DE19509858A1 - Strömungsgleichrichter für einen Turbinenlaufrad-Gaszähler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beeinflussen der Strömung und insbesondere einen Strömungsgleich- bzw. ausrichter zum Beseitigen von Wirbeln in einem Gasstrom, der durch ein Strömungsrohr fließt, wobei diese Vorrichtung aus einer Platte besteht, die eine bestimmte Dicke aufweist und in der ein kreisförmig symmetrisches Lochmuster vorge­ sehen ist.

Turbinenlaufrad-Gaszähler bzw. -Gasmesser sind standar­ disiert und kalibriert in Installationen, die ideale Strömungen aufweisen. Der Gasstrom, der sich der Meß­ einrichtung annähert, besitzt eine kreisförmig symmetri­ sche Geschwindigkeitsverteilung und es werden in der Standardisierungsinstallation Vorsichtsmaßnahmen ge­ troffen, um jegliche Wirbel zu beseitigen. Die Strömung nähert sich an ein vollständig entwickeltes Strömungs­ profil in einem unendlich langen geraden Rohr an. In der Praxis werden diese Meßeinrichtungen in Stationen ver­ wendet, die viele Biegungen bzw. Knie, Ventile, Armaturen, Einengungen und Erweiterungen oder sogar Drucksteuerein­ richtungen besitzen, die bewirken, daß die Strömung un­ gleichförmig und möglicherweise stark turbulent ist. Der internationale Standard ISO 9951 "Measurement of gas flow in closed conduits - Turbine meters" erfordert, daß der Hersteller Anpaß-Anweisungen für den Gaszähler liefert, so daß in der Praxis der Meßfehler nicht größer ist als ein Drittel des unter idealen Bedingungen erlaubten Fehlers. Für größere Strömungsraten beläuft sich dies auf ein Drittel von 1% und für niedere Strömungsraten auf ein Drittel von 2%.

Die Abhängigkeit eines Strömungsmessers vom Strömungs­ profil, mit dem er konfrontiert wird, trifft nicht nur auf Turbinenlaufrad-Gaszähler sondern auch auf andere Strömungsmesser, wie z. B. Drosselscheiben bzw. Meßblenden zu. Für Lochscheiben sind Strömungsgleichrichter im internationalen Standard ISO 5167 definiert. Diese Strömungsgleichrichter sollten mit einem Abstand vor der Lochplatte eingepaßt werden, der das 22-fache des nominalen Durchmessers beträgt. Die nächste Störung sollte sich dann in einem Abstand stromaufwärts vom Strömungsgleichrichter befinden, der das 20-fache des Nominaldurchmessers beträgt. Die gesamte Flächen-Flächen- Abmessung wird dann gleich dem 44-fachen des Nominal­ durchmessers plus der Länge des Strömungsgleichrichters.

Für Turbinenlaufrad-Gasmesser werden ähnliche Strömungs­ gleichrichter verwendet. Da der Turbinenlaufrad-Gaszähler aufgrund seiner Natur gegen Störungen im Strömungsprofil weniger empfindlich ist, wird in diesem Fall eine kleinere Flächen-Flächen-Abmessung gewählt und dennoch eine gute Verminderung des Einflusses abweichender Strömungsprofile erzielt.

Strömungsgleichrichter bestehen aus einer oder mehreren perforierten Platten, die Löcher von gleicher oder unter­ schiedlicher Größe aufweisen oder aus einer Baugruppe aus runden oder quadratischen Rohren, die in das Rohr in axialer Richtung eingepaßt sind, oder aus einer Kombi­ nation solcher Anordnungen.

