ТУРБИННЫЙ СЧЕТЧИК
TURBINE COUNTER

Изобретение касается турбинного счетчика (счетчик турбинного колеса) для измерения расхода жидкости, в частности воды, с измерительным устройством, впуском и выпуском для измеряемой жидкости, с предусмотренным между впуском и выпуском проточным каналом и с турбиной, которая имеет расположенное в проточном канале турбинное колесо с искривленными лопатками, и при этом турбинное колесо взаимодействует с измерительным устройством для измерения расхода жидкости.
Турбинные счетчики (счетчики турбинного колеса) с выполненным в виде крыльчатки (колесо с лопастями) турбинным колесом в проточном канале для жидкости, а именно, питьевой воды, известны из уровня техники. Так, например, EP 0512325 A2 раскрывает у одноструйного или многоструйного счетчика крыльчатки предусмотренные на турбинном колесе лопатки, которые на торцевом конце турбинного колеса, будучи искривлены, сужаются в направлении вершины. Таким образом крыльчатке турбинного счетчика должен сообщаться более низкий коэффициент инерции (величина, обратная скорости изменения регулируемой величины) и вместе с тем более высокая чувствительность измерительного устройства, которое взаимодействует с турбинным колесом для измерения расхода жидкости. Также, например, известно уменьшение коэффициента инерции одноструйного счетчика крыльчатки с помощью сопла перед крыльчаткой, имеющей радиальные лопатки (DE 0669520 A1). Однако, все эти конструктивные меры для повышения чувствительности измерения требуют повышенного падения, соответственно, потери давления на турбинном счетчике.
Поэтому перед изобретением поставлена задача, конструктивно изменить турбинный счетчик описанного выше рода таким образом, чтобы, несмотря на сравнительно высокую чувствительность измерения, имелась относительно низкая потеря давления. Кроме того, турбинный счетчик должен быть при этом выполнен конструктивно просто и иметь высокую устойчивость (прочность).
Изобретение решает поставленную задачу с помощью признаков п.1 формулы изобретения.
Если турбина выполнена в виде радиальной турбины, конструктивные издержки в области турбинного колеса могут снижаться по сравнению с крыльчаткой счетчика крыльчатки или осевой турбины счетчика Вольтмана. А именно, лопатки радиальной турбины могут аксиально присоединяться к ступичному диску турбинного колеса на сравнительно большой длине, что может не только облегчить изготовление турбинного колеса, но и, благодаря повышенной прочности, также допускать сравнительно узкую конструктивную форму турбинного колеса при улучшенной легкости хода. Таким образом предлагаемая изобретением радиальная турбина может также способствовать повышенной чувствительности измерения турбинного счетчика.
Но в особенности предлагаемая изобретением радиальная турбина может отличаться тем, что она выполнена с однократно искривленными лопатками на, например закрытом, турбинном колесе. Это может дополнительно улучшать узкую конструктивную форму радиальной турбины, что в связи с известной по радиальным турбинам, сравнительно короткой конструктивной формой позволяет получить низкие силы инерции и может приводить к чувствительному срабатыванию турбинного колеса. Поэтому предлагаемый изобретением турбинный счетчик, имеющий сравнительно узкую и короткую конструктивную форму, уже при низком и постоянном при частоте вращения гидравлическом сопротивлении может предоставлять высокую чувствительность измерения.
В соответствии с изобретением так может обеспечиваться оптимум между противоположными параметрами, а именно, потерей давления и чувствительностью измерения. Таким образом, турбинный счетчик может особенно подходить для измерения расхода жидкости, а именно, воды, в частности питьевой воды.
Если турбина выполнена в виде радиальной турбины с однократно искривленными лопатками на закрытом турбинном колесе, благодаря закрытому турбинному колесу может дополнительно поддерживаться чувствительное срабатывание за счет уменьшенного осевого сдвига на осевом подшипнике турбинного колеса, соответственно, рабочего колеса, что благоприятно для легкости хода турбинного колеса и приводит, таким образом, к низкому коэффициенту инерции. Также благодаря закрытому турбинному колесу снижаются концевые потери (потери на кромках), которые возникают на ограничивающих поток поверхностях на корпусе. В частности, потому, что на закрытом турбинном колесе не происходит относительного движения между ступичным диском турбинного колеса и передним закрывающим диском, благодаря чему при любой частоте вращения турбины может постоянно гарантироваться низкое гидравлическое сопротивление.
Гидравлическое сопротивление турбинного колеса с учетом условий сравнительно низких отношений давления в радиальной турбине может дополнительно уменьшаться, когда лопатки на своих входных кромках проходят искривленно вперед. Таким образом может дополнительно уменьшаться потеря давления турбинного счетчика. Кроме того, при этом может повышаться быстрота реакции турбинного счетчика. При этом вообще возможно, чтобы лопатки по меньшей мере на своих входных кромках искривленно проходили в направлении указанного направления вращения, в котором вращается турбинное колесо при эксплуатации. Поэтому предлагаемое изобретением турбинное колесо, имеющее искривленные в направлении вращения вперед лопатки, может сравнительно быстро останавливаться, что может дополнительно повышать точность измерения турбинного счетчика.
Гидравлическое сопротивление турбинного колеса может, кроме того, дополнительно уменьшаться, когда образующиеся между двумя соседними лопатками межлопаточные каналы турбинного колеса, если смотреть в направлении потока, выполнены расходящимися. Таким образом может дополнительно уменьшаться потеря давления турбинного счетчика.
Потери вследствие эффектов трения, например, срыв потока на выходной кромке лопаток радиальной турбины, может уменьшаться, когда входная кромка и/или выходная кромка лопаток проходят дугообразно, в частности в виде дуги окружности. Прежде всего, прохождение в виде дуги окружности может отличаться дополнительным снижением гидравлического сопротивления турбинного колеса и, тем самым, уменьшением потери давления турбинного счетчика.
Коэффициент потерь турбинного колеса может дополнительно уменьшаться, когда лопаточный контур лопатки выполнен асимметрично относительно ее средней линии профиля. Возрастание гидравлического сопротивления турбины при ее частоте вращения может таким образом понижаться, что помогает гарантировать постоянно низкую потерю давления на турбинном колесе.
Если лопатки турбинного колеса имеют в горизонтальной проекции серповидный лопаточный контур, потери на турбинном колесе могут дополнительно уменьшаться. В частности, при этом можно пресекать возникающие перпендикулярно направлению потока толчки давления, что может приводить к сравнительно спокойному ходу и, тем самым, особенно точным результатам измерения измерительного устройства, соответственно, датчика.
Предпочтительно напорная кромка и всасывающая кромка лопатки проходят дугообразно, так как таким образом могут предотвращаться вызываемые геометрией срывы потока и, тем самым, поддерживаться низкими потери на лопаточном аппарате. При этом может дополнительно уменьшаться гидравлическое сопротивление радиальной турбины и, тем самым, потеря давления турбинного счетчика.
Предпочтительно кривизна напорной кромки лопатки может быть меньше кривизны всасывающей кромки лопатки, благодаря чему может получаться практически не сужающийся проточный канал между входной и выходной кромкой. Таким образом предлагаемая изобретением радиальная турбина может гарантировать особенно низкую потерю давления.
Если лопатки заканчиваются перед всасывающим отверстием турбины, может, например, предотвращаться замедление потока на выходной кромке, что может снижать негативные эффекты на распределение профиля давления. Поэтому нельзя мириться с повышенным гидравлическим сопротивлением на радиальной турбине.
Пусковая чувствительность радиальной турбины при возможно несколько более высокой потере давления может повышаться, когда ось вращения радиальной турбины проходит наклонно, в частности нормально, к направлению потока на впуске и выпуске турбинного счетчика.
При конструктивно простом решении разворот потока в направлении турбинного колеса может осуществляться, когда впускной проточный канал присоединяется к турбинному колесу через разворот.
Во избежание, например, спирального корпуса перед турбинным колесом может быть также предусмотрено, чтобы ось вращения радиальной турбины проходила в направлении указанных направлений потока впуска и выпуска турбинного счетчика. Таким образом, например, благодаря практически соосному расположению (компоновка) радиальной турбины между впуском и/или выпуском турбинного счетчика, может, кроме того, достигаться особенно компактная конструктивная форма.
Компактная конструктивная форма для низкого гидравлического сопротивления радиальной турбины может достигаться, когда ступичный диск турбинного колеса проходит конически.
Предпочтительно у открытого турбинного колеса указанный разворот образует передний закрывающий диск турбинного колеса, что может еще больше упрощать конструкцию турбинного счетчика.
На фигурах в качестве примера более подробно изображен предмет изобретения в нескольких вариантах осуществления. Показано:
фиг.1: вид сверху изображенного в сечении турбинного счетчика по первому примеру осуществления;
фиг.2: вид сбоку турбинного счетчика с фиг.1;
фиг.3: увеличенный местный вид турбинного колеса турбинного счетчика в соответствии с фиг.1, фиг.4 фиг.5 или фиг.7,
фиг.4: вид сбоку рассеченного турбинного счетчика по третьему примеру осуществления,
фиг.5: вид сверху изображенного в сечении турбинного счетчика по третьему примеру осуществления, и
фиг.6: вид сбоку турбинного счетчика с фиг.5, и
фиг.7: вид сбоку рассеченного турбинного счетчика по четвертому примеру осуществления.
На фиг.1 в качестве примера изображается турбинный счетчик 1.1 по первому примеру осуществления. Этот турбинный счетчик 1.1 служит для измерения расхода жидкости, а именно, питьевой воды, причем эта жидкость может втекать через впуск 2 турбинного счетчика 1.1 и вытекать через его выпуск 3. Корпус 18 турбинного счетчика 1.1 разделен на две части, как можно видеть на фиг.2.
Для измерения расхода турбинный счетчик 1.1 имеет измерительное устройство 4, которое в качестве примера работает по физическому принципу электромагнитной индукции, при котором перемещение вращающегося постоянного магнита 4.1 на турбинном счетчике 1.1 как сельсин-датчике может обнаруживаться с помощью измерительной катушки 4.2 и таким образом осуществляться подсчет, что можно видеть на фиг.2. На базе результата подсчета может делаться заключение о расходе. Оценка результата измерения, соответственно, подсчет не обязательно должен быть предусмотрен на турбинном счетчике 1.2. Выполненное по меньшей мере в виде датчика (постоянный магнит/измерительная катушка) на турбинном счетчике 1.2 измерительное устройство 4 может также иметь другие сенсоры, чтобы взаимодействовать с турбинным колесом 6 для измерения расхода жидкости.
Для создания этого измеряемого вращательного движения с турбинным счетчиком 1.1 согласована турбина 5, турбинное колесо 6 которой расположено в проточном канале 7 турбинного счетчика 1.1 между впуском 2 и выпуском 3. Направление 7.1 потока жидкости в проточном канале 7 обозначено на фиг.1. Протекание через турбинное колесо 6 осуществляется центростремительно, то есть снаружи внутрь.
Турбинное колесо 6 имеет несколько искривленных лопаток 8, которые, в зависимости от расхода, приводят во вращение турбинное колесо 6. На турбинном колесе 6 закреплен постоянный магнит 4.1, благодаря чему турбинное колесо 6 взаимодействует с измерительным устройством 4 для измерения протекания жидкости.
Чтобы гарантировать высокую чувствительность измерения при сравнительно низкой потере давления на турбинном колесе 6, турбина 5 выполнена в виде радиальной турбины 5.1. При этом жидкость течет к оси 9 вращения турбинного колеса 6 радиально и далее от турбинного колеса 6 аксиально. Радиальная турбина 5.1 выполнена в виде одноступенчатой турбины 5, как можно видеть на фиг.2.
Также предлагаемая изобретением радиальная турбина 5.1 имеет на турбинном колесе 6 однократно искривленные лопатки 8, что означает, что угол β1 потока на входе, соответственно, угол β2 потока на выходе, как можно видеть на виде сверху, на ступичном диске 10 турбинного колеса (часто также называемом задним закрывающим диском) и на переднем закрывающем диске 11 радиальной турбины 5.1 равны. Это снижает гидравлическое сопротивление радиальной турбины 5.1 и, кроме того, способствует короткой и узкой конструктивной форме турбинного колеса 6. При этом создано легкоходное турбинное колесо 6.
Кроме того, турбинное колесо 6 выполнено закрытым с помощью переднем закрывающего диска 11, что уменьшает потери через зазоры и вместе с тем гарантирует быстрый пуск даже при небольших расходах.
Как, в частности, можно видеть на фиг.3, лопатки 8 проходят на входной кромке 8.1 турбинных колес 6, 60, будучи искривлены вперед (β1 ˃ 90 градусов). Благодаря этим искривленным вперед в направлении 16 вращения лопаткам 8 при уменьшенном коэффициенте полезного действия дополнительно снижается потеря давления радиальной турбины 5.1.
Как видно также из фиг.3, угол β1 на входе лопатки заключен между касательной 8.7 на входе и касательной 8.8 к периметру лопатки 8. Искривление Δβ1 вперед относится к углу, на который лопатка 8 наклонена своей касательной 8.7 на входе относительно радиальной протяженности, обозначенной посредством пунктирной линии 8.9.
Кроме того, потери на профиле лопаток 8 уменьшаются благодаря дугообразной входной кромке 8.1, соответственно, дугообразной выходной кромке 8.2, как в деталях можно видеть на фиг.3. Эта дугообразная форма является формой дуги окружности, имеющей сравнительно большой радиус. Благодаря этому образуется относительно толстая передняя и профильная задняя кромка профиля, что выравнивает распределение давления в этой области и дополнительно снижает потери на профиле.
