ТУРБИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА
TURBINE FLOW TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода и количества жидкостей и газов.
Известен датчик турбинного расходомера (а.с. СССР №137679, кл. 42 е 23), в котором ротор датчика выполнен без подшипников и состоит из крыльчатки и соединенного с ней диффузора, на внешней поверхности которого расположен выступающий буртик, а перед ротором установлен конфузор. В этом датчике ротор также может быть выполнен в виде крыльчатки и цилиндрического тела, оканчивающегося дросселирующим буртиком, а диффузор жестко соединен с корпусом. Недостатком такого прибора является невысокий диапазон измерений и повышенные потери напора.
Известен турбинный расходомер (патент SU №1095883, кл. G01F 1/10, 1/12), в котором содержится аксиальная турбинка в виде ступицы с неподвижно закрепленными на ней лопастями, установленная с возможностью вращения на валу между двумя обтекателями, хотя бы один из которых имеет диаметр больше диаметра ступицы, на одном или обоих торцах которой со стороны обтекателя неподвижно и соосно закреплена кольцевая пластина диаметром, равным или меньшим диаметра противоположного обтекателя. Недостатком такого расходомера является то, что в нем не обеспечивается гидродинамическое уравновешивание турбинки в широком диапазоне расходов, так как кольцевая пластина, закрепленная на торцах ступицы, создает резкое расширение или сужение проходного сечения, что приводит к срыву потока за пластиной и увеличению гидравлического сопротивления.
Известен турбинный расходомер (а.с. SU №1372187, кл. G01F 1/08), содержащий корпус с измерительным каналом и установленными в нем на входе и выходе струевыпрямителями, между которыми в измерительном канале размещена крыльчатка, каждая лопасть которой выполнена с увеличением ее осевой длины от нулевого значения на периферии к основанию по закону изменения шага крыльчатки по высоте, а также преобразователь числа оборотов крыльчатки. Данный преобразователь расхода имеет невысокий диапазон измерений в связи с уменьшением длины лопастей и шагового перекрытия на периферии и ограниченный ресурс работы на максимальных расходах, так как отсутствует разгрузка крыльчатки.
Известен турбинный расходомер (а.с. SU №1164550, кл. G01F 1/10), содержащий корпус, в котором размещена аксиальная турбинка на подшипниковых опорах, и узел съема сигнала, в котором передняя торцевая часть лопастной решетки турбинки выполнена с углублением в форме тела вращения с образующей в виде равнобедренной трапеции, большим основанием которой является внешний диаметр лопастной решетки турбинки, угол наклона боковой стороны трапеции к основанию составляет 45-50°, высота ее в осевом направлении турбинки, характеризуемая отношением осевой длины лопастной решетки по ее внешнему диаметру к осевой длине ее у ступицы, находится в диапазоне 1,35-1,65. В таком расходомере не обеспечивается осевая разгрузка турбинки, а уменьшение длины лопастей приводит к уменьшению диапазона измерений.
Два последних прибора обладают наибольшим числом существенных признаков и поэтому выбраны в качестве прототипов.
