DE2132811C3 - Turbinen-Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinen-Durchflußmesser mit einem einen axialen Gasdurchlaß aufweisenden Gehäuse, in dem eine Spindelanordnung koaxial angeordnet ist, die einen zum Gaseinlaß hinweisenden Achszapfen trägt, auf dem ein Flügelrad gelagert ist, das eine einseitig geschlossene Nabe aufweist, in der die Lager für das Flügelrad untergebracht sind, wobei das Flügelrad eine Magnetanordnung trägt, die mit einer gehäusefesten Spulenanordnung zusammenwirkt.

Ein derartiger Turbinen-Durchflußmesser hat den Nachteil, daß die Reibung des Flügelrades nicht kon stant ist, sondern durch Eindringen von Schmutzteil chen sich im Laufe der Zeit ändern kann, so daß sie unzulässig hohe Werte annimmt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Turbinen-Durchflußmesser der eingangs genannten An zu schaffen, der auch bei längerem Betrieb eine gleichbleibend niedrige Lagerreibung aufweist so daß selbst kleine Gasströmungsstärken genau gemessen werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst daß der jenseits der Lageranordnung liegende Bereich der Nabe und des Achszapfens eine Rippendichtung aufweist die durch eine Anzahl axial hintereinanderliegender, in Umfangsrichtung sich erstreckender scharfkantiger Rippen des Achszapfens und eine in geringem Abstand von den scharfen Kanten der Rippen liegende glatte zylindrische Innenfläche der Nabe gebildet ist.

Schmutzteilchen, die durch die Strömung in Richtung auf das Nabeninnere mitgenommen werden, werden zum großen Teil von der normal zur Achse verlaufenden Fläche der Rippen abgehalten. Diejenigen Schmutzteilchen, die trotzdem über eine scharfe Kante einer Rippe hinübergelangen, sammeln sich in dem dahinterliegenden Ringraum, wo sie genügend Platz haben, so daß sie keine Klemmwirkung zwischen den Rippen und der Innenfläche der Nabe ausüben können. Größere Schmutzteilchen gelangen entweder gar nicht durch den Zwischenraum zwischen der scharfen Kante und der Innenfläche hindurch oder werden zu kleineren Teilchen zerrieben, wobei sie nur kurzzeitig zu einer Reibungserhöhung führen. Die scharfe Kante arbeitet ähnlich einem Wehr, welches zwar einen Gasdruckaus gleich zuläßt, jedoch nur einen geringen Teil von Schmutzteilchen durchläßt. Es hat sich gezeigt, daß die Schmutzteilchen sich im wesentlichen hinter der ersten und zweiten Rippe sammeln, so duii bei einer größeren Anzahl von Rippen keine Schmutzteilchen zur Lageranordnung hingelangen können.

Es ist zwar bereits bekannt, Achszapfen mit Rippen zu versehen, jedoch sind diese nicht im Abstand von einer glatten zylindrischen Innenfläche der Nabe angeordnet, sondern schleifen auf einem komplementär geformten elastischen Dichtungsring, der eine merkliche Reibung erzeugt.

Vorzugsweise besteht die Innenfläche der Nabe aus einem verformbaren Kunststoff. Dadurch wird erreicht, daß diejenigen Schmutzteilchen, deren Größe dem Abstand der scharfen Kanten von der Innenfläche der Nabe entspricht, beim Überqueren einer scharfen Kante keine große Reibungskraft auf das Flügelrad ausüben.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Rippen einen sägezahnförmigen Querschnitt haben, wobei vorzugsweise die normal zur Achse des Achszapfens liegenden Flächen der Rippen dem offenen Ende der Nabe zugewandt sind. Eine derartige Umrißgestaltung einer Dichtung hat die Eigenschaft, daß die Schmutzteilchen bei Druckänderungen leichter von den schrägen Bereichen einer Rippe über eine scharfe Kante gelangen können als von der normal zur Achse liegenden Fläche, wodurch eine gewisse Selbstreinigung erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der Achszapfen an seinem freien Ende einen Gewindebereich aufweist, einen daran anschließenden Lagerbereich zum Aufnehmen von Lagern für die Flügelradnabe, einen hieran anschließenden zylindrischen

Bereich mit größerem Durchmesser als dem Lagerbereich, und einen an den zylindrischen Bereich anschließenden Dichtungsbereich, und daß der Lagerbereich und der zylindrische Bereich durch eine Schulter getrennt sind S

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß zwischen dem die Rippen aufweisenden Bereich des Achszapfens und der Lageranordnung eine Glschutzscheibe angeordnet ist, die eine Messerkante aufweist, welche in geringem radialen Abstand von einer Innenfläche der Nabe liegt.

■ Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Turbinen-Durchflußmesser nach der Erfindung;

F i g. 2 ist eine Stirnansicht auf den Einlaß des Turbinen-Durchflußmessers nach F i g. 1;

F i g. 3 ist ein detaillierter Axialschnitt der wesentli chen Teile des Turbinen-Durchflußmessers nach ao Fig.l:

F i g. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 von F i g. 1:

F i g. 5 ist ein Querschnitt längs der Linie 5-5 von Fig.l; a₅

F i g. 6 ist ein Querschnitt längs der Linie 6-6 von F i g. 3 mit Blick auf die offene Seite der Hohlnabe;

F i g. 7 ist ein Querschnitt längs der Linie 7-7 von Fig. 3.

Der in den Fig.l, 2 und 4 dargestellte Turbinen-Durchflußmesser 10 umfaßt ein gegossenes oder maschinell bearbeitetes äußeres zylindrisches Gehäuse 12. welches an beiden Enden Stirnflansche 14 aufweist, die mit Flanschbohrungen 15 versehen sind, urn den Durchflußmesser mit Rohrflanschen einer Gasleitung verbinden zu körnen. Das Gehäuse 12 weist einen axialen Fluiddurchlaß 83 auf, der durch einen Einlaß 85 und einen Auslaß 87 begrenzt ist Im oberen Bereich des Gehäuses 12 liegt ein kreisförmiger, erhöhter Abschnitt, der einen Tragflansch 13 bildet. Auf der Oberfläche desselben sitzt eine Tragplatte 16, welche gegenüber dem Tragflansch 13 durch eine Ringdichtung 20 abgedichtet und mittels Schrauben 18 festgeschraubt ist.

Die F i g. 3, 5, 6 und 7 zeigen in Einzelheiten die Lagerung des Flügelrades 40 und die in dem Spindelgehäuse 29 untergebrachten Bauteile. Das Spindelgehäuse 29 weist eine zylindrische Ausnehmung 39 an der einlaßseitigen Stirnfläche auf, die mit einer sich durch das Spindelgehäuse 29 erstreckenden axialen Bohrung in Verbindung steht Das eine Ende eines zylindrischen Spindeleinsatzes 50 ist in die konzentrische Bohrung des Spindelgehäuses 29 eingesetzt und mittels eines Haltestiftes 51 an Ort und Stelle gehalten. Dieser Stift sitzt einerseits in dem Spindelgehäuse 29 und andererseits in einem fluchtenden Schlitz 55 in dem Flanschkopf 53 des Spindeleinsatzes 50 (F i g. 3 und 7). Die äußere Oberfläche des Flanschkopfes 53 ist konisch verjüngt und geht in eine Schulterfläche 41 über und sodann in einen freistehenden Achszapfen mit einem zylindrischen Bereich 54, einem Lagerbereich 56 und einem Gewindebereich 76. Der zylindrische Bereich weist eine Reihe in Umfangsrichtung verlaufender Rippen 52 auf, die in Richtung der Schulterfläche 41 schräg verlaufen und in geringem Abstand von dieser liegen.

