ТУРБИННЫЙ СЧЕТЧИК
TURBINE METRE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к турбинному счетчику для измерения расхода текучих сред, в частности воды, содержащему корпус с входом, выходом и проточным каналом, измерительный механизм для измерения и указания расхода, турбину в канале со ступицей с множеством радиальных лопастей на ней и обращенным к потоку текучей среды фронтом примерно в форме полусферы, удерживающую вставку, состоящую из направляющей воду крестовины, содержащей ступицу, радиальные распорки от ступицы к стенке канала, корпус сопла, который окружает фронт турбины, при этом остается зазор для прохождения текучей среды, и центральное отверстие в корпусе сопла, и основное тело вставки, содержащее ступицу и радиальные распорки от ступицы к стенке канала, и устройство, которое определяет обороты турбины и передает в измерительный механизм.
Уровень техники
Из RU 2082102 C1 известен принцип действия турбинного счетчика, турбина которого вращается в свободно взвешенном состоянии, т.е. без механической опоры, за введенным в подлежащий измерению поток жидкости корпусом сопла. Обороты турбины считываются электромагнитным способом. Большим преимуществом этой концепции является полный отказ от механической опоры турбины, поскольку она вращается полностью без соприкосновения, что достигается за счет умелого использования возникающего в корпусе сопла ускорения потока текучей среды и связанного с этим уменьшения давления в текучей среде.
Однако на практике эта концепция имеет, к сожалению, большие недостатки. Прежде всего, электромагнитная передача скорости вращения часто невозможна без помех, в частности, когда корпус счетчика, как обычно, и при высоких давлениях в трубопроводе обязательно состоит из стали или чугуна. Кроме того, принцип свободно взвешенного состояния начинает действовать лишь тогда, когда текучая среда достигает определенной минимальной скорости потока. Если скорость потока равна нулю или близка нулю, то положение турбины является полностью неопределенным. При медленном увеличении скорости потока от нуля турбина захватывается потоком и теряет тем самым необходимое для принципа зависания оптимальное положение за корпусом сопла. За счет этого не обеспечивается измерение при небольшом расходе.
Аналогичный турбинный счетчик известен из US 2709388. Он имеет смонтированную неподвижно в центре проточного канала ось, на которой вращается снабженная двумя опорами удлиненная турбина. Лежащий ниже по потоку конец турбины выполнен расширенным. Перед этим расширением проточный канал сужается дополняющим образом. За счет этого образуется зазор, в котором ускоряется весь поток текучей среды. Происходящее в результате уменьшение давления обеспечивает осевое позиционирование турбины. Однако зазор является лишь очень коротким, так что позиционирование происходит лишь при больших расходах, а при нормальных расходах не происходит.
При этом недостатком является то, что турбина имеет центральное отверстие для оси. На основании разницы давлений перед и за турбиной часть текучей среды протягивается через центральное отверстие. За счет этого может происходить отложения взвешенных веществ и растворенных в текучей среде минералов, например извести и магния. Эти отложения тормозят турбину, особенно при малых расходах.
В турбинных счетчиках широко распространена механическая передача оборотов турбины на счетный механизм. В конструкции WP применяемая для этого передача должна отклонять направление вращения на 90°. Поэтому обычно применяют червячные передачи, поскольку они обеспечивают не только отклонение, но и одновременно уменьшение высокой скорости вращения турбины до допустимого для счетного механизма значения. Однако червячные передачи имеют большое трение, поскольку передаточные колеса скользят друг по другу. Это также снижает чувствительность измерительного прибора при малых расходах.
Сущность изобретения
В основу данного изобретения положена задача создания турбинного счетчика, указанного в начале вида, который обеспечивает механическую передачу оборотов турбины на счетный механизм и имеет высокую чувствительность измерительного прибора.
Эта задача решена с помощью турбинного счетчика с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Данное изобретение обеспечивает повышенную чувствительность отсчета при минимальной скорости потока за счет того, что ускоренный в зазоре между корпусом сопла и фронтом турбины поток текучей среды оказывает на находящуюся в зазоре между корпусом сопла и сопловым кольцом текучую среду инжекторное действие. За счет этого это количество жидкости дополнительно ускоряется. Таким образом, объединенные массы текучей среды попадают с повышенной скоростью на лопасти турбины и приводят турбину во вращение.