Известно, что при проектировании преобразователя расхода стремятся определить оптимальные геометрические размеры измерительного канала и турбинки. Для турбинки основными являются диаметр лопастей и ступицы, угол наклона лопастей, число лопастей и их толщина. Определяются также хорда лопастей и связанные с ней длина лопастей, густота решетки и шаговое перекрытие. Шаговое перекрытие определяется делением осевой длины лопасти на шаг, умноженный на тангенс угла наклона лопастей. Так как шаг лопастей уменьшается от периферии к основанию, а толщина лопастей в торцовом сечении остается практически постоянной, то величина шагового перекрытия с учетом толщины лопастей для турбинки с одинаковой длиной лопастей по высоте будет увеличиваться от периферии к основанию. Уменьшение шага к основанию турбинки с учетом толщины лопастей приводит к уменьшению проходного сечения, увеличению гидравлического сопротивления турбинки и искажению эпюры скоростей, ухудшению метрологической характеристики преобразователя расхода, более позднему гидродинамическому уравновешиванию турбинки. Для улучшения метрологической характеристики преобразователя расхода целесообразно, чтобы шаговое перекрытие оставалось постоянным или уменьшалось по высоте лопастей от периферии к основанию. Это способствует также уменьшению расхода, при котором обеспечивается гидродинамическое уравновешивание турбинки.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является обеспечение гидродинамического уравновешивания турбинки в широком диапазоне расходов, увеличение ресурса работы, расширение диапазона и точности измерений. Это достигается тем, что в турбинном преобразователе расхода, содержащем корпус с измерительным каналом, в котором между двумя обтекателями с возможностью вращения и осевого перемещения расположена турбинка, выполненная в виде ступицы с прикрепленными к ней лопастями, а также узел съема сигнала, ступица турбинки выполнена с одним или двумя торцевыми коническими буртиками, при этом лопасти турбинки выполнены с уменьшением их осевой длины по высоте лопастей от периферии к ступице соответственно со стороны выхода или со стороны входа и выхода так, что шаговое перекрытие по высоте лопастей с учетом их толщины уменьшается от периферии к ступице турбинки.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображен турбинный преобразователь расхода с одним коническим буртиком, расположенным на выходном торце ступицы и уменьшением длины лопастей турбинки по высоте от периферии к ступице со стороны выхода. На фиг.2 схематично изображен турбинный преобразователь расхода с двумя коническими буртиками, расположенными на выходном и входном торцах ступицы и уменьшением длины лопастей турбинки по высоте от периферии к ступице со стороны выхода и входа.
Турбинный преобразователь расхода (фиг.1) содержит корпус 1, измерительный канал 2, вал 3, струенаправляющий аппарат с входным обтекателем 4, турбинку 5 со ступицей 6 с коническим буртиком 7, струевыпрямитель с выходным обтекателем 8, узел съема сигнала 9.
Турбинный преобразователь расхода работает следующим образом. Измеряемая среда проходит через струенаправляющий аппарат с передним обтекателем 4, измерительный канал 2, воздействует на турбинку 5, приводя ее во вращение, и выходит через струевыпрямитель с обтекателем 8. Узел съема сигнала 9 преобразует обороты турбинки в пропорциональный расходу сигнал. В зазоре между передним обтекателем и торцом ступицы турбинки создается пониженное давление, а в зазоре за коническим буртиком ступицы турбинки, диаметр которого меньше диаметра выходного обтекателя, давление повышается. В результате появляется сила, перемещающая турбинку против потока. Зазор между коническим буртиком ступицы турбинки и выходным обтекателем увеличивается, и поток направляется коническим буртиком мимо выходного обтекателя (фиг.2). При этом в зазоре между коническим буртиком и выходным обтекателем давление понижается. Сила, действующая на турбинку по потоку, уменьшается. Перемещение турбинки прекращается, и она остается в уравновешенном положении при дальнейшем увеличении расхода до максимального. Аналогичная картина наблюдается и в случае с двумя коническими буртиками, расположенными на выходном и входном торцах ступицы с уменьшением длины лопастей турбинки по высоте от периферии к ступице со стороны выхода и входа (фиг.2).
Так как шаговое перекрытие лопастей турбинки с учетом их толщины уменьшается от периферии к основанию, то уменьшается гидравлическое сопротивление в межлопастном пространстве, что приводит к увеличению чувствительности турбинки на малых расходах и, как следствие, к повышению диапазона и точности измерения. При этом уменьшается минимальный расход, при котором начинается гидродинамическое уравновешивание турбинки. Уменьшение длины лопастей от периферии к ступице с учетом их толщины позволяет выполнить конический буртик практически без увеличения длины турбинки.
Таким образом, указанное техническое решение позволяет получить турбинный преобразователь расхода с гидродинамически уравновешенной турбинкой в широком диапазоне расходов, расширить диапазон и точность измерения, увеличить ресурс работы.