DE1423241B2 - Flügelraddurchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flügelraddurchflußmesser für strömende Medien, mit einem ringförmigen, zur Strömungsrichtung parallelen Strömungskanal, in dem die Flügel eines drehbar gelagerten Meßflügelrades angeordnet sind, dessen Welle über eine magnetische Kupplung mit einem Umdrehungszählwerk verbunden ist.

Flügelraddurchflußmesser dieser Art, wie sie aus der USA.-Patentschrift 2 713 261 und aus den britischen Patentschriften 691 780 und 744 852 bekannt sind, weisen den Nachteil auf, daß auf Grund der strömungsmechanischen Eigenschaften nur in einem geringen Betriebsbereich ein lineares Verhältnis zwischen Flügelraddurchflußmesser und Strömungsgeschwindigkeit besteht. Bei diesen bekannten Flügelraddurchflußmessern ist das Verhältnis zwischen Flügelraddrehzahl und Strömungsgeschwindigkeit bei kleinen Reynoldschen Zahlen, also bei laminarer Strömung, ein anderes als bei turbulenter Strömung, und es ergibt sich eine weitere erhebliche Abweichung im Übergangsbereich zwischen turbulenter Strömung und laminarer Strömung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lineares Verhältnis zwischen Meßflügelraddrehzahl und Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Betriebsbereich zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die äußere Begrenzungswand des ringförmigen Strömungskanals an der Stelle des Meßflügelrades-eine Ringnut aufweist, die in Strömungsrichtung mindestens so breit wie die Flügelspitzen ist und in Umfangsrichtung das Meßflügelrad vollständig umgibt und daß der Außendurchmesser des Meßflügelrades mindestens gleich dem Außendurchmpsser des ringförmigen Strömungskanals ist.

Diese neuartige Einrichtung, die als »Wirbelsperre« oder Turbulenzdichtung zu bezeichnen ist, schaltet die Leckwirkung des Spiels zwischen den Außenkanten der Läuferflügel und dem Turbinengehäuse vollständig aus. Die ungewöhnliche Größe des tatsächlichen Spiels bei dieser Einrichtung schaltet jegliche mögliche Störung durch vom Mediumstrom mitgeführte Teilchen aus, macht die Einhaltung enger Herstellungstoleranzen überflüssig und vermindert dadurch die Herstellungskosten.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Flügelraddurchflußmessers sind folgende Überlegungen notwendig: Bei einem theoretisch idealen Flügelraddurchflußmesser, bei welchem alle Flüssigkeit durch das Flügelrad hindurchgeht und bei welchem keine Widerstandsmomente beim Durchgang der Flüssigkeit auftreten, bewegt sich das Flügelrad in einer exakt abgestimmten Beziehung zur Flüssigkeitsströmung, und es ist keine Kraft erforderlich, um dieses anzutreiben. Unter diesen Umständen ist das Meßverhältnis der Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades zur Strömungsrate der Flüssigkeit ideal und konstant.

Im wirklichen Betrieb treten jedoch Widerstandskräfte von solcher Art und Größe auf, daß ein beträchtlicher und veränderlicher Schlupf des Flügelrades erzeugt wird. Dadurch wird aber die Genauigkeit des Meßgerätes beeinflußt, wenn dieser Schlupf nicht kompensiert wird. Es kann angenommen werden, daß üblicherweise diese Widerstandskräfte aus zwei Kräften bestehen. Es ist eine Widerstandskraft F₁₁, vorhanden, die durch den mechanischen Widerstand der Reibung hervorgerufen wird, welche durch die Lagerlasten und die Registrierbelastungen erzeugt wird, und es ist ferner eine Widerstandskraft F₁ vorhanden, die durch die Reibung der Flüssigkeit erzeugt wird, die auf den sich drehenden Rotor einwirkt. Diese Kräfte addieren sich und bilden eine totale Widerstandskraft F_n

F_r = F_m + F,. (1)

Die Totalkraft F_n die im Gegensatz zu der in Lei-ίο tungsturbinen auftretenden Kräften sehr klein ist, muß von einer Antriebskraft F_d überwunden werden, die von dem Medium ausgeübt wird, welches durch die Schaufeln des Meßflügelrades hindurchgeht. Wenn das Flügelrad synchron und stationär gedreht wird, so ist die Antriebskraft F_d gleich der gesamten Widerstandskraft

F,.

