DE2244178B2 - DurchfluBmesser für Flüssigkeiten - Google Patents

DurchfluBmesser für Flüssigkeiten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser für Flüssigkeiten, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Gehäuse und einem im Gehäuse zwischen Einlaß und Auslaß angeordneten, auf einer mit Bezug auf das Gehäuse drehbaren Weile sitzenden Rotor, wobei für die Welle sowohl am einlaß- als auch am auslaßseitigen Ende je ein Drucklager vorgesehen ist, die Drucklager einen Abstand voneinander aufweisen, der etwas größer als die Länge der Welle ist, und der lichte Durchflußquerschnitt im Bereich des Rotors größer ist als stromaufwärts desselben.
Ein Durchflußmesser der vorstehend beschriebenen Gattung ist aus der US-Patentschrift 33 64 743 tikannt Bei dem bekannten Durchflußmesser wird durch einen Ring der Strömungsquerschnitt stromauf des Rotors gegenüber dem Strömungsquerschnitt im Bereich des Rotors verengt Hierdurch ergibt sich grundsätzlich ein mit steigender Durchfluögeschwindigkeit anwachsender Sog vor dem Rotor, durch welchen der Rotor in Richtung stromaufwärts gezogen wird. Diese Sogwirkung ist dem von der Flüssigkeitsströmung auf den Rotor ausgeübten Axialschub entgegengerichtet, welcher bestrebt ist, den Rotor in Strömungsrichtung zu drücken.
In der US-Patentschrift 31 82 504 ist ein ähnlich ausgebildeter Durchflußmesser beschrieben, bei welchem ebenfalls im Bereich der Rotorschaufeln ein gegenüber dem stromaufwärts benachbarten Bereich vergrößerter Durchströmungsquerschnitt vorgesehen ist.
Aus der deutschem Auslegeschrift 14 23 869 ist ein Strömungsmesser bekannt, welcher in einem zylindrischen Gehäuse einen an seinem äußeren Umfang mit Rotorflügeln bestückten Rotor, zwei einen Zwischenraum für die Nabe des Rotors begrenzende, konzentrisch im Gehäuse angeordnete und sich je vom Zwischenraum weg verjüngende Strömungsschilde und eine den Zwischenraum durchquerende und den Rotor axial frei verschiebbar tragende feste Achse aufweist. Eine axiale Lagerung des Rotors mittels je eines Drucklagers ist also nicht vorhanden. In dem stromaufwärts befindlichen Strömungsschild ist parallel zur Strömungsrichtung eine DurchflußHtung angeordnet und mündet in den Zwischenraum zwischen diesem Strömungsschild und der Rotornabe, wobei dieser Zwischenraum durch eine Aussparung in axialer Richtung zu einer offenen Kammer erweitert ist. Dabei ist der Durchmesser der Rotornabe kleiner als der Durchmesser der der Rotornabe benachbarten Teile der Strömungsschilde stromaufwärts und stromabwärts. Die stromaufwärts gerichtete Schubkraft wird hier durch eine Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung in statischen Druck erzeugt. Diese Umwandlung findet am stromabwärts gelegenen Strömungsschild statt. Die Strömung stößt gegen den Teil des Schildes, der den äußeren Umfang der Nabe des Rotors überlappt. Eine zusätzliche stromabwärts gerichtete Schubkraft wird dadurch erzeugt, daß die Stelle mit hohem statischem Flüssigkeitsdruck über die Durchflußleitung mit der Kammer verbunden ist. Die Schubkräfte neutralisieren oder kompensieren sich gegenseitig durch eine Veränderung des Abstands zwischen den axialen Enden des Rotors und den benachbarten Enden der Schilde.
Auch bei diesem bekannten Strömungsmesser wird also eine Schubkraft durch Umwandlung von kinetischer Strömungsenergie in statischen Druck erzeugt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mit diesen Maßnahmen zu erreichende Kompensation des in Strömungsrichtung auf den Rotor wirkende Axialschubs sowie auch die Anzeigegenauigkeit noch nicht voll befriedigend sind.
