KR101137004B1 - 유체 유동을 정류하기 위한 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도관 부분(1) 안에서 유체 유동을 정류하기 위한 조립체에 관한 것이다. 제한용 고리(5)는 정류 장치의 선단 에지의 근접부에서 유동 프로파일이 제한되는 방식으로 도관 부분 안의 정류 장치(2)의 상류에 위치된다. 정류 장치(2)로부터 제한용 고리(5)의 축방향 거리(t)는 0 < t < E 의 관계식에 따라서 측정되고, 여기에서 E 는 유동에 있어서 제한부의 축방향 하류측으로의 연장을 나타낸다. 정류 장치(2)의 상류측에 제한용 고리(5)를 설치하는 것은 정류 효과를 향상시킨다.

Description

유체 유동을 정류하기 위한 조립체{Assembly for rectifying a fluidic flow}

본 발명은 도관 부분에 있는 정류 장치로 유체 유동을 정류하기 위한 조립체에 관한 것이다.

개스 유동 측정 장치들, 예를 들면 터빈 휘일 개스 카운터(turbine wheel gas counter)의 일부 유형에 있어서, 측정 결과의 정확성은 접근하는 유동 프로파일(flow profile)의 상태에 크게 의존한다. 측정 장치의 캘리브레이션은 교란되지 않은, 유사하게 완전히 전개된 유동 프로파일에서 이루어진다. 따라서 가능한 한 교란되지 않은 유동 프로파일이 이용되는 설비에서 정확한 측정을 위한 중요한 필요 조건이다.

정류 장치들은 측정 장치의 도관 내에 설치되거나 또는 일 구성 요소일 수 있다.

실제에 있어서, 단지 짧은 유입 공간들이 예를 들면 파이프 굽힘부들이나 또는 압력 콘트롤러들과 같은 교란 유발 구성 요소들의 하류측에서 종종 이용될 수 있다. 이러한 이유로, 상기에 언급된 바와 같은 유형의 조립체는 측정 장치 내부나 또는 그것의 상류측에서 분리된 채로 유동 파일을 조절하는데 필요하다.

정류의 유효성은 예를 들면 터빈 휘일 개스 카운터(turbine wheel gas counter)들에 대하여 정량적으로 정의되어 있으며, 그중에서도 특히 EN 12261 에 정의되어 있다. 이와 관련하여, 소형 및 대형의 상류 교란과 같은 2 개의 표준화된 상류측 교란들에 따라서 구분이 이루어지며, 상류측 교란으로부터의 측정 장치의 최소 간격은 교란되지 않은 캘리브레이션과 비교하여 최대의 허용 가능한 측정 편차를 유지하기 위하여 결정된다.

상류측 교란들을 발생시키도록 이용된 시험 구조들은 유동 프로파일 교란들의 중요한 2 개의 특징들을 만드는데, 즉, 편심 위치를 가진 회전과 결합된 비대칭이다.

외부 정류 장치들의 다양한 구조가 공지되어 있다. 이들은 천공 플레이트 정류기, 튜브 다발 정류기(tube bundle rectifier) 또는 반경형 패들(radial paddle)(star) 정류기들을 포함하는 것으로서, EN ISO 5167 에 설명되어 있다. 이들 공지의 정류 장치들은 양쪽 교란 구성 요소들에 대하여 종종 효율적으로 유효한 것이 아니다; 이들중 일부는 소망스럽지 않게 높은 압력 손실을 발생시킨다. 마찬가지의 것이 개스 유동 측정 장치들로 일체화된 정류 장치들에 적용된다. 본 발명은 이와 관련되어 이들을 보조하는 것이다.

본 발명의 목적은 다양한 교란 구성 요소들의 유효한 정류 작용을 달성하고 따라서 단지 작은 압력 손실만을 발생시키는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 상기에 언급된 유형의 조립체로부터 시작하여, 본 발명은 제한용 고리가 정류 장치의 상류측 도관 부분 안에 배치됨으로써 정류 장치의 접근 영역 안에 있는 유동 프로파일이 제한되고 그리고 정류 장치에 대한 제한용 고리의 거리(t)가 다음의 관계식에 따라서 크기가 정해지도록 제공된다:

0 < t < E

여기에서 E 는 도관 부분의 유동내에 있는 제한의 범위이다. 여기에서, 제한은 제한용 고리에 의해 발생되고, 제한 범위는 제한용 고리로부터 도관 부분의 축방향 하류측으로 지향(指向)된다.

제한용 고리는 정류 장치로부터 최적의 거리(t)를 가지는데, 이것은 정류 장치의 구조의 유형에 달려있다.

거리(t)가 너무 작으면, 정류 장치 안의 유동은 리브(rib), 구멍(bore) 또는 그와 유사한 것에 의해 성분 유동(component flow)으로 분리되며, 그들 사이에서 균형이 이루어지지 않는다. 따라서, 무엇보다도 비대칭은 정류 장치의 외부로 배출될 때까지 부적절하게 정류된다.