Для обеспечения возможно короткой длины турбинные лопасти необходимо смещать возможно дальше вперед. Для обеспечения этого можно вырезать лежащие между ступицей и сопловым кольцом внутренние лопасти в зоне конца корпуса сопла. Неожиданным образом было установлено, что, несмотря на возникающее при этом укорачивание внутренних турбинных лопастей, чувствительность турбины не уменьшается.
Оптимальная функциональность и чувствительность достигается, когда кольцеобразный конец корпуса сопла выполняется в виде острой обтекаемой кромки.
Как указывалось выше, недостатком установки турбины без опор является то, что турбина при нулевой скорости потока перемещается из оптимального положения за корпусом сопла. В зависимости от ее удельного веса она опускается вниз или всплывает в текучей среде. Согласно одной модификации изобретения, это предотвращается, когда удельный вес турбины равняется удельному весу текучей среды. В этом случае турбина не всплывает и не опускается вниз.
Решающее улучшение достигается, когда турбина сбалансирована так, что исчезают подъемные и отрицательные подъемные силы, как только турбина находится в текучей среде. В этом случае турбина при нулевой скорости потока точно сохраняет положение, которое она имела прежде, т.е. она остается с оптимальной ориентацией и в оптимальном положении за корпусом сопла.
Задача удерживания корпуса сопла точно по центру в проточном канале решается с помощью удерживающей вставки, которая состоит из двух частей, а именно из расположенной спереди направляющей воду крестовины и заднего основного тела вставки. Оба элемента снабжены ступицей. Соединение между проточным каналом и корпусом сопла, соответственно, ступицами осуществляется с помощью радиальных распорок.
Согласно одному варианту выполнения изобретения, эти распорки выполнены в виде направляющих поток лопастей, при этом лопасти направляющей воду крестовины установлены так, что они оптимально направляют поток жидкости на лопасти турбины.
Согласно одной модификации изобретения, лопасти основного тела вставки установлены в противоположном направлении. За счет этого обеспечивается возможность компенсации большей части происходящего на лопастях направляющей воду крестовины и турбины падения давления. Это значительно уменьшает падение давления всего турбинного счетчика.
Согласно другому варианту выполнения изобретения, лопасти направляющей воду крестовины расположены не посредине. За счет этого поток можно предпочтительно направлять в определенном направлении, когда это желательно.
Кроме того, лопасти направляющей воду крестовины и, при необходимости, основного тела вставки могут быть выполнены с изломом в форме Z. Это также служит направлению потока и повышает чувствительность измерительного прибора.
Направляющая воду крестовина и основное тело управляющей вставки предпочтительно соединены друг с другом с помощью штекерного соединения. За счет этого повышается точность позиционирования и улучшается легкость в обращении.
Если плотность текучей среды изменяется со временем, например, за счет изменяющейся температуры, то компенсация за счет выравнивания удельного веса и балансирования больше невозможна. Для этого случая турбина снабжена валом, который вращается в опорных втулках, при этом опорные втулки расположены, с одной стороны, в ступице направляющей воду крестовины и, с другой стороны, в ступице заднего основного тела вставки.
Альтернативное решение предусматривает, что опорные втулки расположены в турбине, в то время как направляющая воду крестовина и основное тело вставки несут каждый одну цапфу оси. При этом эти опоры могут иметь большой люфт как в осевом, так и радиальном направлении, поскольку они больше не требуются, как только начинает проходить поток текучей среды и турбина занимает свое положение за корпусом сопла за счет соотношений потока и давления. Другим преимуществом таких опор с люфтом является то, что даже в наиболее неблагоприятном случае турбина не может быть унесена потоком.
Между турбиной и текучей средой возникает трение, которое тормозит вращение турбины. Поэтому специалист будет принимать все известные ему меры для уменьшения этого жидкостного трения. Неожиданным образом было установлено, что значительное уменьшение трения возможно за счет того, что полусферический фронт турбины снабжается тиснениями в форме шаровых сегментов, аналогично мячу для гольфа.
Понятно, что для функции установки без опор решающим является выполнение корпуса сопла. Согласно первому варианту осуществления изобретения, внутренний контур корпуса сопла может иметь форму полусферы, согласованную с полусферическим фронтом турбины.