Das britische Patent GB 1,375,908 beschreibt einen Strö­ mungsgleichrichter, der aus einer Platte mit runden Lo­ chern besteht. Dieses Patent beschreibt einen japanischen Stand der Technik, der die Verwendung eines Strömungs­ gleichrichters einschließt, welcher aus einer Platte be­ steht, in der eine große Anzahl von Löchern vorgesehen ist. Diese Strömungsgleichrichter wurden zur Verwendung mit Lochplatten konstruiert. Diese Strömungsgleichrichter wurden für eine Verwendung in Kombination mit Lochplatten optimiert. Alle diese bekannten Strömungsgleichrichter wurden primär für eine Verwendung mit Lochplatten kon­ struiert und die Optimierung der Einpaßposition wurde in entsprechender Weise insbesondere im Hinblick auf die Verwendung mit Lochplatten durchgeführt. Die vor­ liegende Erfindung schafft einen Strömungsgleichrichter, der speziell für eine Verwendung in Verbindung mit einem Turbinenlaufrad-Gaszähler konstruiert und optimiert wor­ den ist. Ein wesentlicher Parameter der Strömungsgleich­ richter ist der permanente Staudruckverlust, den sie bewirken.

Ein herkömmlicher Turbinenlaufrad-Gaszähler besteht aus einem Körper, der mit Hilfe von Speichen in ein Rohr eingepaßt ist, durch das ein Gas strömt. Die Strömung wird auf den ringförmigen Spalt zwischen dem zentralen Körper und einem äußeren Zylinder gerichtet.

Ein Schaufelrad ist so eingepaßt, daß sich die Schaufeln in dem ringförmigen Spalt befinden, so daß das Schaufel­ rad durch das durch den Spalt fließende Gas angetrieben wird. Im allgemeinen sind oberhalb des Schaufelrades ein­ fache Strömungsgleichrichter angeordnet, beispielsweise in der Form von flachen Speichen zwischen dem zentralen Körper und dem äußeren Zylinder. In manchen Rohren wurden auch Platten mit Löchern vorgesehen, die als einfache Strömungsgleichrichter verwendet wurden.

Die Abmessungen dieser bekannten einfachen Strömungs­ gleichrichter wurden nicht in Bezug auf ihre Leistungs­ fähigkeit optimiert, was sich zeigt, wenn die Strömungs­ messer unter Verwendung von Störungen gemäß ISO 9951 getestet werden. Dieser Standard spezifiziert vier Kon­ figurationen zur Erzeugung von gestörten Geschwindigkeits­ verteilungen. Diese vier Störungen können in zwei Gruppen klassifiziert werden, die zueinander spiegelbildlich sind. Während die eine nach links rotierende Wirbel erzeugt, verursacht die andere einen nach rechts rotierenden Wirbel. Die Störungen können weiterhin eingeteilt werden, in eine, die eine starke Störung verursacht und eine, die eine schwache Störung bewirkt. Die Störung umfaßt nicht nur die Erzeugung eines Wirbels sondern auch einer markanten Inhomogenität in der Geschwindigkeitsverteilung.

Ziel der Erfindung ist ein Strömungsgleichrichter, der derart optimiert ist, daß die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten und daß die Messungen, die vermittels eines Turbinenlaufrad-Gaszählers durchgeführt werden, der mit einem erfindungsgemäßen Strömungsgleichrichter versehen ist, Meßwerte liefern, bei denen der auf Störungen beruhende Fehler ein Drittel oder weniger des nominal er­ laubten Fehlers beträgt.

Dieses Ziel der Erfindung wird mit Hilfe eines plattenför­ migen Strömungsgleichrichters erzielt, wobei die Platte mit einer Anzahl von Löchern versehen ist, die regelmäßig über die Oberfläche der Platte verteilt sind, wobei der Durchmesser dieser Löcher kleiner ist als das 0,1-fache des Durchmessers des Strömungsrohrs, wobei weiterhin die Gesamtfläche der Summe der Querschnitte der Löcher zwi­ schen dem 0,4-fachen und 0,8-fachen der Fläche des Quer­ schnittes des Strömungsrohrs liegt, wobei weiterhin der Durchmesser des größten Loches kleiner ist als das 1,3- fache des Durchmessers des kleinsten Loches, und wobei schließlich die Dicke der Platte kleiner ist als der Durchmesser des größten Loches und zwischen dem 1- und 0,6-fachen des Durchmessers des größten Loches liegt. Ein solcher Strömungsgleichrichter gemäß der Erfindung stellt sicher, daß dann, wenn er in Verbindung mit einem Turbinenlaufrad-Gaszähler verwendet wird und wenn Stö­ rungen erzeugt werden, wie sie in ISO 9951 beschrieben sind, der durch die Störungen bewirkte Meßfehler unter­ halb von 0,2% bleibt, ohne daß zusätzliche Strömungs­ gleichrichter oder zusätzliche gerade Stücke dazwischen­ gesetzt werden.

