ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2008 года по МПК G01F1/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкостей и газов.

Известны турбинно-тахометрические расходомеры [Бошняк Л.Я., Бызов Л.Н. Тахометрические расходомеры. - Л., 1968, с.39-40], в которых гидродинамическое уравновешивание ротора основано на искусственном создании в зоне ротора неравномерного поля статического давления, воздействуя на величину кинетической энергии потока с помощью сужения потока перед турбинкой или сообщения потоку вращательного движения.

Недостатком таких расходомеров являются сложные схемы регуляторов уравновешивающей силы, соответствующей изменениям других сил, приложенных к ротору со стороны потока.

Известен турбинный расходомер [авторское свидетельство СССР №970112, БИ №40, 1980, кл. G01F 1/10], содержащий корпус с калиброванным каналом и установленными в нем аксиальной турбинкой, имеющей возможность вращения и осевого перемещения, входным и выходным струенаправляющими аппаратами, устройством для гидродинамического уравновешивания турбинки, выполненным в виде двух колец, установленных в проточной части канала непосредственно одно против другого с зазором между торцами, причем одно из них имеет расширяющийся в направлении потока профиль сечения и установлено неподвижно, а второе, имеющее сужающийся профиль, жестко закреплено на лопастной решетке турбинки.

В таком расходомере из-за неопределенного расположения устройства гидродинамического уравновешивания турбинки - колец в проточной части канала, не обеспечивается достаточная точность измерения и ресурс работы.

В другом расходомере [авторское свидетельство СССР №1139971, А, 15.02.85, кл. G01F 1/10], кольца для гидродинамического уравновешивания турбинки закреплены на струевыпрямителе и лопастной решетке в пределах 0.9-1.2 среднеквадратичного диаметра турбинки.

В этом расходомере, несмотря на некоторое увеличение ресурса работы и точности измерения, не обеспечивается надежная гидродинамическая разгрузка турбинки во всем диапазоне расходов.

Известен турбинный расходомер [патент Франции №2080762, 1971, кл. G01F 1/00], содержащий корпус, входной и выходной обтекатели, имеющие специальные выступы для уменьшения влияния пограничного слоя, турбинку и преобразователь вращательного движения турбинки в выходной сигнал.

В таких расходомерах не обеспечивается полная компенсация осевого усилия.

Известен турбинный расходомер [патент США №3756059, 1973, кл. 73-221], содержащий аксиальную турбинку в виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленную с возможностью вращения между двумя обтекателями, хотя бы один из которых имеет диаметр больше диаметра ступицы, а также узел съема сигнала.

Такой расходомер не обеспечивает точного измерения при большом диапазоне расходов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является турбинный расходомер [авторское свидетельство СССР №611113, 15.06.78, кл. G01F 1/12 (прототип)], содержащий корпус с измерительным каналом; входной обтекатель с устройством для снижения влияния вязкости среды; выходной обтекатель; турбинку, на лопастях которой со стороны входа потока установлено профилированное кольцо с наружной поверхностью, расширяющейся в направлении потока, образующее кольцевые зазоры со ступицей турбинки и с входным обтекателем, а на стенке измерительного канала напротив профилированного кольца выполнен кольцевой выступ.

В таком расходомере, при протекании измеряемой среды через канал, на турбинку действует сила, направленная по потоку. В то же время, между профилированным кольцом и выступом в канале происходит сужение потока, что приводит к появлению силы, направленной против потока и компенсации осевого усилия.

Конструкция такого расходомера не обеспечивает полного гидродинамического уравновешивания турбинки во всем диапазоне расходов; имеет повышенные потери напора в связи с уменьшением проходного сечения в области кольцевого выступа и профилированного кольца. Эксплуатационным недостатком являются малые зазоры между профилированным кольцом и входным обтекателем.

