FR2462691A2

FR2462691A2 - Compensation for drive forces in turbine flowmeter - is provided by creating opposing pressure conditions on hub faces

Info

Publication number: FR2462691A2
Application number: FR7919508A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-30
Filing date: 1979-07-30
Publication date: 1981-02-13
Also published as: FR2462691B1

Abstract

In a turbine flowmeter the axial forces due to flow are compensated for by creating pressures on the faces of the turbine hubs. These pressures oppose the drive forces to improve measurement accuracy. A flowmeter comprises two independent rotors separated by a ring assembly (11) with skirts on both ends adjacent to the rotors. The rotor assembly is supported by a shaft in supports with a skirt (4c,5c) adjacent to the rotors. This creates an overpressure on the front face of the skirt which compensates for the drive force due to the flow. This effect is added to by depressurisation effects due to the skirts on the separating ring. The combined effect is to reduce the drive torque caused by frictional effects at the shoulders on the shaft (9).

Description

DISPOSITIFS DE COMPENSATION DES FORCES DE TRAINEE SUR LES
ROTORS DE TJRBINES DEBITMETRIQUES A ROTOR DE COMPENSATION.TRAVEL FORCE COMPENSATION DEVICES ON
ROTORS OF FLOW TJRBINES WITH A COMPENSATION ROTOR.

La présente invention concerne un dispositif permettant la réduit ion des effets de la poussée axiale s'exerçant sur un organe tournant sollicité par un écoulement de fluide comme dans le cas des débitmétres à hélices du type à un seul rot or. Elle est plus particulièrement relative aux débitm êtres à doubles rotors faisant l'objet du brevet 7013988 du demandeur, mais elle peut s'appliquer à toute disposition similaire mettant en oeuvre deux rotors s'influençant mutuellement par couplage hydrodynamique. The present invention relates to a device allowing the reduction of the effects of the axial thrust exerted on a rotating member urged by a flow of fluid as in the case of propeller flowmeters of the type with a single gold rot. It relates more particularly to the flowmeters with double rotors forming the subject of patent 7013988 of the applicant, but it can be applied to any similar arrangement employing two rotors which influence each other by hydrodynamic coupling.

Dans la technique actuelle, il est habituel de réaliser des débitmitres à hélice dont la conception prévoie de compenser la force de trainée appliquée au rotor soumis à l'écoulement du fluide à mesurer par le moyen de butées mécaniques à pointes tournant dans des crapaudines pu plates s'appuyant sur une surface lisse réalisées dans des materiaux à faible coeffiF cient de frottement ou aussi par le moyen de roulements à billes. In the current technique, it is usual to produce propeller flowmeters, the design of which provides for compensating for the drag force applied to the rotor subjected to the flow of the fluid to be measured by means of mechanical stops with spikes rotating in flat or flat crapaudines. based on a smooth surface made of materials with a low coefficient of friction or also by means of ball bearings.

Ces dispositions qui ont l'avantage de la simplicité ou de l'Econo- mie présentent un inconvénient notoire qui est la présence de frottements mécaniques et visqueux relativement importants et variables qui s'opposent à la rotation libre de l'hélice. Cela provoque des erreurs de mesure quelquefois importantes dans la zone de fonctionnement normal et toujours dans la zone des faibles débits oW les frottements prennent une importance trés grande. These arrangements, which have the advantage of simplicity or economy, have a notable drawback which is the presence of relatively high and variable mechanical and viscous friction which oppose the free rotation of the propeller. This causes measurement errors which are sometimes large in the normal operating zone and always in the zone of low flow rates where the friction takes on a very great importance.

Différents moyens ont été développés pour réduire cet effet, tels la réduction des surfaces de frottement en contact, la réalisation de pointes de pivots trés fines, le choix de materiaux à trés faible coefficient de frottement et dans certains cas l'adoption de dispositifs à contraction de veine pour developper des forces opposées à la trainée. Various means have been developed to reduce this effect, such as the reduction of the friction surfaces in contact, the production of very fine pivot points, the choice of materials with very low coefficient of friction and in certain cases the adoption of contraction devices. of vein to develop forces opposed to drag.

