FR2461928A1 - Flowmeter for severed temp. and pressure conditions - uses rotation of turbine shaft mounted via cages of roller bearings - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un débitmètre prévu pour mesurer le débit d'un fluideThe invention relates to a flow meter intended for measuring the flow of a fluid.
circulant dans une conduite et comprenant une turbine dont la rotation est commandée circulating in a pipe and comprising a turbine whose rotation is controlled
par le fluide et des moyens de mesure de la vitesse de ro- by the fluid and means for measuring the speed of ro-
tation de la turbine. Dans les débitmètres connus de ce type, l'axe de tation of the turbine. In known flowmeters of this type, the axis of
la turbine est généralement monté dans des paliers par l'in- the turbine is generally mounted in bearings by the
termédiaire de deux roulements à billes. Cependant, lorsque des débitmètres de ce type sont soumis à des conditions- de fonctionnement particulièrement sévères, notamment en ce two ball bearings. However, when flowmeters of this type are subjected to particularly severe operating conditions, in particular in
qui concerne la température et la pression, il est généra- concerning temperature and pressure, it is generally
lement nécessaire de prévoir un Jeu important notamment entre Lement necessary to provide a significant clearance especially between
l'axe et les roulements afin d'éviter le blocage de ces der- the axle and the bearings in order to avoid blockage of these
niers dO à la dilatation. Ce jeu a pour conséquence de favo- deniers of dilation. This game results in favo-
riser l'usure des pièces en contact de frottement, ainsi que celle de l'axe de la turbine. La précision et la fiabilité de ce type de débitmâtre sont donc limitées lorsqu'-ils sont destinés à travailler dans des conditions particulièrement sévères. L'invention a pour objet un débitmètre dont la conception est particulièrement adaptée à son utilisation dans des conditions de température et de pression difficiles, bien que l'utilisation de ce débitmètre ne soit pas limitée à take care of the wear of the parts in contact with friction, as well as that of the turbine shaft. The precision and reliability of this type of flowmeter are therefore limited when they are intended to work in particularly severe conditions. The subject of the invention is a flow meter whose design is particularly suitable for its use under difficult temperature and pressure conditions, although the use of this flow meter is not limited to
ces conditions particulières.these particular conditions.
Dans ce but, il est proposé un débitmètre prévu pour mesurer le débit d'un fluide circulant dans une conduite et comprenant une turbine dont la rotation est commandée par le fluide et des moyens de mesure de la vitesse de rotation de For this purpose, a flowmeter is provided which is intended to measure the flow rate of a fluid circulating in a pipe and comprising a turbine whose rotation is controlled by the fluid and means for measuring the speed of rotation of
la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un sup- the turbine, characterized in that it further comprises a sup-
port tubulaire susceptible d'être reçu dans la conduite et portant deux paliers disposés de part et d'autre de la turbine, cette dernière étant supportée par un axe faisant saillie à l'intérieur desdits paliers pour coopérer avec.des. roulements satellites portés par des cages de roulements montées fixement tubular port capable of being received in the pipe and carrying two bearings arranged on either side of the turbine, the latter being supported by a pin projecting inside said bearings to cooperate with. satellite bearings carried by fixedly mounted bearing cages
dans lesdits paliers.in said bearings.
Ainsi, conformément à l'invention,. les roulements à billes utilisés habituellement sont supprimés et remplecés Thus, in accordance with the invention ,. ball bearings usually used are removed and replaced
par des roulements satellites dont les dimensions sont sensi- by satellite bearings the dimensions of which are
blement plus réduites. Le Jeu défini entre l'axe et ces roulements satellites peut ainsi tre réduit au minimum, en raison des petites dimensions de ces derniers, de telle sorte que la précision et la fiabilité du débitmètre s'en trouvent accrues. much smaller. The clearance defined between the axis and these satellite bearings can thus be reduced to a minimum, due to the small dimensions of the latter, so that the precision and reliability of the flow meter are thereby increased.