Durch die Einwirkung dieser Widerstandskraft neigt das Flügelrad zum Schlupfen und dreht mit einer Drehzahl, die etwas kleiner ist als die ideale Synchrondrehzahl.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist bei den bisher bekannten Flügelraddurchflußmessern der Rotorschlupf für laminare Strömung, die Übergangsströmung und für turbulente Strömungen nicht konstant, sondern verändert sich beträchtlich, so daß das Verhältnis von Winkelgeschwindigkeit zur Strömungsrate nicht konstant ist, was zu Meßfehlern führt.

Es wurde nun gefunden, daß die erfindungsgemäße Turbulenzdichtung in der Aussparung einen bedeutenden Einfluß auf die Meßgenauigkeitskurve hat, und zwar^dadurch, daß auf das Meßflügelrad ein zusätzlicher veränderlicher Widerstand ausgeübt wird.

Im wesentlichen erzeugt diese Widerstandskraft, die durch die Turbulenzdichtung an den Spitzen der Flügel induziert wird, einen zusätzlichen Rotorschlupf, durch den Meßungenauigkeiten kompensiert werden.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Ringnut mit Vorteil einen rechteckigen Querschnitt haben.

Es hat sich ferner gezeigt, daß mit Vorteil die axiale Länge der Ringnut gleich einem ganzzahligen Vielfachen ihrer in radialer Richtung gemessenen Tiefe an der stromaufwärtigen Seite sein kann. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der innere Durchmesser des ringförmigen Strömungskanals größer sein als der Fußkreisdurchmesser der Flügel des Meßflügelrades.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Projektion aller Flügel auf eine zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene eine ringförmige ge- schlossene Fläche ergibt.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß

das Verhältnis σ = -- der Flügelsehnenlänge c zu

Flügelabstand s beim mittleren Flügelradius im Bereich zwischen 1,1 und 1,5 liegt.

Mit besonderem Vorteil kann das Flügelrad zwischen 12 und 24 Flügel tragen, deren Anströmwinkel von den Füßen bis zu den Spitzen im wesentlichen gleichförmig ist und, bezogen auf die Welle des Flügelrades, zwischen 40 und 60° liegt.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt das Verhältnis des Durchmessers der inneren Begrenzungswand durch Durchmesser der

äußeren Begrenzungswand des ringförmigen Stromungskanals bei einem Durchflußmesser für Flüssigkeiten im Bereich zwischen 0,60 und 0,75 und bei einem solchen für Gase zwischen 0,70 und 0,85.

Die Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Flügelraddurchflußmesser, insbesondere für Gase,

F i g. 2 eine Schnittansicht durch den Flügelraddurchflußmesser, genommen längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 eine Schnittansicht im vergrößerten Maßstab des Meßflügelrades,

F i g. 5 eine vergrößerte Schnittansicht der Ringnut und der Flügelspitze,

F i g. 6 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 6-6 der F i g. 4,

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung des Meßflügelrades,

F i g. 8 eine Teilansicht des Meßflügelrades.