Dans le cas du brevet de l'inventeur relatif à un débitmètre à deux rotors, la mesure précise du tourbillon provoqué par le premier rotor est rendue difficile du fait des frottements mécaniques auxquels est soumis le
-tation deuxième rotor. Ceci ayant même pour effet un arrêt pur et simple de la rodudit rotor à certaines valeurs du débit.In the case of the inventor's patent relating to a flow meter with two rotors, the precise measurement of the vortex caused by the first rotor is made difficult because of the mechanical friction to which the
- second rotor station. This even has the effect of stopping outright the rod rodit rotor at certain values of the flow rate.

Pour remédier à ces difficultés, la solution proposée, qui fait l'objet de la présente invention, consiste, tout en conservant des moyens mécaniques de sustentation trés largement dimensionnés, rustiques et fiables, à rendre trés sensible et fidè3ele mouvement des organes en rotation, comme dans le cas d'un débitmttre à double rotor déja évoqué, par le moyen de dispositifs qui compensent les efforts sur les butées dus aux effets dynamiques de l'écoulement du fluide dont on veut mesurer le débit, ceci par l'effet de la vitesse propre du fluide. To remedy these difficulties, the proposed solution, which is the subject of the present invention, consists, while retaining mechanical support means very broadly dimensioned, rustic and reliable, in making very sensitive and faithful the movement of the rotating members, as in the case of a flowmeter with double rotor already mentioned, by means of devices which compensate for the forces on the stops due to the dynamic effects of the flow of the fluid whose flow is to be measured, this by the effect of the proper velocity of the fluid.

La description qui suit, au regard des dessins donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre les particularités du dispositif selon l'invention qui améliore le fonctionnement d'un débitmétre à hélice à deux rotors à rotation libre comme celui décrit dans le brevet français 7013988 du demandeur, ou d'un débitmétre à deux hélices à pas contraires, de dispositifs similaires qui pourraient êtrr ainsi réalisés, et aussi dans le cas d'un débitmre à une seule hélice. Le dispositif selon l'invention réduisant également les inconvéniens évoqués dans les paragra- phes précédants. The following description, with reference to the drawings given by way of nonlimiting example, will make it possible to understand the particularities of the device according to the invention which improves the operation of a propeller flow meter with two freely rotating rotors like that described in French patent 7013988 of the applicant, or of a flow meter with two propellers with opposite pitches, of similar devices which could be thus produced, and also in the case of a flow meter with a single propeller. The device according to the invention also reduces the drawbacks mentioned in the preceding paragraphs.

La figure 1 illustre le détail de réalisation du dispositif à rotor de compensation selon les dispositions prévues dans le brevet 7013988 et dans le brevet 7602712 déposés en Errance par le demandeur. Figure 1 illustrates the detail of the compensation rotor device according to the provisions of patent 7013988 and patent 7602712 filed in Wandering by the applicant.

La figure 2 illustre le détail de réalisation du débitmétre à hélice selon les brevets cités ci-dessus, avec à titre d'éxemple non limitas tif un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. FIG. 2 illustrates the detail of embodiment of the propeller flow meter according to the patents cited above, with by way of nonlimiting example an embodiment of the device according to the invention.

La figure 3 illustre le moyen de transformer un débitmttre à deux rotors selon la figure 2 en un dbitmêtre à un seul rotor présentant les moites avantages. FIG. 3 illustrates the means of transforming a flowmeter with two rotors according to FIG. 2 into a flowmeter with a single rotor having the moist advantages.

Le dispositif selon la figure 1 comprend dans un corps3,constitu ant une portion de conduite facilement adaptable, les éléments suivants: un premier support 4 et un deuxième support 5 formés d'un- moyeu central 4a et 5a maintenus dans l'axe de la conduite par des bras 4b et 5b dirigés ra- dialement, un axe 6 pourvu d'une tête 6a emmanchée dans l'alésage 4c du support 4. Dans le moyeu la du rotor 1 sont emmanchés deux bagues 7 et 8 qui tournent librement sur l'axe 6 forint ainsi des paliers lisses. The device according to FIG. 1 comprises in a body 3, constituting an easily adaptable pipe portion, the following elements: a first support 4 and a second support 5 formed of a central hub 4a and 5a held in the axis of the driven by arms 4b and 5b directed radially, an axis 6 provided with a head 6a fitted into the bore 4c of the support 4. In the hub 1a of the rotor 1 are fitted two rings 7 and 8 which rotate freely on the axis 6 thus forced smooth bearings.