Предложенное изобретение направлено на достижение технического результата, обеспечение надежности гидродинамического уравновешивания турбинки в широком диапазоне измеряемых расходов, в том числе и на максимальных расходах, расширение диапазона измерений, повышение точности измерений, увеличение ресурса работы, снижении потерь напора.

Указанный технический результат достигается в турбинном расходомере, содержащем корпус с измерительным каналом, в котором последовательно размещены струенаправляющий аппарат с обтекателем; турбинка в виде ступицы с закрепленными на ней лопастями, установленная с возможностью осевого перемещения и вращения с устройством гидродинамического уравновешивания в виде кольцевого тела обтекания; струевыпрямитель с обтекателем и преобразователь вращения турбинки в выходной сигнал благодаря тому, что кольцевое тело обтекания установлено в турбинке концентрично со стороны выхода, при этом в выходной части переднего обтекателя выполнено внутреннее углубление диаметром больше диаметра передней части ступицы турбинки, а в передней части турбинки выполнено кольцевое углубление внешним диаметром больше диаметра переднего обтекателя и внутренним диаметром меньше диаметра внутреннего углубления в переднем обтекателе.

Технический результат достигается также, когда в кольцевом теле обтекания, по крайней мере с одной из торцевых сторон, выполнены углубления (например, трапециевидного профиля).

Технический результат достигается также, когда устройство гидродинамического уравновешивания выполнено в виде ребер на боковых сторонах лопастей турбинки, образующих уступы (по крайней мере с одной торцевой стороны) с поверхностями лопастей тубинки.

Технический результат достигается также, когда диаметр передней части ступицы турбинки больше диаметра задней части ступицы турбинки.

Изобретение поясняется графическими материалами, где представлены:

фиг.1 - общий вид турбинного расходомера;

фиг.2 - эскиз выполнения в кольцевом теле обтекания углублений трапециевидного профиля с торцевой выходной стороны;

фиг.3 - эскиз устройства гидродинамического уравновешивания, выполненного в виде ребер на боковых сторонах лопастей турбинки, образующих уступы с поверхностями лопастей турбинки с передней торцевой стороны.

фиг.4 - эскиз выполнения ступицы турбинки диаметром передней части больше диаметра задней части турбинки.

Предлагаемый турбинный расходомер (фиг.1) содержит корпус 1 с измерительным каналом 2, в котором последовательно размещены: струенаправляющий аппарат 3 с обтекателем 4; турбинка 6 в виде ступицы 5 с закрепленными лопастями, установленная с возможностью осевого перемещения и вращения с устройством гидродинамического уравновешивания в виде кольцевого тела обтекания 7, установленного в турбинке концентрично со стороны выхода; струевыпрямитель с обтекателем 8 и преобразователь вращения турбинки в выходной сигнал 9. В выходной части переднего обтекателя выполнено внутреннее углубление А диаметром больше диаметра передней части ступицы турбинки, а в передней части турбинки выполнено кольцевое углубление Б внешним диаметром больше диаметра переднего обтекателя и внутренним диаметром меньше диаметра внутреннего углубления в переднем обтекателе.

Турбинный расходомер работает следующим образом. При движении измеряемой среды по каналу 2 через струенаправляющий аппарат 3 в зазоре А между передним обтекателем 4 и ступицей 5 турбинки 6 создается пониженное статическое давление. За кормой ступицы турбинки в связи с большим проходным сечением канала происходит увеличение статического давления. В результате появляется сила, действующая на турбинку против потока. Турбинка начинает перемещаться в сторону переднего обтекателя. При этом уменьшается зазор между передним обтекателем и кольцевым телом обтекания, что приводит к увеличению гидродинамического сопротивления и силы, действующей на турбинку по потоку. Торцевая часть лопастей турбинки над кольцевым углублением Б попадает в зону большего динамического напора потока, протекающего между передним обтекателем и корпусом расходомера, что также приводит к увеличению силы, действующей на турбинку по потоку. На некотором расстоянии турбинки от обтекателя происходит уравновешивание сил, действующих на турбинку по потоку и против потока. Дальнейшее увеличение расхода практически не влияет на перемещение турбинки, и она остается в уравновешенном состоянии.