F i g. 9 eine Seitenansicht eines der Flügel des Meßflügelrades nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Draufsicht auf den Flügel nach Fig. 9,

Fig. 11 eine Abwicklung eines teilweisen ZyImderschnittes durch die Außenkanten der Flügel des Meßflügelrades nach F i g. 8 und

Fig. 12 eine Abwicklung eines teilweisen Zylinderschnitts durch die Wurzeln der Flügel des Meßfliigelrades nach F i g. 8.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Flügelraddurchflußmesser 20, insbesondere für Gase mit einem auseinandernehmbaren, zweiteiligen Gehäuse, das aus einem ersten rohrförmigen Eintrittsabschnitt 22 und einem zweiten ebenfalls rohrförmigen Austrittsabschnitt 28 besteht. Der Eintrittsabschnitt 22 weist einen an seinem einen Ende angeschweißten Anschlußflansch 24 und einen an seinem inneren Ende angeschweißten Verbindungsflansch 26 auf. Der Austrittsabschnitt 28 hat den gleichen Durchmesser wie der Eintrittsabschnitt 22, mit dem er achsgleich fluchtet, und hat einen an seinem äußeren Ende angeschweißten Anschlußflansch 30 und einen am inneren Ende angeschweißten Flansch 32, der gegen den Flansch 26 anliegt. Wie in F i g. 2 dargestellt, sind die beiden Flansche 26 und 32 durch über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Schrauben 34 miteinander verbunden. Die Fuge zwischen den Flanschen 26 und 32 ist durch einen O-Ring 36 abgedichtet, der in einer ringförmigen Aussparung in der am Flansch 32 anliegenden Stirnfläche des Flansches 26 gehalten und zusammengedrückt ist. Der Innendurchmesser der Abschnitte 22 und 28 ist vorzugsweise gleich dem der Leitung, in der der Flügelraddurchflußmesser eingebaut ist.

Ein stromlinienförmig ausgebildeter zweiteiliger Einsatz mit einer stromauf gelegenen Nase 38 und einem stromab gelegenen Konus 40 ist innerhalb der Abschnitte 22 bzw. 28 koaxial zu diesen montiert und enthält die Einrichtung zum Messen des Mediums und den Antriebsmechanismus für das Zählwerk. Die Teile 38 und 40 des Einsatzes bilden zusammen mit den Innenwandungen der Abschnitte 22 ung 28 einen ringförmigen Strömungskanal mit venturiartigem Verlauf zwischen dem Eintrittsende des Flügelraddurchflußmessers 20 am Flansch 24 und dem Austrittsende aus dem Flügelraddurchflußmesser am Flansch 30.

Die Nase 38 weist einen Zylinderabschnitt 42 mit einer stirnseitigen Aussparung 44 zur Aufnahme eines Lagerträgers 46 auf, der mittels Schrauben 48 befestigt ist, eine am gegenüberliegenden Ende mittels Schrauben 52 starr befestigte Platte 50 und einen Kopf 54, der an der Platte 50 mittels eines Gewindebolzens 56 starr befestigt ist. Die Außenfläche 58 des

ίο Kopfes 54 hat einen Querschnitt, der sich in Strömungsrichtung verbreitert, so daß der Strom des Gases oder Mediums von einem Strom mit zylindrischem Querschnitt in einen Strom mit ringförmigem Querschnitt im ringförmigen Kanal 60 umgewandelt wird, der von der Außenfläche des Zylinderabschnittes 42 und der zylindrischen Innenwand des Gehäuseabschnitts 22 begrenzt wird. Die Nase 38 wird im Gehäuseabschnitt 22 von radialliegenden Rippen 62 getragen, die um die Achse der Nase 38 herum gleichmäßig verteilt angeordnet und mittels Schrauben 64 mit dem Zylinderabschnitt 42 starr verbunden sowie mittels Schrauben 66 an dem Gehäuseabschnitt 22 starr befestigt sind. Die Rippen 62 sind an ihren gegenüberliegenden Enden stromlinienförmig ausgebildet, und ihre Länge in axialer Richtung ist so gewählt, daß jede Geschwindigkeitskomponente des Mediumstroms in tangentialer Richtung ausgeschaltet wird, so daß, wenn der Strom sich dem Ende des Gehäuseabschnitts 22 nähert, die Strömungsrichtung im wesentlichen eine rein axiale ist.

