Турбинный преобразователь расхода

Полезная модель относится к измерительному оборудованию, а именно к турбинным преобразователям расхода, используемым, в частности, для выдачи информации об объемном расходе измеряемой жидкости, например нефти или нефтепродукта, в виде последовательности электрических импульсов с частотой, пропорциональной расходу, впоследствии преобразуемой вычислительным устройством. Полезная модель может быть использована, например, в нефтяной промышленности.
Известен турбинный преобразователь расхода [Пат. РФ №166412 U1, МПК G01F 1/10, з. 08.06.2016, оп. 27.11.2016], принятый за прототип, включающий корпус с фланцами по торцам, установленные на корпусе магнитоиндукционные датчики, картридж, закрепленный в корпусе с использованием разъемных соединений соосно корпусу, содержащий гильзу, турбину с по меньшей мере двумя лопастями в форме геликоида, расположенными на ступице, закрепленную с возможностью осевого вращения между двумя обтекателями, каждый из которых включает ступицу и ребра. Гильза состоит из по меньшей мере двух цилиндрических частей, соединенных между собой разборным соединением, при этом обтекатели неподвижно закреплены в каждой крайней цилиндрической части гильзы, а в ступице каждого обтекателя со стороны установки турбины неподвижно закреплена полуось, турбина выполнена из немагнитного материала, а на каждой из лопастей турбины с наружной части закреплен по меньшей мере один постоянный магнит, проходящий в зоне взаимодействия с магнитоиндукционными датчиками при вращении турбины, в ступице турбины с обеих сторон установлены, с возможностью замены, подшипники скольжения, причем полуоси и подшипники скольжения выполнены из твердых сплавов.
Недостатком прототипа является:
- отсутствие в конструкции твердосплавных упорных подшипников скольжения, воспринимающих осевые нагрузки от торцов твердосплавных полуосей при работе турбинного преобразователя расхода, результатом чего является перемещение турбины в осевом направлении под воздействием потока измеряемой жидкости вплоть до непосредственного контакта соответствующей ступицы турбины со ступицей обтекателя, выполненных не из твердых сплавов, что приводит к износу ступиц турбины и обтекателя, перегреву и, как следствие, к заклиниванию турбины. Тем самым, данный недостаток приводит к снижению надежности.
Технической проблемой является создание турбинного преобразователя расхода, обладающего высокой степенью надежности.
Технический результат выражается в повышении надежности турбинного преобразователя расхода.
Указанный технический результат достигается тем, что турбинный преобразователь расхода включает корпус с фланцами по торцам, установленные на корпусе магнитоиндукционные датчики, картридж, закрепленный в корпусе с использованием разъемных соединений соосно корпусу, содержащий гильзу, состоящую из по меньшей мере двух цилиндрических частей, соединенных между собой разборным соединением, турбину, выполненную из немагнитного материала, с по меньшей мере двумя лопастями в форме геликоида, расположенными на ступице, закрепленную с возможностью осевого вращения посредством твердосплавных полуосей и твердосплавных подшипников скольжения между двумя обтекателями, каждый из которых включает ступицу и ребра, при этом обтекатели неподвижно закреплены в каждой крайней цилиндрической части гильзы, а на каждой из лопастей турбины с наружной части закреплен по меньшей мере один постоянный магнит, проходящий в зоне взаимодействия с магнитоиндукционными датчиками при вращении турбины.
Согласно предложенному техническому решению турбинный преобразователь расхода содержит твердосплавные упорные подшипники скольжения, установленные неподвижно и воспринимающие осевые нагрузки от торцов твердосплавных полуосей, возникающие в процессе работы.
В частности, каждый магнитоиндукционный датчик может включать микропроцессорный узел.
Кроме того, в качестве твердосплавных материалов могут быть использованы вольфрамокобальтовые твердые сплавы.
Лопасти турбины могут быть выполнены с принятым для данного диапазона характеристик набегающего потока соотношением углов наклона образующей геликоида (α) и углом наклона винтовой линии (β), при этом расположенная против потока геликоидная поверхность каждой лопасти образована восходящим винтовым движением отрезка прямой вокруг оси геликоида против часовой стрелки относительно оси, направленной навстречу потоку, а кромки срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка.
Целесообразно в качестве разборного соединения цилиндрических частей гильзы использовать гладкое соединение, как наиболее простое и надежное.
Кроме того, твердосплавный подшипник скольжения и твердосплавный упорный подшипник скольжения могут быть неподвижно закреплены в ступице каждого обтекателя со стороны установки турбины, а твердосплавные полуоси при этом могут быть неподвижно установлены с возможностью замены в ступице турбины с обеих сторон.
Также в ступице каждого обтекателя могут быть выполнены каналы, обеспечивающие в процессе работы смазку и охлаждение измеряемой жидкостью твердосплавного подшипника скольжения, твердосплавного упорного подшипника скольжения и твердосплавной полуоси.
Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-6. На фиг. 1 изображен турбинный преобразователь расхода; на фиг. 2 - картридж в разрезе; на фиг. 3 - крепление турбины, вид А; на фиг. 4 - турбина, разрез Б-Б; на фиг. 5 - турбина, разрез В-В; на фиг. 6 - турбина, вид Г.