Conformément à une autre caractéristique de l'ln- In accordance with another characteristic of the ln-
vention, les extrémités de l'axe supportant la turbine sont hémisphériques et susceptibles de prendre appui sur deux butées montées dans lesdits paliers. Ces butées, réalisées vention, the ends of the axis supporting the turbine are hemispherical and capable of bearing on two stops mounted in said bearings. These stops, made
ainsi que-l'axe de la turbine en un matériau très dur, évi- as well as the axis of the turbine made of a very hard material,
tent également les déplacements de l'axe et limitent ainsi l'usure de celui-ci. En outre, des moyens peuvent tre prévus pour régler le positionnement des butées dans les paliers, ce qui permet de déterminer avec précision le also attempt the displacements of the axis and thus limit the wear thereof. In addition, means can be provided for adjusting the positioning of the stops in the bearings, which makes it possible to precisely determine the
débattement de l'axe de la turbine par rapport aux butées. deflection of the axis of the turbine relative to the stops.
Selon une caractéristique secondaire de l'inven- According to a secondary characteristic of the invention
tion, le débitmètre comprend de plus deux ogives prolongeant tion, the flow meter further includes two warheads extending
les paliers de part et d'autre du support tubulaire, les- the bearings on either side of the tubular support,
dites ogives étant creuses et fixées sur des tiges solidai- said warheads being hollow and fixed on solid rods
res desdites butées.res of said stops.
Conformément & une autre caractéristique secondai- In accordance with another secondary characteristic
re de l'invention, les cages de roulements portent des axes régulièrement espacés sur une circonférence centrée sur l'axe supportant la turbine, les roulements satellites étant re of the invention, the bearing cages have regularly spaced axes on a circumference centered on the axis supporting the turbine, the satellite bearings being
montés sur lesdits axes.-mounted on said axes.
Conformément à encore une autre caractéristique secondaire de l'invention, le support comprend deux cylindres According to yet another secondary characteristic of the invention, the support comprises two cylinders
reliés par au moins une poutre longitudinale, chacun des cy- connected by at least one longitudinal beam, each of the cy-
lindres portant l'un des paliers par des ailettes radiales. De préférence, la poutre fait alors saillie radialement vers l'extérieur pour coopérer avec une rainure correspondante formée dans la conduite, de telle sorte qua le support soit immobilisé en rotation dans la conduite, On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de -l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en coupe longitudinale lindres carrying one of the bearings by radial fins. Preferably, the beam then projects radially outward to cooperate with a corresponding groove formed in the pipe, so that the support is immobilized in rotation in the pipe, We will now describe, by way of nonlimiting example, a particular embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings in which: - Figure I is a view in longitudinal section
d'une conduite dans laquelle est disposé un débitmètre réa- a pipe in which a flowmeter is placed
lisé conformément aux enseignements de la présente invention, read in accordance with the teachings of the present invention,
2 4 6 1 92 82 4 6 1 92 8
- la figure 2 est une vue en- coupe selon la ligne A-A de la figure 1, la figure 3 est une vue agrandie, éclatée, de - Figure 2 is a sectional view along line A-A of Figure 1, Figure 3 is an enlarged, exploded view of
l'une des cages de roulements et de ses roulements satel- one of the bearing cages and its satel-
lites par l'intermédiaire desquels l'axe supportant la tur- bine est reçu tournant dans des paliers appropriés, - la figure 4 est une vue en coupe partielle agrandie de la cage et des roulements satellites représentés sur la figure 3, et la figure 5 est une vue en coupe longitudinale agrandie d'une moitié de la partie centrale du débitmàtre lites by means of which the axis supporting the turbine is received rotating in appropriate bearings, - Figure 4 is an enlarged partial sectional view of the cage and the satellite bearings shown in Figure 3, and Figure 5 is an enlarged longitudinal section view of half of the central part of the flowmeter
représenté sur la figure 1.shown in Figure 1.
