2-ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР С ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЕМ ПО РАЗНОСТИ ОСЕВЫХ СИЛ И СПОСОБЫ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ
2-TURBINE FLOW METER WITH ANTISKID COMPONENT FROM DIFFERENCE OF AXIAL FORCES AND METHODS OF MAKING AND TESTING SAME

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к калибровке, изготовлению и испытанию 2-турбинного расходомера на потоке с компенсацией возмущений и скольжения, действующих на основную винтовую (аксиальную) вертушку (турбинку). При этом необходимость во встроенных больших (пруверных, трубопоршневых, трубошаровых, весовых, камерных) проливных образцовых установках отпадает. Расходомеры турбинного типа с погрешностью менее 0,5% используются в течение многих десятилетий при измерении текучих сред как нефть, газ и др. Этот тип измерения остается очень популярным из-за своей простоты, повторяемости, надежности и относительно высокой точности даже по сравнению с многотонными камерными счетчиками и крупногабаритными пруверными установками, причем при больших расходах потока это особенно заметно. В тоже время со времен конца 70-х годов реальной компенсации скольжения турбинки на форсаже двигателей самолета Ту-160 еще имеется непонимание правильного использования технологий компенсации скольжения турбинки при измерениях расходов текучих сред. В то время как, например, мостовые технологии компенсации возмущений давно дают удивительный эффект высокой точности и широко используются при измерениях масс и сил, например, при ювелирном взвешивании драгоценных металлов, например, с погрешностью 0,005% в диапазоне 0-200 г. Это очень дешево (200 руб.), а простота и удобство вызывают удивление. Изобретение направлено на то, чтобы устранить неосознанные дефекты будущих конструкций и непонимание при применении разности осевых сил в 2-турбинных расходомерах.
Высокая точность с широким диапазоном в турбинных расходомерах достигается также по моему патенту RU 2506597 с компенсацией скольжения вертушки в точке перегиба силовых характеристик с анализом спектра гармоник. Наиболее полно это изобретение и сферы его применения в глобальных информационных сетях описаны на моем именном сайте Google https://sites.google.com/site/absmeleva/, некоторые подтвержденные данные в лабораториях есть, а доведенных образцов до эксплуатации, как в опытно-конструкторских бюро, нет.
Если рассматривать конкретно данное изобретение, то его недостаток - в цикличности калибровки с выездом на место или с дистанционным управлением со смартфона, что для специфичных, например, северных условий эксплуатации не является удобным.
Поэтому приходится искать более простые для понимания и применения варианты изобретений с компенсацией скольжения вертушки, в том числе и те, которые реально применялись при доводке сложной и серьезной техники в конце 70-х годов прошлого столетия.
Подтвержденная высокая точность турбинного расходомера с компенсацией скольжения вертушки (с результирующей погрешностью 0,13% на 1 этапе работ и 0,075% на 2 этапе в ходе перерасчетов), достигнутой впервые в мире с помощью изобретения по авторскому свидетельству SU 1058415 на изобретение «Турбинный преобразователь расхода И.П. Андреева», примененное в авиадвигателях НК-32 на форсаже сверхзвукового самолета Ту-160. Имеется также разъясняющая теорию и эксперименты статья автора: Андреев И.П. Портативные и встроенные калибраторы расхода: основы теории компенсации скольжения вертушки // «Датчики и системы», Институт проблем управления РАН, 2006. №3. С. 42-45.
Согласно реферату данного изобретения это «Турбинный преобразователь расхода, содержащий аксиальную турбинку с полым валом, установленную на подшипниках, измеритель перепада давлений, входы которого посредством каналов отбора давлений соединены с приемниками давления, выполненными в виде отверстия на лопасти турбинки, а выход с корректирующим устройством, и узел съема сигнала частоты вращения турбинки, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и расширения диапазона использования, отверстия - приемники давления выполнены сквозными и расположены на разных лопастях турбинки, образующих общий межлопастной проточный канал, а каналы отбора давлений выполнены в виде проложенных в смежных межлопастных проточных каналах турбинки трубок от лопастей с приемными сквозными отверстиями до полого вала турбинки».
