は第２の低速の逆回転タービンを有しているので、流体角速度に変化を 生じさせる主タービン１スリツプ”は第２ターーンに反対の効果を与え、従って センナタービンの動作に対する式は以下の如くでちる。

尚、ω２；セッサタービン回転速度 α、＝センサタービンブレード角 τｒｓ　＝センナタービン上の拘束トルクτｒｔ　”主タービン上の拘束トルク ６直ちに明らかなことであるが、主タービン及びセンスタービンの登録項ω／Ｑ を加算すると、式は以下の如くなる。

尚、脚字を及びＳは主タービン及びセンナタービンを夫々表わしている。

要するに、本発明者の知得したことは、熾回転の低速センナタービンを設けるこ とによって、主タービンの１スリツプ１に起因する速度誤差が結合した速度方程 式において除去されておシ且つ減少したセン？１スリップ１のみが残るというこ とである。

１スリップａ項は略タービン速度Ｏ関数でらシ且つセンサタービン速度は主ター ビンＯ略ＩＡでらるかう、センナタービン１スリツプ１も主タービン１スリツｆ ”の１１５である。これによシ著しく減少された誤差となシ、従って精度は一層 高く且つ直翁性は−ｐ大きくなる・ 逆回転タービンを使用することによシ、これら０タービンを支持する軸受の相対 的条件を検知する為に回転速度比を使用することによって本発明の付加的な利点 を実現することが可能である。即ち、付加的な拘束トルクが同等存在しない場す 、軸受問題に起因する一方又は他方のタービンに関し、速度比主タービン軸受が 劣化して付加的なトルクを導入すると、主タービン速ＫＶｓが減少し、従って一 方向における速度比を変化させ主タービン軸受が劣化していることを表わす。同 様に、センスタービンの速度が減少して他の方向における速度比を変化させその 際にセンスタービン軸受が劣化していることを表わす。従って、速度比を検知す ることによって、その比の何等かの変化及びその変化の方向は軸受の状態を表わ す。

質量流量に比例する出力信号は、本流れ測定方式を拡張し且り濃度計を複タービ ン体積流量計へ接続することによって容易に発生させることが可能でおる。流量 針からの出力信号は適宜のネットワーク内で処理されてＭ−ＱＰでらる信号Ｍを 発生する。

要するに、流体流路に沿って軸方向に配設した２つの逆回転差動速度タービンを 有する体積流量計を組み込んだ流れ測定方式に付いて説明する。この流量計は、 両タービン間の逆回転が流体流れＫおける非軸方向又は１旋回′成分に起因する 誤差を相殺するという事実に特徴を有するものでらる。これらのタービンを異な った速度で動作させることによって、１スリツｆ′に起因する誤差は実質的に減 少される。

従って、本発明の主目的とするとζろは、非軸方向流れ成分に起因する誤差を本 質的に補償する体積流量計を提供するととである。

本発明の別の目的とするところは、非軸方向流れ成分から発生する誤差の影響を 受けることがなく且り１スリツプ１に起因する誤差が最小とされる流れ測定方式 を提供することである。

本発明の更に別の目的とするところは、高度に正確であ）且つ通常の単独タービ ンの場合よシも一層大きな動的流れ範囲に渡って直線関係を持った体積流量計を 提供することである。

本発明の更に別の目的とするところは、流れの非紬方又は″″旋回１成分の効果 が相殺される体積流量計を提供することでちる。

本発明の更に別の目的とするところは、密度粘度センナを逆回転センサ多タービ ン体状流量計樽成と結合する高精度タービン質量流仝計を提供することでるる。

本発明のその他の目的及び利点は、説明が進むにつれ明白となる。

不発明の種々の目的及び利点は、下流倒逆回転センスタービンが主タービンよシ も遅い速度で動作する一対のタービンを有するタービン流ｆｉ＋において実現さ れる。主タービンの非軸方向又は１旋回＃流れ成分に起因する何かなる誤差も、 ′旋回２が逆回転センサタービンに対して有する反対の効果によって相殺される 。主タービン１スリツプ”に起因する誤差は、主タービンとセンナタービンとの 間の速度比に等しい係数だけ減少される。