Der stromab gelegene Konus 40 ist ein Hohlkörper 68, dessen Außenfläche 70 in Strömungsrichtung konvergiert und der einen zylindrischen Abschnitt 72 aufweist, der zur Außenfläche des Zylinderabschnitts 42 koaxial verläuft und den gleichen Durchmesser hat. Der Konus endet in einer Spitze 74 und ist gekrümmt, um die Strömung des Mediums beim Übergang aus dem ringförmigen Kanal 60 in den zylindrischen Kanal unter minimaler Wirbelbildung und minimalem Druckverlust zu führen. Der Hohlkörper 68 ist innerhalb des Gehäuseabschnitts 28, zu diesem koaxial, mittels gleichmäßig über den Umfang verteilter Bolzenpaare 76 und 78, die in den Hohlkörper 68 eingeschraubt sind, und mittels Schrauben 80, die durch die Wand des Gehäuseabschnitts 28 hindurchgeführt und in die Enden der Bolzen 76 und 78 eingeschraubt sind, montiert. In einem Ende des Hohlkörpers 68 ist gegenüber der Nase 38 eine bei 84 mit Öffnungen versehene Platte 82 montiert, die einen Schublagerträger 86 trägt.

Der Meßflügelradsatz 88 besteht aus einer Welle 90, aus magnetischem Material gebildet, die mittels im Abstand voneinander angeordneter Radiallager 92 und 94 im Lagerträger 46 gelagert und mittels eines vormagnetisierten Hufeisendauermagneten 96 magnetisch aufgehängt ist, der im Lagerträger 46 oberhalb der Welle 90 montiert ist, einem mit Speichen versehenen Meßflügelrad 98, das gleichmäßig über den Umfang verteilte Flügel 100 aufweist, die innerhalb des Ringkanals 60 angeordnet sind und sich quer über diesen erstrecken, und einer Antriebskupplung 102 für einen magnetischen Antrieb in Form eines Dauermagneten, der am gegenüberliegenden Ende der Welle 90 außerhalb des Lagers 92 befestigt ist. Die Lager 94 sind Ringsaphir-Radiallager. Diese Lager sollen in erster Linie die radiale Lage des Meßflügelrades 98 festlegen. Sie haben nur eine Belastung zu tragen, da das Gewicht

5 6

des Meßflügelrads durch die magnetische Aufhängung reichlich bemessen ist, z.B. lV2inm oder darüber

des Magneten 96 getragen wird und das Meßflügel- beträgt.

rad in hohem Maß ausgewuchtet ist. Die geringe Der magnetische Antrieb 102 (F i g. 2), der am

Axialbewegung des Meßflügelradansatzes 88 und der linken Ende der Turbinenläuferwelle 90 montiert ist,

Welle 90 (0,25 bis 0,38 mm) während des Ablaufens 5 ist durch ein geschlossenes, nicht magnetisches Rohr

und Stillsetzens des Flügelraddurchflußmessers ge- 110 hindurch mit einem magnetischen Folgeglied 108

währleistet eine selbsttätige Reinigung der Radial- magnetisch gekoppelt. Das Rohr 110 bildet eine sta-

lager 92 und 94. Die magnetische Kraft des Magne- tische Dichtung für das Medium und ist mittels einer

ten 96 ist von solcher Größenordnung, daß sie dem Tragplatte 112 am Zylinderabschnitt 42 montiert.

Gewicht des Meßflügelradsatzes 88 entspricht, und io Diese Tragplatte 112 ist mittels Schrauben 114 be-

die Wirkungslinie der magnetischen Kraft verläuft festigt und mittels einer in einer Nut am Zylinderab-

durch den Schwerpunkt des Meßflügelradsatzes 88. schnitt 42 eingelegten und zusammengedrückten

Bei einer praktischen Ausführungsform beträgt das O-Ring-Dichtung 116 und mittels einer in der Platte

Gesamtgewicht des Meßflügelradsatzcs 88 etwa 71 g 112 in einer Nut eingelegten und zusammengedrück-

und das Trägheitsmoment etwa 1,44 kg cm². Der 15 ten O-Ring-Dichtung 118 abgedichtet. Das magne-

