Турбинный расходомер

/10 51) СО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И. МНР ИЗОБРЕТЕН И ЕТЕЛЬСТВУ(54)(57) ТУРБИННЬИ РАСХОДОМЕР, содержащий корпус и размещенную в нем тур бинку с лопастями, установленнуюна подшипниках, завихритель потока, уста.новленный перед турбинкой, узел съема гнала и ч а ю щ и с янамичесиапазоне тем, ч ких ха типора асти турсоидовольшойолуосины стенки инк щен полуосравноэллипсжается его малой полуосишением- 0,5 1Ь,ф Ртенки эллипсоида; толщина е большая п малая пол плотность олуось эллипсоида;уось эллипсоида; жидкости; Ь эллипсои материал Э плотнос да. ОПИСАНИ АВТОРСКОМУ то, с целью повышения рактеристик в широком змеров расходомера,ло выполнены в виде элли ия, причем отношение и эллипсоида к малой 2-3, а отношение толщи1137Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации быстроменяющихся расходов.Известны турбинные расходомеры,содержащие аксиальную турбинку, у которой лопасти закреплены на ступицепод углом около 40 к оси вращениятурбинки. Расходомеры такого типа,имеющие, малые размеры турбинки и, 10соответственно, малую постоянную вре.мени, способны регистрировать вариации расхода, частота которых достигает нескольких десятков Гд 1 .Однако с увеличением размеров канала и диаметра турбинки, растет еемомент инерции и постоянная времени.Расходомеры больших диаметров (50 мми более) способны регистрировать вариации расхода, частота которы не. 20превышает единиц Гц.Динамические свойства турбинныхрасходомеров могут быть повышены засчет уменьшения момента инерции турбинки, что может быть достигнуто за 25счет применения материала с меньшейплотностью и за счет изготовления лопастей с меньшей толщиной.Однако уменьшение толщины имеет пре-,делы, ограниченные прочностью лопас- Зтей,Усилие, действующее на каждую нз,лопастей, раскладывается на две составляющие, одна из которых - танген-,циальная-преодолевает инерционностьтурбинки и силы трения, сообщает ейвращательное движение, другая - ак-сиальная составляющая. - вызывает ихизгиб. При нестационарном течениижидкости как первая, так и вторая фсоставляющие возрастают, что предъявляет повышенные требования к прочности конструкции расходомера,Изгибные напряжения в лопасти за,висят от угла поворота их относитель 45,но направления действия аксиальнойсоставляющей (или оси вращения турбннки). Максимальными они будут приугле поворота равном 90 О и минимальными впри угле О , В последнем слу О6чае направление изгибающей силы совпадает с плоскостью лопастей, В этомнаправлении момент сопротивлениясечения лопасти изгибу максимален,поэтому появляется возможность (благодаря возросшему моменту сопротивления лопастей) уменьшить их толщину,а следовательно, и инерционность Фе305 2 бинки. Однако прн угле поворота окоо ло 0 , стремится к нулю и тангенциальная составляющая, вращающая турбинку, падает скорость вращения турбинки, что недопустимо.Известен турбинный расходомер,содержащий корпус и размещенную в нем турбинку с лопастями, установленную на подшипниках, завихритель потока, установленный перед турбинкой, узел съема сигнала 2.Однако данный турбинный расходомерне полностью решает проблему инерционности, так как момент иьерции прямолопастной турбинки, особенно у турборасходомеров большого диаметра, остается значительным.Цель изобретения - повышение динамических характеристик турбинных расходомеров в широком диапазоне их типоразмеров.Поставленная цель достигается тем, что в турбинном расходомере, содержащем корпус и размещенную в нем турбинку с лопастями, установленную на подшипниках, завихритель потока, установленный, перед турбинкой, узел съема сигнала, лопасти турбинки выполнены в виде эллипсоидов вращения, причем отношение большой полуоси эллипсоида к малой полуоси равно 2-3, а отношение толщины, стенки эллипсоида к его малой полуоси определяется со,отношением1 ж - в 0,5 1-- )И,Я 1" Ре где- толщина етейки эллипсоида; О - большая полуось эллинсоида; Ь - малая полуось эллипсоида;- плотность жидкости; з - плотность материала эллипсоидаНа чертеже представлена схема турбинного расходомера,Турбинный расходомер состоит из корпуса 1, в котором размещен завихри-, тель потока 2, за которым расположена турбинка 3, лопасти которой выполнены в виде эллипсоидов вращения 4 с отношением большой полуоси к малой равным 2-3.На корпусе 1 раз 1 ещен узел съема сигнала 5, с помощью которого регистрируется скорость вращения турбинки.Турбинный расходомер работает следующим образом.При прохождении жидкости через завихритель потока 2, жидкость закручи3 11 З 7 З 05 4 ,вается.В ней возникает тангенциальное щения осей эллипсоида свьше трех неускорение и соответствующий ему гра- целесообразно, так как при неизменном диент давления. значении коэффициента лобового сопроБлагодаря наличию в жидкости тан- тивпения(0,06-0,07)существенно воэрасгенциального градиента давления на 5 тают трудности по изготовлению эллипсоэрлипсоиды 4 действует выталкивающая идов вытяжкой,токарной обработкой) . тангенциальная сила, создающая крутя- Расчет эллипсоидов на прочность щий момент, который при рекомендуемом и устойчивость при воздействии внешвыборе параметров эллипсоида уравно- него давления по формулам теории совешивает момент, создаваемый при ус О противления материалов показывает, коренном вращении инерционностью что эллипсоиды обладают высокой прочтурбинки 3. Эффект инерционности тур- ностью и устойчивостью при одновребинки 3. становится минимальным и тур- менном соблюдении условия компенсации бинка 3 вращается синхронно с жид- инерционного момента турбинки. костью (без отставания от нее). 15 Так, например, эллипсоид, выполненныйМомент инерции турбинки в основ- из алюминиевого сплава с параметрами ном (на 90-957) определяется моментом- = 3; в . = 0,17 (где й - тол на обоинерции массы эллипсоидов, а компен- Ь Ъ сирующий момент, создаваемый выталки- лочки эллипсоида), прочен и устойчив вающими силами - массой жидкости, выдо давления 500 10 Па (500 кгс/см 2), тесняемой эллипсоидами 1 что удовлетворяет большинство практиС увеличением размеров турбинки и ческих случаев. Упрощенная формула, Радиуса, на котором размещены эллип- дающая в интервале отношений- = 2-3 саиды, оба эти момента в равной мере возможность вычислить величину -- сЬ возрастают и условие компенсации 25 отклонением от точного решения, неЬ инерционного момента турбинки сохра- превышающим 1-27 имеет вид няется, что позволяет обеспечить вы-, Ь 1 сокие динамические-характеристики Ьав ,- 0,5 1- рааходомеров как средних, так и боль 41,4 - 1 э ших (100 мм и выше) диаметров. Лопат Предлагаемая форма лопастей явки турбинки должны выдерживать внеш- ляется оптимальной с точки зрения однее давление .среды и иметь минималь- новременного обеспечения условия комное лобовое сопротивление по отноше- пенсации, их прочности по отношению нию к осевой составляющей скорости к действию внешнего давления и, в то закрученного потока жидкости. же вРемя относительно низкого (по 33Усравнению, например, со сферой) коэфНаибольшей прочностью и устойчи- фициента бициента лобового сопротивления в навостью по отношению к действию .давле- правлении большой оси. ния обладает сфера и эллипсоиды вра- В процессе испытаний опытного об 1 щения Однако сфера обладает большим . Разца предлагаемого расходомера с дикоэффициентом лобового сопротивления, аметром 50 мм частота пульсаций меня 40 чем эллипсоиды, поэтому предпочтение лась от 0 до 90 Гц, амплитуда пульса- следует отдавать эллипсоидам вращения.ф ций составляла 3-6 Еот среднего рас- В соответствии с экспериментальнымихода, величина которого поддерживалась данными отношение большой оси эллип- равной 9 л/с (рабочая среда - вода). соида к малой следует брать равным 45Сигналы исследуемого и контрольногоЬ - = 2-3. При таком отношении осей расходомеров записывались на магнитнуюленту и подвергались обработке гармокоэффициент лобового сопротивления ническим анализатором (следящим фильт.- эллипсоида (например, при числе Рей- ром). нольдса равном 10 ) равен от 0,07 до 50 Из полученной амплитудно-частотной5 О,1. При уменьшении отношения осей характеристики следует, что постоян" эллипсоида до единицы (сфера) величи- ная времени предлагаемого расходомена коэффициента лобового сопротивле- ра не превысила 0,0016 = 0,002 с. ния (при том же числе Рейнольдса) воз. Такими высокими динамическими растает до 0,5, что, ведет к значи свойствами и столь малой постоянной тельному увеличению напряжений в кон- времени Т обладают лишь микрорасхострукции ротора, нагрузок на подшип- домеры типа ДРБ, у которых диаметр ники, потере напора, Увеличение отно-канала составляет 4 мм 3 .