Pour maintenir l'hélice 1 dans une position stable: des butées sont réalisées par l'intermédiaire des faces 7a et 8a des bagues 7 et 8 qui font légèrement saillie et qui viennent s'appuyer,selon les cas, sur la face 6b de la tette 6a ou 9a de la bague 9 fixée par une goupille 10 comme le montre la figure. To maintain the propeller 1 in a stable position: stops are produced by means of the faces 7a and 8a of the rings 7 and 8 which project slightly and which come to bear, as the case may be, on the face 6b of the tette 6a or 9a of the ring 9 fixed by a pin 10 as shown in the figure.

Dans le moyen 2a du rotor 2 et dans l'axe de celui-ci est pratiqué
/13 un alésage 2b dans lequel est emmanché un axe/ayant ses extrémités taillées en cone dont les extrémités 13a et 13b pivotent dans les cuvettes 14 et 15.In the means 2a of the rotor 2 and in the axis thereof is practiced
/ 13 a bore 2b in which is fitted a pin / having its ends cut into a cone, the ends 13a and 13b of which pivot in the bowls 14 and 15.

Dans cette disposition , il est bien connu que des couples antagonistes hydrodynamiques et mécaniques vont s'opposer à la libre rotation des organes tournants, hélice et rotor, et perturber la mesure effectuée. In this arrangement, it is well known that opposing hydrodynamic and mechanical couples will oppose the free rotation of the rotating members, propeller and rotor, and disturb the measurement made.

Dans le cas de l'hélice, le terme principal correspond aux frotte- ment s visqueux sur les surfaces mouillées, ceci dès que la vitesse du fluide de a atteint une valeur suffisante pour réduire au second ordre l'effet des frottements mécaniques . Mais en même temps qu'un couple antagoniste visqueux est apparu, une force de trainée s'est développée qui pousse l'hélice sur sa butée d'autant plus fort que la vitesse du fluide est plus grande. In the case of the propeller, the main term corresponds to viscous friction on wet surfaces, this as soon as the speed of the fluid has reached a value sufficient to reduce the effect of mechanical friction to the second order. But at the same time that a viscous antagonistic couple appeared, a drag force developed which pushes the propeller on its stop all the more strong as the speed of the fluid is higher.

Dans ces conditions, un couple mécanique antagoniste apparait qui augmente celui initial.Under these conditions, an opposing mechanical torque appears which increases the initial one.

Ce couple de trainée va évoluer en fonction de divers paralnêtres comme: les materiaux constitutifs,l'état de surface des faces en contact, l'état sec ou mouillé des dites surfaces, la viscosité du liquide, la vitesse du fluide, etc... This drag torque will evolve according to various paralnêtres such as: the constituent materials, the surface condition of the surfaces in contact, the dry or wet state of said surfaces, the viscosity of the liquid, the speed of the fluid, etc. .

Dans le cas du deuxième rotor, compte tenu de la conception du dipositif, les frottements visqueux ne provoquent plus qu'une composante de trainée, sans couple visqueux antagoniste. Dans ces conditions, seul le te zme de frottement mécanique intervient en fonction de la poussée due à la trainée, qui. varie fortement dans la zone de débit de l'appareil considéré. In the case of the second rotor, taking into account the design of the device, the viscous friction only causes one drag component, with no antagonistic viscous torque. Under these conditions, only the mechanical friction te zme intervenes according to the thrust due to the drag, which. varies greatly in the flow area of the device under consideration.

Pour des raisons de rusticitéet de solidité, le dimensionnement des pièces mécaniques illustré à la figure 1 a été largement calculé. For reasons of rusticity and solidity, the dimensioning of the mechanical parts illustrated in FIG. 1 has been largely calculated.

Il s'en suit qu'au niveau du premier rotor (l'hélice) les couples mécaniques antagonistes sont loin d'être négligeables et plus particulière ment au niveau de la butée de grand diamètre. Dans ces conditions, le seuil de fonctionuement du premier rotor va ttre relativement enlevé et la plage d'utilisation de l'appareil réduite, bien que le deuxième rotor puissc compenser ce défaut. It follows that at the level of the first rotor (the propeller) the opposing mechanical torques are far from being negligible and more particularly ment at the level of the large diameter stop. Under these conditions, the operating threshold of the first rotor will be relatively removed and the operating range of the device reduced, although the second rotor can compensate for this defect.