Недостаток изобретения - согласованные при работе узкие динамические диапазоны расхода и вязкости с реальным охватом турбулентной, переходной и ламинарной областей течения (4:1 в эксперименте для обоих случаев), что раньше никогда не делалось.
Имеется также потенциальная возможность засорения отверстий приемников давления на вращающейся турбинке. Дефект засорения отверстий на применяемом авиационном топливе не подтвердился, хотя промывка по трубкам это тоже допустимый вариант. Кроме того, радиус установки отверстий в турбинке, равный 22 мм, строго фиксирован в трубе диаметром условного прохода 60 мм, в то время как профиль эпюры скоростей в потоке может меняться при переходе с турбулентного на переходной и ламинарный режимы. И это вносит необходимые работы по доводке изделия.
Ближе всего к сути компенсации скольжения аксиальной вертушки по разности осевых сил относятся следующие изобретения.
Известен 2-турбинный расходомер по патенту US 3710622 А с разными винтовыми турбинками с электрическим сигналом частотой, связанной с разностью частот первого и второго сигналов от 2-х турбинок.
Недостаток - нет полной компенсации скольжения, отсюда низкая точность.
Известен 2-турбинный расходомер по авторскому свидетельству SU 1016677, содержащий установленные внутри трубопровода одну за другой две турбинки, и их узлы съема сигнала, выходы которых подключены к входам делителя частот, преобразователь аналог - код, вход которого соединен с выходом узла съема сигнала турбинки, расположенной первой по потоку, а выход - с одним из входов блока коррекции, второй вход которого соединен с выходом делителя частот, а выход - с вторичным прибором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях непостоянства эпюры скоростей, в нем лопастная решетка турбинки, установленная второй по потоку, расположена в пристенной области трубопровода и имеет внутренний диаметр не менее 0,75 диаметра трубопровода, причем отношение высоты лопастей второй турбинки к высоте лопастей первой составляет не более 0,5.
Практически были скомплектованы 2 идентичных стандартных турбинных расходомера, один из которых был доработан по изобретению, оба расходомера были заочно пролиты на образцовом стенде с изменяемой вязкостью жидкости, но результаты обработки не дали существенных понятных зависимостей со скольжением, что было желательно.
Таким образом, возможный недостаток данного изобретения - низкая точность.
Потенциально высокая точность в широком диапазоне расходов наблюдается в тех 2-турбинных расходомерах, у которых дополнительная турбинка не винтовая, а прямолопастная без вращения (с нулевым углом атаки относительно потока) и настроена на параметр, связанный со скольжением винтовой турбинки стабильной и прямо пропорциональной зависимостью. Такие изобретения тоже известны.
Известен измерительный прибор турбинного типа, измеряющий с постоянной точностью, по патенту US 4286471 международной корпорации Rockwell по НКИ 73-861-84 и МПК G01F 1/08, опубликованному также в журнале «Теоретические основы инженерных расчетов», 1982, т. 104, №2, с. 108, в статье Ли и др. «Газовый турбинный расходомер с автоматической проверкой и корректировкой работы». В комбинации в турбинном расходомере имеется дополнительное чувствительное устройство, например вертушка, откликающаяся на «закрученный» поток среды для измерения его отклонения и сигнальное устройство.
Недостатком устройства является очень низкая чувствительность к закрутке потока и углу атаки основной турбинки. Любое измерение за основное турбинкой ведет к весьма заметной нечувствительности второй. Причем чем дальше от закрученного потока, тем хуже для чувствительности дополнительной турбинки к закрутке потока и к ее трению в подшипниках. Эпюра скоростей тоже меняется и влияет на показания турбинного расходомера.
Аналогичный недостаток у предшествующего изобретения по авторскому свидетельству SU 187340 от 1966 года, на которое ссылается патент US 4286471. Ссылка и копия дана для справки и большей убедительности. Измерение закрутки потока за основной турбинкой это, строго говоря, тоже не чистая компенсация или коррекция скольжения турбинки, а что-то более сложное и плохо коррелирующее со скольжением.
