Турбинный расходомер Советский патент 1984 года по МПК G01F1/10 G01F1/12 

Изобретение относится к средства для измерения расхода и может быть использовано при измерениях как маловяэких, так и высоковязких жидкостей, с соз ранением неизменной тсчностн.

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

Для уменьшения влияния вязкости жидкости, в известном расходомере вьтолнено вязкостное сопротивление в ступице турбинки (тормозное пространство) и средства, обеспечивающие прохождение жидкости, в тормозное пространство.

Известные турбинные расходомеры имеют большое изменение погрешности измерения для высоковязких текучих сред. Это обусловлено следующим

Между расходом О и угловой скоростью вращения 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 окружностями лопаток,

Tf - момент вращательного сопротивления турбинки, вызванный вязкостью текучей среды;

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

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

Tj

Q г А q

Если коэффициент вязкости обозначить U , момент вращательного сопроления Т может быть представлен в висимости от условий течения слещим образом.

случае ламинарного течения, (3)

pQ-kHi-Cl - в случае переходного течения между

D/, ламинарным и турбулентным течениями (4) р в случае турбулентного течения (5) Соответственно, отношение расхода угловой скорости вращения /q имеет д

tgo, ( (

ID я. 11

случае ламинарного течения, (6)

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

г.А го течения между ламинарным и турбулентным течениями,

(7)

Цоо

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

Ьгде К, Kj,

константы,

-S- - характерный пара . метр, определяемый конструкцией.

Из уравнений (6), (7) и (8) видно,- что |Q постоянно независимо от расхода О в случае турбулентного течения, вследствие чего погрешность измерения не возникает. Однако в случае лаютнарного или переходного течений /q является функцией расхода Q, вследствие чего возникает погрешность, которая колеблется в зависимости от расхода. Соответственно, в случае измерения маловязких текучих сред при помощи известных турбинйых расходомеров происходит небольшое изменение погрешности измерения , так как в маловязких текучих средах предполагается турбулентное течение из-за наличия области относительно малых расходов в диапазояе измерения расходов. В случае измерения высоковязких текучих сред при изменениях расхода значительно изменяется погрешность прибора, так как в таких средах течение в ламинарном режиме сохраняется до относительно высоких значений расхода, а область турбулентного течения в диапазоне измерения расходов hfana.