Аналогично происходит уравновешивание турбинки, когда: в кольцевом теле обтекания, по крайней мере с одной из торцевых сторон, выполнены углубления (например, трапециевидного профиля) (фиг.2); устройство гидродинамического уравновешивания выполнено в виде ребер на боковых сторонах лопастей турбинки, образующих уступы (по крайней мере с одной торцевой стороны) с поверхностями лопастей турбинки (фиг.3); диаметр передней части ступицы турбинки больше диаметра задней части ступицы турбинки (фиг.4)

Выполнение в кольцевом теле обтекания углублений или выполнение ребер на боковых сторонах лопастей турбинки так, как указывалось выше, приводит к уменьшению гидравлического сопротивления турбинки и, как следствие, к уменьшению расхода, при котором начинается гидродинамическое уравновешивание турбинки. Наличие кольцевого тела обтекания или выполнение ребер на боковых сторонах лопастей турбинки уменьшает перетечки измеряемой среды по высоте лопастей и повышает степень турбулентности, что приводит к смещению точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный в области малых чисел Рейнольдса. Этим достигается линеаризация статической характеристики и уменьшение влияния вязкости измеряемой среды на точность и диапазон измерения. Выполнение диаметра передней части ступицы турбинки больше диаметра задней части ступицы турбинки приводит к увеличению силы, действующей против потока. Начало гидродинамического уравновешивания турбинки происходит при меньших расходах.

В измерительном канале корпуса расходомера последовательно размещены струенаправляющий аппарат с обтекателем; турбинка, установленная с возможностью осевого перемещения и вращения с устройством гидродинамического уравновешивания в виде кольцевого тела обтекания, установленного в турбинке концентрично со стороны выхода; струевыпрямитель с обтекателем и преобразователь вращения турбинки в выходной сигнал. В выходной части переднего обтекателя выполнено внутреннее углубление диаметром больше диаметра передней части ступицы турбинки. В передней части турбинки выполнено кольцевое углубление внешним диаметром больше диаметра переднего обтекателя и внутренним диаметром меньше диаметра внутреннего углубления в переднем обтекателе. Устройство гидродинамического уравновешивания может быть выполнено в виде ребер на боковых сторонах лопастей турбинки, образующих уступы с поверхностями лопастей. Изобретение повышает точность и расширяет диапазон измерения, снижает потери напора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбинный расходомер, содержащий корпус с измерительным каналом, в котором последовательно размещены: струенаправляющий аппарат с обтекателем; турбинка в виде ступицы с закрепленными на ней лопастями, установленная с возможностью осевого перемещения и вращения с устройством гидродинамического уравновешивания в виде кольцевого тела обтекания; струевыпрямитель с обтекателем и преобразователь вращения турбинки в выходной сигнал, отличающийся тем, что кольцевое тело обтекания установлено в турбинке концентрично со стороны выхода, при этом в выходной части переднего обтекателя выполнено внутреннее углубление диаметром больше диаметра передней части ступицы турбинки, а в передней части турбинки выполнено кольцевое углубление внешним диаметром больше диаметра переднего обтекателя и внутренним диаметром меньше диаметра внутреннего углубления в переднем обтекателе2. Турбинный расходомер по п.1, отличающийся тем, что в кольцевом теле обтекания по крайней мере с одной из торцевых сторон выполнены углубления (например, трапециевидного профиля).3. Турбинный расходомер по п.2, отличающийся тем, что устройство гидродинамического уравновешивания выполнено в виде ребер на боковых сторонах лопастей турбинки, образующих уступы, по крайней мере, с одной торцевой стороны с поверхностями лопастей турбинки.4. Турбинный расходомер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что диаметр передней части ступицы турбинки больше диаметра задней части ступицы турбинки.