Die Größe der Löcher in dem Strömungsgleichrichter gemäß der Erfindung ist im Mittel gleich dem etwa 1/10-fachen des nominalen Rohrdurchmessers D und die offene Fläche kann gleich etwa 50% der gesamten offenen Fläche sein, wobei jedoch eine sehr gute Unterdrückung der Wirbel erzielt wird. Als Folge hiervon bleibt der Staudruckverlust über die Platte begrenzt. Darüber hinaus ist die Steifigkeit der Platte immer noch so, daß keine zusätzliche Versteifung erforderlich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Leitungsabschnitt 1 mit einem Strömungs­ gleichrichter gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Strömungsgleichrichters gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Turbinenlaufrad- Gaszähler längs der Linie III-III aus Fig. 1, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungs­ form eines Turbinenlaufrad-Gaszählers.

Fig. 1 zeigt einen Leitungsabschnitt 1 mit einer Biegung bzw. einem Knie 2. In dem Leitungsabschnitt 1 befindet sich ein Turbinenlaufrad-Gaszähler bzw. -Gasmesser 3 und ein Strömungsgleichrichter 4. Der Turbinen-Gaszähler 3 ist mit Schaufeln 5 versehen und so montiert, daß er auf Lagern auf einem zylindrischen Körper 6 läuft, der mit der Hilfe von plattenförmigen, radialen Speichen oder Flügeln 7 konzentrisch im Leitungsabschnitt 1 angeordnet ist. Die Länge der Flügel 7 in axialer Richtung liegt zwischen dem 0,8- und 1-fachen der Quadratwurzel der mittleren offenen Fläche des Durchganges zwischen den Flügeln 7. Das Ende 8 des zylindrischen Körpers 6, das dem Strömungsgleichrichter 4 zugewandt ist, ist strom­ linienförmig und im wesentlichen konisch. Zwischen dem zylindrischen Körper 6 und der Innenseite des Leitungs­ abschnittes 1 befindet sich ein ringförmiger Spalt 9. Zwischen dem Strömungsgleichrichter 4 und dem konischen Ende 8 des zylindrischen Körpers 6 ist ein Freiraum 10 frei gelassen. Der Strömungsgleichrichter 4 besteht aus einer kreisförmigen Platte 11, die in dem Leitungs­ abschnitt 1 so angeordnet ist, daß sie in diesem passend sitzt. Die kreisförmige Platte 11 ist mit Durchgängen 12 versehen. Die Dicke der Platte 11 liegt zwischen dem 0,8- und 1-fachen der Quadratwurzel der mittleren offenen Fläche der Durchgänge 12.