Dans le cas du deuxième rotor,le couple de trainée atteint rapidement une valeur telle que le couple moteur dA au tourbillon provoqué parle premier rotor est insuffisant pour le mettre en rotation. In the case of the second rotor, the drag torque quickly reaches a value such that the engine torque dA at the vortex caused by the first rotor is insufficient to put it in rotation.

Pour s'afranchir de cesdéfauts et réduire l'évolution des couples de trainée par le fait des paramétres déja cités, diverses solutiops ont étE proposes qui ne donnent pas satisfaction ou qui ne sont pas applicablesau débitmêt re à hélice avec rotor de compensation. To overcome these faults and reduce the evolution of drag torques by the fact of the parameters already mentioned, various solutiops have been proposed which are not satisfactory or which are not applicable to the propeller flow meter with compensation rotor.

Le but de l'invention est de remédier à ces difficultés tout en artélorant la sensibilité des mesures effectuées par un débitmêtre à deux rotors. The object of the invention is to remedy these difficulties while improving the sensitivity of the measurements carried out by a flow meter with two rotors.

Pour cela, on pourra réaliser, par éxemple une disposition connue illustré par la figure 2 donnée à titre indicatif non limitatif, qui consiste à créer des surpressions et des dépressions sur les faces des moyeux des organes tournants afin de créer des forces s'opposant aux forces de trainée. For this, we can achieve, for example a known arrangement illustrated in Figure 2 given for non-limiting indication, which consists in creating overpressures and depressions on the faces of the hubs of the rotating members in order to create forces opposing the drag forces.

Dans ce mode de réalisation, le support 5 porte un renflement 5c à l'aplomb de la face 5d. Ce renflement ayant pour but de créer une surpre ssion de forme mathématique k # V en utilisant la "pression d'arret" sur la face frontale du renflement 5c. Cette surpression s'éxerçant sur la section 2c va développer une force qui compensera l'effort en sens inverse dh à la trainée, qui est elle-mEme de la forme K r v V2 puisqu'en général l'écoule- ment est turbulent. In this embodiment, the support 5 carries a bulge 5c perpendicular to the face 5d. The purpose of this bulge is to create an overpressure of mathematical form k # V using the "stop pressure" on the front face of the bulge 5c. This overpressure exerted on section 2c will develop a force which will compensate for the effort in the opposite direction dh to the drag, which is itself of the form K r v V2 since in general the flow is turbulent.

Les dimensions géométriques des éléments sont définis pour que cet te compensation soit pratiquement éxacte pour une viscosité donnée et pour une gamme de viscosité d'autant plus grande que ce terme intervient à la puissance I/4 sur la trainée. The geometric dimensions of the elements are defined so that this compensation is practically exact for a given viscosity and for a viscosity range which is all the greater as this term occurs at the power I / 4 on the drag.

Sans sortir du cadre de l'invention et pour améliorer le fonctionnement du dispositif, un deuxième renflement lic pourra être placé au nive- eau de la face ilb qui provoquera un effet de dépression sur la face 2d qui développera une force s'ajoutant à celle s1 exerçant sur la face 2c. Without departing from the scope of the invention and to improve the functioning of the device, a second lic bulge can be placed at the water level of the ilb face which will cause a vacuum effect on the 2d face which will develop a force adding to that s1 working on face 2c.

De mème et pour parfaire les conditions de fonctionnement du système à double rotor et pour améliorer la proportionnalité avec le débit mesuré du tourbillon provoqué par le premier rotor et donc la proportionnalité avec le débit de la vitesse de rotation du deuxième rotor, on pour ra aussi, sans sottir du cadre de l'invention, placer au niveau des faces liaet4e des renflements 11d et 4d de même type que ci-dessus qui auront des effets similaires et réduiront le couple de trainée sur la butée 9a du premier rotor. Likewise and to perfect the operating conditions of the double rotor system and to improve the proportionality with the measured flow of the vortex caused by the first rotor and therefore the proportionality with the flow of the rotational speed of the second rotor, it is also possible to ra , without going under the scope of the invention, place at the faces liaet4e bulges 11d and 4d of the same type as above which will have similar effects and reduce the drag torque on the stop 9a of the first rotor.

