ШАРИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА
BALL-TYPE FLOW RATE CONVERTER

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к области определения расхода жидкости в ядерных энергетических установках.
Известны шариковые преобразователи расхода, содержащие корпус, внутри которого установлена втулка с завихрителем потока, кольцевую полость, образованную поверхностью корпуса и наружной поверхностью втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения в электрический выходной сигнал (см. авторское свидетельство СССР №1474471, кл. C01F 1/06, опубл. 23.04.89).
Основным недостатком известных преобразователей расхода является ограниченный во времени технический ресурс, что обусловлено износом дорожки качения шара, образованной внутренней поверхностью корпуса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является шариковый преобразователь расхода (см. патент РФ №2253843, МПК G01F 1/06, БИ №16 2005 г.), содержащий корпус со стороны раскрытия полости, имеющий кольцевое углубление, ограничительную втулку с элементами, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, раскрытую кольцевую полость, ограниченную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал.
Основной недостаток этого технического решения заключается в том, что при работе расходомера происходит постепенный износ дорожки качения и шара. При износе шара и дорожки качения показания измерительной системы изменяются и не соответствуют тем метрологическим характеристикам, которые имели место перед установкой преобразователя в канал. Износ дорожки качения и шара связан с тем, что шар интенсивно взаимодействует с поверхностью дорожки не только при его касании со стенкой, но и путем хаотичных биений шара о стенку дорожки качения. Последнее связано с тем, что в зависимости от скорости воды, ее температуры (вязкости) характер вращательного движения шара изменяется, движение шара приобретает помимо вращательного движения колебательный характер. Все это приводит к интенсивному взаимодействию шара со стенкой дорожки качения, его износу, изменению метрологических характеристик преобразователя.
В качестве второго недостатка можно отметить ограниченную «ремонтопригодность» данной конструкции. При износе дорожки качения, основным методом ремонта является напыление/нанесение/наплавка металла с последующей обработкой и шлифовкой, что достаточно трудоемкая и дорогостоящая процедура. Утилизация же «лишнего» металла, оборудования работавшего в условиях ядерных энергетических установок (твердые радиоактивные отходы), представляется еще более проблематичным.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения расхода теплоносителя, увеличение ресурса работы преобразователя и повышение «ремонтопригодности» преобразователя.
Техническая задача достигается тем, что известный шариковый преобразователь расхода, содержащий корпус со стороны раскрытия полости, имеющий кольцевое углубление, ограничительную втулку с элементами, создающими вращение потока вокруг продольной оси преобразователя, раскрытую кольцевую полость, ограниченную внутренней поверхностью корпуса, образующей дорожку качения, и наружной поверхностью ограничительной втулки, размещенный в кольцевой полости шар, преобразователь скорости вращения шара в электрический сигнал, корпус преобразователя со стороны его касания с ограничительной втулкой содержит открытые со стороны кольцевой полости каналы, соединяющие входной участок преобразователя с раскрытой кольцевой полостью, а дорожка качения выполнена в виде кольца-прокладки между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором показана конструкция шарикового преобразователя расхода.
Шариковый преобразователь расхода содержит корпус 1, в котором установлена втулка 2 с элементами 3, например лопастями, создающими вращение потока измеряемой среды вокруг его вертикальной оси. Внутренняя поверхность корпуса 1 и наружная поверхность втулки 2 образуют кольцевую полость 4, в которой расположен чувствительный элемент - шар 5. С внешней стороны корпуса установлен преобразователь скорости (частоты) вращения шара 5 в электрический сигнал 6. Кольцевая полость, за счет разницы диаметра корпуса D1 и наружного диаметра втулки 2 раскрыта в сторону кольцевого углубления корпуса 7 с диаметром D2, которое стабилизирует поток измеряемой среды и создает обратный вихрь. Во втулке выполнены открытые со стороны кольцевой полости каналы 8, соединяющие входной участок преобразователя с раскрытой кольцевой полостью. Каналы выполнены таким образом, что жидкость, поступающая с входа преобразователя, направляется по касательной внутренней поверхности открытой полости. Дорожка качения выполнена в виде кольца-прокладки 9 между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью ограничительной втулки 2.