主タービン及びセンナタービンの羽根はタービン軸及び流れ軸に関して異なった 角度で位置されている。従って、全ての流量に対して、衝突する流れはこれらの タービンを異なった速度でちるが固定的に関係付けられた回転速度で回転させる 。

然しなから、その他の目的及び利点と共に、本発明自身は、添付の図面と関連す る以下の説明を参照することによって最も良く理解することが可能でちる。

第１図は体積及び質量流れ情報を発生する信号条件及び処理ネットワークと共に 体積流量計及びΩ変針の結合の概略図でちる。

第２図は複タービン流量計の一部破断図でちる。

第１図は概略流れ測定方式を例示しておシ、且つ新規な逆回転覆タービン流量計 構造、それと関連する濃度計、及び正確な体積及び質量流れ情報を発生する為の 信号処理ネットワークを示している。

本流れ測定組立体は、体積流量計１と、該流量針の出力に直接接続されたｍ度針 ２とを有している。

流量計１は、ステンレススチールの如き非磁性材料から成シ、流体又は液体の流 れが導入される入口部を持ったハウジング３を有している。この入口部に隣接し て円錐形状をしたハブ４が位置されておシ、それは複数個の流れ直線化用羽根５ を支持している。

羽根５はハブ４の周シに放射状に配設されておシ、回転又は非軸方向流れ成分を 軸方向流れに変換させる。即ち、これらの羽根は流入する流れを直線化させてハ ウジングを介しての軸流を発生させる。然しながう、前に指摘した如く、これら の羽根は角度方向乃至は”旋回′成分の多くを取シ除くのに有効ではらるが、成 る量の流体″″旋回はなお存在することがらシ且つその流量針タービンに与える 影響は補償されねばならない。

シャフト６の１端はハブ４によって又他端は流量針ハウジングの出口端に位置し たハブ張索７で支持されている。ハブ７は３個の等間隔に離隔したストラット８ によってハウジング内に支持されている。

直線化超立体に隣接して主タービン９が位置されておシ、それは不図示の適宜の 軸受によってシャフト６上に軸支されている。主タービン９は軽量環状体と、タ ービンの周辺部の周シに配設した複数個の螺旋磁性羽根１０とを有している。羽 根１ｏは螺旋形状をしておシ、且つ、好適には、１．２のリードを持っているに において約６０°の螺旋角波）。軸方向流体流れはこれらの羽根に衝突し、流体 速度に比例する速度でタービンを回転させ、一方前記流体速度は流体の体積流ｆ ｔＱに比例している。

主タービンの下流側すぐにセンナタービン１１が位置されておシ、それは非軸方 向流れに起因するタービン速度誤差を相殺すべく構成されている。センサタービ ン１１も同様に適宜の軸受によってシャ７ト６上に軸支されている。前に指摘し た如く、センサタービン１１は、主タービンとは反対の方向へ回転すべく構成さ １ており、従って１対の逆回転するタービンが設けられて全ての非軸方向又は“ 旋回＃流れ成分、即ち流れ直急化羽根５によって取！７除かれなかった全ての＠ 旋回′の効果を相殺している。センサタービン１１も復数個の囁旋磁性羽ｔＡ１ ２を有しているが、これらは反対の９旋に捩られておシ、即ち右ききに対して左 ききで６って、従って流体はセンナタービン１１を王タービンとは反対方向に回 ４云させる。

センナタービン１１上の称旋ｙＡ根の角度は主タービンの４０よシも小さく、従 ってセンサタービンは、与えられた任意の流体流量において、主タービンの速度 よシも低い速度で動作するが、その速度比は異なった流量に対して一定でらる。