Dauermagnet 96 ist derart vorentmagnetisiert, daß tische Folgeglied 108 treibt ein Ritzel 120, das, wie

er nach Einbau in den Meßflügelradsatz seine rema- F i g. 2 und 3 zeigen, über ein Getriebe mit einer

nente Magnetisierung unbegrenzt behält. Zwischen vertikalstehenden Welle 122 verbunden ist, die ihrer-

dem Magneten 96 und der Welle 90 soll ein genü- seits mit einer Zählwerksantriebswelle 124 gekuppelt

gender Luftspalt (bei einer praktischen Ausführungs- 20 ist. Die Zählwerksantriebswelle 124 (F i g. 3) ist

form z. B. 2,5 mm) vorgesehen sein, so daß ein un- durch ein festes rohrförmiges Gehäuse 126 hindurch-

vermeidbares Radialspiel der Welle 90 in den Lagern geführt. Dieses Gehäuse 126 erstreckt sich durch den

92 und 94 die magnetische Kraft nicht in nennens- ringförmigen Kanal 60 zwischen den Abschnitten 22

wertem Maß ändert. und 42 und ist am Zylinderabschnitt 42 durch eine

Das Meßflügelrad 98 ist zwischen den benach- 25 eingesetzte Buchse 128 befestigt, die im zusammenbarten Enden der Nase 38 und des Konus 40 an der gebautem Zustand im wesentlichen zu einem BeVerbindungsstelle der Flansche 26 und 32 angeord- standteil des Zylinderabschnittes 42 wird. Die statisch net und ist nach dem Abbau des Gehäuseabschnitts flüssigkeitsdichte Beziehung zwischen dem Gehäuse 28 zusammen mit dem darin montierten Konus 40 126 und dem Stopfen 128 wird durch einen O-Ring bequem zugänglich. Der ganze Meßflügelradsatz kann 30 130 hergestellt. Das Gehäuse 126 ist am Abschnitt 22 dann als Einheit herausgenommen werden, wenn die mittels eines Einsatzgliedes 132 montiert, das ange-Schrauben 48 gelöst werden. Diese-Einheit ist in schweißtest. Ein O-Ring 134 bildet eine statische Fig. 7 dargestellt. Abdichtung gegen das Medium zwischen dem Ge-

Da der in F i g. 2 gezeigte Flügeftaddurchfluß- häuse 126 und dem Einsatzglied 132.

messer in erster Linie für die Messung von Gasen 35 Die Welle 124 ist mit einer Eingangswelle 136

bestimmt ist, hat das Meßflügelrad 98 eine Form, wie eines herkömmlichen Anzeigers 138 mit Zifferblatt

es im einzelnen in den Fig. 4 bis 12 dargestellt ist. einer Uhr (Fig. 1 und 3) verbunden, der bzw. die

Es besteht aus einer Nabe 97, die am Ende der Welle oben am Flügelraddurchflußmesser 20 montiert ist

90 befestigt ist und mehreren, bei der dargestellten und in einem aufrechten rohrförmigen Stutzen 140

Ausführungsform achtzehn Speichen 99, von denen 40 untergebracht ist, der im wesentlichen radial vor-

jede einen Flügel 100 trägt. Die Flügel 100 bestehen springend an der Außenseite des rohrförmigen

aus dünnem Blech, sind hohl, und, wie in F i g. 9 Gliedes 22 starr befestigt ist.