Кроме того, распределение скоростей в потоке различно при ламинарном, переходном и турбулентном течениях. Соответственно, точка прило жения момента вращения, действующего на лопатки, меняется в соответст вии с состоянием течения, что приводит к изменению среднего радиуса г, вследствие чего погрешность прибора непостоянна. Наиболее близким к предлагаемому является турбинный расходомер, содержащий аксиальную турбинку в виде ступицы, с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленну с возь1ожностью вращения между двумя обтекателями, хотя бы один из которых имеет Диаметр, больший диаметра ступицы, а также узел съема сигнаЭднако известный расходомер не обеспечивает точного измерения при большом диапазоне работ. Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в турбинном расходомере, содержащем аксиальную турбинку в ви де ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленную с возможностью вращения на валу между двумя обтекателями, хотя бы один из которых имеет диаметр, боль ший диаметр ступицы, а также узел съема сигнала, на одном или обоих торцах ступицы турбинки со стороны обтекателя, диаметр которого больше диаметра ступицы, неподвижно и соос но закреплена кдльцевая пластина, при этом диаметр пластины равен или меньше диаметра противостоящего ей обтекателя. 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 распределения давления в направлении течения жидкости на стенке трубы расходомера по фиг. 2i на фиг. 5 - турбинный расходомер с отверстиями в заднем обтекателе, ввд сбоку/ на фиг. 6 диаграмма распределения давления турбинного расходомера по фиг. 5; на фиг. 7 - турбинный расходомер с двумя кольцевыми пластинами на с пице турбинки вид сбоку; на фиг. диаграмма распределения.давления турбинного расходомера по фиг. 7. Турбинный расходомер (фиг. 1, 4, 5, 7) содержит цилиндрический корпус . 1,в котором на струенаправляющих аппаратах 2 и 3, как на опорах, соос но установлен вал 4 и размещенные на нем (между струенаправляющими аппаратами) аксиальная 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, которая с возможностью вращения соприкасается с цапфой 11 вала 4. Передний обтекатель 6, расположенный на верхней по потоку стороне, имеет коническую форму и коаксиально закреплен на валу 4 меязду турбинкой 5 и струенаправлякицим аппаратом 2.Упорные подшипники 12 и 13 закреплены в обращенных друг к другу торцовых поверхностях переднего и заднего обтекателей соответственно. Диаметр по меньшей мере одного из обтекателей больше диаметра ступицы турбинки. При этом со стороны обтекателя, диаметр которого больше диаметра ступицы турбинки, на ступице 8 непо Е вижно установлена кольцевая пластина 14 (15), диаметр которой равен шш меньше диаметра противостоящего ей обтекателя. На наружной стенке корпуса 1 против зоны расположения лопастей турбинки 5 установлен узел съема сиг нала (чувствительная катушка) 16. Турбинный расходомер работает следующим образом. Высоковязкая жидкость, поступающая в корпус Т расходомера, проходит через направляющий аппарат 2 и далее передним обтекателем 6 направ ляется к лопаткам турбинки, вращая ее. После этого жидкость перетекает в затурбинную область расходомера, в сторону заднего обтекателя 7. В случае, если передний обтекатель 6 имеет диаметр, равный диаметру ступицы турбинки 5, а задний обтекатель 7 - больший диаметра ступицы, образующийся кольцевой участок обтекателя 7, выступая за периферию ступицы в радиальном направлении, образует участок 17, оказывающий вязкостное сопротивление. В результате этого измеряемая текуча среда затормаживается в пространст ве, ограниченном внешней периферий ной поверхностью ступицы 8 и участ ком 17, создающим вязкостное сопро тивление. Измеряемая текучая среда, задер живаясь в указанном пространстве, обретает состояние, при котором зн чительно утрачивается составляющая скорости в осевом направлении. По этой причине вязкостное сопротивле ние при ламинарном течении на лопа ках 9 развивается на их ближайшей части, вследствие чего к вращению турбинки 5 добавляется момент вращательного сопротивления К Q. . В связи с этим момент вращатель ного сопротивления 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 добавляет ся к отношению угловой скорости к расходу в области турбулентного ;течения л. Однако в турбулентной области при больших расходах это выражение имеет пренебрежимо малую величину. Соответственно, в турбулентной области не происходит изменения характеристик погрешности измерения. При рассмотрении переходной области между ламинарным и турбулентным течениями отношение |л является постоянным независимо от величины расхода Q, вследствие чего характеристики погрешности измерения выравниваются до области относительно малых расходов. Закреп ленная на ступице турбинка 5 (фиг. кольцевая пластина 14 участвует в создании вязкостного сопротивления, так как обращена к создающему застойную зону торцовому участку большого диаметра заднего обтекателя 7. Одновременно пластина 14 воспринимает обратное давление, так как между нею и обтекателем 7 образуется зазор . 