An der Nabe 58 ist eine zylindrische Magnethalterung 60 festgeschraubt, die eine Anzahl zylindrischer Permanentmagnete 92 aufweist, die im gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet sind. Die Magnethalterung weist einen Gewindebereich 68 auf, der mit einer Innengewindeschulter 64 an der Flügelradnabe 58 zusammenpaßt. Diese ist mit der Magnethaltening 60 mittels einer Verriegelungsscheibe 62 verriegelt, so daß eine einheitliche Nabeneinheit geschaffen ist. Die Verriegelungsscheibe 62 ist von üblicher Bauart und weist eine Sperrzunge 72 auf, die in den Schlitz 67 des Flügelradnabenflansches 66 eingreift Die Magnethaltening 60 ist mit einem Flansch 70 versehen, der ein paar Schlitze 71 und 69 aufweist, welche etwa einen Winkelabstand von 180° haben. Sobald die Sperrzunge 72 der Verriegelungsscheibe 62 in den Schlitz 67 des Flügelradnabenflansches 66 eingreift und die Magnethalterung 60 in die Flügelradnabe 58 zum Festhalten der Kugellager 88 und 90 eingeschraubt ist wird die Außenkante der Verriegelungsscheibe 62 deformiert, so daß die deformierte Stelle 74 in den Schlitz 69 oder 71 des Flansches 70 eingreift, so daß die Magnethalterung 60 einwandfrei in bezug auf die Flügelradnabe 58 verriegelt wird. In welchen Schlitz hinein die Kante der Verriegelungsscheibe 62 deformiert wird, hängt davon ab, welcher der Schlitze 69 oder 71 weiter von dem Schlitz 67 des Fiügelradnabenflansches 66 entfernt ist. Gemäß den F i g. 3 und 6 ist die deformierte Stelle 74 im Bereich des Schlitzes 69.

Die Innenfläche 49 der Magnethaltening 60 gleitet über die Kanten der Rippen 52 hinweg. Der lichte Durchmesser der Innenfläche 49 der Magnethalterung 60 ist so groß, daß lediglich ein Abstand von 0,06 bis 0,08 mm zwischen der Innenfläche 49 und den Kanten der Rippen 52 des zylindrischen Bereiches 54 vorhanden ist. Die Rippen 52 bilden wegen des geringen Abstandes ihrer Kanten zu der Innenfläche 49 der Magnethalterung 60 eine Reihe von Labyrinthdichtungen, in denen sich Schmutz u. dgl. aus der den Durchfluß messer 10 durchströmenden Fluidströmung fangen kann.

Die Flügelradnabe 58 ist drehbar auf den Lagerbereich 56 des Achszapfens mittels 2 Kugellagern 88 und 90 befestigt. Zwischen dem ersten Kugellager 88 und der Schulter 57 des zylindrischen Bereichs 54 liegt eine ölschutzscheibe 86, die an dem inneren Laufring des ersten Kugellagers 88 anliegt. Die ölschutzscheibe 86 verhindert, daß ein Teil des Öles oder Fettes aus den Kugellagern austritt und weist zu diesem Zweck eine Messerkante 87 auf, die in einem Abstand von 0,06 bis 0,08 mm von der zylindrischen Ausnehmung 79 am einlaßseitigen Stirnende der Magnethalterung 60 liegt, so daß eine zusätzliche Labyrinthdichtung geschaffen ist gegen das Eindringen von Schmutz od. dgl. in die Kugellager 88 und 90.

Diese Kugellager sind auf dem Lagerbereich 56 im Abstand voneinander mittels Abstandsringen 80 und 84 gehalten. Auf dem Gewindebereich 76 sitzt eine Mutter 77, die an dem einlaßseitigen Ende des inneren Käfigringes des zweiten Kugellagers 90 angreift und dadurch den inneren Abstandsring 80 und den inneren Laufring des ersten Kugellagers 88 gegen die ölschutzscheibe 8€ drückt. Die äußeren Laufnnge der Kugellager 86 und 90 und der äußere Abstandsring 84 sind zwischen einer Schulter 75 der Flügelradnabe und der äußersten eingangsseitigen Stirnfläche der Magnethalterung 60 eingespannt. Wenn die Kugellagerlaufringe zwischen der Flügelradnabe 58 und der Magnethalterung 60 eingespannt sind, ist der Flansch 70 in seiner richtigen Stellung zwecks Verriegelung mit der Verriegelungsscheibe 62.