bis 12 dargestellt, konturiert. Die Flügel 100 sind Die axiale Länge der Ringnut 107 ist im wesentgerade, symmetrische, aerodynamisch günstig ausge- liehen gelich einem ganzzahligen, geradzahligen Vielbildete Flügelkörper mit geringem Widerstand mit 45 fachen ihrer in radialer Richtung gemessenen Tiefe, einem Verhältnis von Flügelsehnenlänge zu Flügel- Das Verhältnis des Durchmessers des Einsatzes abstände von etwa 1,1 bis 1,5. Die Sehnen schließen zum Durchmesser des Gehäuses steht in einer direkten mit der Achse beim dargestellten Ausführungsbei- Beziehung zum Druckverlust, zum Anlaufverlust, zur spiel einen Winkel von 55,5° ein. Wenn ein etwas Flügel ausbildung und zur Meßflügelraddrehzahl. Ein höherer Anlaufstrom zulässig ist, können zur Ver- 50 niedriger Druckverlust erfordert einen großen Druckminderung der Kosten die profilierten Flügel durch „„ , . ,, . ... ,,, ...^ . D, gerade ebL Plättchen ersetet werden. nußquerschn.tt, daher em mednges Verhältnis -£

Die Schubkraft des Meßflügelradsatzes 88 wird während ein niedriger Anlauffluß eine hohe Eintritts-

(Fig. 4) von einem Saphirschublaeer aufgenommen, ...... , , . . _o _, . ... . D,

das an einem Stopfen 104 montiert ist, der in elal 55 8^eschwindl8^{keit und daher ein} g^roßes Verhältnis ^ stischer Weise durch eine Druckfeder 106 gehalten erfordert. Wenn im Interesse niedriger Herstellungsund im Lagerträger 86 des Konus 40 montiert ist. kosten gerade Flügel, wie in Fig. 4, verwendet die elastische Abstützung dieses Lasers verhindert , ,, , ....... D, . , . , „ __c ,

eine Beschädigung desselben während des Transports. ^werden' ^{so11 das} Verhältnis ^- nicht unter 0,75 be-

Der normale Schub des Meßflügelradsatzes 88 ist sehr 60 tragen, damit über die gesamte Länge des Flügels ein

gering und beträgt etwa 62,5 g bei einer Nennleistung entsprechend guter Wirkungsgrad desselben erreicht

von 575 m^:i/h Luft unter atmosphärischem Druck bei wird. Für eine gegebene Durchflußmenge pro Zeit-

der dargestellten Ausführungsform. einheit und einen gegebenen Flügelwinkel ist die

Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, weist die Außen- _T .. . , , ,, , , , .. ..... . D. ,. , . ,

wand des geraden ringförmigen Strömungskanals 60 65 L™ferdrehzahl durch das Verhältnis -^-direkt be-

des Fliigelraddurchflußmessers eine Ringnut 107 auf, .. . _ „, . ,. _Λ/ , .... . D, ,.

in die die äußeren Enden der Flügel 100 vorspringen, ^{stimmt Der Wert dieses} Verhältnisses -J- soll so gewobei das Spiel in axialer und radialer Richtung wählt sein, daß sich ein optimaler Betriebsbereich

von Läuferdrehzahlen hinsichtlich der Empfindlichkeit, Ansprechgenauigkeit und Lebensdauer des Flügelradzählers ergibt. Der richtige Wert des Verhältnisses -~- des Flügelradzählers muß daher ein

Kompromiß zwischen den oben besprochenen Forderungen sein.

Durch Analyse und Versuch wurde gefunden, daß die optimalen Werte des Durchmesserverhältnisses von Flügelradzählern

0,60 < -^i- < 0,75 für Flüssigkeiten

0,70 < — < 0,85

für Gase

o
sind.

Für Werte von -~- > 0,75 können bei geringem

Verlust an Gesamtwirksamkeit gerade Flügel verwendet v/erden (wie im folgenden noch eingehend besprochen).

Profilierte Flügel ergeben eine bessere Leistung als Flügel in Form von ebenen Plättchen, und zwar insbesondere bei niedrigen Durchflußmengen je Zeiteinheit. Die ersteren haben einen größeren Anstellwinkel, einen höheren Zug oder Auftrieb und einen geringeren Widerstand für einen gegebenen Angriffswinkel, so daß sich ein höheres AntriebSdfehmoment für einen gegebenen Schlupf des Läufers und ein geringerer Wert für den strömungsdynamiscken Widerstandskoeffizienten und somit ein niedrigerer Wert für den Anlauffluß ergibt.