18 относительно большой пшрины, а у внешней периферийной части застойной зоны жидкость задерживается наружной торцовой поверхностью обтекателя 7 и затем протекает в зазор 18. Ввиду того, что пластина 14, воспринимающая обратное давление, расположена в пределах застойной зоны, она не подвергается воздействию скоростного напора, создаваемого течением жидкости. Благодаря этому осевое усилие, действующее на турбинку 5 в направлении течения через лопасти 9, уравновешивается осевым усилием, действую цим в противоположном направлении, и турбинка вращается плавно, находясь в плавающем состоянии. При этом за счет увеличения пластиной 14 площади торцовой поверхности ступицы 8 осевое усилие в направлении, противоположном направлению течения жидкости, увеличивается. На фиг. 2 показано расположение кольцевой пластины 15 для случая, когда диаметр переднего обтекателя больше диаметра ступицы, а диаметр заднего обтекателя равен диаметру ступицы 8 турбинки 5. В этом варианте пластина 15, воспринимающая обратное давление, крепится на турбинке 5 (фиг. 3) СО стороны переднего обтекателя 6, создающего вязкостное давление и имеющего больший диаметр. . Как и в первом варианте пластина 15, создающая вязкостное сопротивление, имеет кольцевую форму (см. фиг. 3) и диаметр, равный.или меньший диаметра противолежащего обтекателя. В связи с этим жидкость, проходящая над участком 19 обтекателя 6, создающим вязкостное сопротивление, и вводимая в застойную зону, расположенную позади участка 19, давит на пластину 15, воспринимающую обратное давление, с ее задней стороны в направлении противоположном направлению течения. 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 течения, приложенное к турбинке 5 через лопатки 9, уменьшается или сводится к нулю осевым усилием, получаемым из разности давлен1 - Ра и прилагаемым к пластине 15 в направлении, противоположном направлению течения, Турбинка 5 вследствие этого вращается плавно, нахрдясь в состоянии, при котором ступица 8 плавает между упорными подшипниками 12 и 13. Вьтолнение пластины 15, воспринимающей давление, с диаметром равным диаметру обтекателя 6 или меньшим позволяет ей предпочтительно воспринять 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 направлениях, параллельных валу 4. В этом варианте не, предусмотрен зазор между пластиной 14, воспринимающей давление, и обтекателем 7. Жидкость, минуя внешний периферийный -участок заднего обтекателя 7, подае ся через отверстие 20 в пространств заключенное между левой поверхностью обтекателя 7 и первой поверхностью турбинки 5. Следовательно, пластина 14, воспринимающая давление, и ступ ца 8 подвергаются воздействию обрат ного давления, создаваемого жидкост высокого давления, поступающей или подаваемой с задней стороны потока. Давление определяется разностью Р, Рр , где « - статическое давление в области заднего участка (в точке D на фиг. 6) обтекателя 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 обтекателя 7 постепенно восстана ливается в направлении течения, величина обратного давления(Рр РЬ) велика:. Поскольку воспринимающая давление поверхность ступицы 8 является широкой, осевое усилие в направления течения, воздействующее на турбинку 5 через лопасти 9, нейтрализуется осевым усилием, создаваемым обратным дaвлeниeм(PJJ Pj) в направлении, противоположном направлению течения, вследствие чего также может быть достигнуто плавное вращение ротора, находящегося в плавающем состоянии. В турбинном расходомере (фиг. 7) застойная зона образуется во впадине, ограниченной передним 6 и задним 7 об-текателями.Такая застойная зона позволяет эффективно увеличить момент вращательного сопротивления турбинки 5. К турбинке 5 прикреплены пластины 14 и 15, воспринимающие обратное давление, и в обтекателе 7 выполнены сквозные отверстия 20. Следовательно, на пластину 15, расположенную с передней стороны потока, 66ратное давление (Р РМ дейртвует в направлении, противоположном направлению течения 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 течения, прилагается 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 .тия 20 из области заднего торца (в точке D на фиг.8)обтекателя 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 вязкостного сопротивления последней. Поскольку обратное давление, действующее на турбинку 5, воспринимается в двух точках, т.е. в точках расположения передней и задней воспринимающих давление пластин 14 и 15, то может быть получено суммарное обратное давление. Кроме того, воспринимаемое обратное давление может в упомяйутых двух точках соответствующим образом регулироваться, вследствие чего может быть создан такой турбинный расходомер, конструк цию которого можно легко изменить.

fPt/e. J

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- ч а ющ и и 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.

Ф119.5

Б

РЕ

Е фиг. f