Die US-Patentschrift 27 09 366 beschreibt einen Durchflußmesser für Flüssigkeiten, welcher ein vorderes im Durchströmungskanal fest angeordnetes Schild und einen in Durchströmungsrjchtung dahinter angeordneten Rotorkörper aufweist, der einerseits im Schild und andererseits in einer hinteren Halterung mittels einer Welle gelagert ist Der Rotorkörper weist in seinem hinteren Bereich eine in den Durchströmungskanal radial vorragende Verdickung auf, welcher ein von der Wandung des Durchströmungskanals radial nach innen vorragender ringförmiger Vorsprung zur Bildung einer Strömungsverengung zugeordnet ist. Ferner befindet sich zwischen der vorderen Stirnfläche des Rotorkörpers und dsr hinteren Stirnfläche des Schildes ein Spalt für den Zutritt der Flüssigkeitsströmung. Im übrigen entspricht der Durchmesser des Rotorkörpers in dem Schild benachbarten Bereich größerer Länge, in welchem sich auch die Rotorschaufeln befinden, dem Durchmesser des Schildes. Bei dem bekannten Durchflußmesser soll der Rotorkörper aufgrund der auf ihn einwirkenden Strömungskräfte in axialer Richtung im wesentlichen fixiert gehalten werden, wozu die Abmessungen der einzelnen Teile entsprechend aufeinander abgestimmt sind.
Zwar werden bei diesem bekannten Durchflußmesser auch Druckgefälle zur Lagerung des Rotorkörpers ausgenutzt, jedoch ist zur Erzielung des gewünschten Effekts ein besonders großer konstruktiver Aufwand notwendig, und außerdem ist dieser bekannte Durchflußmesser bei fluktuierender Strömung oder bei Störungen in der Strömung in seiner Funktionssicherheit gefährdet
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirksamen Durchflußmesser für Flüssigkeiten von der vorstehend beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem sich insbesondere eine verbesserte Kompensation des auf den Rotor in Durchströmungsrichtung wirkenden Axialschubs und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des stromabwärts angeordneten Drucklagers sowie andererseits eine Verbesserung der Anzeigegenauigkeit des Durchflußmessers ergeben soll.
Diese Aufgabe wird bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eintrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel des Rotors von der stromabwärts gesandten Rückseite nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet.
Hierdurch wird ein dem in Durchströmungsrichtung gerichteten Axialschub entgegenwirkenden zusätzlicher Gegenschub erzeugt, welcher zu einer solchen Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers führt, daß sogar bei höheren Geschwindigkeiten eine Bewegung der Rotorwelle außer Kontakt mit diesem Drucklager erfolgt Diese Gegenhubwirkung wird durch die beschriebene Neigung der eintrittsseitigen Stirnflächen der Rotorschaufeln herbeigeführt und bewirkt insbesondere in Anbetracht der gegenüber dem Austritt höheren Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt des Rotors, daß dieser mit höherer Drehzahl gedreht wird, als der Durchfluß durch ihn an sich bewirken würde. Der Gegendruck auf den Rotor erfolgt dabei in Richtungen allgemein senkrecht zu den Schaufelflächen und mit Komponenten in Richtung stromaufwärts.
Zusätzlich erhält man auch eine Verbesserung der Anzeigegenauigkeit. Bei geringen Durchflußmengen
bewirkt die Neigung der eintrittsseitigen Stirnflächen der Rotorschaufeln, daß der Rotor eine höhere Drehzahl !tat (verglichen mit der entsprechenden Drehzahl mit Schaufeln, deren eintrittsseitige Stirnflächen senkrecht zur Drehachse stehen), wodurch die Anzeigegenauigkeit verbessert wird, ohne daß die Genauigkeit bei größeren Durchflußmengen merklich beeinträchtigt würde.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die austrittsseitige Stirnfläche jeder Schaufel des Rotors von der stromabwärts gewandten Rückseite nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite der Schaufel hin geneigt, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet Hierdurch ergibt sich eine weitere Verbesserung der Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers.
Der Effekt der Entlastung des stromabwärts befindlichen Drucklagers wird noch weiter gefördert, wenn der lichte Durehflußquerschnitt unmittelbar stromabwärts des Rotors größer ist als im Bereich cL-i Rotors.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann der erfindungsgemäße Durchflußmesser stromaufwärts des Rotors angeordnete Gleichrichterschaufeln aufweisen, wodurch sich eine besonders gleichmäßige strahlförmige Anströmung der Rotorschaufeln ergibt.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Welle des Rotors zwischen zwei Edelstein-Drucklagern läuft und über eine Magnetkupplung mit einem Abtriebsorgan in Antriebsverbindung steht, wobei das eine Drucklager zwischen den beiden Kupplungsmagneten angeordnet und das andere Drucklager mit Bezug auf das eine Drucklager axial einstellbar ist.