Innerhalb eines kleinen Bereiches des Anströmwinkels sind außerdem sowohl die absolute Größe als auch der Betrag der Änderung des strömungsdynamischen Widerstandskoeffizienten merklich kleiner, wenn strömungsdynamisch günstig ausgebildete Profile verwendet werden als bei ebenen Plättchen, und dies hat eine bessere lineare Beziehung zwischen der Flügelraddrehzahl und der Durchflußmenge je Zeiteinheit über einen weiten Bereich des Durchflusses zur Folge. Ein anderer Vorteil strömungsdynamisch günstig ausgebildeter Profile ist in der Tatsache begründet, daß sie unter nur geringster Preisgabe des Wirkungsgrades der Flügel das Erreichen der gewünschten mechanischen Festigkeit und Steifigkeit ermöglichen. In Anwendungsfällen jedoch, in denen eine äußerst hohe Genauigkeit und ein weiterer "Bereich von Durchflußmengen je Zeiteinheit nicht erforderlich ist, geringe Kosten jedoch wesentlich sind, erweisen sich Flügel in der Form ebener Platten befriedigend, da der Angriffswinkel bei mäßigen und hohen Durchflußmengen je Zeiteinheit gewöhnlich sehr klein und im wesentlichen konstant ist.

Niedriges Gewicht und niedriges Trägheitsmoment des Läufers erfordert dünne Flügel. Versuche haben außerdem gezeigt, daß die Flügeldicke auf die strömungsdynamischen Eigenschaften der Flügel innerhalb des Betriebsbereichs der Strömungsmessung keinen nennenswerten Einfluß hat. Die Flügeldicke soll daher auf einem mit der mechanischen Festigkeit, der Steifigkeit und mit Gesichtspunkten der Fertigung zu vereinbarenden Mindestmaß gehalten werden. Für Flügelradzähler für Gase, bei denen es auf das Gewicht und das Trägheitsmoment des Läufers ganz entscheidend ankommt, können in einigen Anwendungsfällen hohle Flügel verwendet werden.

Bei gegebenem Strömungszustand gibt es eine optimale Flügeleinstellung, die einen günstigen Wirkungsgrad der Flügel ergibt. Für einen innerhalb seines Betriebsbereiches der Strömungsmessung arbeitenden Flügelradzähler mit symmetrischen, profilierten Flügeln ist der Wirkungsgrad auch innerhalb eines Bereiches von ± 10° Abweichung von der optimalen Flügelstellung noch gut. Ein hohes Antriebsdrehmoment erfordert jedoch große Flügelwinkel, während ein geringer Druckverlust einen kleinen Flügelwinkel erfordert. Der wünschenswerte Bereich der Flügelwinkel gemessen in bezug auf die Achsrichtung stellt daher einen Kompromiß zwischen den obengenannten Faktoren und dem erwünschten Wert der maximalen Läuferdrehzahl dar und ergibt sich durch den Versuch zu 40° </?<60°.

Der Flügelwinkel soll für Medien von niedriger Dichte, z. B. Gase, etwas höher sein als für Medien von hoher Dichte, wie Flüssigkeiten.

Es wurde gefunden, daß die Flügel eines Flügelradzählers von hoher Genauigkeit genügend eng beieinander angeordnet sein sollen, so daß die Abweichung zwischen dem Austrittswinkel des Mediums a₂ und dem Flügelaustrittswinkel ß₂ vernachlässigbar klein sein soll und somit a₂ ?«/?., = konstant über den gesamten Betriebsbereich ist. In geringem Abstand voneinander angeordnete Flügel bedingen eija hohes Verhältnis ο = -^- von Flügel-

sehnenlänge zum Flügelabstand. Ein hohes Verhältnis σ bedeutet jedoch eine große Flügelgesamtfläche, und dies führt zu hoher Flügelprofilreibung. Der richtige Wert von σ soll daher genügend niedrig sein, um einen niedrigen Flügelreibungsverlust zu gewährleisten, andererseits jedoch hoch genug sein, daß das Medium durch die Flügelanordnung genau geführt wird, und zwar unter einem Winkel, der praktisch gleich ist dem der Flügelanordnung selbst. Glücklicherweise ist die tatsächliche Ablenkung, die das Medium durch die Flügelanordnung erfährt, nur sehr gering, und es ist nur ein mäßiger Wert des Ausfüllungsgrades erforderlich, um die Bedingung a,^ß₂ zu erfüllen.

