ТУРБИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА
TURBINE CONSUMPTION CONVERTER

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении расхода и количества жидкостей и газов посредством расходомеров больших и малых диаметров.
Известные технические решения, реализованные в турбинных расходомерах, имеют существенные недостатки – сложную конструкцию, повышенные потери напора и невысокий диапазон измерений из-за низкой чувствительности турбинки на малых расходах. Попытки устранить эти недостатки осуществлялись в расходомерах при использовании двух и более турбинок разного диаметра, установленных на одной оси при свободном вращении одной или двух турбинок (а.с. SU 1636687). Также, в датчике массового расходомера применялся способ соединения турбинок с помощью торсионной и пружинной связей (а.с. СССР №179487).
Уровень техники
Известен турбинный расходомер (а.с. SU №1312392), содержащий  корпус с калиброванным каналом, измерительную крыльчатку, установленную с возможностью осевого перемещения, входной и выходной направляющие аппараты, средство для компенсации осевого усилия, расположенное перед выходным направляющим аппаратом и узел съема сигнала в котором средство для компенсации осевого усилия выполнено в виде двух жестко связанных между собой коаксиально расположенных друг относительно друга крыльчаток, причем направление закрутки лопастей внешней крыльчатки совпадает с направлением закрутки лопастей измерительной крыльчатки, а направление закрутки лопастей внутренней крыльчатки противоположно первым двум, а максимальный диаметр внутренней крыльчатки не превышает диаметра ступицы измерительной крыльчатки.
Аналогичное решение раскрыто в другом изобретении (а.с. СССР №187340). В турбинном расходомере обе крыльчатки - основная и вспомогательная - установлены в подшипниках и расположены на одной оси на осевом расстоянии, при котором возмущение потока от первой осредняется по всему сечению, а шаг винтовых лопастей второй крыльчатки больше шага винтовых лопастей первой. Это позволило уменьшить влияние изменения характера потока на метрологическую характеристику.
Тем не менее, основным недостатком приведенных выше технических решений является низкая чувствительность расходомера на малых расходах.
Известен так же компенсационный турбинный расходомер (а.с. СССР № 170704) содержащий две независимые турбинки вращающиеся вокруг общей оси на опорах качения. Одна из турбинок имеет прямые лопасти, а другая предназначена для измерения абсолютной скорости.
К его недостаткам можно отнести сложность конструкции, невысокий диапазон измерений и повышенные потери напора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является турбинный расходомер (а.с. СССР №475505), содержащий чувствительный элемент крыльчатого типа - винтовую крыльчатку, в которой межлопастные каналы выполнены конфузорными, а шаг винтовой поверхности рабочей стороны лопастей меньше шага винтовой поверхности тыльной стороны.
В известном расходомере авторам удалось снизить влияние числа Рейнольдса на характеристику прибора и уменьшить погрешность измерения обусловленную влиянием вязкости. Тем не менее, среди недостатков можно отметить невысокую чувствительность винтовой крыльчатки к малым расходам и значительно увеличение осевого давления на турбинку при возрастании расхода.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости создания измерительного устройства – типа турбинного расходомера, обеспечивающего возможность более точного измерения расхода на малых расходах.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является расширение диапазона измерения в результате увеличения чувствительности турбинки на малых расходах и упрощения конструкции турбинки за счет использования однотипных деталей.
Поставленная задача решается тем, что в турбинном преобразователе расхода, включающем корпус с проточным каналом, в котором по оси канала расположены два обтекателя, между которыми с возможностью вращения установлен чувствительный элемент, а с наружной стороны корпуса установлен узел съема сигнала, согласно техническому решению, чувствительный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, двух, последовательно установленных турбинок с лопастями, жестко и соосно соединенных между собой, при этом боковые поверхности лопастей первой, по направлению движения потока в расходомере, турбинки со стороны набегающего потока выполнены со скосами, поверхности которых образуют конфузорный вход в межлопастное пространство турбинки, а боковые поверхности лопастей последней, по направлению движения потока в расходомере, турбинки со стороны, противоположной набегающему потоку выполнены со скосами, поверхности которых образуют диффузорный выход из межлопастного пространства турбинки. Соседние турбинки могут быть установлены таким образом, что их лопасти образуют объединенную совместную лопастную решетку. Иными словами, лопасти соседних турбинок могут соприкасаться торцами со стороны выхода предыдущей турбинки с торцами со стороны входа последующей турбинки. При этом каждая из турбинок чувствительного элемента может быть выполнена с шаговым перекрытием лопастей меньше единицы. Скосы, поверхности которых образуют конфузорный вход в межлопастное пространство турбинки, могут быть выполнены на боковых поверхностях лопастей всех турбинок. Скосы, поверхности которых образуют диффузорный выход из межлопастного пространства турбинки, могут быть выполнены на боковых поверхностях лопастей всех турбинок. Соседние турбинки могут быть расположены с зазором друг от друга. Лопасти турбинок могут быть выполнены как винтовыми, так и косыми. Соседние турбинки могут быть установлены со смещением лопастей.