Durch den Leitungsabschnitt 1 strömt ein Gas vom Knie 2 am Strömungsgleichrichter 4 und dann am Turbinenlaufrad- Gaszähler 3 vorbei. Bevor das Gas den Bereich der Biegung 2 erreicht, strömt das Gas in der Mitte der Leitung schnel­ ler als in der Nähe der Innenwand der Leitung und die Gas­ strömung kann durch ein Strömungsprofil 13 dargestellt werden. Ein Gas, das unter idealen Bedingungen durch eine Leitung ohne Störungen fließt, zeigt ein Strömungsprofil 13 dieser Art. Nach Passieren der Biegung 2 strömt das Gas in der Mitte des Leitungsabschnittes 1 weniger schnell als das Gas, das sich näher an der Innenwand der Leitung befindet, und die Gasströmung kann somit durch ein Strö­ mungsprofil 14 dargestellt werden. Wäre ein Turbinenlauf­ rad-Gaszähler in einer solchen Strömung angeordnet, so würde das Gas an den Schaufeln 5 mit einer höheren Ge­ schwindigkeit vorbeiströmen, und der Turbinenlaufrad- Gaszähler würde eine größere Strömung messen, als dies der Fall wäre, wenn das Gas an dem Turbinenlaufrad-Gas­ messer entsprechend dem Strömungsprofil 13 vorbei strömen würde. Um das Gas zu veranlassen, hinter der Biegung 2 wieder in Übereinstimmung mit einer gleichförmigen Strömungs­ verteilung zu strömen, ist der Strömungsgleichrichter 4 in Strömungsrichtung hinter der Biegung in den Leitungsab­ schnitt 1 eingefügt worden. Nach Durchströmen des Strömungs­ gleichrichters 4 strömt das Gas in den Freiraum 10 beispiels­ weise entsprechend dem Strömungsprofil 15. In dem Freiraum 10 findet eine Übertragung von kinetischer Energie statt, die sicherstellt, daß die Strömung in dem ringförmigen Spalt 9 tatsächlich gleichförmig ist. Das Gas strömt dann an den Flügeln 7 vorbei, vermittels derer der zylindrische Körper 6 aufgehängt ist. Diese Flügel 7 wirken als zweiter Strömungsgleichrichter, so daß das Gas, das an den Flügeln vorbei geströmt ist, an den Schaufeln 5 mit einer noch gleichförmigeren Verteilung vorbei strömt. Wenn ein erfin­ dungsgemäßer Strömungsgleichrichter 4 in Strömungsrichtung gesehen vor dem Turbinenlaufrad-Gasmesser 3 positioniert worden ist, zeigen die Messungen als Folge hiervon einen wesentlich kleineren Meßfehler, als dies bisher üblich war. Wenn irgendeine Art eines zweiten Strömungsgleichrichters verwendet wird, der aus einem Satz von Flügeln besteht, so kann der Meßfehler sogar noch weiter vermindert werden.

Fig. 2 zeigt einen Teil eines Strömungsgleichrichters 4. Der Strömungsgleichrichter 4 besteht aus einer kreisför­ migen Platte 11, die mit Durchgängen 12 versehen ist. Die Dicke der Platte 11 liegt zwischen dem 0,8-fachen und 1-fachen der Quadratwurzel des mittleren offenen Bereichs der Durchgänge 12. Die Durchmesser der Durchgänge 12 sind nicht identisch. Ein äußerster Kranz von Durchgängen 12 umfaßt Durchgänge 16.

Es hat sich auf empirischem Weg gezeigt, daß man ein sehr gutes Ergebnis erhält, wenn bei einem Durchmesser des Leitungsabschnittes von 105 mm der Durchmesser der äußersten Durchgänge 16 10 mm beträgt. Innerhalb dieses Kranzes bzw. Kreises ist ein zweiter Kranz von Durch­ gängen 17 angeordnet, die einen Durchmesser von 8 mm besitzen. Weiter nach innen ist ein dritter Kreis von Durchgängen 18 angeordnet, die einen Durchmesser von 11 mm besitzen. Der gesamte offene Flächenbereich aller Durchgänge 12 zusammengenommen ist ungefähr 49% des offenen Flächenbereiches des Leitungsabschnittes. Die Dicke der kreisförmigen Platte beträgt dann 8 mm.