Die Mutter 77 ist gegen Lockerung auf dem Gewindebereich 76 durch einen Splint 78 geschützt. Das Flügelrad 40 umfaßt einen Außenrand 94, einen Innenrand % und einen diese beiden Teile verbindenden Steg 98. Der Innenrand 96 ist mit Preßsitz über die Außenfläche der Flügelradnabe 58 gepreßt und mittels eines Halteringes 82 festgehalten, der in eine Ausnehmung an der Außenseite der Flügelradnabe 58 eingreift. Zum Vermeiden eines Drehschlupfes ist ein Zapfen 81 in den Innenrand 96 eingesetzt und greift in einen Schlitz 73 der Flügelradnabe 58 ein. Die Schaufelblätter 42 bilden ein Teil mit dem Außenrand 94.

Der an dem Spindelgehäuse 29 befestigte Spindeleinsatz 50 steht fest und hält den Lagerbereich 56, um den sich das Flügelrad 40, die Flügelradnabe 58 und die Magnethalterung 60 als eine Einheit bewegen. Es sei erwähnt, daß diese Einheit das einzige bewegliche Teil des Turbinen-Durchflußmessers 10 ist. Da die Zählung der Umdrehungen des Flügelrades 40 zum Bestimmen der durchgeflossenen Fluidmenge mittels einer magne- ao tischen Induktionskupplung unter Verwendung von Permanentmagneten 92 geschieht, ist kein Getriebe erfotderlich, so daß dessen Abnutzung und Ungenauigkeit die Meßgenauigkeit nicht beeinflußt.

Da der wesentlichste Grund für den Ausfall von Türbinen-Durchflußmessern, insbesondere für Gase, der Ausfall der Lager ist, ist deren Schutz von besonderer Bedeutung. Fluid, das in die zylindrische Ausnehmung 39 des Spindelgehäuses 29 durch den freien Raum zwischen der eingangsseitigen Stirnkante der Magnethaiterung 60 und der ausgangsseitigen Schulterfläche 41 des Flanschkopfes 53 eindringt, muß die durch die Rippen 52 und die Innenfläche 49 gebildete Labyrinthdichtung überwinden, wobei im wesentlichen sämtliche Schmutzpartikel in den Räumen zwischen den aufeinanderfolgenden Rippen abgefangen werden, so daß selbst sehr feine Schmutzpartikel nicht in den Raum hinter der Labyrinthdichtung eindringen können.

Sollten jedoch unerwarteterweise Schmutzteilchen in diesen Raum gelangen, so sorgt die zusätzliche Labyringdichtung der Messerkante 87 der ölschutzscheibe 86 zusammen mit der zylindrischen Ausnehmung 79 dafür, daß diese Teilchen nicht in den die Lager 88 und 90 aufweisenden Innenraum der Flügelradnabe 58 eindringen können. Es hat sich herausgestellt, daß mit der Labyrinthdichtung nach der Erfindung die Lebensdauer der Lager gegenüber Ausführungen mit herkömmlicher Dichtung bei Turbinen-Gaszählern um das Doppelte verlängert wird. Die wesentlichen Zeiten, in denen mit der Fluidströmung, insbesondere in Gasmessern, Schmutzteilchen in den Bereich der Labyrinthdichtung gelangen können, sind der Anfang einer Fluidströmung und große Druckänderungen derselben. Wenn jedoch der Durchflußmesser in Betrieb ist, stehen die Ausnehmungen und Öffnungen innerhalb der Flügelradnabe 58 und der Magnethalterung 60 unter Druck des Gases, so daß keine zusätzliche Gasströmung durch die Labyrinthdichtung 52 entstehen kann.

Die Wirkungsweise des Turbinen-Durchflußmessers nach der Erfindung ist an Hand der F i g. 1 und 3 im folgenden erläutert. Das in den Durchflußmesser 10 eintretende Fluid wird durch die Gasleitfläche 34 abgelenkt, welche das Gas in dem die Gasleitfläche 34 umgebenden Bereich komprimiert und das Fluid in einer rechteckförmigen Geschwindigkeitsfront zum Erzeugen eines gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofils an den Schaufelblättern 42 umleitet. Die Verwendung der Gasleitfläche 34 schaltet praktisch einen Schub auf die Stirnfläche des Flügelrades 40 aus, mit Ausnahme des durch Reibung und Reaktion an den Schaufelblättern 42 erzeugten Schubes.