このことは、２つのタービン速度の比に等しい係数によって１スリツｆ＃に起因 する何等かの速度誤差を減少させている。

１例示的形態においては、速度比が５＝１でらって、従って１スリラグ函差項は ８０％減少される。

５対１の速度比に対し【、センサタービンのリードは約２０°の％旋角度である 。

夫々のタービンの流路に波って、主タービン速度ビックオフ１３及びセンナター ビン速度ビラフォラ１４が位置されておシ、これらはタービンの回転速度に比０ する信号を発生する。これらの信号はタービン速度加算ネットワーク１５同で結 合されて出力信号を発生し、それはタービン速度、従って、体積流辷Ｑの正確な 表示である。

各速度ピックオフは、巻線１７を支持する磁性コア１６を有している。これらの ピックオフは４５　ｋＨｚ信号で付勢される・各タービングレードがコイルの仏 界を通過すると、ピックオ７コ・ｆルのインピーダンスが変化する。これによシ 羽根通過周波数での伝送波の振幅変調が得られる。この周波数は各タービン本発 明は、タービン速度を検知する為に磁性タービン羽ｓと磁気ピックオフに付いて 説明しであるが、本発明はこれに人定されるべきものではなく、その角速度を検 知する為に非磁性羽根及びその他の手段を使用することも可能である。

ピックオフ１３及び１４からの出力信号は又速度比ネットワーク１８へ供給され 、それは相対的なタービン軸受状恣の表示を供給する。速反比に２ける変化は軸 受父化を表わし、変化の方向はどの軸受が劣化しているかを表わす。

一度針２は体積流量計の出口側に位置されておバ基本的に、中室の捩９スプリン グ２５によって分離さｎている２つの流体結合器２３及び２４で構成されている 。スゲリング２５性スプリング支持要県２６のノード点で支持され１いる。これ らの結合器は、基本的に、複数個（好適には４個）の放射羽根２７を具イ確した 円筒ハブから構成されている。密度を測定すべき流体は羽根２７間に収容される 。駆動ピエゾ結晶体２８が結合器２３と関連付けられておシ、ビックアッグピエ ゾ結晶体２９は結合器２４に関連付けられている。これら２つの結合器は捩シ振 動を起こす（１８０°位相がズしておシ任章の時間において反対の回転でらる） 。該駆動器及びピンクアップ結晶体は、夫々、本方式を振動状態に駆動し、その 振動周波数で電気慣性モーメントに関し逆に変化し、且つ慣性モーメントは流体 密度に関し直接的に変化するので、その固有振′ｔｈ数は密度が増加すると減少 し且つ密度が減少すると増加する。

駆動電流及びピックオフ信号用の配縁３０及び３１が濃匡計調整・駆動回路３２ と結晶体との間に接続されている。ピックオフ信号は回路３２内の閉ループ方式 内の増幅器へ供給され、該方式を駆動して、結合器の慣性、従って流体の密度を 表わす周波数で振動する。ｂ変針調整・駆動回路３２からの出力信号は質量流量 調整回路３３への１人力として供給され、回路３３の他の入力は体積流量調整回 路１５からのものでちる。これら２′：）の信号は結合され且つ回路３３内で処 理されて質量流れに比例する出力信号を発生する。

岱度針結合器及び濃度計スプリングと関連するピエゾ電気変換器は、好適には、 円周方向に分極させた環状ピエゾ電気結晶体でらる。これらのピエゾ電気変換器 は非常に高いインピーダンスを持っておシ、それらの剪断界面を該スプリング及 び結合器の共通軸に対して岳直にして位置決めされておシ、スプリング効果に貢 献すること無しに該スプリング及び結合器間に最大の捩）剪断負荷が取れる様に なっている。変換器の剛性、即ちその固有共振周波数は捩シスプリングのものと 比べて高いので、ピエゾ電気変換器は捩りスプリング効果に実質的に貢献するこ と振動梨溌度針内に使用されるこの種のピエゾ電気変換器のこれ以上の詳細に付 いては、本発明の譲受人でおるゼネラル・エレクトリック社へ該渡されているコ ルビーパツツエルの名で１９８１Ｆ６月３０ＥＩＫ発行された米国特許第４，２ ７５，５８５号が参照され、該特許はことに特に参照によシ導入する。