Versuchsergebnisse zeigen, daß sich die folgenden Grenzen für σ als wünschenswert ergeben:

so Der Wert für α soll für kompressible Medien, wie Gase, etwas höher sein als für inkompressible Medien, z. B. Flüssigkeiten.

Für einen gegebenen Wert von σ ist nach den Ergebnissen von Versuchen der Wirkungsgrad der Flügel um so höher, je kleiner die Zahl der Flügel ist. Andererseits führt eine höhere Flügelzahl zu größerer Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeitsverteilung, des Druckes und des zur Wirkung gebrachten Drehmomentes. Außerdem führt eine hohe Flügelzahl bei gegebenem Ausfüllungsgrad zu einem Läufer von geringerer Länge in axialer Richtung, von geringerem Gewicht und geringerem Trägheitsmoment. Der optimale Wert der Läuferflügelzahl ist also ein Kompromiß zwischen den obengenannten Forderungen.

Versuche haben gezeigt, daß der erwünschte Bereich der Flügelzahl Z

ist.

12 Z. Z Z 24

009 546/11

Dabei soll die Flügelzahl für kompressible Medien, wie Gase, etwas größer sein als für inkompressible Medien, z. B. Flüssigkeiten.

Claims (8)

Patentansprüche: ,

1. Flügelraddurchflußmesser für strömende Medien mit einem ringförmigen, zur Strömungsrichtung parallelen Strömungskanal, in dem die Flügel eines drehbar gelagerten Meßflügelrades angeordnet sind, dessen Welle über eine magnetische Kupplung mit einem Umdrehungszählwerk verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Begrenzungswand des ringförmigen Strömungskanals (60) an der Stelle des Meßflügelrades (98) eine Ringnut (107) aufweist, die in Strömungsrichtung mindestens so breit wie die Flügelspitzen (100) ist und in Umfangsrichtung das Meßflügelrad (98) vollständig umgibt, und daß der Außendurchmesser des Meßflügelrades mindestens gleich dem Außendurchmesser des ringförmigen Strömungskanals (60) ist.

2. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (107) einen rechteckigen Querschnitt hat.

3. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Ringnut (107) gleich einem ganzzahligen Vielfachen ihrer in radialer Richtung gemessenen Tiefe an der stromaufwärtigen Seite ist.

4. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1

10

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des ringförmigen Strömungskanals (60) größer ist als der Fußkreisdurchmesser der Flügel (100) des Meßflügelrades.

5. Fügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion aller Flügel (100) auf eine zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene eine ringförmige geschlossene Fläche ergibt.

6. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis

a = °- der Flügelsehnenlänge (c) zum Flügelabstand (s) beim mittleren Flügelradius im Bereich zwischen 1,1 und 1,5 liegt.

7. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (98) zwischen 12 und 24 Flügel (100) trägt, deren Anströmwinkel von den Füßen bis zu den Spitzen im wesentlichen gleichförmig ist und, bezogen auf die Welle (90) des Flügelrades, zwischen 40 und 60° liegt.

8. Flügelraddurchflußmesser nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der inneren Begrenzungswand zum Durchmesser der äußeren Begrenzungswand des ringförmigen Strömungskanals (60) bei einem Durchflußmesser für Flüssigkeiten im Bereich zwischen 0,60 und 0,75 und bei einem solchen für Gase zwischen 0,70 und 0,85 liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen