Турбинный расходомер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 9) 12 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТН ПАТЕНТУ(54)(57) ТУРБИННЬИ РАСХОДОМЕР,содержащий аксиальную турбинкув виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лапа.стями, установленную с возможностью вращения навалу между двумя обтекателями, хотябы один из которых имеет диаметр,больший диаметра ступицы, а такжеузел съема сигнала, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, на одном или обоихторцах ступицы турбинки со стороныобтекателя, диаметр которого большедиаметра ступицы, неподвижно и соосно закреплена кольцевая пластина,при этом диаметр пластины равен илименьше диаметра противостоящего обтекателя.3 109588 ном, переходном и турбулентном течениях. Соответственно, точка прило-, жения момента вращения, действующего на лопатки, меняется в соответствии с состоянием течения, что приводит к изменению среднего радиуса г, вследствие чего погрешность прибора непостоянна.Наиболее близким к предлагаемому является турбинный расходомер, со держащий аксиальную турбинку в виде ступицы, с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленную с воэможностью вращения между двумя обтекателями, хотя бь 1 один из кото рых имеет Диаметр, больший дйаметра ступицы, а также узел съема сигнала 1,3 .Однако известный расходомер не обеспечивает точного измерения при20 большом диапазоне работ.Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в турбинном расходомере, содержащем 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, боль 30 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 кольцевая пластина, при этом диаметр пластины равен или меньше диаметра противостоящего ей обтекателя.На фиг. 1 представлен турбинный 40 расходомер, вид сбоку, одна пластина, закреплена на ступице турбинки перед задним обтекателем, на фиг. 2 - то же, одна пластина закреплена на ступице турбинки эа передним обтекате :лем; на фиг. 3 - торец турбинки с закрепленной кольцевой пластиной," на фиг. 4 - диаграмма распределения давления в направлении течения жидкости на стенке трубы расходомера 50 по фиг. 2, на фиг, 5 - турбинный расходомер с отверстиями в заднем от. обтекателе, вид сбоку, на фиг. 6 - диаграмма распределения давления турбинного расходомера по фиг. 5 55 на фиг. 7 - турбинный расходомер с двумя кольцевыми пластинами на ступице турбинки вид сбоку, на фиг. 83 4диаграмма 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 иэ ступицы 8 и жестко закрепленных на ней лопастей 9. В центральное отверстие ступицы 8 вставлена и зафиксирована втулка 1 О, которая с воэможноетью 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 между турбинкой 5 и струенаправляющим аппаратом 2. Упорные подшипники 12 и 13 зак-. реплены 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 неподвижно установлена кольцевая пластина 14 (15), диаметр которой равен или 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 жицкость, поступающая в корпус 1 расходомера, проходит через направляющий аппарат 2 и далее передним обтекателем 6 направ ляется к лопаткам турбинки, вращая ее. После этого жидкость перетекает в эатурбинную область расходо" мера, в сторону заднего обтекате" ля 7.В случае, если передний обтекатель 6 имеет диаметр, равный диаметру ступицы турбинки 5, а задний обтекатель 7 - больший диаметра ступицы, образующийся кольцевой учас" ток обтекателя 7, выступая за периферию ступицы в радиальном направлении, образует участок 17, оказывающий вязкостное сопротивление. Врезультате этого измеряемая текучая среда затормркивается в пространстве, ограниченном внешней периферийной поверхностью ступицы 8 и участком 17, создающим вяэкостное сопро тивление,Измеряемая текучая среда, задерживаясь в указанном пространстве, обретает состояние, при котором значительно утрачивается составляющая 10 скорости в осевом направлении. По этой причине вяэкостное сопротивление при ламинарном течении на лопатках 9 развивается на их ближайшей части, вследствие чего к вращению 15 турбинки 5 добавляется момент вращательного сопротивления К Я. В связи с этим момент вращатель 1 ного сопротивления Т турбинного расходомера может быть представлен 20 следующим образом 1 12 О +об - ламинарное течение, (За) Д - (переходное течение) (4 а) 1" ЯКрЯ - (турбулентное течение), (5 а)(д Отношение - имеет вид -К,.- -К - (ламинарное течение), (ба) Я 15, й г (переходное течение), (7 а)35 Ер и ,д г з ц -К -К - (турбулентное течение), (8 а)Как видно иэ уравнений (ба, 7 а и 8 а), выражение К - ; добавляетЯ 40 ся к отношению уловой скорости к расходу в области турбулентного ; течения(, Однако в турбулентной области при больших расходах это выражение имеет пренебрежимо малую45 величину. Соответственно, в .