Comme l'illustre en particulier la figure 1, le As illustrated in particular in Figure 1, the
débitmètre selon l'invention, désigné par la référence géné- flow meter according to the invention, designated by the general reference
rale 10, est monté dans un alésage formé dans un corps cy- rale 10, is mounted in a bore formed in a cy-
lindrique 12 prévu pour être inséré dans une conduite 14 par tous moyens appropriés, et notamment par bridage ou par soudure. Le débitmètre 10 comporte un support tubulaire 16 dont le diamètre externe est sensiblement égal au diamètre lindrique 12 intended to be inserted into a pipe 14 by any appropriate means, and in particular by clamping or welding. The flow meter 10 comprises a tubular support 16 whose external diameter is substantially equal to the diameter
interne de l'alésage formé dans le corps 12 et qui est nor- internal of the bore formed in the body 12 and which is nor-
malement immobilisé entre un épaulement 18 et un écrou 20 vissé dans une partie taraudée 22 de cet alésage. Le support 16 est constitué par deux cylindres identiques 24 reliés par une ou plusieurs poutres longitudinales 26 (deux dans le mode de réalisation représenté) de façon à définir entre eux badly immobilized between a shoulder 18 and a nut 20 screwed into a threaded part 22 of this bore. The support 16 consists of two identical cylinders 24 connected by one or more longitudinal beams 26 (two in the embodiment shown) so as to define them
un évidement 28 dans lequel est reçue une turbine 30 présen- a recess 28 in which a turbine 30 is received,
tant un certain nombre de pales 32 inclinées par rapport à la direction d'écoulement du fluide, par exemple dans le both a number of blades 32 inclined with respect to the direction of flow of the fluid, for example in the
sens indiqué par la flèche 34 sur la figure 1. direction indicated by arrow 34 in FIG. 1.
Chacun des cylindres 24 du support 16 porte un palier 36 par l'intermédiaire de quatre ailettes radiales 38, de largeur réduite et dont la configuration est prévue de façon à entraver aussi peu que possible l'écoulement du fluide à l'intérieur de la conduite 14. Les paliers 36 sont parfaitement alignés et leur axe commun est confondu avec Each of the cylinders 24 of the support 16 carries a bearing 36 by means of four radial fins 38, of reduced width and whose configuration is provided so as to hinder as little as possible the flow of the fluid inside the pipe. 14. The bearings 36 are perfectly aligned and their common axis coincides with
l'axe du corps 12.body axis 12.
Comme le montre en particulier la figure 1, la turbine 30 est supportée par un axe cylindrique 40, réalisé de préférence en un matériau particulièrement dur, tel que le carbure de tungstène, qui fait saillie de part et d'autre de la turbine à l'intérieur des paliers 36. L'axe 40 est As shown in particular in Figure 1, the turbine 30 is supported by a cylindrical axis 40, preferably made of a particularly hard material, such as tungsten carbide, which projects on either side of the turbine to l inside the bearings 36. The axis 40 is
associé à la turbine 30 par tous moyens appropriés (non re- associated with the turbine 30 by any appropriate means (not
présentés) tels qu'une vis de pression. Conformément à l'in- shown) such as a set screw. In accordance with the
vention, chacune des extrémités de l'axe 40 est montée tour- vention, each end of the axis 40 is mounted round-
nante dans le palier 36 correspondant, par l'intermédiaire de roulements à billes 42 montés en satellite sur des axes 44 portés par une cage de roulements 46 montée fixement à nante in the corresponding bearing 36, by means of ball bearings 42 mounted in satellite on axes 44 carried by a bearing cage 46 fixedly mounted at
l'intérieur du palier 36 correspondant. inside the corresponding bearing 36.