Шариковый преобразователь расхода работает следующим образом. Поток теплоносителя протекает через решетку лопастей 3, закручивается вокруг оси преобразователя, образуя в кольцевом углублении 7 корпуса 1 устойчивый обратный вихрь. Движение жидкости за счет силы вязкого трения передается из кольцевого углубления корпуса в кольцевую полость 4 с расположенным в ней шаром 5. Находящаяся в кольцевой полости 4 жидкость приобретает вращательное движение вокруг оси преобразователя и передает движение находящемуся в полости 4 шару 5 вращательное движение. В то же время жидкость, поступающая через каналы с входа преобразователя, создает транзитный поток, движущийся вдоль внутренней поверхности открытой полости. В результате взаимодействия транзитного и закрученного потоков возникают вторичные микровихри, сообщающие жидкости поперечный импульс, пропорциональный плотности жидкости ρ, циркуляции скорости вихря Г, расстоянию между осями соседних вихрей. Благодаря образованию вторичных вихрей при вращательном движении шара в полости шар будет значительно меньше взаимодействовать со стенкой. Таким образом, благодаря такому взаимодействию износ шара и поверхности полости будет значительно меньше, ресурс преобразователя и гарантированная точность определения расхода будут увеличены.
Выполнение дорожки качения в виде отдельной детали позволяет при изготовлении использовать все возможные технологические приемы, адаптирующие деталь к тем тяжелым эксплуатационным условиям (высокое давления и температура), в которых работает преобразователь (термообработка, специальные материалы, упрочнение поверхности и т.д.).
Кроме того, отдельное изготовление дорожки качения от корпуса технологически проще. Упрощаются операции по финишной, термической и химической обработке/упрочнению. Для данного изобретения возможна закалка дорожки качения до значений, которые невозможны в случае корпусных деталей.
Замена одной детали значительно быстрее и дешевле замены корпуса преобразователя.
2
2
В работах по исследованию кризиса теплоотдачи в каналах с закрученным и транзитным потоком показано (Boltenko E. Heat Transfer Crisis and Liquid Distribution Between the Flow Core and Film in Steam Generating Channels with Swirling. Tenth International Conference on Nuclear Engineering. April 14-18, 2002. Arlington, Virginia, USA. ICONE 10, paper 22385), что при взаимодействии транзитного и закрученного потока образуются вторичные вихревые структуры. Поскольку размер вихрей, образующихся при взаимодействии транзитного и закрученного потока, намного меньше радиуса обратного вихря, сформированного в кольцевой полости, интенсивность вторичных вихрей выше интенсивности основного закрученного потока. Действительно, размер вихрей основного закрученного потока порядка d/2, где d - диаметр кольцевой полости, а тангенциальная скорость W~(π·d/T)·U, где U - продольная составляющая скорости потока теплоносителя на входе в преобразователь. Радиус вторичных вихрей намного меньше d и равен ~r, где r радиус полостей, соединяющих входной участок преобразователя с раскрытой кольцевой полостью. В связи с этим, величина центробежных ускорений g≈W/r>>W/(d/2).
Как известно (Милович А.Я. Теория динамического взаимодействия тел и жидкости. 2-е изд. исп. и доп. М.: Гос. изд. лит. по строительству и архитектуре, 1950), пара таких вихрей в соответствии с теоремой Н.Е.Жуковского сообщает жидкости поперечный импульс, пропорциональный плотности жидкости ρ, циркуляции скорости вихря Г, расстоянию между осями соседних вихрей. Таким образом, благодаря образованию вторичных вихрей при вращательном движении шара в полости шар будет значительно меньше взаимодействовать со стенкой. В пределе, при оптимальном соотношении закрученного и транзитного потоков, шар практически не будет взаимодействовать со стенкой.
Использование изобретения позволяет повысить ремонтопригодность и повышение ресурса работы за счет того, что дорожка качения выполнена в виде кольца-прокладки между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ограничительной втулки.