Известны более совершенные турбинные расходомеры по авторским свидетельствам SU 1174753 и SU 653984 МПК G01F 1/12 с одним или двумя осевыми датчиками осевой силы винтовой и прямолопастной «турбинок». Турбинки только внешне идентичны. Общий недостаток турбинок - неодинаковое на них влияние эпюры скоростей потока в трубе с учетом разных режимов течения вдоль лопастей, втулки и кромок ламинарного, переходного и турбулентного.
Ротаметр с 2-мя вертушками по авторскому свидетельству SU 1315809 имеет тот же недостаток - неодинаковое на них влияние эпюры скоростей.
В данном изобретении эта проблема решена. При этом надо знать, как нарезаются на токарном станке турбинки, чтобы обеспечить их идентичность.
Известен способ изготовления винтовых турбинок (Экспресс-информация. Контрольно-измерительная техника. 1967, №14, с. 22-33. Публикация 91. Миниатюрный турбинный расходомер для малых расходов. Edge R.M. A miniature turbine flowmeter for low rates. // J. Scient. Instrum., 1967, 44, No 1, 12-16).
Для увеличения прочности пластик турбинки помещают, например, в жидкий азот. В этих условиях не было замечено тенденции к раскалыванию пластика в процессе обработки. В то же время жидкий азот предупреждает оплавление заготовки под действием режущего инструмента, что способствует получению чистой поверхности (стружка прилипает только вдоль кромок лопастей). И т.д., всего неполных 3 страницы 30-32 с рисунками по изготовлению и сборке вертушки, не считая теории профиля резца и испытаний.
Метод позволяет получать на токарном станке идентичные винтовые турбинки, но никак не отдельно винтовые и прямолопастные, которые отличаются профилями, кромками и шероховатостью поверхностей лопастей и втулок. Это недостаток способа изготовления.
Указанный недостаток устраняется тем, что лопасти турбинок выполнены идентичными по ширине, верхним, передним и задним кромкам и шероховатости поверхностей лопастей. Кроме того, шероховатости дисков идентичны.
Что касается способа испытания и настройки 2-турбинного расходомера, то применение идентичных синхронных задвижек перед обеими турбинками может частично решить данную проблему.
Изобретение содержит следующие признаки и отличается следующим:
1. 2-турбинный расходомер с противоскольжением (компенсацией скольжения) по разности осевых сил винтовой и прямолопастной турбинок, содержащий датчики осевых сил обеих турбинок, узел частоты вращения винтовой турбинки, схему вычитания сигналов осевых сил, вычислительное устройство и устройство отображения расхода, отличающееся тем, что прямые лопасти, боковые кромки, втулка и шероховатость прямолопастной турбинки выполнены по размерам и свойствам равноценной винтовой турбинки с поворотом прямых лопастей по потоку, а втулка удлинена по длине потока в нижней части винтовой турбинки.
2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что датчики осевых сил выполнены пьезоэлектрическими и имеют входы для подключения генератора для создания периодических вибраций подшипниковых узлов от трения сцепления в осевом направлении.
3. Способ изготовления расходомера по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве заготовки прямолопастной турбинки используют одну из винтовых турбинок, лопасти которой выдавливают или прессуют в равноценную плоскость до линий соединения лопастей с втулкой, делают вдоль соединений с втулкой щелевые прорези и все полученные плоские лопасти радиально разворачивают и юстируют торцевым шаблоном (точно подгоняют) вдоль оси втулки и вдоль потока,
4. Способ изготовления расходомера по п. 3, отличающийся тем, что щелевые прорези между лопастями и втулкой заваривают и повторно юстируют (точно подгоняют) торцевым шаблоном по профилю прямолопастной турбинки.
5. Способ испытания расходомера по п. 1 и 2, отличающийся тем, что обе турбинки юстируют в потоке по разности осевых сил с одинаковым перекрытием потока задвижкой перед каждой турбинкой.
6. Способ испытания расходомера по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обе турбинки юстируют в потоке по разности осевых сил с одинаковым перекрытием потока задвижкой перед каждой турбинкой, причем идентичные задвижки предварительно градуируют образцовыми трубами по диаметру, а по внешней стороне задвижки устанавливают шкалу с последующими размерами откалиброванного зазора.
Изобретение поясняется рисунками.