Mit Vorteil ist dabei der erfindungsgemäße Durchflußmesser gekennzeichnet durch zwei Wellen, von denen die eine mit dem Antriebsorgan in Antriebsverbindung steht, während die andere mittels der Magnetkupplung mit dem Rotor verbunden ist, v/obei die beiden Wellen durch eine Schnecke und ein Schneckenrad miteinander in Antriebsverbindung stehen. Vorteilhafterweise ist dabei die die Schnecke tragende Welle zwischen zwei Edelstein-Drucklager gelagert, wobei beide Wellen mit Axialspiel gelagert sind, wodurch die Überwindung der Haf'reibunp beim Anlaufen des Durchflußmessers merklich erleichtert wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt nach der Linie 1 -1 von F i g. 2 durch einen Wasserzähler,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wasserzähler ge:näG dir Linie 2-2 von F i g. 1 und
Fig.3 eine Seitenansicht des Rotors dieses Wasserzählers.
Im Gehäuse 20 des in der Zeichnung dargestellten Wasserzählers ist in Strömungsrichtung hinter der Eintrittsöffnung 22 pin Eintrittsaggregat 10 angeordnet, in welchem sich von einem etwa eiförmigen Nabenteil 14 zehn in gleichen Winkelabständen angeordnete Gleichrichterschaufeln 12 nach einem sich innsn kegelig verengenden, außen zylindrischen Mantelteil 16 erstrekken. Obwohl in der Zeichnung der Nabenteil 14, die Schaufeln 12 und der Mantelteil 16 als getrennte Teile dargestellt sind, können sie zweckmäßig aus einem Stück aus Kunststoff bestehen. Drei Rippen 23 erstrecken sich von der Außenwand 25 des Nabenteils
14 nach der eigentlichen Nabe 27. Der freie Durchfluüquerschnitt zwischen dem Mantelteil 16 und dem Nabenteil 14 beträgt 80% des freien Durchflußquerschnittes längs und um die Nabe des Rotors 40, welcher Durchflußquerschnitt seinerseits 80% desjenigen zwischen den Stützschaufeln 64,66 und 68 ausmacht. In der Rohrung 28 des Nabenteiles 14 ist eine Welle 30 aus rostfreiem Stahl mittels Graphitbüchsen 32, die durch ein Distanzrohr 34 aus Gummi voneinander getrennt sind, drehbar gelagert; in das eine Ende dieser Bohrung 28 ist ein Stopfen 24 aus Bronze eingeschraubt.
Der auf der Welle 30 sitzende Rotor 40 besteht aus Polypropylen, so daß die Dichte des Rotoraggregates derjenigen von Wasser benachbart ist, und besitzt neun in gleichen Winkelabständen angeordnete, schraubenflächenfermige Schaufeln 42, die auf einer im wesentlichen zylindrischen Nabe 44 sitzen. Jede Schaufel 42 weist eine stromaufwärts gewandte Vorderseite 46 auf, wciciit uas in uen TräSäcrZdincr cifiäirüfTiciiuc »»555Cr derart trifft, daß der Rotor im Sinne des in F i g. 3 eingetragenen Pfeiles gedreht wird, eine stromabwärts gewandte Rückseite 48, eine eintrittsseitige Stirnfläche 50 und eine austrittsseitige Stirnfläche 52 auf. Die Stirnfläche 50 und 52 sind nach hinten gegen die Austrittsöffnung 54 des Gehäuses hin von der Rückseite 48 nach der Vorderseite 46 geneigt, und die Schaufeln verjüngen sich überdies nach außen unter einem Winkel von 10". so daß sie an ihrem Ende schmaler sind als an ihrem Fuß nächst der Nabe 44. Die Dicke jeder Schaufel beträgt 3.2 mm. und der Außendurchmesser des ganzen Rotors beträgt 93,7 mm. Das Spiel zwischen den Schaufeln und der Innenwand des Mantelteiles 16 ist 0.76 mm. jede Schaufel folgt einer rechtsdrehenden Schraubenfläche von 301,07 mm Steigung. Der Steigungswinkel erreicht 31,5C beim Durchmesser von 58.72 mm und 43" an der Schaufelspitze; er soll vorzugsweise nirgends weniger als 25° und nirgends mehr als 55 betragen.
