SU1095883A3 - Турбинный расходомер - Google Patents

Abstract

ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий аксиальную турбинку в виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопаст ми, установленную с возможностью вращени  на валу между двум  обтекател ми, хот  бы один из которых имеет диаметр, больший диаметра ступицы, а также узел съема сигнала, о т л и- ч а ющ и и с   тем, что, с целью повышени  точности, на одном или обоих торцах ступицы турбинки со стороны обтекател , диаметр которого больше диаметра ступицы, неподвижно и соосно закреплена кольцева  пластина, при этом диаметр пластины равен или меньше диаметра противосто щего обтекател .

Description

Изобретение относитс  к средства дл  измерени  расхода и может быть использовано при измерени х как малов эких , так и высоков зких жидкостей , с соз ранением неизменной тсчностн .

Известен турбинньй расходомер, сдержащий аксиальную турОинку в виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопаст ми, установленную на подшипниковых опорах между двум  обтекател ми, диаметр которых больше диаметра ступицы С11 и С 2Т.

Дл  уменьшени  вли ни  в зкости жидкости, в известном расходомере вьтолнено в зкостное сопротивление в ступице турбинки (тормозное пространство ) и средства, обеспечивающие прохождение жидкости, в тормозное пространство.

Известные турбинные расходомеры имеют большое изменение погрешности измерени  дл  высоков зких текучих сред. Это обусловлено следующим

Между расходом О и угловой скоростью вращени  турбинки Ш существует следующее соотношение.

w.;.Jf т

пр Qr.p.Q2

где oL - угол установки турбинных

лопаток относительно оси , трубы} г - средний радиус лопастной

решетки А - площадь кольца лопастной

решетки, ограниченного внут ренней и внешней окружност ми лопаток,

Tf - момент вращательного сопротивлени  турбинки, вызванный в зкостью текучей среды;

Т, - момент вращательного сопротивлени  турбинки, вызванный механическим сопротивлением;

f плотность текучей среды 3, Так как момент вращательного сопротивлени  Ер вызван в зкостью текучей среды, то приведенное соотношение можот быть представлено в виде

Tj

Q г А q

Если коэффициент в зкости обозначить U , момент вращательного сопролени  Т может быть представлен в висимости от условий течени  слещим образом.

случае ламинарного течени , (3)

pQ-kHi-Cl - в случае переходного течени  между

D/, ламинарным и турбулентным течени ми (4) р в случае турбулентного течени  (5) Соответственно, отношение расхода угловой скорости вращени  /q имеет д

tgo, ( (

ID  . 11

случае ламинарного течени , (6)

iocL . (К -е--к, К,--гв случае переходно2 р-0

г.А го течени  между ламинарным и турбулентным течени ми,

(7)

Цоо

в случае турбулент-k ,г .А ного теч-зни , (8)

Ьгде К, Kj,

константы,

-S- - характерный пара . метр, определ емый конструкцией.

Из уравнений (6), (7) и (8) видно ,- что |Q посто нно независимо от расхода О в случае турбулентного течени , вследствие чего погрешность измерени  не возникает. Однако в случае лаютнарного или переходного течений /q  вл етс  функцией расхода Q, вследствие чего возникает погрешность , котора  колеблетс  в зависимости от расхода. Соответственно, в случае измерени  малов зких текучих сред при помощи известных турбинйых расходомеров происходит небольшое изменение погрешности измерени  , так как в малов зких текучих средах предполагаетс  турбулентное течение из-за наличи  области относительно малых расходов в диапазо е измерени  расходов. В случае измерени  высоков зких текучих сред при изменени х расхода значительно измен етс  погрешность прибора, так как в таких средах течение в ламинарном режиме сохран етс  до относительно высоких значений расхода , а область турбулентного течени  в диапазоне измерени  расходов hfana.