турбулентной области не происходит изменения характеристик погрешности измерения. При рассмотрении переходной области между ламинарным и турбулентным течениями отношение (1 является постоянным независимо от величины расхода О, вследствие чего характеристики погрешности измерения выравниваются до области относительно малых расходов. Закрепленная на ступице турбинка 5 (фиг, 1) 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 образуетсязазор 18 относительно большой ширины, а у внешней периферийной частизастойной зоны жидкость задерживается наружной торцовой поверхностьюобтекателя 7 и затем протекает в зазор 18, Ввиду того, что пластина 14,воспринимающая обратное давление,расположена в пределах застойнойзоны, она не подвергается воздействию скоростного напора, создаваемоготечением жидкости, Благодаря этомуосевое усилие, действующее на турбинку 5 в направлении течения черезлопасти 9, уравновешивается осевымусилием, действующим в противоположном направлении, и турбинка вращается плавно, находясь в плавающем состоянии. При этом за счет увеличенияпластиной 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 вяэкостное 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, распо" ложенную позади участка 19, давит на пластину 15, воспринимающую обратное давление, с ее задней стороны в направлении противоположном направлению течения. Обратное давление, приложенное к пластине 15, равно разности,",авлений Р- РВ (фиг. 4), где Р - статическое давление в промежуточной части (в точке М на фиг, 4) в осевом направлении турбинки 5; Р - статическое дав ление у передней стороны (в точке В на фиг. 4) турбинки 5. 5Соответственно, осевое усилие в направлении течения, приложенное к турбинке 5 через лопатки 9, уменьшается или сводится к нулю осевым усилием, получаемым из разности давлений Р - Р и прилагаемым к пласЬтине 15 в направлении, противоположном направлению течения. Турбинка 5 вследствие этого вращается плавно, нахрдясь в состоянии, при котором 15 ступица 8 плавает между упорными подшипниками 12 и 13.Выполнение пластины 15, воспринимающей давление, с диаметром равным диаметру обтекателя 6 или меньшим 20 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 выполнено множество сквоз. ньюс отверстий 20, расположенных в направлениях, параллельных валу 4 Зо В этом варианте .не, предусмотрен зазор между пластиной 14, воспринимающей давление, и обтекателем 7. Жидкость, минуя внешний периферийный участок заднего обтекателя 7, подает-З 5 ся через отверстие 20 в пространство, заключенное между левой поверхностью. обтекателя 7 и первой поверхностью турбинки 5. Следовательно, пластина 14, воспринимающая давление, и ступица 8 подвергаются воздействию обратного давления, создаваемого жидкостью высокого давления, поступающей или подаваемой с задней стороны потока. Давление определяется разностью Р - 45 Р где У 1, - статическое давление Е фв области заднего участка (в точке 0 на фиг. 6) обтекателя 7; РЕ - статическое давление у заднего участка (в точке Е на фиг. 6) турбинки 5.Так как статическое давление вдоль внешней периферийной поверхнос ти обтекателя 7 постепенно восстанавливается в направлении течения, величина обратного давленияРО - Рь)55велика. Поскольку воспринимающая давление поверхность ступицы 8 является широкой, осевое усилие в направлении течения, воздействующее на турбинку 5 через лопастй 9,нейтрализуется осевым усилием, создаваемым обратным давлением(Р - Р)в направлении, противоположном направлению течения, вследствие чеготакже может быть достигнуто плавное вращение ротора, находящегосяв плавающем состоянии,В турбинном расходомере (фиг. 7)застойная эона образуется во впадине,ограниченной передним 6 и задним 7 об текателями.Такая застойная эона позволяет эффективно увеличить момент враща"тельного сопротивления турбинки 5.К турбинке 5 прикреплены пластины 14 и 15, воспринимающие обратное давление, и в обтекателе 7 выпол.иены сквозные отверстия 20. Следовательно, на пластину 15, расположенную с передней стороны потока, дбратное давление (Р - Р ) дейСтвуетв направлении, противоположном направлению течения жидкости (РМ - статическое давление в промежуточномучастке (в точке И на фиг. 8) оситурбинки 5; Рв - статическое давление у передней стороны (в точке Вна фиг. 8) турбинки 5). Одновременно к задней воспринимающей давлениепластине 14 внаправлении, противоположном направлению течения, прилагается обратное давление (Р - Р ),Р - статическое давление у задней стороны (в точке Е на фиг. 8) турбинки 5; Р - статическое давление, поданное через сквозные отверс. тия 20 иэ области заднего торца (в точке 0 на фиг.8) обтекателя 7.Пласти ны 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, дей. ствующее 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 ьбратное давление. Кроме того, воспринимаемое обратное давление может в упомянутых двух точках соответствующим образом регулироваться, вследствие чего может быть создан такой турбинный расходомер, конструк цию которого можно легко изменить.1095883 Заказ 3649/46 Тираа 610 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, Ж, Раувская наб д. 4/5Подписное Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная; 4 Составитель В. йщреевРедактор Л, Веселовская ТехредС,Легеза Корректор О.Тигор