DE1423869C - Strömungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser mit einem in einem zylindrischen Gehäuse angeordneten, an seinem äußeren Umfang mit Rotorflügeln bestückten Rotor, zwei einen Zwischenraum für die Nabe des Rotors begrenzenden, konzentrisch-im Gehäuse angeordneten und sich je vom Zwischenraum weg verjüngenden Strömungsschilden, einer in den Strömungsschilden gehalterten, den Zwischenraum durchquerenden und den Rotor axial frei verschiebbar tragenden Achse, und mit zumindest einer in einem Strömungsschild angeordneten Durchflußleitung, die parallel zur Strömungsrichtung angeordnet ist und in den Zwischenraum zwischen diesem Strömungsschild und der Rotornabe mündet, der durch eine Aussparung in axialer Richtung zu einer offenen Kammer erweitert ist.

Bei Strömungsmessern ist es wünschenswert, den Rotor derart in der Strömung anzuordnen, daß die Rot'ationsreibung des Rotors auf ein Minimum herabgesetzt wird. Eine minimale Reibung des Rotors während des Betriebs erhöht die Genauigkeit der Korrelation zwischen der Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Geschwindigkeit der Strömung, wodurch die Empfindlichkeit der Drehgeschwindigkeit des Rotors in bezug auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit verbessert wird.

Der auf den Rotor einwirkende Reibungswiderstand, der auftritt, wenn der Rotor in einem Strömungsmesser durch, die Strömung gedreht wird, ist eine Folge der axialen Schublasten und der radialen Lagerlasten des Rotors. Der Reibungswiderstand, der durch die radialen Lagerlasten des Rotors hervorgerufen wird, kann dadurch reduziert werden, daß der Rotor in seiner axialen Estreckung so klein als möglich und dessen Gewicht so weit als möglich verringert wird. Die axialen Schublasten können durch Ausgleichsschubkräfte aufgefangen und damit die Reibungswiderstände am Rotor verringert werden.

Zur Verringerung der axialen Schublasten ist es bereits bekannt (deutsche Patentschrift 947 834), vor und hinter dem Rotor stromlinienförmige Strömungsschilde anzuordnen, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Nabe des Rotors. Damit wird auf der Zuflußseite zwischen der Flügelnabe und dem vorderen Strömungsschild eine Sogwirkung bzw. ein der axialen Schublast entgegenwirkender Unterdruck erzeugt. Entsprechend entsteht am überstehenden Strömungsschild der Abflußseite eine Stauwirkung, die zu einer Druckerhöhung zwischen der hinteren Stirnfläche der Flügelnabe und dem Strömungsschild führt. In beiden Fällen ergibt sich eine Kraftwirkung, die der axialen Schublast entgegenwirkt. Diese Schublastverringerung ist jedoch nicht befriedigend, wenn der Strömungsmesser von einer fluktuierenden Strömung durchsetzt wird.

Es ist auch bereits bekannt (USA.-Patentschrift 2 683 224), bei einem mit nur einem Strömungsschild versehenen Strömungsmesser in dem Strömungsschild einen Längskanal anzuordnen, der zu einem durch das Lager der Rotornabe geschlossenen Hohlraum führt. Über diesen Längskanal soll der Flüssigkeitsdruck auf das Ende der Rotorwelle einwirken und dadurch zur Verringerung der axialen Schublast beitragen. Die Wirkung dieser Maßnahme ist jedoch minimal, da das Ende der Rotorwelle gegenüber der stromlinienförmig erweiterten Rotornabe eine sehr kleine Fläche aufweist, so daß eine auf das Rotorwellenende gerichtete Kraft keine wesentliche Schubentlastung bringen kann.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (deutsche Patentschrift 1 168 656), entweder nur im abflußseitigen Strömungsschild oder auch in beiden Strömungsschilden parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Durchflußleitungen anzuordnen, die in einem als offene Kammer ausgebildeten Zwischenraum zwischen dem Strömungsschild und der Rotornabe münden. Dadurch kann sich eine der Schubentlastung dienende Strömung durch die offene Kammer ausbilden.

Bei einem derart aufgebauten Strömungsmesser treten Nachteile auf, da bei plötzlichen, verhältnismäßig starken Fluktuationen der Strömung die in Flußrichtung auftretenden Axialkräfte während der Übergangsphase unerwünscht hohe Werte annehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

einen Strömungsmesser zu schaffen, bei dem trotz

ao relativ einfacher Konstruktion die Axialkräfte am Rotor auch bei stark fluktuierender Strömung weitgehendst ausgeschaltet werden. __

Ausgehend von dem eingangs erwähnten Strömungsmesser wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Durchflußleitungen nur in dem zuflußseitigen Strömungsschild angeordnet sind, und daß der Durchmesser der Rotornabe in an sich bekannter Weise kleiner ist als der größte der Rotornabe benachbarte Durchmesser des abflußseitigen Strömungsschildes.