Sans sortir du cadre de l'invention, les renflements 5c, lic, 11d, 45 pourront avoir des formes aérodynamiques diverses, titre combinés en une seule pièce comme pour ild et lic, être munis de fentes droites ou obliques ou de trous droits ou cbliques, ou mbeme être constituées de materiaux souples pouvant se déformer sous l'effet de liécoulement; ceci afin de répondre au mieux aux différentes conditions d'exploitation qui pourraient être imposées par les utilisateurs, ou pour corriger divers paramêtres d'influence. Without departing from the scope of the invention, the bulges 5c, lic, 11d, 45 may have various aerodynamic shapes, title combined in one piece as for ild and lic, be provided with straight or oblique slots or straight or cable holes , or even be made of flexible materials which can deform under the effect of flow; this in order to best respond to the different operating conditions that could be imposed by users, or to correct various parameters of influence.

Dans le brevet d'addition françqis 76C2712, il est précisé que le mode de réalisation da débitmêtre à hélice avec rotor de compensation peut être transformé à tout moment en débitmêtre à un seul rotor et inversement. In French patent 76C2712, it is specified that the embodiment of a propeller flow meter with compensation rotor can be transformed at any time into a single rotor flow meter and vice versa.

Il en est Re méme dans le cas présent et l'on ne sortirait pas du cadre de 'invention si l'çn remplaçait,comme l'illustre la figure 3, la bague 11 de la figure 2 par une ogive lie avec un renflementlld et en omettant de mettre en place le deuxième rotor et son support aval, quitte à le rcettre en place par ?a suite si cela s'avérait nécessaire pour un emploi différent de l'appareil. It is the same in the present case and it would not depart from the scope of the invention if the replaced, as illustrated in FIG. 3, the ring 11 of FIG. 2 by a warhead linked with a bulge and omitting to put in place the second rotor and its downstream support, even if this is necessary for a different use of the device.

Claims

REVENDICATIONS IO/ Système de mesure débitmétrique comprenant une première hélice et un deuxième rotor, pouvant lui-meme être une deuxième hélice, l'un et l'autre libres de rotation, supportés coaxialement dans une conduite par deux supports amont et aval et séparés par une bague, le diamêtre de la partie centrale des supports et de la bague étant identique à celui des deux rote ors libres de rotation.Ces organes étant disposés de telle façon que l'hé /rot or lice effectue la mesure du débit et le deuxième la mesure du glissement de l'hélice par rapport à la vitesse théorique à laquelle elle devrait tourner Système caractérisé par le fait que des surpressions et dépressions sont créées sur les faces des moyeux des organes tournants qui permettent de développer des forces s'opposant aux forces hydrodynamiques s'exerçant sur les dits organes tournants et réduire ainsi les couples antagonistes de frottementqui freinent la rotation libre des dits organes par le moyen de renflements disposés sur la partie centrale des s'apports amont et aval et sur la bague intercalaire. Ces renflements étant montés ou non selon les besoins.IO CLAIMS / Flow measurement system comprising a first propeller and a second rotor, which can itself be a second propeller, both free to rotate, supported coaxially in a pipe by two upstream and downstream supports and separated by a ring, the diameter of the central part of the supports and of the ring being identical to that of the two gold rotations free to rotate. These organs being arranged in such a way that the he / rot or lice measures the flow and the second the measurement of the propeller's slip with respect to the theoretical speed at which it should rotate System characterized by the fact that overpressures and depressions are created on the faces of the hubs of the rotating members which make it possible to develop forces opposing the forces hydrodynamics acting on said rotating members and thus reduce the antagonistic friction couples which slow the free rotation of said members by means of bulges arranged s on the central part of the upstream and downstream intakes and on the intermediate ring. These bulges being mounted or not as required.

