ШАРИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА С УГЛОВЫМ ПОДВОДОМ ИЗМЕРЯЕМОЙ СРЕДЫ

Предлагаемая полезная модель шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды относится к области измерительной техники, а именно, к устройствам измерения расхода среды путем преобразования частоты вращения шарика в специально созданном вихревом потоке среды в электрический сигнал. Шариковый преобразователь предназначен для использования в системах измерения расхода теплоносителя многоканальных ядерных реакторов типа РБМК и должен устанавливаться в трубопроводах с угловым подводом потока среды.
Известен шариковый расходомер, в котором внутри корпуса, в кольцевой полости, размещен чувствительный элемент - шар, приводимый во вращение потоком измеряемой жидкости, отделенной от основного потока разделительной втулкой, и устройство для создания вращающегося потока жидкости, воздействующего на чувствительный элемент, который двигается в кольцевой полости по дорожке качения (авт. свид. СССР №621961 кл. G 01 F 1/05). Расходомер обладает низким ресурсом работы за счет быстрого износа дорожки качения шара в кольцевой полости.
Известен вертикальный датчик шарикового расходомера (авт. свид. №1474471) кл. G 01 F 1/06, в котором повышен ресурс работы за счет специальной формы кольцевой полости. Но это также не обеспечивает необходимого ресурса работы и высокой точности измерения датчика.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является преобразователь расхода ШАДР-32М, выпускаемый заявителем по ТУ 25-0202 0920-79. Преобразователь содержит корпус, завихритель потока измеряемой среды, образующий с корпусом кольцевую полость, в которой расположен шар, струевыпрямитель и узел съема сигнала. Узлом съема сигнала является магнитоиндукционный преобразователь угловой скорости вращения шара в электрической импульсный сигнал, частота которого пропорциональна скорости измеряемого потока, т.е. объемному расходу.
Данная конструкция, при подаче в нее измеряемой среды под углом 90° характеризуется нестабильностью скорости потока и нестабильностью скорости движения шара в кольцевой полости за счет геометрии ее поверхности. Это приводит к ухудшению метрологических характеристик преобразователя и снижению ресурса его работы из-за ускоренного износа дорожки качения шара в кольцевой полости.
Возникает необходимость замены преобразователя через каждые 25 тыс. часов работы, т.е. ежегодно в хранилища радиоактивных отходов отправляется около 7 тыс. преобразователей, подлежащих замене (около 25 тонн высококачественного металла при массе одного преобразователя 3,5 кг).
Техническая задача, которая ставилась при разработке данной полезной модели, это улучшение метрологических характеристик и увеличение технического ресурса шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды, а также экономия дорогостоящего металла и снижение количества радиоактивных отходов.
Поставленная задача решается за счет того, что шариковый преобразователь расхода с угловым подводом измеряемой среды содержит корпус, завихритель потока, образующий с корпусом кольцевую полость, в которой расположен шар, струевыпрямитель и узел съема сигнала, причем на входе потока в корпус установлен дополнительный струевыпрямитель, имеющий скрещенные лопасти неравной длины, хотя бы одна из которых изогнута навстречу потоку в плоскости его поворота.
При этом в качестве завихрителя используется втулка, содержащая два ряда тангенциальных отверстий с диаметром, равным 1,25÷1,75 радиуса шара, со смещением рядов на угол 360°/2n, где n - количество отверстий ряда.
2
2
2
При этом поверхность кольцевой полости, на которой формируется дорожка качения шара, получена вращением образующей, представляющей собой ветвь параболы y=2px или часть эллипса y=2px-(1-ε)x с центральной осью или осью сжатия, повернутыми на угол 35°÷45° к плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора, с параметром р, равным 1,05÷1,25 радиуса шара и эксцентриситетом ε, равным 0,6÷0,8.
При этом корпус содержит постоянную и заменяемую по мере выработки технического ресурса части, соединяемые друг с другом своими торцами с
помощью выполненных на них чередующихся Г-образных выступов и пазов с возможностью вхождения Г-образного выступа одной части в ответный ему паз другой части и контрящихся затем с помощью кольца с контрящими выступами, сдвигаемыми в пазы для контровки, или с помощью разрезного контровочного кольца, помещаемого в пазы, выполненные в сопрягаемых участках торцов соединяемых частей корпуса.
На фиг.1 представлен прототип предлагаемой полезной модели - преобразователь расхода ШАДР-32М. На фиг.2 изображен общий вид предлагаемого шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды, а на фиг.3 предлагаемый преобразователь, установленный в специальный участок трубопровода аппарата РБМК. На фиг.4 изображен завихритель потока в виде втулки с двумя рядами тангенциальных отверстий. На фиг.5 изображена заменяемая часть корпуса с кольцевой полостью, в которой сформирована дорожка качения шара. На фиг.6 изображено соединение постоянной и заменяемой частей корпуса разработанного преобразователя, причем а) - соединение при помощи Г-образных выступов и кольца с контрящими выступами, б) - кольцо с контрящими выступами и в) - соединение при помощи разрезного контровочного кольца.
Шариковый преобразователь расхода с угловым подводом измеряемой среды содержит корпус 1 с отверстием для углового ввода потока измеряемой среды, струевыпрямитель - 2, дополнительный струевыпрямитель 3, втулку 4, ограничивающую шар 5 от воздействия осевого потока измеряемой среды и образующую вместе с корпусом кольцевую полость 6, в которой по дорожке качения вращается шар 5. В нижней (по потоку) части втулки 4 выполнено два ряда тангенциальных Отверстий 7, закручивающих часть потока измеряемой среды, находящуюся между корпусом и втулкой. Конструкция корпуса преобразователя 1 состоит из постоянной части 8 и заменяемой, по мере износа кольцевой полости, части 9.
Шариковый преобразователь расхода, как и его прототип, вставляется в специальный участок трубопровода 10 аппарата РБМК, предназначенный для его установки и обеспечения возможности его замены и закрывающийся герметичной крышкой 11 со средствами герметизации 12. В осевом направлении преобразователь фиксируется кольцом 13. Снаружи специального участка 10 устанавливается магнитоиндукционный преобразователь 14 скорости вращения
шара 5 в электрический сигнал. Постоянная и заменяемая части корпуса соединяются между собой с помощью разрезного контровочного кольца 15, помещаемого в пазы 16, выполненные на сопрягаемых участках соединяемых между собой частей 8 и 9 корпуса 1 или с помощью расположенных на торцах соединяемых частей 8 и 9 корпуса 1 чередующихся Г-образных выступов 17 и пазов 18, фиксирующихся кольцом 19 с контрящими выступами 20, сдвигаемыми в пазы для контровки 21. Осевая ориентация частей корпуса при сборке осуществляется при помощи центрирующего цилиндрического элемента 22.
Шариковый преобразователь расхода с угловым подводом измеряемой среды работает следующим образом.
Измеряемая среда поступает в постоянную часть 8 корпуса 1 под углом 90° и попадает на установленный на входе в преобразователь дополнительный струевыпрямитель 3. Он имеет скрещенные лопасти неравной длины и хотя бы одну изогнутую лопасть, изменяющую направление потока среды, что предотвращает образование нестабильной вихревой зоны и стабилизирует скорость потока измеряемой среды. Струевыпрямитель 2 установлен ниже по потоку и предотвращает его вращение вокруг продольной оси прибора.
Далее среда попадает на втулку. 4, отделяющую основной поток от кольцевой полости, в которой вращается шар 5; и создающую вращающий поток за счет расположенных в нижней части втулки 4 двух рядов тангенциальных отверстий 7 с диаметром равным 1, 25÷1,75 радиуса шара 5, со смещением рядов на угол 360°/2n, где n - количество отверстий ряда. Это обеспечивает более равномерную по сравнению с прототипом эпюру скоростей, создаваемую вращающимся потоком, и, как следствие, более равномерное вращение шара 5 в кольцевой полости.
2
2
2
Поверхность дорожки качения шара 5 в кольцевой полости (фиг.5) образована вращением вокруг вертикальной оси шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды образующей, представляющей собой ветвь параболы вида y=2px, или часть эллипса вида y=2px-(1-ε)х, где p=(1,05÷1,25) радиуса шара, ε=0,6÷0,8, с центральной осью или осью сжатия, повернутыми на угол 35°÷45° к плоскости, перпендикулярной оси преобразователя и отличается от прототипа более равномерным изменением кривизны профиля поверхности дорожки качения, не имеет участков сопряжения разных радиусов и
отрезков прямых, что исключает резкие изменения тормозящего гироскопического момента, возникающего при переходе шара с одного участка поверхности на другой, это приводит к созданию условий качения шара без проскальзывания по поверхности дорожки качения и, как итог, к уменьшению износа корпуса 1 и поверхности самого шара.
Вращательное движение шара 5 регистрируется узлом съема сигнала 14, в котором происходит преобразование скорости вращения шара при помощи магнитоиндукционного преобразователя в электрический сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу.
Корпус предлагаемого преобразователя состоит из постоянной и заменяемой по мере износа частей 8 и 9, крепящихся друг к другу с помощью разрезного контровочного кольца 15, помещаемого в пазы 16 или с помощью расположенных на торцах частей 8 и 9 корпуса 1, чередующихся Г-образных выступов 17 и пазов 18, фиксирующихся кольцом 19 с контрящими выступами 20 сдвигаемыми в пазы для контровки 21. Осевая ориентация частей корпуса при сборке осуществляется при помощи центрирующего цилиндрического элемента 22, причем время замены заменяемой части корпуса не превышает 5 минут. Такое выполнение корпуса обеспечивает продление ресурса работы шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды и экономию дорогостоящего металла, т.к. сокращается количество металла, подлежащего захоронению в качестве радиоактивных отходов.
Таким образом, разработанная конструкция шарикового преобразователя расхода с угловым подводом измеряемой среды позволяет за счет установки на входе в преобразователь дополнительного струевыпрямителя новой конструкции, создания специальной, без сопряжения разных радиусов и отрезков прямых, поверхности качения шара и завихрителя, в виде втулки с двумя смещенными рядами тангенциальных отверстий, создать более стабильный поток измеряемой среды и более равномерную скорость вращения шара по дорожке качения, т.е. снизить величину случайных погрешностей измерения расхода не менее чем в два раза, улучшив тем самым метрологические характеристики преобразователя, увеличить ресурс его работы с 25 тысяч часов до 40÷45 тысяч часов и сократить с 3,5 кг до 0,78 кг количество дорогостоящего металла, подлежащего захоронению в качестве радиоактивных отходов за счет выполнения конструкции корпуса быстроразъемной, из постоянной и заменяемой частей.