Кроме того, распределение скоростей в потоке различно при ламинарном , переходном и турбулентном течени х . Соответственно, точка прило жени  момента вращени , действующего на лопатки, мен етс  в соответст вии с состо нием течени , что приводит к изменению среднего радиуса г, вследствие чего погрешность прибора непосто нна. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  турбинный расходомер, содержащий аксиальную турбинку в виде ступицы, с неподвижно закрепленными на ней лопаст ми, установленну с возь1ожностью вращени  между двум  обтекател ми, хот  бы один из которых имеет Диаметр, больший диаметра ступицы, а также узел съема сигнаЭднако известный расходомер не обеспечивает точного измерени  при большом диапазоне работ. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в турбинном расходомере, содержащем аксиальную турбинку в ви де ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопаст ми, установленную с возможностью вращени  на валу между двум  обтекател ми, хот  бы один из которых имеет диаметр, боль ший диаметр ступицы, а также узел съема сигнала, на одном или обоих торцах ступицы турбинки со стороны обтекател , диаметр которого больше диаметра ступицы, неподвижно и соос но закреплена кдльцева  пластина, при этом диаметр пластины равен или меньше диаметра противосто щего ей обтекател . На фиг. 1 представлен турбинный расходомер, вид сбоку, одна ппастин закреплена на ступице турбинки пере задним обтекателем} на фиг. 2 - то же, одна пластина закреплена н.а сту пице турбинки за передним обтекателем; на фиг. 3 - торец турбинки с закрепленной кольцевой пластиной; на фиг. 4 - диаграмма распределени  давлени  в направлении течени  жидкости на стенке трубы расходомера по фиг. 2i на фиг. 5 - турбинный расходомер с отверсти ми в заднем обтекателе, ввд сбоку/ на фиг. 6 диаграмма распределени  давлени  турбинного расходомера по фиг. 5; на фиг. 7 - турбинный расходомер с двум  кольцевыми пластинами на с пице турбинки вид сбоку; на фиг. диаграмма распределени .давлени  турбинного расходомера по фиг. 7. Турбинный расходомер (фиг. 1, 4, 5, 7) содержит цилиндрический корпус . 1,в котором на струенаправл ющих аппаратах 2 и 3, как на опорах, соос но установлен вал 4 и размещенные на нем (между струенаправл ющими аппаратами ) аксиальна  турбинка 5 и обтекатели 6 и 7. Турбинка 5 состоит из ступицы 8 и жестко закрепленных на ней лопастей 9. В центральное отвррстие ступицы 8 вставлена и зафиксирована втулка 10, котора  с возможностью вращени  соприкасаетс  с цапфой 11 вала 4. Передний обтекатель 6, расположенный на верхней по потоку стороне, имеет коническую форму и коаксиально закреплен на валу 4 ме зду турбинкой 5 и струенаправл кицим аппаратом 2.Упорные подшипники 12 и 13 закреплены в обращенных друг к другу торцовых поверхност х переднего и заднего обтекателей соответственно. Диаметр по меньшей мере одного из обтекателей больше диаметра ступицы турбинки. При этом со стороны обтекател , диаметр которого больше диаметра ступицы турбинки, на ступице 8 непо Е вижно установлена кольцева  пластина 14 (15), диаметр которой равен шш меньше диаметра противосто щего ей обтекател . На наружной стенке корпуса 1 против зоны расположени  лопастей турбинки 5 установлен узел съема сиг нала (чувствительна  катушка) 16. Турбинный расходомер работает следующим образом. Высоков зка  жидкость, поступающа  в корпус Т расходомера, проходит через направл ющий аппарат 2 и далее передним обтекателем 6 направ л етс  к лопаткам турбинки, враща  ее. После этого жидкость перетекает в затурбинную область расходомера , в сторону заднего обтекател  7. В случае, если передний обтекатель 6 имеет диаметр, равный диаметру ступицы турбинки 5, а задний обтекатель 7 - больший диаметра ступицы , образующийс  кольцевой участок обтекател  7, выступа  за периферию ступицы в радиальном направлении , образует участок 17, оказывающий в зкостное сопротивление. В результате этого измер ема  текуча среда затормаживаетс  в пространст ве, ограниченном внешней периферий ной поверхностью ступицы 8 и участ ком 17, создающим в зкостное сопро тивление. Измер ема  текуча  среда, задер жива сь в указанном пространстве, обретает состо ние, при котором зн чительно утрачиваетс  составл юща  скорости в осевом направлении. По этой причине в зкостное сопротивле ние при ламинарном течении на лопа ках 9 развиваетс  на их ближайшей части, вследствие чего к вращению турбинки 5 добавл етс  момент вращательного сопротивлени  К Q. . В св зи с этим момент вращатель ного сопротивлени  Т турбинного расходомера может быть представлен следующим образом ламинарное тече„ ние, (За) л- Q - (переходное течение ) (4а) pQ + kjuQ (турбулентное течение ) , (5а) (О Отношение - имеет вид i- S-3/ V (л арное тече ние), (6а) Kj(переходное течение ), (7а) t|o6 (XJ -(турбулентное те 2 чение), (8а) Как видно из уравнений (6а, 7а и. 8а) , выражение К у добавл ет с  к отношению угловой скорости к расходу в области турбулентного ;течени  л. Однако в турбулентной области при больших расходах это выражение имеет пренебрежимо малую величину. Соответственно, в турбулентной области не происходит изменени  характеристик погрешности измерени . При рассмотрении переходной области между ламинарным и турбулентным течени ми отношение |л  вл етс  посто нным независимо от величины расхода Q, вследствие чего характеристики погрешности измерени  выравниваютс  до области относительно малых расходов. Закреп ленна  на ступице турбинка 5 (фиг. кольцева  пластина 14 участвует в создании в зкостного сопротивлени , так как обращена к создающему застойную зону торцовому участку большого диаметра заднего обтекател  7. Одновременно пластина 14 воспринимает обратное давление, так как между нею и обтекателем 7 образуетс  зазор . 18 относительно большой пшрины , а у внешней периферийной части застойной зоны жидкость задерживаетс  наружной торцовой поверхностью обтекател  7 и затем протекает в зазор 18. Ввиду того, что пластина 14, воспринимающа  обратное давление, расположена в пределах застойной зоны, она не подвергаетс  воздействию скоростного напора, создаваемого течением жидкости. Благодар  этому осевое усилие, действующее на турбинку 5 в направлении течени  через лопасти 9, уравновешиваетс  осевым усилием, действую цим в противоположном направлении, и турбинка вращаетс  плавно, наход сь в плавающем состо нии . При этом за счет увеличени  пластиной 14 площади торцовой поверхности ступицы 8 осевое усилие в направлении , противоположном направлению течени  жидкости, увеличиваетс . На фиг. 2 показано расположение кольцевой пластины 15 дл  случа , когда диаметр переднего обтекател  больше диаметра ступицы, а диаметр заднего обтекател  равен диаметру ступицы 8 турбинки 5. В этом варианте пластина 15, воспринимающа  обратное давление, крепитс  на турбинке 5 (фиг. 3) СО стороны переднего обтекател  6, создающего в зкостное давление и имеющего больший диаметр. . Как и в первом варианте пластина 15, создающа  в зкостное сопротивление, имеет кольцевую форму (см. фиг. 3) и диаметр, равный.или меньший диаметра противолежащего обтекател . В св зи с этим жидкость, проход ща  над участком 19 обтекател  6, создающим в зкостное сопротивление, и вводима  в застойную зону, расположенную позади участка 19, давит на пластину 15, воспринимающую обратное давление, с ее задней стороны в направлении противоположном направлению течени . Обратное авление, приложенное к пластине 15, равно разности г.авлений Pg (фиг. 4), где Рд - статическое давление в промежуточной части (в точке М на фиг. 4) в осевом направлении турбинки 5, РО статическое дай ление у передней стороны (в точке В на фиг. 4) турбинки 5. Соответственно, осевое усилие в направлении течени , приложенное к турбинке 5 через лопатки 9, уменьшаетс  или сводитс  к нулю осевым усилием, получаемым из разности давлен1 - Ра и прилагаемым к пластине 15 в направлении, противоположном направлению течени , Турбинка 5 вследствие этого вращаетс  плавно, нахрд сь в состо нии, при котором ступица 8 плавает между упорными подшипниками 12 и 13. Вьтолнение пластины 15, воспринимающей давление, с диаметром