Zwischen der Austrittsöffnung 54 und dem Rotor 40 befindet sich ein Nabenkörper 62. der vorzugsweise aus einem Stück mit dem Gehäuse 20 und den Stützschaufeln 64, 66 und 68 (F ι g. 2) besteht; in F i g. 1 sind jedoch der Nabenkörper 62 und die Stützschaufeln 64 und 68 als vom Gehäuse 20 verschiedene Teile dargestellt. Am Nabenkörper 62 ist ein Deckel 70 angeschraubt, wobei zur Abdichtung ein O-P.ing 72 aus Gummi eingelegt ist. Eine Stahlwelle 74. die eine Schnecke 76 trägt, ist an ihren beiden Enden in Büchsen 78 und 80 gelagert, von denen die erste im Deckel 70. die zweite im Nabenkörper 62 sitzt. Auf der Welle 74 ist ferner ein Kupplungsteil & befestigt, der einen vierpoligen keramischen Magneten 88 trägt; dieser wirkt mit einem gleichen, auf dem Rotor 40 sitzenden Magneten 90 derart zusammen, daß die Wellen 30 und 74 magnetisch miteinander gekuppelt sind. Der Kupplungsteil 86 ist zweckmäßig aus einem Stück mit der Schnecke 76 hergestellt
Auf einer Welle 84, die sich durch eine Bohrung 96 der Stützschaufel 64 und des Gehäuses 20 erstreckt und mittels Büchsen 98 und 100 im Gehäuse 20 bzw. im Nabenkörper 62 drehbar gelagert ist, sitzt ein Schneckenrad 92 (Fig.2% das mit der Schnecke 76 kämmt.
Ein Rädergetriebe 108, das ein auf der Welle 94 sitzendes Ritzel 110 aus Bronze umfaßt, überträgt die Drehung der Welle 94 auf ein herkömmliches Zählwerk 111.
Im der Welle 30 zugewandten Teil des Bronzestopfens 24 und im Deckel 70 gegenüber einer in der Welle 30 sitzenden Kugel 130 sind Drucklager 112 bzw. 114 aus synthetischem Saphir angeordnet, wobei das Lagerspiel der Welle 30 0,40 mm beträgt. Gleichartige Drucklager 118, 119 und 120 sind in den Lagerbüchsen 78, 80 und 100 vorgesehen und so eingestellt, daß die Welle 74 ein Längsspiel von 0,25 mm und die Welle 94 ein solches von 0,35 mm aufweist. Die Kugel 130 besteht aus Wolframkarbid und ist in eine Vertiefung in der
ίο austrittsseitigen Stirnfläche der Welle 30 eingepreßt, um mit dem Drucklager 114 zusammenzuwirken.
Beim Betrieb trifft das durch die Eintrittsöffnung 22 einströmende Wasser auf die Vorderseite 46 und die Stirnfläche 50 der Rotorschaufeln 42 und versetzt den
i"> Rotor 40 in Drehung. Mittels der Kupplungsmagnete 88 und 90, der Schnecke 76 und des Schneckenrades 92 wird dadurch die Welle 94 angetrieben. Das Längsspiel der Wellen 74 und 94 erlaubt diesen, beim Anlaufen des
wodurch die Haftreibung leichter überwunden wird.
Während des Anlaufens drückt die gegenseitige Anziehung der Magnete 88 und 90 die Kugel 130 der Welle 30 gegen das Drucklager 114. Mit zunehmender Durchflußmenge nimmt auch der in Durchflußrichtung
2) wirkende hydrodynamische Axialschub zu. Indessen hat die Zunahme der Durchflußmenge noch eine größere Wirkung dadurch, daß der auf die stromabwärts gewannen Rückseiten der Rotorschaufeln wirkende Druck nach der Bemoullischen Gleichung größer ist als
in der auf die stromaufwärts gewandten Vorderseiten der Schaufeln wirkend«, wobei die s'romaufwärts und die stromabwärts gewandten Schaurclflächen gleich groß sind. Dies wird durch den bereits erwähnten umgekehrten Auftriebseffekt noch unterstützt. Während die
π Durchflußmenge zunimmt, vermindert sich die Kraft, welche die Kugel 130 gegen das Drucklager 114 drückt, und schließlich wird (im dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer Durchflußmenge von ungefähr 570 l/min) die Kugel 130 vom Drucklager 114 ganz abgehoben, so
ίο daß die Welle 30 an das stromaufwärtige Drucklager 112 anzustehen kommt. Die Abnützung der Lager wird dadurch vermindert bzw. tritt wechselweise an beiden Drucklagern auf, was die Lebensdauer und Betriebssicherheit des Gerätes vergrößert.