Краткое описание чертежей.
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлено продольное сечение заявляемого преобразователя расхода с двумя турбинками.
На фиг. 2 представлена межлопастная решетка чувствительного элемента из трех турбинок.
На фиг.3 представлено объемное изображение чувствительного элемента заявляемого устройства.
На фиг.4 представлены сравнительные метрологические характеристики турбинных преобразователей расхода ДУ 40 со скосами лопастей (А) и без скосов (Б).
Позициями на чертежах обозначены:
1. корпус преобразователя расхода,
2. входной обтекатель со струенаправляющим аппаратом,
3. первая (входная) турбинка,
4. последняя (выходная) турбинка,
5. выходной обтекатель со струевыпрямляющим аппаратом,
6. узел съема сигнала,
7. промежуточная турбинка.
Осуществление изобретения
Заявляемый преобразователь расхода представляет собой устройство, предназначенное для измерения расхода и количества жидкостей и газов.
Результат измерения турбинного расходомера во многом зависит от профиля скорости набегающего на турбинку потока и конструктивного исполнения самой турбинки. Профиль скорости набегающего на турбинку потока зависит от конструкции входного обтекателя со струенаправляющим аппаратом, которые выбираются оптимальными для каждого типоразмера расходомера. Однако наиболее существенную роль играет чувствительный элемент преобразователя расхода, в качестве которого может выступать одна или более соединенных вместе турбинок. Как правило, турбинка рассчитывается по известным методикам, описанным в литературе (например, Бобровников Г.Н., Камышев Л.А., «Теория и расчёт турбинных расходомеров», М.: Стандартиздат, 1978). Практика показывает, что изготовленные по расчетным методикам турбинные преобразователи расхода не всегда удовлетворяют необходимым метрологическим характеристикам. При этом, зачастую, при изготовлении таких преобразователей расхода производитель сталкивается с технологическими проблемами их изготовления. Например, возникают существенные трудности изготовления турбинок, обладающих повышенной чувствительностью, с шаговым перекрытием больше единицы. Это является одной из причин, по которой измерительные турбинки изготавливают с шаговым перекрытием меньше единицы. Проблема частично решается в случае выполнения чувствительного элемента в виде комплекта, например, из двух турбинок, (входной и выходной), каждая из которых выполнена с шаговым перекрытием меньше единицы, жестко и соосно соединенных между собой. В результате на объединенной совместной лопастной решетке общее шаговое перекрытие лопастей может быть достигнуто более единицы.
Заявляемое устройство выполнено в виде корпуса 1, с наружной стороны которого смонтирован узел съема сигнала 6. Внутри корпуса выполнен проточный канал, в котором по оси расположены входной обтекатель со струенаправляющим аппаратом 2 и выходной обтекатель 5 со струевыпрямителем. Между обтекателями по оси установлен чувствительный элемент, выполненный в виде комплекта, по меньшей мере, из двух турбинок, жестко и соосно закрепленных друг к другу. Соосное жесткое соединение нескольких турбинок с шаговым перекрытием лопастей меньше единицы позволяет создать преобразователь расхода с шаговым перекрытием совместной лопастной решетки больше единицы, которое обеспечивает требуемые метрологические характеристики, позволяет повысить чувствительность прибора к малым расходам и при этом упростить технологию их изготовления. Используемые в комплекте турбинки выполнены в одной пресс-форме, одинакового диаметра, что существенно способствует упрощению технологии изготовления. Турбинки могут быть установлены таким образом, что соответствующие лопасти соседних турбинок образуют объединенную совместную лопастную решетку. Турбинки могут быть изготовлены как с винтовыми, так и с косыми лопастями. Турбинки могут быть расположены как вплотную друг к другу, так и с зазором не превыщающим 2.5 толщины лопасти. Лопасти турбинок имеют боковые и торцевые поверхности. При этом на первой (входной) турбинке, со стороны набегающего потока боковые поверхности лопастей турбинки выполнены со скосами. За счет этого образуется конфузорный вход в межлопастное пространство. На последней (выходной) турбинке, со стороны, противоположной набегающему потоку, боковые поверхности лопастей турбинки выполнены со скосами. За счет этого образуется диффузорный выход из межлопастного пространства. Промежуточные турбинки, в случае их наличия, также могут быть выполнены с лопастями, имеющими скосы боковых поверхностей, как со стороны набегающего потока, так и с противоположной стороны. Углы скоса лопастей турбинки составляют не более 17° относительно плоскости лопасти, а толщина лопасти в ее торце составляет не менее 0,25 толщины лопасти в среднем сечении. Углы скоса могут быть выполнены как плоскими по отношению к плоскости лопасти турбинки, так и винтовыми. В одном из вариантов осуществления изобретения возможно выполнение всех турбинок, составляющих чувствительный элемент с лопастями, имеющими скосы боковых поверхностей как со стороны набегающего потока, так и с противоположной стороны. Турбинки могут быть расположены также со смещением лопастей. Переход от предыдущей турбинки к последующей образует поворот межлопастного пространства (фиг.2 участок Б).