равным диаметру обтекател  6 или меньшим позвол ет ей предпочтительно восприн ть меньшее давление текучей среды и, следовательно, приложить к турбинке 5 только обратное давление Турбинный расходомер, представленный на фиг. 5, соответствует расходомеру по фиг. 1, однако в заднем обтекателе вьтолнено множество скво ных отверстий 20, расположенных в направлени х, параллельных валу 4. В этом варианте не, предусмотрен зазор между пластиной 14, воспринимающей давление, и обтекателем 7. Жидкость , мину  внешний периферийный -участок заднего обтекател  7, подае с  через отверстие 20 в пространств заключенное между левой поверхностью обтекател  7 и первой поверхностью турбинки 5. Следовательно, пластина 14, воспринимающа  давление, и ступ ца 8 подвергаютс  воздействию обрат ного давлени , создаваемого жидкост высокого давлени , поступающей или подаваемой с задней стороны потока. Давление определ етс  разностью Р, Рр , где « - статическое давление в области заднего участка (в точке D на фиг. 6) обтекател  7; Pg - ста тическое давление у заднего участка (в точке Е на фиг. 6) турбинки 5. Так как статическое давление вдоль внешней периферийной поверхно ти обтекател  7 постепенно восстана ливаетс  в направлении течени , величина обратного давлени (Рр РЬ) велика:. Поскольку воспринимающа  давление поверхность ступицы 8  вл етс  широкой, осевое усилие в направлени  течени , воздействующее на турбинку 5 через лопасти 9, нейтрализуетс  осевым усилием, создаваемым обратным дaвлeниeм(PJJ Pj) в направлении, противоположном направлению течени , вследствие чего также может быть достигнуто плавное вращение ротора, наход щегос  в плавающем состо нии. В турбинном расходомере (фиг. 7) застойна  зона образуетс  во впадине, ограниченной передним 6 и задним 7 об-текател ми .Така  застойна  зона позвол ет эффективно увеличить момент вращательного сопротивлени  турбинки 5. К турбинке 5 прикреплены пластины 14 и 15, воспринимающие обратное давление, и в обтекателе 7 выполнены сквозные отверсти  20. Следовательно , на пластину 15, расположенную с передней стороны потока, 66ратное давление (Р РМ дейртвует в направлении, противоположном направлению течени  жидкости (Р - статическое давление в промежуточном участке (в точке М на фиг. 8) оси турбинки 5; Рд - статическое давление у передней стороны (в точке В на фиг. 8) турбинки 5). Одновременно к задней воспринимающей давление пластине 14 в направлении, противоположном направлению течени , прилагаетс  обратное давление (Рд - Pg)i Р - статическое давление у задней стороны (в точке Е на фиг. В) турбинки 5; PJJ - статическое давление , поданное через сквозные отверс .ти  20 из области заднего торца (в точке D на фиг.8)обтекател  7.Пластины 14 и 15,расположенные в застойных зонах и образующие дополнительную застой-. ную зону между собой,способствуют не , только разгрузке подшипников турбинки, но и существенному увеличению в зкостного сопротивлени  последней. Поскольку обратное давление, действующее на турбинку 5, воспринимаетс  в двух точках, т.е. в точках расположени  передней и задней воспринимающих давление пластин 14 и 15, то может быть получено суммарное обратное давление. Кроме того, воспринимаемое обратное давление может в упом йутых двух точках соответствующим образом регулироватьс , вследствие чего может быть создан такой турбинный расходомер, конструк цию которого можно легко изменить.

fPt/e. J

Ф119.5

Б

РЕ

Е фиг. f

Claims (1)

1. ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий аксиальную турбинку в виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленную с возможностью вращения на валу между двумя обтекателями, хотя бы один из которых имеет диаметр, больший диаметра ступицы, а также узел съема сигнала, о т л и· чающий с я тем, что, с целью повышения точности, на одном или обоих торцах ступицы турбинки со стороны обтекателя, диаметр которого больше диаметра ступицы, неподвижно и соосно закреплена кольцевая пластина, при этом диаметр пластины равен или меньше диаметра противостоящего обтекателя.

   SU ,ш 1095883