Für einen anderen Rohrdurchmesser hat sich empirisch gezeigt, daß ein sehr gutes Ergebnis erzielt wird, wenn der Durchmesser des Leitungsabschnittes 155 mm beträgt; in diesem Fall haben die äußersten Durchgänge 16 einen Durchmesser von 15 mm, die mittleren Durchgänge 17 einen Durchmesser von 12 mm, während die Durchgänge 18 im innersten Kreis einen Durchmesser von 16 mm aufweisen. Die gesamte offene Fläche aller Durchgänge 12 zusammen­ genommen ist dann wieder ungefähr 50% des offenen Flä­ chenbereiches des Leitungsabschnittes. Die Dicke der kreisförmigen Platte liegt wieder zwischen dem 0,8-fachen und 1-fachen der Quadratwurzel der mittleren offenen Fläche der Durchgänge 12 und beträgt bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel daher 12 mm.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt längs der Linie III-III aus Fig. 1 den kreisförmigen Körper 6, der im Leitungsab­ schnitt 1 mit Hilfe von Speichen oder Flügeln 7 aufge­ hängt ist. Die Flügel 7 sind mit identischen gegensei­ tigen Abständen voneinander angeordnet und unterteilen den ringförmigen Spalt 9 in Durchgänge 19, die alle die gleiche Größe besitzen. Die Länge der Flügel 7 in axialer Richtung liegt zwischen dem 0,8-fachen und 1-fachen der Quadratwurzel der mittleren offenen Fläche des Durch­ ganges 19. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Flügeln 7 ist näherungsweise gleich der Höhe der Flügel 7 in radialer Richtung. Die Flügel 7 wirken somit als zweiter Strömungsgleichrichter. Es hat sich gezeigt, daß unter diesen Bedingungen Wirbel tatsächlich vollständig eli­ miniert werden. Im Fall von kürzeren Flügeln 7 wird die Wirbelbildung nicht völlig abgedämpft, während im Fall von längeren Flügeln die Wirbel in Wirbel konvertiert werden, die in der entgegengesetzten Richtung rotieren.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine andere mögliche Aus­ führungsform eines Turbinenlaufrad-Gaszählers, bei dem der kreisförmige Körper 6 im Leitungsabschnitt 1 mit Hilfe einer ringförmigen Platte 20 aufgehängt ist, in der kreisförmige Durchgänge 21 angeordnet sind. Damit man eine offene Fläche erhält, die identisch mit der der Durchgänge 19 zwischen den Flügeln 7 aus Fig. 3 ist, sollten die kreisförmigen Durchgänge 21 bei diesem Tur­ binenlaufrad-Gasmeter mit einem Durchmesser konstruiert werden, der um einen Faktor 1,13 größer ist als die Höhe der Flügel 7 aus Fig. 3.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Beeinflussen der Strömung und insbe­ sondere Strömungsgleichrichter zum Beseitigen von Wirbeln in einem Gasstrom, der durch ein Strömungs­ rohr fließt, wobei diese Vorrichtung aus einer Platte besteht, die eine bestimmte Dicke aufweist und in der ein kreissymmetrisches Lochmuster vorgesehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platte mit einer Anzahl von Löchern versehen ist, die regel­ mäßig über die Oberfläche der Platte verteilt sind und daß der Durchmesser dieser Löcher kleiner ist als das 0,1-fache des Durchmessers des Strömungsrohrs, wobei die gesamte Fläche der Summe der Querschnitte der Löcher zwischen dem 0,4- und 0,8-fachen der Fläche des Querschnittes des Strömungsrohrs liegt, und daß der Durchmesser des größten Loches kleiner ist als das 1,3-fache des Durchmessers des kleinsten Loches, und daß die Dicke der Platte kleiner ist als der Durchmesser des größten Loches und zwischen dem 1- und 0,6-fachen des Durchmessers des größten Loches liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Platte zwischen dem 0,8 und 1-fachen der Quadratwurzel des mittleren Querschnittes der in der Platte vorgesehenen Löcher liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Platte zwischen dem 0,7- und 0,9-fachen des mittleren Durchmessers der Löcher in der Platte liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Platte stromaufwärts vom Schaufelrad eines Turbinenlaufrad-Gaszählers ange­ ordnet ist und daß der Abstand zwischen dem Zähler und der Platte zwischen dem 0,1- und 10-fachen des Durch­ messers des quer verlaufenden Querschnittes des Strö­ mungsrohres liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen Spalt ein zweiter Strömungsgleichrichter angeordnet ist, der aus einer Anzahl von Speichen oder Flügeln besteht, wobei das Verhältnis der Höhe der Speichen oder der Höhe des kreisförmigen Loches und dem Abstand zwischen den Speichen oder der Tei­ lung zwischen 0,8 und 1 liegt, und daß die Länge der Flügel in axialer Richtung zwischen dem 0,7- und 1-fachen des mittleren Durchmessers der Löcher liegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen Spalt ein zweiter Strömungsgleichrichter angeordnet ist, der aus einer Platte besteht, die mit einem regulären Muster einer Reihe von Löchern versehen ist, wobei das größte Loch kleiner ist als das 1,3-fache des kleinsten Loches und wobei die Dicke der Platte kleiner ist als der Durchmesser des größten Loches.