Исходя из анализа взаимодействия потока с лопастями турбинки, можно выделить следующие характерные участки (фиг.2): участок (А) конфузорного входа в межлопастное пространство, образованный в результате выполнения скосов на поверхности лопастей турбинки с ее торцовой стороны со стороны набегающего потока; участок (Б) поворота межлопастного пространства, образованный в результате перехода от выходной части диффузорного участка межлопастного пространства предыдущей турбинки к конфузорному участку межлопастного пространства последующей турбинки; участок (В) диффузорного выходного межлопастного пространства образованного скосами, выполненными со стороны выходных торцов лопастей на плоскостях лопастей противоположных набегающему потоку.
n
Преобразователь расхода работает следующим образом. При движении измеряемой среды через проточный канал и выходе ее из струенаправляющего аппарата, среда воздействует на лопасти каждой турбинки чувствительного элемента и приводит их во вращение. Поскольку турбинки жестко соединены между собой, то при измерении расхода они действуют как единое целое – чувствительный элемент, имеющий единую лопастную решетку с шаговым перекрытием больше единицы. Скорость вращения турбинок пропорциональна расходу. Узел съема сигнала преобразует обороты турбинок чувствительного элемента в показания расхода и\или количества протекающей среды. Наличие скосов на лопастях турбинки с ее входной торцовой стороны со стороны набегающего потока увеличивает вращающий момент, действующий на лопасти турбинки. При выходе измеряемой среды из межлопастного пространства первой турбинки на поворотном участке межлопастного пространства и входе в межлопастное пространство следующей турбинки происходит дополнительное увеличение вращательного момента от воздействия динамического напора на поверхность скоса лопастей каждой последующей турбинки, что так же оказывает положительное влияние на увеличение чувствительности турбинки. При выходе измеряемой среды из выходного диффузорного участка, в связи с утонением лопастей в торцевом направлении, а также за счет того, что поверхности лопастей, образованные плоскостями скоса, совпадают с направлением вращения турбинки, уменьшается сопротивление ее вращению. Все это повышает чувствительность турбинки в диапазоне расходов не более (0,015÷0,006)·Q, что соответствует расходам от переходного до минимального.
Пример конкретного выполнения
0
3
3
3
3
3
3
3
Изготовлен счетчик воды класса “С” на Ду 40 мм. Присоединение счетчика к трубопроводу муфтовое. В счетчике использован заявляемый турбинный преобразователь расхода, выполненный из двух соосно и жестко соединенных между собой турбинок. Турбинки имеют равные углы скоса (10) как на поверхностях лопастей со стороны набегающего потока, образующие конфузорный вход в межлопастное пространство, так и со стороны, противоположной набегающему потоку, образующие диффузорный выход из межлопастного пространства. Счетчик предназначен для работы в диапазоне расходов от 20 м/ч до 0,05 м/ч. Погрешность прибора составляет ± 2% в диапазоне расходов от 20 м/ч до 0,12 м/ч и ± 5% в диапазоне расходов от 0,12 м/ч до 0,05 м/ч. Преобразователь расхода учитывает расход от 0,025 м/ч. Корпус счетчика выполнен из коррозионно-стойкой стали и обладает надежной защитой от воздействия электрического и магнитного полей.
3
3
На фиг.4 показаны метрологические характеристики турбинного преобразователя расхода с лопастями со скосами (А), с характеристиками, приведенными в примере конкретного выполнения, и без скосов (Б). Минимальный расход турбинного преобразователя расхода со скосами составляет 0,05 м/ч. Минимальный расход турбинного преобразователя расхода без скосов составляет 0,12 м/ч.
Заявленное техническое решение позволяет создать технологичный прибор для измерения расхода и количества текучей среды с высокими метрологическими характеристиками.