Comme le montrent plus précisément les figures 3 et 4, chacune des cages 46 est réalisée d'une seule pièce et comprend deux rebords annulaires 47 reliés à leur périphérie externe par des parties en forme de pont 49. Les rebords annulaires 47 s'étendent radialement vers l'axe 40 de la As shown more precisely in Figures 3 and 4, each of the cages 46 is made in one piece and comprises two annular flanges 47 connected at their outer periphery by bridge-shaped parts 49. The annular flanges 47 extend radially towards axis 40 of the
turbine et portent les axes 44, ces derniers étant immobili- turbine and carry the axes 44, the latter being immobilized
sés par rapport à la cage 46 par tous moyens appropriés tels que, par exemple, par sertissage. Dans le mode de réalisation représenté, six axes 44 sont disposés à intervalles réguliers sés relative to the cage 46 by any suitable means such as, for example, by crimping. In the embodiment shown, six axes 44 are arranged at regular intervals
et circonférentiellement répartis autour de l'axe de la tur- and circumferentially distributed around the axis of the tur-
bine, de telle sorte que les roulements 42 sont montés en bine, so that the bearings 42 are mounted in
satellite autour de l'axe 40 portant la turbine 30 et coopè- satellite around the axis 40 carrying the turbine 30 and cooperating
rent par leur surface externe avec la surface externe de l'axe 40. Ainsil'ensemble constitué par la turbine 30 et par l'axe 40 est monté tournant dans les paliers 36 par by their external surface with the external surface of the axis 40. Thus, the assembly constituted by the turbine 30 and by the axis 40 is mounted rotating in the bearings 36 by
l'intermédiaire des roulements à billes satellites 42. via satellite ball bearings 42.
Comme le montrent -les figures a et 5, la turbine 30 est reçue dans l'évidement 28 avec un certain jeu axial entre les paliers 36. Cependant, le débattement axial de As shown in FIGS. A and 5, the turbine 30 is received in the recess 28 with a certain axial clearance between the bearings 36. However, the axial clearance of
la turbine 30 est limité par la venue en contact des extré- the turbine 30 is limited by the coming into contact of the
mités 48 de l'axe 40 avec des butées 50 montées de façon fixe à l'intérieur des paliers 36. De préférence, les extrémités 48 de l'axe 40 sont hémisphériques et chacune des butées 50 porte au niveau de l'axe du débitmètre un insert 52, réalisé en un matériau particulièrement dur tel que, notamment, le carbure de tungstène. Les butées 50 sont filetées à leur périphérie externe et vissées dans une partie taraudée 54 formée dans chacun des paliers 36, de telle sorte que leur positionnement par rapport aux extrémités 48 de l'axe 40 peut âtre réglé afin de donner au débattement axial de la turbine 30 la valeur désirée. De plus, chacune des butées comprend un rebord annulaire 55 qui vient prendre appui sur la cage 46 correspondante, afin d'immobiliser celle-ci à l'intérieur du palier 36 en coopération avec un autre moyen de fixation tel que, par exemple, le sertissage. En mites 48 of the axis 40 with stops 50 fixedly mounted inside the bearings 36. Preferably, the ends 48 of the axis 40 are hemispherical and each of the stops 50 carries at the level of the axis of the flow meter an insert 52, made of a particularly hard material such as, in particular, tungsten carbide. The stops 50 are threaded at their outer periphery and screwed into a threaded portion 54 formed in each of the bearings 36, so that their positioning relative to the ends 48 of the axis 40 can be adjusted in order to give the axial movement of the turbine 30 the desired value. In addition, each of the stops comprises an annular flange 55 which comes to bear on the corresponding cage 46, in order to immobilize the latter inside the bearing 36 in cooperation with another fixing means such as, for example, the crimping. In
outre, chacune des butées 50 se prolonge axialement en éloi- in addition, each of the stops 50 extends axially away from the
gnement de la turbine 30 par une tige cylindrique 56 dont turbine turbine 30 by a cylindrical rod 56 of which
l'extrémité libre 58, par exemple hexagonale, est suscepti- the free end 58, for example hexagonal, is susceptible
ble de recevoir un outil approprié, tel qu'une clé de ma- ble to receive an appropriate tool, such as a wrench
noeuvre, permettant de solliciter la butée 50 en rotation afin d'effectuer le réglage qui vient d'être mentionné. Un contre-écrou annulaire 60, également muni d'une tête de manoeuvre 61, par exemple hexagonale, est lui aussi vissé dans l'alésage 54 afin de maintenir la butée 50 en position lorsque le réglage a été effectué. Enfin, une ogive 52 est montée sur chacune des tiges cylindriques 56 de façon à noeuvre, making it possible to urge the stop 50 in rotation in order to effect the adjustment which has just been mentioned. An annular lock nut 60, also provided with an operating head 61, for example hexagonal, is also screwed into the bore 54 in order to maintain the stop 50 in position when the adjustment has been made. Finally, a warhead 52 is mounted on each of the cylindrical rods 56 so as to
prolonger les paliers 36 de part et d'autre du support 26. extend the bearings 36 on either side of the support 26.
Les dimensions et la forme extérieure des ogives 62 sont conçues de façon à perturber le moins possible l'écoulement du fluide dans la conduite 14 par exemple dans le sens de la flèche 34, sur la figure 1. Dans le mode de réalisation représenté, chacune des ogives 62 est fixée sur la tige 56 de la butée 50 correspondante, au moyen d'une vis de pression 64 reçue dans un trou fileté 66 formé dans l'ogive 62 et dont l'extrémité prend appui sur la surface externe de la tige The dimensions and the external shape of the warheads 62 are designed so as to disturb the flow of the fluid in the pipe 14 as little as possible, for example in the direction of the arrow 34, in FIG. 1. In the embodiment shown, each warheads 62 is fixed on the rod 56 of the corresponding stop 50, by means of a pressure screw 64 received in a threaded hole 66 formed in the warhead 62 and the end of which bears on the external surface of the rod
cylindrique 56.cylindrical 56.
Le débitmètre selon l'invention comprend de plus des moyens pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine The flow meter according to the invention further comprises means for measuring the speed of rotation of the turbine.
30, représentés schématiquement en 68 sur les figures 1 et 2. 30, shown diagrammatically at 68 in FIGS. 1 and 2.
Ces moyens de mesure 68 sont fixés à l'extérieur du corps These measuring means 68 are fixed outside the body
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cylindrique 12, par exemple dans un dégagement 70 formé sur celui-ci, de façon à détecter le passage des pales 32 de la turbine 30. Les moyens de mesure 68 peuvent âtre constitués par tous moyens connus tels que, par exemple, une cellule photoélectrique, un compteur magnétique, etc... Le débitmètre qui vient d'être décrit fonctionne cylindrical 12, for example in a recess 70 formed thereon, so as to detect the passage of the blades 32 of the turbine 30. The measuring means 68 can be constituted by any known means such as, for example, a photoelectric cell , a magnetic meter, etc ... The flowmeter which has just been described works
de la façon suivante.as follows.
Lorsqu'un fluide tel qu'un liquide ou un gaz cir- When a fluid such as a circulating liquid or gas
cule dans la conduite 14, par exemple dans le sens de la flèche 34 en considérant la figure 1, ce fluide exerce sur les pales 32 de la turbine 30 un couple fonction de son débit qui tend à faire tourner la turbine autour de son axe. La turbine 30 tourne à une vitesse proportionnelle flows in the pipe 14, for example in the direction of the arrow 34 considering FIG. 1, this fluid exerts on the blades 32 of the turbine 30 a torque depending on its flow rate which tends to make the turbine rotate around its axis. Turbine 30 rotates at a proportional speed
au débit du fluide circulant dans la conduite 14. En consé- at the flow rate of the fluid flowing in the pipe 14. As a result
quence, la mesure de la vitesse de la turbine 30 effectuée par les moyens de mesure 68 permet de connaître la valeur du quence, the measurement of the speed of the turbine 30 carried out by the measuring means 68 makes it possible to know the value of the
débit du fluide après un étalonnage préalable. fluid flow rate after prior calibration.
