МАССОВЫЙ ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2002 года по МПК G01F1/82 G01F1/12 

Изобретение относится к технике измерения массового расхода потоков жидкости или газа и может быть использовано во всех отраслях промышленности для учета и точного дозирования различных жидких сред.

Известны турбинные расходомеры, содержащие турбинки, вращающиеся под действием потока жидкости с синхронной угловой скоростью, пропорциональной объемному расходу жидкости (Г.Н.Бобровников и Л.А.Камышев. Теория и расчет турбинных расходомеров, М., Изд. стандартов, 1978, с. 128).

Ближайшим техническим решением к данному изобретению является турбосиловой расходомер, содержащий установленные в корпусе с возможностью вращения две винтовые турбинки с различными шагами винтовой линии, связанные между собой посредством моментосоздающего узла, и два узла съема сигнала (SU 1040337, кл. G 01 F 1/12, 07.07.81).

Скорость вращения ω турбинок в известном техническом решении пропорциональна объемному расходу Q потока, а угол сдвига ϕ турбинок друг относительно друга приблизительно пропорционален ρ. Произведение угла сдвига ϕ на скорость вращения ω приблизительно пропорционально массовому расходу ρQ.

Недостатком известного турбинного расходомера является размещение плохообтекаемых деталей моментосоздающего узла в объеме жидкости, что приводит к сильному гидродинамическому взаимодействию деталей муфты с потоком и, следовательно, к дополнительному закручиванию потока жидкости и, соответственно, искажению метрологических характеристик расходомера, а также к искажению измерения плотности жидкости. Кроме того, использование кулисного механизма ведет к повышенному трению деталей кулисы, а отсюда к повышенному износу и опасности заклинивания.

Целью данного изобретения является исключение воздействия деталей моментосоздающего узла на поток жидкости, исключение нежелательного воздействия гидродинамических сил на детали моментосоздающего узла, что ведет к повышению точности измерения объемных расходов и плотности, а также к повышению метрологических качеств и надежности расходомера, сокращению габаритов прибора и снижению моментов сопротивления.

Указанная цель достигается тем, что массовый турбинный расходомер, содержащий установленные в корпусе с возможностью вращения две винтовые турбинки с различными шагами винтовой линии лопастей, связанные между собой посредством моментосоздающего узла, и два узла съема сигнала, снабжен разделительным кожухом, в котором размещен моментосоздающий узел, выполненный, по меньшей мере, из двух шарнирных механизмов, каждый из которых имеет Г-образный груз, установленный одним из концов на первой турбинке на оси, эксцентричной оси расходомера, с возможностью поворота и соединенный шарнирно посредством тяги и вилки со второй турбинкой.

А также тем, что соединение тяги и вилки со второй турбинкой выполнено посредством компенсационной муфты.

А также тем, что разделительный кожух выполнен герметичным.

А также тем, что оси шарнирных механизмов выполнены в виде призматических шарниров.

А также тем, что моментосоздающий узел размещен в ступице одной из турбинок.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 схематически изображен массовый турбинный расходомер, в разрезе;
на фиг. 2 - то же с расположением моментосоздающего узла в ступице турбинки с герметичным кожухом;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, среднее положение грузов;
на фиг.4 - то же, конечное положение грузов;
на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3
на фиг.6 - схема распределения сил и моментов шарнирного механизма.

Массовый турбинный расходомер состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором во входном 2 и выходном 3 струевыпрямителях в подшипниковых опорах установлены винтовые турбинки 4 и 5, имеющие различный шаг винтовой линии лопастей. На корпусе расходомера размещены датчики, например, магнитоиндукционного типа 6 и 7, с помощью которых определяется угловая скорость ω турбинок и угол ϕ их взаимного разворота. Между турбинками 4 и 5 располагается моментосоздающий узел 8, размещенный в разделительном кожухе 9.

Моментосоздающий узел 8 выполнен, по меньшей мере, из двух шарнирных механизмов, каждый из которых имеет Г-образный груз 10, установленный одним из концов на оси 11, эксцентричной оси 12 турбинки 4 с возможностью поворота. При этом груз 10 посредством тяги 13 и вилки 14 соединен с турбинкой 5.

Вилка 14 соединена с турбинкой 5 посредством компенсационной муфты 15.

Разделительный кожух 9 может быть выполнен герметичным и заполнен жидкой смазывающий средой. Герметичность достигается размещением уплотнения 16 между кожухом 9 и валом 17 турбинки 5.

Оси 18 шарнирных механизмов выполнены в виде призматических шарниров.

Моментосоздающий узел 8 может быть размещен в ступице 19 одной из турбинок.

Работает массовый турбинный расходомер следующим образом.