Турбинный преобразователь расхода включает корпус 1 (фиг. 1), выполненный в виде отрезка трубы с приваренными по торцам фланцами 2, предназначенными для установки турбинного преобразователя расхода в измерительную линию (не показана). На корпусе 1 (фиг. 1) установлены два магнитоиндукционных датчика 3, каждый из которых представляет собой катушку индуктивности с сердечником из магнитомягкого материала (не показана). Кроме того, каждый из магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1) включает микропроцессорный узел (не показан). Внутри корпуса 1 (фиг. 1) соосно установлен картридж 4, и закреплен с помощью прижимного кольца (не показано), зафиксированного, например, винтовыми соединениями (не показаны). Картридж 4 (фиг. 1) представляет собой гильзу, состоящую из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2), соединенных между собой разборным соединением (не показано) и зафиксированных пружинным стопорным кольцом (не показано). В качестве разборного соединения цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2) гильзы использовано гладкое соединение, как наиболее простое и надежное. В каждой из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2) гильзы неподвижно, например при помощи сварки, закреплен обтекатель 7 (фиг. 1, 2), состоящий из ступицы 17 (фиг. 3) и ребер (не показаны). В зависимости от размеров турбинного преобразователя расхода гильза картриджа 4 (фиг. 1) может состоять, например, из трех цилиндрических частей (не показаны), в этом случае только в каждой крайней цилиндрической части гильзы неподвижно закреплен обтекатель 7 (фиг. 1, 2). В ступице 17 (фиг. 3) каждого обтекателя 7 (фиг. 1, 2) со стороны установки турбины 6 (фиг. 1, 2) неподвижно закреплены твердосплавный подшипник скольжения 13 (фиг. 3) и твердосплавный упорный подшипник скольжения 14, выполненные из вольфрамокобальтового твердого сплава. Между двумя обтекателями 7 (фиг. 1, 2) закреплена с возможностью вращения турбина 6 (фиг. 1, 2), в ступице 12 (фиг. 3, 4) которой с обеих сторон неподвижно установлены с возможностью замены твердосплавные полуоси 10 (фиг. 3), выполненные из вольфрамокобальтового твердого сплава. Для обеспечения возможности замены твердосплавных полуосей 10 (фиг. 3) каждая из данных полуосей запрессована во втулку 5, а втулки 5 в свою очередь стянуты к обеим сторонам ступицы 12 (фиг. 3, 4) турбины 6 (фиг. 1, 2) посредством резьбовой оси 16 (фиг. 3), расположенной внутри ступицы 12 (фиг. 3, 4) турбины 6 (фиг. 1, 2). Для обеспечения соосности твердосплавных полуосей 10 (фиг. 3) относительно оси вращения турбины 6 (фиг. 1, 2) в ступице 12 (фиг. 3, 4) турбины 6 (фиг. 1, 2) с обеих сторон выполнены проточки (не показаны) соответствующей конфигурации для обеспечения точной посадки втулок 5 (фиг. 3). Благодаря данной конфигурации расположения твердосплавных подшипников скольжения 13 (фиг. 3), твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 и твердосплавных полуосей 10 обеспечивается высокая точность изготовления соосных элементов турбинного преобразователя расхода, исключение заеданий турбины при вращении и, как следствие, перегрева пар вращения, а значит, увеличивается надежность. В ступице 17 (фиг. 3) каждого обтекателя 7 (фиг. 1, 2) выполнены каналы 15 (фиг. 3), обеспечивающие в процессе работы смазку и охлаждение измеряемой жидкостью твердосплавных подшипников скольжения 13, твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 и твердосплавных полуосей 10. Турбина 6 (фиг. 1, 2) выполнена одной деталью из немагнитного материала и содержит две лопасти (не показаны) в форме геликоида, расположенные на ступице 12 (фиг. 3, 4). Лопасти (не показаны) турбины 6 (фиг. 1, 2) выполнены с принятым для данного диапазона характеристик набегающего потока соотношением углов наклона образующей геликоида α (фиг. 5) и углом наклона винтовой линии β (фиг. 6), при этом расположенная против потока геликоидная поверхность каждой лопасти образована восходящим винтовым движением отрезка прямой вокруг оси геликоида против часовой стрелки относительно оси, направленной навстречу потоку, а кромки срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка. На каждой из лопастей турбины 6 (фиг. 1, 2) с наружной части закреплен один постоянный магнит 11 (фиг. 6), расположенный в зоне взаимодействия с магнитоиндукционными датчиками 3 (фиг. 1) при вращении турбины 6 (фиг. 1, 2). Все детали картриджа 4 (фиг. 1), за исключением твердосплавных подшипников скольжения 13 (фиг. 3), твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 и твердосплавных полуосей 10, выполнены из коррозионностойкой немагнитной стали.
Турбинный преобразователь расхода работает следующим образом.