En raison de sa constitution particulière, et notamment du montage de l'axe 40 de la turbine 30 dans les paliers 36 par l'intermédiaire de roulements planétaires Because of its particular constitution, and in particular the mounting of the axis 40 of the turbine 30 in the bearings 36 by means of planetary bearings
portés par une cage reçue dans les paliers, et de la limita- carried by a cage received in the bearings, and of the limita-
tion du débattement de l'axe 40 au moyen de butées en maté- tion of the axis 40 travel by means of material stops
riau particulièrement résistant sur lesquelles viennent prendre appui les extrémités hémisphériques de cet axe, le particularly resistant line on which the hemispherical ends of this axis come to bear, the
débitmètre selon l'invention peut travailler dans des con- flow meter according to the invention can work in con-
ditions de température et de pression particulièrement difficiles et supporter des vitesses, des accélérations et des inversions de débit du fluide très brutales. Ainsi, le débitmètre selon l'invention peut être utilisé en permanence et sans aucun graissage à une température d'environ 350'C, le fluide dont on mesure le débit étant pressurisé à environ bars. Il peut aussi et surtout supporter des régimes transitoires brutaux tant en température qu'en pression dans le cas par exemple d'une mesure de débit au cours d'une dépressurisation obtenue par ouverture d'une brâche à partir de 160 bars. Ce résultat est principalement obtenu grâce au Particularly difficult temperature and pressure editions and withstand very brutal fluid flow rates, accelerations and inversions. Thus, the flow meter according to the invention can be used permanently and without any lubrication at a temperature of approximately 350 ° C., the fluid whose flow rate is measured being pressurized to approximately bars. It can also and above all withstand brutal transient regimes both in temperature and in pressure in the case for example of a flow measurement during a depressurization obtained by opening a spout from 160 bars. This result is mainly obtained thanks to the
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remplacement du roulement à billes unique généralement replacing the single ball bearing usually
utilisé pour supporter l'axe de la turbine par des roule- used to support the axis of the turbine by rollers
ments à billes satellites de plus petites dimensions qui smaller satellite ball items which
permettent de diminuer de façon très sensible le jeu exis- allow to significantly reduce the play
tant entre l'axe et les roulements qui est rendu nécessaire both between the axle and the bearings which is made necessary
afin d'éviter tout blocage par dilatation lorsque la tem- in order to avoid any blockage by expansion when the temperature
pérature s'élève rapidement. Cette caractéristique permet en temperature rises rapidly. This feature allows
effet de réduire sensiblement l'usure de l'axe 40 par rap- effect of significantly reducing the wear of the shaft 40 compared to
port aux débitmètres connus. En outre, les surfaces en con- port with known flowmeters. In addition, the surfaces in con-
tact de l'axe 40 et des butées 50 sont rectifiées et très petites en raison de la forme hémisphérique des extrémités de l'axe et le débattement axial de l'axe 40 peut être réglé, ce qui,ajouté à la nature des matériaux employés, permet au débitmètre selon l'invention de supporter des efforts axiaux importants dus aux variations brutales du tact of axis 40 and stops 50 are rectified and very small due to the hemispherical shape of the ends of the axis and the axial movement of axis 40 can be adjusted, which, added to the nature of the materials used , allows the flow meter according to the invention to withstand significant axial forces due to sudden variations in the
débit de fluide à mesurer sans qu'il en résulte un dépla- fluid flow rate to be measured without displacement
cement et une usure rapide de l'axe 40 ou des roulements. cement and rapid wear of axis 40 or bearings.
Enfin, le support rigide des deux paliers permet d'obtenir une grande précision d'alignement de ceux-ci permettant aux roulements de travailler dans les meilleures conditions. On comprendra que l'invention n'est pas limitée au Finally, the rigid support of the two bearings makes it possible to obtain great alignment precision, allowing the bearings to work in the best conditions. It will be understood that the invention is not limited to
mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exem- embodiment which has just been described by way of example
ple, mais en couvre toutes les variantes. A titre d'exemple, on notera que les roulements à billes planétaires 42 peuvent être remplacés par des roulements à rouleaux ou à aiguilles et que le montage du support tubulaire 26 peut s'effectuer ple, but covers all variants. By way of example, it will be noted that the planetary ball bearings 42 can be replaced by roller or needle bearings and that the tubular support 26 can be mounted
d'une manière différente de celle qui vient d'être décrite. in a different way from that just described.
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FR7918610A FR2461928A1 (en) | 1979-07-18 | 1979-07-18 | Flowmeter for severed temp. and pressure conditions - uses rotation of turbine shaft mounted via cages of roller bearings |
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