Durch die ringförmig über die Rotornabe hinausstehenden angrenzenden Durchmesserflächen der Strömungsschilde wird in Zusammenwirkung mit den in die Kammer mündenden Durchflußleitungen imzuflußseitigen Strömungsfeld erreicht, daß auch bei stark fluktuierenden Strömungen während der Übergangsphase eine weitgehende Kompensation der in Flußrichtung auftretenden axialen Schubkräfte bewirkt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die offene Kammer zwischen der Rotornabe und dem Strömungsschild durch eine zylindrische Aussparung in der Stirnseite der Rotornabe gebildet wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Strömungsmesser gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist das Gehäuse eines Strömungsmessers mit 1 bezeichnet. Das Gehäuse 1 begrenzt einen inneren zylindrisch ausgebildeten Durchgang 2 für die Strömung. Die Strömung durch das Gehäuse 1 erfolgt parallel zur Achse des Durchganges 2 in Richtung des Pfeiles 130. Die Strömung kann flüssig oder gasförmig sein. Es kann auch eine Mischphase hindurchströmen. Das Gehäuse 1 ist an jedem Ende mit einem Gewinde versehen, mit welchem es in Strömungsleitungen oder in Kupplungen eingeschraubt werden kann.

Im Gehäuse 1 1st innerhalb des Strömungsweges 2 ein Träger 3 angeordnet, der aus einer Anzahl dünner, voneinander getrennter, stromlinienförmiger Flügel 4 besteht, die am Gehäuse 1 befestigt sind und sich von der Wandung des Gehäuses radial nach innen erstrecken.

Am Träger 3 ist in fester Lage ein Strömungsschild S befestigt, in dessen Innenraum Rippen 7 angeordnet sind, welche innerhalb des Schildes einen.

Block 6 tragen. Die Rippen 7 sind im Abstand voneinander um den Block 6 herum angeordnet, wodurch innere Kanäle innerhalb des Schildes gebildet werden, die sich in den Raum hinter dem Block 6 erstrecken. Im Block 6 ist eine Welle 8 befestigt, die sich vom Block 6 weg erstreckt, und die koaxial zum Durchgang 2 verläuft und zu einem zweiten Strömungsschild 21 führt, welcher in Richtung der Achse des Durchganges 2 vom Schild 5 entfernt angeordnet ist. Der Schild 21 weist innere Rippen 24 und einen Block 25, ähnlich wie die entsprechenden Teile 7 und 6 des Schildes 5, auf. Die Welle 8 ist am Block 25 befestigt und hält dadurch den Schild 21 in einer festen Lage innerhalb des Durchganges 2. Wenn eine größere Stabilität des Schildes 21 gewünscht ist, können zwischen dem Gehäuse 1 und dem Schild 21, in der gleichen Weise wie für den Schild 5 beschrieben, Flügel vorgesehen sein.

Ein Rotor 9 ist gleitbar und drehbar auf der Welle 8 mittels einer Hülsenlagerung 27 gelagert. Der Rotor 9 ist dadurch in der Lage, sich zu drehen und sich in· beiden Richtungen parallel zu seiner Drehachse zwischen den Schilden 5 und 21 zu verschieben. Der Rotor 9 weist eine Nabe 10 auf, welche sich radial nach außen von der Drehachse des Rotors um eine beträchtliche Strecke erstreckt,' um den Querschnitt des Durchganges 2 für die Strömung um einen wesentlichen Betrag zu verengen. Die Nabe 10 ist im allgemeinen zylindrisch ausgebildet. Der Rotor 9 weist eine Anzahl von Blättern 12 auf, die an der Nabe 10 befestigt sind und die sich radial von der Nabe 10 bis dicht zu den Wandungen des Durchganges 2 hin erstrecken. Die Blätter 12 sind symmetrisch verteilt an der Nabe um die Drehachse des Rotors 9 herum angeordnet und verlaufen unter einem Winkel zur Drehachse, wodurch die Strömung durch den Durchgang 2 den Rotor 9 in Drehung versetzt. Die Nabe 10 weist im wesentlichen parallele axiale Enden auf, und diese sowie die Lagerhülse 27 sind von geringer Erstreckung in einer Richtung parallel zur Achse des Rotors 9, um die radialen Lagerlasten zwischen dem Lager 27 und der Welle 8 auf ein Minimum herabzusetzen. Die axialen Enden der Nabe 10 und die benachbarten Enden der Strömungsschilde 5 und 21 sind um einen vorbestimmten Betrag voneinander entfernt angeordnet, damit der Rotor 9 eine gewisse Freiheit hat, axial auf der Welle 8 zu jedem Schild hin und von jedem Schild fort zu gleiten.