20/ Système selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'un renflement est disposé sur le support aval supportant le deuxième rotor qui par l'effet de la pression dynamique du fluide en mouvement provoque une surpression sur la face avale du moyeu du dit rotor et par ce moyen met en action une force20 / System according to claim 1 characterized in that a bulge is disposed on the downstream support supporting the second rotor which by the effect of the dynamic pressure of the moving fluid causes an overpressure on the downstream face of the hub of said rotor and by this means activates a force

qui s'oppose à la force de trainée s'exerçant sur le dit rotor. which opposes the drag force exerted on said rotor.

30/ Système selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'un renflement est disposé sur la bague, séparant le premier rotor du deuxième, de façon à créer par l'effet dynamique du fluide en mouvement une dépression sur la face amont du deuxième rotor et par de moyen développer une force qui s'oppose à la force de trainée s'exerçant sur le dit rotor.30 / System according to claim 1 characterized in that a bulge is disposed on the ring, separating the first rotor from the second, so as to create by the dynamic effect of the moving fluid a depression on the upstream face of the second rotor and by means of developing a force which opposes the drag force exerted on said rotor.

40/ SYstème selon les revendications 1-2-3 caractérisé par le fait que des renflements disposés sur la bague séparant les deux rotors et sur le moyeu du support aval supportant le deuxième rotor créent chacune sur les faces du dit deuxième rotor des forces qui s'ajoutent et s'opposent à la force de trainée hydrodynamique appliquée sur le deuxième rotor.40 / A system according to claims 1-2-3 characterized in that the bulges arranged on the ring separating the two rotors and on the hub of the downstream support supporting the second rotor each create on the faces of said second rotor forces which s '' add and oppose the hydrodynamic drag force applied to the second rotor.

5 / Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un renflement est disposé sur la bague séparant les rotors qui provoque une surpres- sion sur la face aval du moyeu de l'hélice et crée ainsi une force s'opposant à la force de trainée qui s'éxerce sur l'hélice. 5 / System according to claim 1 characterized in that a bulge is disposed on the ring separating the rotors which causes an overpressure on the downstream face of the propeller hub and thus creates a force opposing the force drag which is exerted on the propeller.

60/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que sur le support amont portant le premier rotor un renflement est disposé qui par l'effet hydrodynamique va provoquer une dépression sur la face amont du moyeu du dit rotor et créer ainsi une force s'opposant à la force de trainée qui s'exerce sur lui.60 / System according to claim 1 characterized in that on the upstream support carrying the first rotor a bulge is arranged which by the hydrodynamic effect will cause a depression on the upstream face of the hub of said rotor and thus create a force s' opposing the drag force exerted on him.

70/ Système selon les revendications 1/5/6 caractérisé par le fait que des renflements sont disposés sur la bague intercalaire et sur le moyeu du support amont pour créer des forces qui s'opposent aux forces de trainées s'exerçant sur le premier rotor.70 / System according to claims 1/5/6 characterized in that the bulges are arranged on the intermediate ring and on the hub of the upstream support to create forces which are opposed to the drag forces exerted on the first rotor .

80/ Système selon les revendications 1/3/6 caractérisé par le fait que les renflements prévus sont combinés en une seule pièce.80 / System according to claims 1/3/6 characterized in that the provided bulges are combined in one piece.

90/ Système selon l'une quelconque des revendications 2/3/5/6 caractérisé f sds par le fait que lesi ren s renflements sont combinés partiellement ou totalement par suppression de l'un ou l'autre renflement ou sa réduction.90 / System according to any one of claims 2/3/5/6 characterized f sds by the fact that lesi ren s bulges are combined partially or completely by removing one or the other bulge or its reduction.

10-/ Système selon l'une quelconque des revendications 2/3/5/6 caractérisé par le fait que des fentes ou des trous droits ou obliques sont ménagés à la périphérie des divers renflements. 10- / System according to any one of claims 2/3/5/6 characterized in that slots or straight or oblique holes are formed at the periphery of the various bulges.

11-/ Système selon les revendications 1/3/5 caractérisé par le fait qutil est possible de supprimer le deuxième rotor et son support aval et remplacer la bague intercalaire par une ogive portant elle he un renflement comme décrit ci-dessus. 11- / System according to claims 1/3/5 characterized in that it is possible to remove the second rotor and its downstream support and replace the intermediate ring with an ogive bearing it he a bulge as described above.