Однако в качестве альтернативного решения внутренний контур корпуса сопла может быть также цилиндрическим с плоским дном. Такую форму можно изготавливать из пластмассы способом литья под давлением.
Согласно третьему варианту выполнения, в полусферическом внутреннем контуре выполнены концентрические прорезы. За счет этого исключаются скопления материала и экономится пластмасса без изменения действия.
Для оптимальной работы значение имеет также форма входа сопла. Как известно, он может иметь форму воронки, предпочтительно с округленным краем.
Корпус счетчика предпочтительно имеет верхнее отверстие, через которое можно устанавливать и извлекать методом опускания и подъема полностью смонтированную удерживающую вставку.
Согласно изобретению, вместо червячной передачи можно применять корончатую передачу. Эта передаточная конструкция обеспечивает отклонение на 90° и одновременно уменьшение скорости вращения, аналогично червячной передаче. Поскольку шестерня и корончатое зубчатое колесо выполняют движение качения без движения скольжения, то трение значительно уменьшается по сравнению с червячной передачей. Наконец, этот вид передачи допускает большие осевые перемещения турбины относительно неподвижного корончатого колеса, за счет чего значительно подкрепляется принцип действия безопорной турбины.
Согласно одному альтернативному варианту выполнения, турбина имеет ступицу, на которой смонтирован один, лучше два постоянных магнита. Вблизи ступицы смонтирована трубка для датчиков, в которой расположен один, лучше два датчика магнитного поля. Сигналы датчиков пересчитываются с помощью электронного счетного устройства в данные расхода.
Как все другие турбинные счетчики, счетчик, согласно изобретению, также нуждается в регулировании. Это регулирование предпочтительно выполнено в виде обводного канала в удерживающей вставке, при этом диафрагма, которая поднимается или опускается или же поворачивается, обеспечивает свободное поперечное сечение канала.
Согласно одному варианту выполнения, для этого предусмотрен резьбовой винт, который обеспечивает бесступенчатое поднимание и опускание диафрагмы. Этот резьбовой винт доступен лишь при снятом счетном механизме.
Поскольку применяемая, согласно изобретению, передача вызывает значительное уменьшение скорости вращения, то выполняемое на заводе регулирование турбинного счетчика за счет изменения поперечного сечения обводного канала может занимать много времени. Для уменьшения этого времени можно между счетным механизмом и лопастями турбины проложить световод. С помощью этого световода регистрируется прохождение лопастей турбины. За счет этого за один оборот турбины создается число импульсов, которое соответствует числу лопастей турбины, так что скорость вращения турбины можно измерять за минимальное время.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится подробное пояснение изобретения на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез турбинного счетчика;
фиг.2 - существенные части турбинного счетчика, согласно фиг.1, в разнесенной изометрической проекции;
фиг.3 - передняя сторона турбины, в изометрической проекции;
фиг.4 - задняя сторона турбины, в изометрической проекции;
фиг.5 - задняя сторона турбинного счетчика, согласно фиг.1, с механическим измерением расхода;
фиг.6 - задняя сторона турбинного счетчика с электронным измерением расхода.
Пути реализации изобретения и промышленная применимость
На фиг.1 показан продольный разрез турбинного счетчика. Показан корпус 1 с входом 2, выходом 3 и цилиндрическим, при необходимости, также коническим проточным каналом 4. На верхней стороне корпус 1 имеет отверстие 6, через которое монтируется счетный механизм 5.
Ниже счетного механизма 5 находится собственно измерительное устройство, состоящее из турбины 10, которая расположена в состоящей из двух частей удерживающей вставки 20, образованной направляющей воду крестовиной 20.1 и основным телом 20.2 вставки. Направляющая воду крестовина 20.1 и основное тело 20.2 вставки вставлены друг в друга. Удерживающую вставку 20 можно вводить и извлекать через отверстие 6 в корпусе посредством опускания и поднимания.
Направляющая воду крестовина 20.1 удерживающей вставки 20 содержит центральную ступицу 21, которая с помощью распорок 22, которые выполнены в виде направляющих поток лопастей, позиционирована в центре проточного канала 4.