Под воздействием протекающего через корпус 1 расходомера потока жидкости обе турбинки вращаются в одну сторону. Правая турбинка 5, имеющая меньший шаг винтовой линии, будет стремиться вращаться с большей скоростью, чем левая турбинка 3, имеющая больший шаг винтовой линии.

Противодействовать угловому развороту турбинок друг относительно друга будет момент центробежных сил Г-образных грузов 10 (включая и тяги 13), находящихся в моментосоздающем узле 8. Разделительный кожух обеспечивает вращение заключенного в нем объема жидкости совместно с грузами, чем исключается гидродинамическое взаимодействие грузов с измеряемым потоком.

В случае неменяющегося расхода жидкости момент центробежных сил Г-образных грузов 10 относительно оси вращения будет уравновешен разностью движущих моментов турбинок.

В результате обе турбинки будут вращаться с одинаковой угловой скоростью, пропорциональной объемному расходу жидкости Q, но сдвинутые относительно друг друга в отличие от начального положения на некоторый угол ϕ, определяющийся плотностью жидкостного потока.

Разность гидродинамических движущих моментов ΔМ_ДВ, возникающих при воздействии жидкостного потока на обе турбинки, пропорциональна плотности ρ и квадрату объемного расхода Q жидкости [1]
ΔM_ДВ = K₁ρQ², (1)
где K₁ - константа, характеризующая геометрические параметры турбинок.

Момент М_ВМ, возникающий от грузов шарнирного механизма согласно схеме фиг. 6, создается силой Т на плече h₃, зависящем от угла ϕ взаимного разворота турбинок.

М_ВМ=2•Т•h₃ (2)
Сила Т, возникающая на тяге 13, связывающей правую турбинку 5 с Г-образным грузом 10 на левой турбинке 4, определяется центробежной силой F грузов 10
T=F•h_F/h_T. (3)
Благодаря наличию кожуха заполняющая его жидкость вращается совместно с деталями муфты. При этом на грузы наряду с силами инерции действуют Архимедовы силы известной величины, а действие неопределенных гидродинамических сил исключается.

Общая сила F для одного груза:
F = (ρ_гр-ρ_ж)•W_гр•ω²•R, (4)
где ρ_гр - плотность материала груза;
ρ_ж - плотность жидкости;
R - радиус центра масс груза 10 с учетом тяги 13;
W_гp- объем груза 10 и тяги 13.

Приравнивая ΔМ_ДВ и М_ВМ, получаем, что угол взаимного разворота ϕ турбинок однозначно определяется плотностью жидкости
ϕ = f(ρ_ж). (5)
Массовый расход будет определяться функцией угловой скорости ω вращения турбинок и угла ϕ их взаимного разворота.

ρQ = f(ω,ϕ). (6)
Угловая скорость ω определяется посредством датчиков 6 и 7, фиксирующих частоту вращения каждой из турбинок.

Угол разворота ϕ, а затем и ω, ϕ определяются по сигналам с датчиков в электронной части прибора.

В результате на показывающей части прибора дается информация о величине массового расхода, массового количества измеряемого продукта, объемных расхода и количества, плотности.

Использование предлагаемого массового турбинного расходомера позволит с очень высокой точностью одновременно измерять комплекс параметров: массовый расход, объемный расход, плотность жидкости, весовое и объемное количество.

Прибор может использоваться для сжиженного газа и криопродуктов, нефти, светлых нефтепродуктов и других жидкостей при значительных перепадах температуры окружающей среды.

Массовый расходомер содержит установленные в корпусе с возможностью вращения две винтовые турбинки с различными шагами винтовой линии, связанные между собой моментосоздающим узлом, размещенным в герметичном разделительном кожухе, и два узла съема сигнала. Моментосоздающий узел выполнен по меньшей мере из двух шарнирных механизмов, каждый из которых имеет Г-образный груз, установленный одним из концов на оси первой турбинки, эксцентричной оси расходомера, с возможностью поворота и соединенный посредством тяги, вилки и компенсационной муфты со второй турбинкой. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения объемного расхода и плотности, имеет повышенную надежность. 6 ил.

Массовый турбинный расходомер, содержащий установленные в корпусе с возможностью вращения первую и вторую винтовые турбинки с различными шагами винтовой линии, связанные между собой моментосоздающим узлом, и два узла съема сигнала, отличающийся тем, что он снабжен герметичным разделительным кожухом, в котором размещен моментосоздающий узел, выполненный по меньшей мере из двух шарнирных механизмов, каждый из которых имеет Г-образный груз, установленный одним из концов на первой турбинке на оси, эксцентричной оси расходомера, с возможностью поворота и соединенный посредством тяги, вилки и компенсационной муфты со второй турбинкой.