第２図は、逆回転タービンを具備した体積流量計の構造的詳細を示した一部破断 断面を図示している。

この体積流れ測定装置は、入口部４２と出口部４３とｔ−持った非磁性ステンレ ススチールハウジング４１を有している。該ハウジングは主要部及び受部４４を 有しており、該受部内にタービンピックオフが装着されている。ピックオフ巻ｄ からの配縁が接読されている電気的コネクタ４５は受部４４の頂部に固着されて いる。

ハウジング軸に沿ってシャフト４６が位置されておシ、該シャフトの１端は流れ 直線化器支持用ハブ４７によって支持されておシ、該ハブは複数個の流れ直線化 器４８も支持している。流れ直線化器４８はハブの周シに円周方向に装着された 放射羽根であって、流入する流体をハウジングを介して軸方向に流す様にさせる 。ハブ４７１Ｃは直径を減少させたタービン支持用７ヤ７ト部分４９が接続され ておシ、該シャフト部分上には前記２個の逆回転タービンが取シ付けられている 。シャフト部分４９の後流端は螺設されておシ且つハブ５０を介して延在してい る。ハブ５０は複数個のストツク）５１によってハウジング内に支持されている 。スト２ツト５１は保持用Ｃりング５３によってハウジング４１の内部に肩部５ ２に対して竪固に支持されている。シャフト４６の螺設端はハブ５０内の凹設部 内に延在し且つナツト及びワッシャー５５によってそこに固定的に保持される。

シャフト部分４６上に取〕付けられているタービン５６及び５７は円筒スペーサ ５８によって離隔さ、れている。主タービン５６は、その１つのみ図示した小屋 玉軸受６０上に支持されている薄い環状体５９を有しておシ、複数個の螺旋状磁 性羽根６１を支持している。

センナタービン５７は主タービンの下流側に位置されてシシ、同様に、その１つ のみを第２図に示した小屋玉軸受６３によって支持されている薄い環状体６２を 有している・センサタービン５７の瑳旋状磁性羽根は、主タービンのものとは反 対の螺旋後）を持っておシ、従りてセンサタービン５７の回転方向は主タービン Ｑものと反対であって、即ちこれら２つのタービンは逆に回転する。更に、これ ら２りのタービンの磁性羽根の角度は異なっておシ、従ってセンナタービンは任 意の与えられた流れ速度に対して主タービンよりも低速で回転する。これらの速 度の比は、タービンに対する駆動トルクは羽根内庭の正接に比例すゐので、磁性 タービン羽根の角度によって決定される。

受部４４内に装着されている各ピックオフは巻録６７で巻回された磁性コア６６ を有している。巻重の配録はプラスチック封止体（例えば、７３３５ｉｌｅｓｔ ｉｅ）を介して外へ出され受部４４の頂部に取シ付けた電気的コネクタ４５へ引 き出されている。

前に指摘した如く、ハウジングや、タービン環状体や、支持用ハブ等の本流れ測 定装置における全ての要素はステンレススチール等の非磁性材料で製造されてお シ、従ってそれらは磁性タービン羽根と速度ビックオフ装置との間の相互作用に 干渉するととはない。

上述した説明から明らかな如く、流れ内の何等かの非軸方向乃至は１旋回１成分 に起因するタービン及び流れ速度誤差を相殺する体積流量針が提供されている。

更に１主ター？ンよシも低速で第２乃至は逆回転タービンを動作させることによ って、′スリップ１に起因する何等かの回転又は流れ誤差はこれら２つのタービ ンの速度比に比例する係数だけ減少される。