Производят монтаж турбинного преобразователя расхода в измерительную линию. Проходя через обтекатель 7 (фиг. 1, 2), расположенный на входе в турбинный преобразователь расхода, поток жидкости, например нефти, протекающей в измерительной линии, распределяется ребрами обтекателя 7 и попадает на лопасти турбины 6. Энергия потока нефти приводит во вращение турбину 6 (фиг. 1, 2), скорость вращения которой пропорциональна объемному расходу нефти. Твердосплавные подшипники скольжения 13 (фиг. 3), твердосплавные упорные подшипники скольжения 14 и твердосплавные полуоси 10 используют смазочно-охлаждающие свойства измеряемой жидкости, в частности благодаря каналам 15, выполненным в ступицах 17 (фиг. 3) обтекателей 7 (фиг. 1, 2). Для улучшения условий обтекания, необходимого при измерении высоковязких и волокнистых сред, кромки лопастей турбины 6 (фиг. 1, 2) со стороны набегающего потока срезаны по форме оболочки тела вращения, образующая которой - плавная кривая, близкая к кривой второго порядка, например окружности.
Исполнение турбины 6 (фиг. 1, 2) варьируется в зависимости от предполагаемых скоростей и вязкости потока измеряемой жидкости, для чего определяются эмпирически оптимальные соотношения угла наклона образующей геликоида (α) и угла наклона винтовой линии (β). При этом, благодаря тому, что картридж 4 (фиг. 1) установлен в корпусе 1 с возможностью извлечения, а гильза картриджа 4 состоит из двух цилиндрических частей 8, 9 (фиг. 2), обеспечивается возможность установки в один и тот же турбинный преобразователь расхода турбины 6 (фиг. 1, 2), предназначенной для конкретных условий измерения. Кроме того, обеспечивается возможность проводить контроль состояния твердосплавных подшипников скольжения 13 (фиг. 3), твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 и твердосплавных полуосей 10, своевременно обнаруживать, и устранять неисправности. Выполнение твердосплавных подшипников скольжения 13 (фиг. 3), твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 и твердосплавных полуосей 10 из вольфрамокобальтовых твердых сплавов обусловлено тем, что в большинстве случаев в измеряемой жидкости содержаться мелкие абразивные частицы, повышающие износ вращающихся частей устройства и приводящие к выходу турбинного преобразователя из строя.
Применение твердосплавных упорных подшипников скольжения 14 (фиг. 3), воспринимающих осевые нагрузки от торцов твердосплавных полуосей 10, возникающие при перемещении турбины в осевом направлении под воздействием потока измеряемой жидкости обеспечивает постоянное наличие зазоров между ступицей 12 (фиг. 3, 4) турбины 6 (фиг. 1, 2) и ступицами 17 (фиг. 3) обтекателей 7 (фиг. 1, 2) и, тем самым, исключает возможность контакта в процессе работы турбинного преобразователя расхода между деталями, выполненными не из твердых сплавов, благодаря чему снижается износ деталей турбинного преобразователя расхода, а значит, увеличивается его надежность.
Закрепленный на каждой лопасти турбины 6 (фиг. 1, 2) постоянный магнит 11 (фиг. 6) при вращении турбины 6 (фиг. 1, 2) воздействуют своим магнитным полем через стенку картриджа 4 (фиг. 1) на сердечник катушки индуктивности (не показан) каждого из магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1), при этом образуется электродвижущая сила самоиндукции. Каждый магнитоиндукционный датчик 3 (фиг. 1) обеспечивает усиление электродвижущей силы самоиндукции и формирование прямоугольных импульсов напряжения или тока с частотой, пропорциональной расходу жидкости. Сформированный выходной импульсный сигнал вне зависимости от возникающих внешних помех, таких как, экранирование элементами конструкции, помехи от расположенных вблизи электрических устройств и т.д. обладает высоким разрешением, что повышает точность его последующего преобразования.
Сформированный электрический импульсный сигнал поступает на микропроцессорный узел (не показан). При помощи микропроцессорного узла (не показан) электрический импульсный сигнал преобразуется в нормированные электрические импульсы объема с учетом введенных метрологических коэффициентов, а также производится вычисление накопленного объема и расхода. Ввод метрологических коэффициентов осуществляется, например, посредством интерфейса RS-485 (не показан). После ввода метрологические коэффициенты сохраняются в энергонезависимой памяти микропроцессорного узла (не показан). Полученная информация через кабель внешней связи передается в систему сбора и обработки информации (не показана), а также данная информация может быть доступна для чтения посредством интерфейса RS-485 (не показан). Информация, получаемая с двух магнитоиндукционных датчиков 3 (фиг. 1) сравнивается системой сбора и обработки информации (не показана), и в случае выявления расхождения в показаниях с данных датчиков служит поводом для внеочередной поверки турбинного преобразователя расхода.
В варианте исполнения турбинного преобразователя расхода, при котором магнитоиндукционный датчик 3 (фиг. 1) не включает микропроцессорный узел, преобразование электрического импульсного сигнала в нормированные электрические импульсы объема с учетом введенных метрологических коэффициентов, осуществляется преобразователем сигналов (не показан), например, входящим в состав системы сбора и обработки информации (не показана).