Wenn ein Fluid durch den Ringraum 33 um die Strömungsleitnabe 38 fließt und auf die Schaufelblätter 42 trifft, werden das Flügelrad 40, die Flügelradnabe 58 und die daran befestigte Magnethalterung 60 um den Lagerbereich 56 des Achszapfens gedreht. Bei dieser Drehung gelangen Permanentmagnete 92 an den kurzen Polschenkel 103 des Magnetleitkerns 106 vorbei und erzeugen jedes Mal durch die Flußänderung in demselben ein Induktionssignal in der Spulenwicklung 104, welches über die Anschlußleitungen 118 an eine Aufzeichnungs- oder Ableseeinrichtung (nicht dargestellt) weitergeleitet wird. Die Frequenz der erzeugten elektrischen Impulse ist proportional zur Drehzahl des Flügelrades. Die Anzahl der erzeugten Impulse bestimmt bei einer gegebenen Anzahl von Permanentmagneten in der Magnethalterung 60 die Anzahl der Drehungen des Flügelrades 40 und ist daher ein Maß für das durch den Durchflußmesser hindurchgeflossene Fluid.

Bei Verwendung als Gasmesser bewirkt die Kombination eines einzigen sich drehenden Elements, nämlich des Flügelrades 40 mit der Flügelradnabe 58 und der Magnethalterung 60 als Einheit in Verbindung mit einem magnetischen Induktionssystem die leichte Bestimmbarkeit der Umdrehungszahl und daher des hindurchgeflossenen Gasvolumens, wobei keine Getriebe od. dgl. zum Betätigen mechanischer Zähler erforderlich sind. Die Zuhilfenahme elektronischer digitaler Meßeinrichtungen zum Aufzeichnen und Ablesen erübrigt auch die sonst nötigen Untersetzungsgetriebe, welche gewöhnlich auf Grund ihrer Reibung den Meßbereich nach unten begrenzen würden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Turbinen-Durchflußmesser mit einem einen axialen Gasdurchlaß aufweisenden Gehäuse, in dem eine Spindelanordnung koaxial angeordnet ist, die einen zum Gaseinlaß hinweisenden Achszapfen trägt, auf dem ein Flügelrad gelagert ist, das eine einseitig geschlossene Nabe aufweist, in der die Lager für das Flügelrad untergebracht sind, wobei das Flügelrad eine Magnetanordnung trägt die mit einer gehäusefesten Spulenanordnung zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der jenseits der Lageranordnung (80,84,88,90) liegende Bereich der Nabe (58) und des Achszap'ens (54,56, 76) eine Rippendichtung (52,49) aufweist, die durch eine Anzahl axial hintereinanderliegender, in Umfangsrichtung sich erstreckender scharfkantiger Rippen (52) des Achszapfens und eine in geringem Abstand von den scharfen Kanten der Rippen lie- ao gende glatte zylindrische Innenfläche (49) der Nabe (58) gebildet ist.

2. Turbinen·Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Nabe (58) aus einem verformbaren Kunststoff be- »5 steht.

3 Turbinen-Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (52) einen sägezahnförmigen Querschnitt haben.

4. Turbinen-Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die normal zur Achse des Achszapfens (54) liegenden Flächen der Rippen (52) dem offenen Ende der Nabe (58) zugewandt sind.

5. Turbinen-Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Achszapfen an seinem freien Ende einen Gewtndebereich (76) aufweist, einen daran anschließenden Lagerbereich (56) zum Aufnehmen von Lagern (88. 90) für die Flügelradnabe (58), einen hieran anschließenden zylindrischen Bereich (54) mit größerem Durchmesser als dem Lagerbereich, und einen an den zylindrischen Bereich (54) anschließenden Dichtungsbereich, und daß der Lagerbereich (56) und der zylindrische Bereich (54) durch eine Schulter (57) getrennt sind.

6. Turbinen-Durchflußmesser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Rippen aufweisenden Bereich des Achszapfens (54) und der Lageranordnung (80, 84, 88, 90) eine ölschutzscheibe (86) angeordnet ist, die eine Messerkante (87) aufweist, welche in geringem radialen Abstand von einer Innenfläche (79) der Nabe (58) liegt.

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