Die Enden oder Basen eines. jedea Schildes, die einem axialen Ende der Nabe 10 benachbart angeordnet sind, erstrecken sich in radialer Richtung über die radiale Abmessung der Nabe hinaus und überlappen den äußeren Umfang der Nabe radial. Die Fläche der Überlappung der Basis des Schildes über den äußeren Umfang der Nabe 10 hinaus ist vorbestimmt, und ist näherungsweise gleich der Frontfläche, die von den Blättern 12 der Strömung durch den Durchgang 2 dargeboten wird, wodurch ein wirksamer Querschnitt für die Strömung durch den Durchgang 2 zwischen den Enden der Schilde 5 und 21 über den Rotor 9 hinweg geschaffen wird, der im wesentlichen konstant ist. Jeder Schild 5 und 21 überlappt das benachbarte Umfangsende der Nabe. Das Ende des Schildes 5 und das benachbarte axiale Ende der Nabe 10 begrenzen eine Kammer, welche die Drehachse des Rotors umgibt und welche sich in einer Richtung parallel zu dieser Achse erstreckt.

Eine derartige Kammer ist in Fig. 1 als eine zylindrische Aussparung 11 im axialen Ende der Nabe 10, dem Ende des Schildes 5 benachbart dargestellt. Der äußere Umfang der so begrenzten Kammer liegt radial innerhalb des äußeren Umfanges der Nabe 10, so daß der Teil 14 der Nabe sich vom äußeren Umfang der Kammer nach außen erstreckt und eine ringförmige Öffnung begrenzt, die um die Rotationsachse des Rotors 9 herum verläuft.

ίο Die andere Grenzfläche dieser Öffnung wird durch den benachbarten radialen Teil 13 der Basis des Schildes 5 gebildet. DaJurch, daß der Rotor 9 axial frei auf der Welle 8 gleiten kann, ist die Breite dieser Öffnung in Richtung parallel zur Drehachse des Rotors 9 veränderlich. Die Breite hängt von der Stellung des Rotors 9 relativ zum Teil 13 des Schildes 5 ab. Es ist klar, daß die Kammer von anders ausgebildeten Teilen begrenzt werden kann, beispielsweise von einer konischen statt einer zy-

ao lindrischen Aussparung in der Kammer, oder von einer Aussparung in der Basis des Schildes 5 an Stelle einer Aussparung im axialen Ende der Nabe 10.

Der Schild 5 weist eine innere Durchflußleitung 15

auf, die sich durch den Raum zwischen deR Rippen 7

as in die durch die Aussparung 11 gebildete Kammer erstreckt. Die Leitung 15 geht von einem Punkt innerhalb des Durchganges aus, welcher in axialer Richtung vom Rotor entfernt liegt und in welchem der Strömungsquerschnitt im wesentlichen nicht verengt ist und in welchem ein hoher statischer Druck herrscht. An diesem Punkt weist der Schild 5 Einlasse 16 auf, welche eine Verbindung zwischen dem Durchgang 2 und der Leitung 15 herstellen. Die äußere Form des Schildes 5 ist derart, daß dieser sich vom Rotor 9 weg erstreckend in eine Richtung parallel zur Drehachse des Rotors konvergiert und daß er koaxial zur Drehachse des Rotors konisch geformt ist, wobei die Basis dieses konischen Körpers dem Rotor benachbart liegt. Wenn die Strömung aus einem gasförmigen Medium besteht, wird eine konische Form mit einer scharf zulaufenden Spitze bevorzugt, wie beim Schild 5 in F i g. 1 dargestellt.

■ Auf diese Weise werden die Grenzschichtstörungen an der Oberfläche des Schildes 5 wesentlich herabgesetzt.

Fig. 2 zeigt eine für flüssige Strömungsmittel geeignete Ausbildung. Die Strömungsrichtung durch die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung ist durch die Pfeile 30 dargestellt. Der Träger 31 weist Flügel 32 auf, die einen im allgemeinen konischen, stromaufwärts gelegenen Schild 33 tragen. Dieser Schild 33 ist vom Oberstromende des Rotors 34 in geringer Entfernung angeordnet. Der Rotor 34 ist ähnlich dem Rotor 9 der vorherbeschriebenen Vorrichtung ausgebildet. Eine Welle 35, auf welcher der Rotor 34 gleitbar und drehbar angeordnet ist, ist am Schild 33 befestigt und erstreckt sich koaxial zur Achse des Gehäuses stromabwärts zu einem stromabwärts gelegenen Schild 36, welcher ganz allgemein konisch ausgebildet und als Vollkörper ausgeführt ist. Die Enden der Schilde 33 und 36, die den axialen Enden des Rotors 34 benachbart liegen, sind in axialer Richtung vom Rotor entfernt gehalten und überlappen in radialer Richtung den äußeren Umfang der Nabe des Rotors 34 in der Weise, wie es oben für die Vorrichtung nach Fig. 1 beschrieben worden ist. Der stromaufwärts gelegene Schild 33 weist Durchflußleitungen 37 auf, die zu einer zylindrischen

Aussparung 38 im Schild führen. Diese Aussparung 38 bildet eine Kammer zwischen den Enden des Schildes 33 und dem benachbarten axialen Ende der Nabe des Rotors 34. Der stromabwärts gelegene Schild 21 gemäß F i g. 1 kann auch hohl ausgebildet s und über Rippen 24 mit dem Block 25 verbunden sein.

Es können an sich bekannte Mittel vorgesehen sein, die in Fig. 1 mit 41 und in Fig. 2 mit 42 bezeichnet sind, und die außen am Gehäuse in der Rota- tionsebene der Blätter der Rotoren 9 oder 34 angeordnet sind, und die Drehgeschwindigkeit des Rotors abtasten. Diese Mittel 41 und 42 sind an sich bekannt und können beispielsweise veränderliche magnetische Widerstandsaufnehmer sein.

,Die stromaufwärts gerichtete Schubkraft, die auf den Rotor einwirkt, und die durch den stromabwärts gelegenen Schild erzeugt, wird durch eine Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung in statischen Druck erzeugt. Diese Umwandlung findet am stromabwärts gelegenen axialen Ende der Rotoren 9 und 34 statt. Die Strömung stößt gegen den Teil des stromabwärts gelegenen Schildes 21 bzw. 36, der den äußeren Umfang der Nabe des Rotors überlappt. Die stromabwärts gerichtete as Schubkraft auf den Rotor wird dadurch erzeugt, daß die Stelle mit hohem statischen Flüssigkeitsdruck über die Durchflußleitungen 15 bzw. 37 mit der Kammer 11 bzw. der Aussparung 38 verbunden ist. Weitere Schubkräfte wirken noch auf den Rotor ein, beispielsweise Widerstandskräfte und Schubkräfte, die an den Rotorblättern angreifen. Wie bereits ausgeführt wurde, wirkt die Resultante der Schubkräfte oder deren Differenz derart auf den Rotor ein, daß sie sich selbst durch die Veränderung der ringfönnigen öffnungen zwischen den axialen Enden des Rotors und den benachbarten Enden der Schilde neutralisieren oder kompensieren. Auf diese Weise werden die auf den Rotor übertragenen Schubkräfte in der Weise verändert, daß die Rückkopplungsschubkraft praktisch auf Null reduziert wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser mit einem in einem zylindrischen Gehäuse angeordneten, an seinem äußeren Umfang mit Rotorflügeln bestückten Rotor, zwei einen Zwischenraum für die Nabe des Rotors begrenzenden, konzentrisch im Gehäuse angeordneten und sich je vom Zwischenraum weg verjüngenden Strömungsschilden, einer in den Strömungsschilden gehalterten, den Zwischenraum durchquerenden und den Rotor axial frei verschiebbar tragenden Achse, und mit zumindest einer in einem Strömungsschild angeordneten Durchflußleitung, die parallel zur Strömungsrichtung angeordnet ist und in den Zwischenraum zwischen diesem Strömungsschild und der Rotornabe mündet, der durch eine Aussparung in axialer Richtung zu einer offenen Kammer erweitert ist, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitungen (15,37) nur in dem zuflußseitigen Strömungsschild (5, 33) angeordnet sind, und daß der Durchmesser der Rotornabe in an sich bekannter Weise kleiner ist als der größte der Rotornabe benachbarte Durchmesser des abflußseitigen Strömungsschildes (21, 36)

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Kammer zwischen der Rotornabe und dem Strömungsschild (33) durch eine zylindrische Aussparung in der Stirnseite der Rotornabe gebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen