Делитель потока массового кориолисового расходомера
FLOW DIVIDER OF A MASS CORIOLIS FLOW METER

Изобретение относится к массовым кориолисовым расходомерам.
Уровень техники
Известен расходомер (патент РФ №2662035 опубл. 23.07.2018 бюл. №21), содержащий входной и выходной делители потока перекачиваемой среды, из которых входной делитель имеет патрубок с большим проходным сечением для соединения с входным трубопроводом перекачиваемой среды и два патрубка с меньшими диаметрами, соединенных с двумя параллельно установленными U-образными трубками вибросистемы, подключенными к двум патрубкам меньшего диаметра выходного делителя, имеющего с другой стороны патрубок с большим диаметром для соединения с выходным трубопроводом перекачиваемой среды.
Недостатком данного расходомера является разделение потока на входном делителе потока и обратное объединение потока на выходном делителе потока на угле поворота потока до 45 градусов относительно направления потока трубопровода, что приводит к закрутке потока, а также может привести к образованию срывных вихрей, резкому падению давления, кавитационным эффектам, что, в свою очередь, приведет к возникновению паразитных вибраций деталей конструкции кориолисового расходомера и искажению показаниям измерения расходомера.
Известен делитель потока для массового расходомера, (патент РФ 2755777, опубл. 21.09.2021) - прототип, представляющий собой тройник, в котором выходные концы двух патрубков меньшего диаметра параллельны друг другу и перпендикулярны выходному концу патрубка большего диаметра, при этом поворотный участок канала между упомянутым патрубком большего диаметра и каждым из упомянутых 2 патрубков меньшего диаметра выполнен с переменным сечением и переменным углом поворота так, что площади сечений делителя сначала увеличиваются, а затем уменьшаются, а наибольшая площадь сечения соответствует наибольшему углу поворота сечения.
Недостатком данного делителя потока для массового расходомера является увеличение потерь давления массового расходомера, вследствие повышенной турбулентности потока, а также увеличение вероятности появления срывных вихрей в потоке.
Раскрытие сущности изобретения
Техническими результатами, предлагаемого изобретения являются устранение указанных недостатков аналога и прототипа, а именно: уменьшение потери давления, за счет снижения турбулентности потока, и повышение стабильности показаний расходомера, за счет снижения вероятности возникновения срывных вихрей и кавитации в делителях потока массового расходомера, которые являются источниками паразитных колебаний элементов конструкции расходомера.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что делитель потока 2 для массового кориолисового расходомера выполнен в виде детали, в которой предусмотрены один входной патрубок большего диаметра 9 для соединения с трубопроводом, два поворотных канала 11 и 12, на концах которых имеются патрубки меньшего диаметра 13 и 14 параллельные друг другу и перпендикулярные патрубку большего диаметра, отличающийся тем, что разделение потока в делителе происходит по разделительной кромке 10, расположенной в месте пересечения поворотных каналов 11 и 12 после поворота потока относительно направления потока трубопровода на угол в интервале от 63° до 90°.
Технический результат изобретения обеспечивается также тем, что делитель потока выполнен как монолитная деталь.
Технический результат изобретения обеспечиваются также тем, что направляющие поворотных каналов делителя потока, по которым происходит поворот и разделение потока, представляют NURBS-направляющие, координаты точек которых находятся по следующим уравнениям:
где t ∈ [0;1], n - количество точек для построения кривой.
Другая особенность делителя потока по настоящему изобретению состоит в том, что делитель потока 2 на патрубке 15 со стороны крепления к непроточному корпусу 8 имеет механическую обработку под соединение, которое предусматривает наличие у делителя потока торца 18 для упора непроточного корпуса 8 и посадочный диаметр по внутренней поверхности 19 патрубка 15 делителей потока или посадочный диаметр по внешней поверхности 21 патрубка 15 делителей потока, что обеспечивает точность позиционирования входного и выходного делителей потока относительно друг друга.
Сущность изобретения поясняется графически.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Общий вид известного из уровня техники кориолисового расходомера.
Фиг.2. Общий вид делителя потока массового кориолисового расходомера по настоящему изобретению.
Фиг. 3. Сечение делителя потока массового кориолисового расходомера в плоскости YZ по настоящему изобретению.
Фиг. 4. Характеристика абсолютных потерь полного давления от массового расхода для делителя потока массового кориолисового расходомера с различными углами поворота потока относительно потока трубопровода при разделении потока.
Фиг. 5. Характеристика коэффициента восстановления полного давления от массового расхода для делителя потока массового кориолисового расходомера с различными углами поворота потока относительно потока трубопровода при разделении потока.
Фиг. 6. Вариант соединения входного делителя потока, непроточного корпуса и выходного делителя потока, с посадочными диаметрами у делителей потока по внутренней поверхности.
Фиг. 7. Вариант соединения входного делителя потока, непроточного корпуса и выходного делителя потока с посадочными диаметрами у делителей потока по внешней поверхности.
Осуществление изобретения
Общий вид кориолисового расходомера, в состав которого входят заявленные делители потока, представлен на фиг. 1. В состав расходомера входят входной фланец 1, который присоединен к входному делителю потока 2. К патрубкам меньшего диаметра делителя потока 2 присоединяются две параллельные измерительные U-образные трубки 3, 4, которые с другой стороны присоединяются к патрубкам выходного делителя потока 5. К выходному делителю потока 5 присоединяется выходной фланец 6.
Измерительные трубки 3, 4 помещены в защитный кожух 7. Входной и выходной делители потока соединены между собой непроточным корпусом 8. Входной и выходной делители потока 2 и 5 конструктивно друг от друга не отличаются.
Заявляемый делитель потока 2 показан в изометрии на фиг. 2 и представляет монолитную деталь, полученную литьем, которая имеет входной патрубок с большим диаметром 9, за которым по разделительной кромке 10 происходит разделение общего потока на два равных потока по поворотным каналам 11 и 12, два выходных патрубка меньшего диаметра 13 и 14. Патрубок 15, не связанный с потоком, предназначен для соединения с непроточным корпусом 8. Поворотные каналы 11 и 12 проходят по направляющим 16 и 17. Разделительная кромка 10 расположена в месте пересечения поворотных каналов 11 и 12. Разделительная кромка 10 обеспечивает минимальные потери давления потока при повороте потока текучей среды относительно потока трубопровода на угол поворота потока в интервале от 63° до 90°, включая и граничные значения интервала. При этом угол поворота потока определяется как угол в плоскости YZ между направлением потока текучей среды до поступления в делитель потока 2 и касательной к проекции направляющей канала в плоскости YZ в точке пересечения проекции направляющей в плоскости YZ и разделительной кромки 10. Начало осей X, Y, Z расположено в общей точке направляющих 16 и 17, направление осей показано на фиг. 2. На фигуре 2 показан частный случай расположения разделительной кромки 10 внутри делителя потока 2 при угле поворота потока, например, 63,20°.
На фиг. 3 изображено сечение в плоскости YZ заявляемого делителя потока 2, на котором показан угол поворота потока относительно потока трубопровода при разделении общего потока на два равных потока по разделительной кромке 10. На фигуре 3 показан частный случай расположение разделительной кромки 10 внутри делителя потока 2 при угле поворота потока 63,20°. Данный пример расположения разделительной кромки 10 в делителе потока 2 не является исчерпывающим описанием всех вариантов технического решения, в пределах объема правовой охраны предлагаемого изобретения.
Направляющая 16 поворотного канала 11 заявляемого делителя потока может быть оптимизирована при помощи расчетов в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS CFX. Направляющая обеспечивает плавное изменение площади и формы сечения каналов делителя потока, координаты точек которой определяются по уравнениям:
где t ∈ [0;1], n - количество точек для построения кривой.
xi
yi
zi
Коэффициенты a, a a зависят от входного диаметра делителя потока. В таблице 1 приведены значения коэффициентов в зависимости от входного диаметра делителей потока.
Направляющая 17 поворотного канала 12 является зеркальным отражением направляющей 16 поворотного канала 11 относительно плоскости YZ, т.е. координаты точек направляющей 17 и направляющей 16 отличаются между собой знаком в координате X.
В программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS CFX проведен анализ угла поворота потока относительно потока трубопровода при разделении общего входного потока на два равных потока. По результатам анализа при смещении разделительной кромки 10 вверх по потоку, а следовательно, при уменьшении угла поворота потока относительно потока трубопровода, происходит повышение потерь давления, за счет увеличения интенсивности закрутки потока, вследствие чего увеличивается турбулентность потока.
На фиг. 4 приведена характеристика абсолютных потерь полного давления от массового расхода, полученная при расчетах в ANSYS CFX для делителей потока при различных углах поворота потока относительно потока трубопровода при разделении потока.
На фиг. 5 приведена характеристика коэффициента восстановления полного давления от массового расхода, полученная при расчетах в ANSYS CFX для делителей потока при различных углах поворота потока относительно потока трубопровода при разделении потока.
Кроме того, делитель потока по настоящему изобретению может обеспечить дополнительное преимущество по сравнению с известными устройствами того же назначения.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 показаны варианты механической обработки патрубка 15 делителей потока 2 и 5 для соединения с непроточным корпусом 8, которое предусматривает наличие у делителя потока торца 18 для упора непроточного корпуса 8, уменьшающих сварочные усадки в осевом направлении трубопровода, в результате чего повышается точность размера 20 между патрубками с меньшим диаметром 13, 14 у входного делителя потока 2 и патрубками с меньшим диаметром 13, 14 выходного делителя потока 5, к которым в дальнейшем стыкуются измерительные трубки 3, 4, а также наличие посадочных диаметров по внутренней поверхности 19 патрубка 15 делителей потока или посадочных диаметров по внешней поверхности 21 патрубка 15 у делителей потока, что обеспечивает соосность входного и выходного делителей потока 2 и 5.
Заявляемый делитель потока изготовлен и прошел опытную проверку при испытаниях счетчика-расходомера кориолисового.