Турбинный расходомер на фиг. 1 содержит 1 - трубопровод с потоком и разными эпюрами скоростей 2 и 3, 4 - винтовую турбинку в потоке с датчиком осевой силы 5 и узлом частоты вращения 6, прямолопастную турбинку 7, с втулкой 8 и лопастями 9. Между лопастями 9 и втулкой 8 имеются щелевые прорезы 10, возможно закрытые сваркой. Прямолопастная турбинка 7 имеет датчик 11 осевой силы, идентичный датчику 5. Оба датчика дают разностный сигнал в узле 12. К датчикам 11 и 5 периодически подключается генератор 13 для выработки сигнала вибраций и снятия трения сцепления. Имеется вычислительное устройство 14 и показывающее устройство 15, соединенные как показано.
На фиг. 2 показан торцевой шаблон 16 для спрямления винтовых лопастей дополнительной винтовой турбинки и для контроля изготовления. Их может быть несколько с разными размерами щелей 17 и отверстий 18 под втулку. Показано только 2 щели, но на самом деле их столько, сколько лопастей.
На фиг. 3 показано размещение задвижек 19 и 20 относительно прямолопастной вертушки 21 и винтовой турбинки 22.
На фиг. 4 показана фотография типовой задвижки 19 и 20.
На фиг. 5 показана задвижка с калибрующей трубой 23 и со шкалой 24, на которую наносятся деления, соответствующие результатам градуировки.
2-турбинный расходомер и способы изготовления и испытания работают следующим образом.
Поток текучей среды (нефть, газ и т.д.) перемещается в трубопроводе 1 с реально разными эпюрами скоростей 2 и 3, вращая винтовую турбинку 4 со скольжением относительно потока и действием на датчик осевой силы 5 и узел частоты вращения 6. Также поток действует на прямолопастную турбинку 7, с втулкой 8 и лопастями 9, но только в осевом направлении и эта турбинка не вращается.
Между лопастями 9 и втулкой 8 выполнены щелевые прорезы 10 для того, чтобы после выпрямления лопастей в плоскость их можно было развернуть в осевом направлении потока.
После разворота и юстировки лопастей с помощью шаблона 16 с отверствием 18 и прорезями 17 щелевые прорези можно закрыть сваркой 10. Прямолопастная вертушка 7 имеет датчик 11 осевой силы, идентичный датчику 5. Оба датчика дают разностный сигнал в узле 12. К датчикам 11 и 5 периодически подключается генератор 13 для выработки сигнала вибраций и снятия трения сцепления. Имеется вычислительное устройство 14 с алгоритмом обработки и показывающее устройство 15, соединенные как показано.
Алгоритм компенсации скольжения использует в своей основе формулу, выведенную ранее Андреевым И.П. В этой формуле важно то, что разность 2-х осевых сил с 2-х турбинок прямо пропорциональна скольжению винтовой вертушки и скоростному потоку (произведению плотности текучей среды на квадрат скорости потока). Этого достаточно для составления программы, по которой работает вычислительное устройство 14.
Торцевой шаблон 16 предназначен для спрямления винтовых лопастей дополнительной винтовой турбинки и для контроля изготовления. Их может быть несколько или набор шаблонов с разными размерами щелей 17 и отверстий 18 под втулку. Показано только 2 щели, но на самом деле их столько, сколько лопастей.
На фиг. 3 показано размещение задвижек 19 и 20 относительно прямолопастной вертушки 21 и винтовой турбинки 22.
На фиг. 4 показана фотография типовой задвижки 19 и 20.
На фиг. 5 показана задвижка с калибрующей трубой 23 и со шкалой 24 на которую наносятся деления, соответствующие результатам градуировки.
Следует пояснить технологию испытаний. Чтобы менять в потоке вязкость среды, нужны условия смены текучих сред или изменение температуры. Здесь, напротив, задвижками 19 и 20 меняется эпюра скоростей в трубопроводе и вносятся возмущения в эпюру скоростей, более значительные, чем от изменения вязкости.
При определенных условиях турбинные расходомеры будут сразу воспринимать влияния, без смены состава текучей среды или изменения температуры. Производительность испытаний по возмущениям существенно возрастает.