Кроме того, на фиг.3 видно, что лопаточный контур 8.3 лопатки 8 выполнен асимметрично относительно ее средней линии 8.4 профиля, а именно, лопатки 8 имеют в горизонтальной проекции серповидный лопаточный контур 8.3. Это дополнительно снижает потерю давления на радиальной турбине 5.1 и, кроме того, способствует низкому коэффициенту инерции турбинного колеса 6.
Как, кроме того, можно видеть на фиг.3, напорная кромка 8.5 и всасывающая кромка 8.6 лопатки 8 проходят дугообразно, при этом кривизна напорной кромки 8.5 лопаток 8 меньше кривизны всасывающей кромки 8.6 лопаток 8.
Кроме того, лопатки 8 заканчиваются перед всасывающим отверстием 12 турбины 5, что позволяет получить компактно выполненный турбинный счетчик 1.1, который отличается сравнительно низкой потерей давления.
По первому варианту осуществления соответственно фиг.1-3 ось 9 вращения радиальной турбины 5.1 проходит наклонно, а именно, нормально, к направлению 7.2 потока на выпуске 3, соответственно, в данном примере также на впуске 2 турбинного счетчика 1.1. Это незначительно повышает потерю давления, но предпочтительно уменьшает коэффициент инерции турбинного колеса 6.
Для разворота впускного проточного канала 7 предусмотрен разворот 13, который имеет разворотную часть 13.1 в проточном канале 7.
На фиг.4 в качестве второго примера осуществления изображен еще один турбинный счетчик 1.2. Этот второй турбинный счетчик 1.2 отличается от первого турбинного счетчика 1.1 в соответствии с фиг.1 и 2 расположением оси 9 вращения радиальной турбины 5.1 параллельно оси трубы, имеющей впуск 2 и выпуск 3. Так, ось 9 вращения радиальной турбины 5.1 второго турбинного счетчика 1.2 проходит в направлении указанных направлений 7.1, 7.2 потока на впуске и выпуске 2, 3 турбинного счетчика 1.2. Тем самым может упрощаться конструкция в области разворота 13, так как известная из фиг.2 разворотная часть 13.1 отсутствует. Эта конструктивная форма турбинного счетчика 1.2 дополнительно повышает чувствительность измерения.
Все образующиеся между двумя соседними лопатками межлопаточные каналы 14 турбинного колеса 8, если смотреть в направлении 15 потока, выполнены расходящимися. Это приводит к сравнительно низкой потере давления на турбинном колесе. Если смотреть от каждого впуска 14.1 межлопаточных каналов 14, межлопаточные каналы 14 являются мало расходящимися, то есть выполнены, проходя практически на постоянном расстоянии друг от друга, причем это расхождение увеличивается к выпуску 14.2 межлопаточных каналов.
На фиг.5 в качестве третьего примера осуществления изображен еще один турбинный счетчик 1.3. Этот третий турбинный счетчик 1.3 отличается от первого турбинного счетчика 1.1 по существу своим открытым турбинным колесом 60. Таким образом, у турбинного колеса 60 происходит относительное движение между ступичным диском 10 турбинного колеса и передним закрывающим диском 11. Признаки лопаток 8 турбинного колеса 60 совпадают с признаками турбинного колеса 6 в соответствии с фиг.1, причем эти признаки в деталях можно видеть на фиг.3.
Кроме того, турбинный счетчик 1.3 имеет другой формы разворот 13, а именно, на этой разворотной части 13.2 предусмотрены направляющие лопатки 17, которые, подобно направляющему колесу, направляют поток на турбинное колесо 60, соответственно, его лопатки 8. Разворотная часть 13.2 образует также передний закрывающий диск 11 турбинного колеса 60, что особенно упрощает конструкцию.
Как, кроме того, можно видеть на фиг.6, ступичный диск 10 турбинного колеса проходит конически, что дополнительно уменьшает гидравлическое сопротивление радиальной турбины 5.1.
На фиг.7 в качестве четвертого примера осуществления изображается еще один турбинный счетчик 1.4. Этот четвертый турбинный счетчик 1.4 отличается от второго турбинного счетчика 1.2 по существу его открытым турбинным колесом 60.
Таким образом, у турбинного колеса 60 происходит относительное движение между ступичным диском 10 турбинного колеса и передним дисковым колесом 11. Признаки лопаток 8 турбинного колеса 60 совпадают с признаками турбинного колеса 6 в соответствии с фиг.1, причем эти признаки в деталях можно видеть на фиг.3.
Как, кроме того, можно видеть на фиг.7, ступичный диск 10 турбинного колеса 60 проходит конически, что дополнительно уменьшает гидравлическое сопротивление радиальной турбины 5.1. Кроме того, четвертый турбинный счетчик 1.4 имеет разворот 13, имеющий разворотную часть 13.3, которая образует передний закрывающий диск 11.