Ji Bei geringen Durchflußmengen (im dargestellten Ausführungsbeispiel unterhalb 114 l/min), verbessert die Zunahme der Rotordrehzahl (verglichen mit der Drehzahl mit Schaufeln, deren eintrittsseitige Stirnflächen senkrecht zur Drehachse stehen, vgl. Fig. 1) infolge der Neigung der eintrittsseitigen Schaufelstirnflächen 50 die Genauigkeit der Durchflußanzeige, jhne daß diese Genauigkeit bei größeren Durchflußmengen wesentlich beeinträchtigt würde. Bei größeren DuichfluBmengen setzt die Neigung der austrittsseitigen Schaufelstirnflächen 52 die an der Austrittskante dei Schaufeln auftretende Kavitation herab, so daß der Strömungswiderstand am Rotor keinen Wert erreicht, bei welchem dessen Drehzahl und damit die Anzeigegenauigkeit des Gerätes unzulässig vermindert wäre, wohl
ω aber groß genug ist, um eine Beschleunigung des Rotors über die der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Drehzahl hinaus z*i verhindern. Im vorliegender Ausführungsbeispiel wird die Anzeige am genausten wenn die Flächen 50 und 52 mit senkrecht zur
M Rotorachse stehenden Ebenen Winkel von 22° bzw. 20° bilden. Eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Neigungswinkels zwischen der Stirnfläche 50 und der genannten Ebene vermindert den Wirkungsgrad de«
Umwandlung des Strömlingsdruckes des Wassers in das Drehmoment in bezug auf die Rotorachse (Winkel unter 22° liefern eine zu geringe Kraftkomponente quer zur Rotorachsc, solche über 22" lassen das Wasser leichter längs den Flächen 50 abströmen). Die Wirkung der flächen 50 für die Erhöhung der Rotordrehzahl wird durch die leichte Strahlwirkung verbessert, die von der Verriß iderung des Strömungsquerschnittes von der Eintrittsöffnung 22 zum Mantelteil 16 herrührt.
Der von den Machen 52 hervorgerufene begrenzte Widerstand, der auf den Rotor wirkt, vermindert die Wirkung von stromaufwärts des Rotors auftretenden Störungen der Wasserströmung auf die Rotordrehzahl auf ein Mindestmaß.
Die gegen die Schaufelspilzen verminderte Breite der Schaufeln setzt den Geschwindigkeitsgradienten an den Schaufclspitzen bei großen Durchflußmengen herab und erhöht dadurch die Arbeitsgenauigkeit des Gerätes.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Diirchflußmesser für Flüssigkeiten, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Gehäuse und einem im Gehäuse zwischen Einlaß und Auslaß angeordneten, auf einer mit Bezug auf das Gehäuse drehbaren Welle sitzenden Rotor, wobei für die Welle sowohl am einlaß- als auch am auslaßseitigen Ende je ein Drucklager vorgesehen ist, die Drucklager einen Abstand voneinander aufweisen, der etwas größer als die Länge der Welle ist, und der lichte Durchflußquerschnitt im Bereich des Rotors größer ist als stromaufwärts desselben, dadurch gekennzeichnet, daß die eintrittsseitige Stirnfläche (50) jeder Schaufel (42) des Rotors (40) von der stromabwärts gewandten Rückseite (48) nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite (46) der Schaufel (42) hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle (30) stehenden Ebene einen spitzer. Winkel bildet
2. DurchHußmesser nach Ansprach I1 dadurch gekennzeichnet, daß die austrittsseitige Stirnfläche (52) jeder Schaufel (42) des Rotors (40) von der stromabwärts gewandten Rückseite (48) nach der stromaufwärts gewandten Vorderseite (46) der -5 Schaufel (42) hin geneigt ist, wobei sie mit einer senkrecht zur Achse der Welle {30) stehenden Ebene einen spitzen Winkel bildet
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Durchflußquerschnitt unmittelbar stromabwärts des Rotors (40) größer ist als im Bereich des Rotors (40).
4. Durchflußmesser viach eimern der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er stromaufwärts des Rotors (40) angeordnete Gh jhrichterschaufeln *"· (12) aufweist.
5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30) des Rotors (40) zwischen zwei Edelstein-Drucklagern (112, 114) läuft und über eine Magnetkupplung (88, ·«' 90) mit einem Abtriebsorgan (110) in Antriebsverbindung steht, wobei das eine Drucklager (114) zwischen den beiden Kupplungsmagneten (88, 90) angeordnet und das andere Drucklager (112) mit Bezug auf das Drucklager (114) axial einstellbar ist. 4'
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei Wellen (74, 94), von denen die eine (94) mit dem Abtriebsorgan (110) in Antriebsverbindung steht, während die andere (74) mittels der Magnetkupplung (88, 90) mit dem Rotor (40) w verbunden ist, wobei die beiden Wellen (74, 94) durch eine Schnecke (76) und ein Schneckenrad (92) miteinander in Antriebsverbindung stehen.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schnecke (76) tragende " Welle (74) zwischen zwei Edelstein-Drucklagern (118, 119) und die das Schneckenrad (92) tragende Welle (94) mit ihrem einen Ende auf einem Edelstein-Drucklager (120) gelagert ist, wobei beide Wellen (74,94) mit Axialspiel gelagert sind.
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