Кроме того, направляющая воду крестовина 20.1 содержит центральный корпус 23 сопла с сопловым входом 24. Сопловой вход 24 имеет, по существу, цилиндрический край и округлен, при необходимости также с острой кромкой, на передней стороне. За счет этого обеспечивается направление потока в соединении с легким завихрением.
Внутренняя поверхность корпуса 23 сопла является частично полусферической, частично цилиндрической.
Основное тело 20.2 управляющей вставки 20 содержит также центральную ступицу 25, которая с помощью распорок 26, которые при необходимости могут быть выполнены в виде направляющих поток лопастей, позиционирована в центре проточного канала 4.
Внутри управляющей вставки 20 находится турбина 10. Она содержит ступицу 11, на которой расположен ряд радиальных лопастей 12. Фронт 14 турбины 10, который входит в корпус 23 сопла, выполнен в форме полусферы.
На задней стороне ступицы 11 выполнен червяк 13. С червяком 13 находится в зацеплении червячное колесо 32, которое смонтировано на передаточном валу 31. Вал 31 и червячное колесо 32 являются составными частями устройства 30, которое передает обороты турбины 10 на измерительный механизм 5.
Как показано на фиг.1, турбина 10 снабжена непрерывной осью, концы которой установлены в опорных втулках 29 в ступицах 21, 25 направляющей воду крестовины 20.1, соответственно, основного тела 20.2 вставки. Эти опоры 29 имеют задачу удерживать турбину 10 в оптимальном положении для работы при минимальных расходах. Как только турбина 10 при увеличивающемся потоке текучей среды позиционируется за корпусом 23 сопла, эти опоры больше не требуются. Поэтому люфт опор выбирается соответственно большим.
В принципе существует также возможность позиционирования опорных втулок в турбине и по одной цапфе оси в направляющей воду крестовине и в основном теле вставки.
На фиг.2 показаны в разнесенной изометрической проекции направляющая воду крестовина 20.1 и основное тело 20.2 удерживающей вставки 20. На основном теле 20.2 вставки расположен счетный механизм 5. Между направляющей воду крестовиной 20.1 и основным телом 20.2 вставки расположена турбина 10.
При составлении вместе показанных на фиг.2 элементов 10, 20.1, 20.2, удерживающая вставка 20 образует полный блок, который можно через верхнее отверстие 6 в корпусе 1 счетчика устанавливать и извлекать посредством опускания и поднимания, при этом смонтированный сверху счетный механизм 5 закрывает отверстие 6.
На фиг.3 показана в косой проекции передняя сторона турбины 10, а на фиг.4 показана в косой проекции ее задняя сторона. Можно видеть ступицу 11 с имеющим форму полусферы фронтом 14 и конец вала 15. На ступице 11 закреплены радиальные лопасти 12.1, 12.2, которые удерживаются сопловым кольцом 16. Сопловое кольцо 16 расположено от ступицы 11 на таком расстоянии, что между корпусом 23 и сопловым кольцом 16 образуется сопловой зазор 18. Ускоренная в зазоре 17 между корпусом 23 сопла и сопловым кольцом 16 текучая среда действует на текучую среду в сопловом зазоре 18 как инжектор и дополнительно ускоряет эту массу текучей среды. Ускоренная текучая среда попадает на лопасти 12.1 турбины и тем самым даже при минимальных скоростях потока приводит в движение турбину 10, а также червяк 13, который находится в зацеплении с червячным колесом 32, и конец вала 15.
На фиг.5 показана задняя сторона турбинного счетчика, показанного на фиг.1. Основное тело вставки удалено, так что виден расположенный на задней стороне конец вала 15 и закрепленный на нем червяк 13. Можно видеть также находящееся в зацеплении с червяком 13 червячное колесо 32 на передаточном валу 31. Другие передаточные колеса 30 передают обороты турбины 10 на механический счетный механизм 5.
На фиг.6 показана задняя сторона турбинного счетчика с электронным измерением расхода. На валу турбины 10 закреплена ступица 40, которая несет два постоянных магнита 41. Рядом со ступицей 40 находится трубка 42 для датчиков, в которой расположены два датчика 43 магнитного поля так, что они измеряют создаваемые постоянными магнитами 41 магнитные поля. Сигналы датчиков направляются в электронное счетное устройство 44, которое вычисляет данные расхода.