国際ｖ４査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．体積流れ測定装置において、 （ａ）流体に対し流路を画定するハウジング手段、（ｂ）前記ハウジング内に装 着されており且つ異なるが該流体の速度に比例して固定的に関係する速度で回転 する２個の軸方向に配設したタービン手段、前記タービンは逆方向に回転しその 際に前記流れの全ての非軸方向流れ成分は前記逆回転タービンの回転速度に対し 反対の効果を持つており、 （ｃ）個々のタービンの回転速度に比例する電気信号を発生する為に前記タービ ンの各々と関連する手段、 （ｄ）非軸方向流れ成分に起因する効果を補償し且つ体積流量に比例する信号を 発生する為に前記電気信号を加算する手段、 を有する装置。
2. ２．請求の範囲第１項に基づく体積流れ測定装置において、前記タービンの各々 が複数個の磁性羽根と、前記タービンの各々の流路に沿つて位置された磁気ピツ クオフ手段とを持つており、その際に前記ピツクオフ手段を介して羽根が通過す ると該タービンの速度に比例する信号を発生する装置。
3. ３．請求の範囲第２項に基づく体積流れ測定装置において、前記羽根は螺旋形態 であり、且つ逆回転タービン上り螺旋羽根は反対の態様でありその際に該タービ ンを反対方向回転させる装置。
4. ４．請求の範囲第３項に基づく体積流れ測定装置において、流れ軸に関して羽根 の螺旋角度が異なつておりその際に１方のタービンの回転速度が任意の与えられ た流量に対して他方のタービン回転速度と異なる装置。
5. ５．体積流れ測定装置において、 （ａ）流体の流れに対し流路を画定するハウジング手段、 （ｂ）該流体の流れを実質的に軸方向流れへ変換させる為の前記流路内の流れ直 線化手段、 （ｃ）該ハウジング内に装着されており該流体流れの体積流量に比例する速度で 回転すべく適合されている主タービンを含んでおり前記流れの何れの残存する非 軸方向乃至は角運動量成分を補償する手段、 （ｄ）前記主タービンから下流側に装着した第２逆回転センサタービン、その際 に前記流れ内の何れの残留非軸方向角運動量は該主タービンに影響を与えるのと は反対の態様で前記第２タービンの速度に影響を与え、 （ｅ）該主タービン及びセンサタービンの速度に夫々比例する周波数の電気信号 を発生する為に前記タービンの各々に関連されているピツクオフ手段、 （ｆ）該主タービンの速度を表わす信号に関し角運動量の影響を相殺する為に前 記ピツクオフ手段からの出力信号を結合する手段、 を有する装置。
6. ６．請求の範囲第５項に基づく体積流れ測定装置において、前記第２逆回転セン サタービンは任意の与えられた流量に対して該タービンよりも低速で回転し、そ の際に“スリツプ”に起因する全ての回転速度及び流量誤差は前記タービンの速 度比に比例する係数だけ減少される装置。
7. ７．体積流れ測定装置において、 （ａ）流体に対する流路を画定するハウジング手段、（ｂ）前記ハウジング内に 装着されており且つ該流体の速度に比例する速度で回転する２個の軸方向に配設 され逆回転するタービン手段、前記流れの非軸方向流れ成分は前記逆回転するタ ービンの回転速度に反対の効果を発生させる、を有する装置。
8. ８．請求の範囲第７項に基づく体積流れ測定装置において、前記タービンの各々 は複数個の磁性羽根と、前記タービンの各々の流路に沿つて位置された磁気ピツ クオフ手段とを持つており、その際に前記ピツクオフ手段を介して羽根が通過す ることにより該タービンの速度に比例する信号を発生する装置。
9. ９．請求の範囲第８項に基づく体積流れ測定装置において、前記羽根は螺旋形態 であり、且つ該逆回転するタービン上の螺旋羽根は該主タービン上のものとは反 対の態様でありその際に該タービンを反対方向に回転させる装置。
10. １０．請求の範囲第８項に基づく体積流れ測定装置において、流れ軸に関しての 螺旋羽根の角度は該タービンの羽根に関し異なつておりその際に１方のタービン の回転速度は任意の与えられた流量に対して他方のタービンの回転速度と異なつ ている装置。
11. １１．請求の範囲第１項に基づく、流れ測定手段において、該流体の密度を測定 する為に前記体積流れ測定手段と関連した手段と、該流体の質量流れの測定値を 発生する為に前記体積流れ・密度測定手段からの出力を結合させる手段とを有す る手段。