거리(t)가 너무 크면, 특히 회전의 가속이 정류 장치내에서 이용되지 않으며 따라서 무엇보다도 회전 성분에 대하여 덜 효과적이다.

따라서 2 개의 쓰레숄드(threshold) 위치(O 와 E)들 사이의 거리(t)가 최적화되면, 본 발명에 따른 조립체의 전체적인 효과는 최대로 상승된다. 제한용 고리는 전체적인 주위에 걸쳐서 유동 프로파일의 중심을 향하여 지향된 유동내에서 반경 방향 성분을 발생시킨다. 회전 대칭으로 교란된 축방향 속도와 함께, 질량 유동은 중심을 향하여 일시적으로 집중되며 또한 제한용 고리의 하류측으로 대칭되게 유지된다. 축방향 속도의 비대칭 교란과 함께, 중심을 향하여 지향된 보다 큰 반경 방향 성분이 보다 높은 유동 속도의 영역에서 발생된다. 질량 유동의 무게 중심은 따라서 중심을 향하여 변위되며 비대칭은 감소된다.

동시에, 제한부는 회전 운동을 전체적으로 작은 회전 경로로 강제하는데, 이것은 회전 운동의 정류에 유리한 것이다. 회전 운동의 회전 모멘텀이 유지되기 때문에, 회전 운동의 접선 성분은 제한에 비례하여 증가한다.

따라서 회전 성분에서의 운동 에너지는 회전 에너지의 현저하게 높은 방산(dissipation) 결과의 제곱의 함수에 따라서 증가하며 그에 대응하여 보다 효과적인 정류를 증가시킨다.

또한 접근의 각도는 차후의 정류 장치 안으로 유동의 유입을 변경시킨다.

축방향 성분은 튜브 직경의 제한부의 제곱으로써 증가한다. 접선 성분에서의 증가와 함께, 접근 각도의 접선은 튜브 직경의 제한부에 비례하여 감소된다.

그 자체를 고려하면, 이러한 정류는 회전 운동의 정류에 대해서는 유리하지 않지만, 현저하게 증가된 방산에 의해 보상되는 것 이상이 된다.

제한용 고리는 축방향 폭(b)을 가지며, 이것이 바람직스럽게는 유동의 안으로 연장된 높이(h) 보다는 작으며 (h=(D - d)/2), 여기에서 D 는 제한용 고리의 외부 직경, d 는 제한용 고리의 내부 직경이다.

그러나 폭(b)은 제한용 고리의 높이(h) 보다 클 수도 있다.

바람직한 구현예에 있어서, 정류기의 효과가 증가되고 그리고/또는 정류 과정이나 또는 정류 장치의 구조적인 복잡성에서의 압력 손실이 감소되도록, 정류 장치로부터의 정류용 고리의 축방향 거리 및/또는 정류기의 직경은 정류 장치의 구조와 유형에 맞춰진다. 바람직스럽게는 최적화가 실험적으로 이루어진다.

이와는 달리, 또는 그에 부가적으로, 변위 동체의 주위가 반구 형상의 경우에서보다 작은 범위로 축방향 유동 방향으로 증가할 수 있다. 따라서 작은 회전 경로로 강제된 회전 운동은 축에 근접한 영역에서 오래 유지되는데 여기에서 2 개 리브들의 접선 간격 또는 회전 라인의 분할선은 짧다. 회전 운동의 정류는 따라서 전체적으로 더욱 향상된다.

본 발명의 다른 구현예들은 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명은 도면에 개략적으로 도시된 예시적인 구현예들을 참조하여 아래에 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1 은 유체 유동을 정류하기 위한 본 발명에 따른 조립체의 제 1 의 예시적인 구현예에 대한 개략적인 도면으로서, 안내 리브들의 선단 에지(leading edge)들이 도관의 반경 방향 평면으로 연장되며, 도관의 반경 방향 평면은 변위 동체의 반구 형상 캡의 정점과 정렬되어 있다.

도 2 는 유체 유동을 정류하기 위한 본 발명에 따른 조립체의 제 2 의 예시적인 구현예에 대한 개략적인 도면으로서, 안내 리브들의 선단 에지들이 도관의 반경 방향 평면으로 연장되며, 도관의 반경 방향 평면은 변위 동체의 반구 형상 캡의 정점의 상류측에 배치된다.

도 3 은 유체 유동을 정류하기 위한 본 발명에 따른 조립체의 제 3 의 예시적인 구현예에 대한 개략적인 도면으로서, 정류 장치의 변위 동체는 도 1 및, 도 2 의 예시적인 구현예의 것과 상이하게 형상화되어 있다.

도 4 는 터빈 휘일 개스 카운터 형태로 구성된 개스 유동 측정 장치를 특정한 구현예(도 1)에 따른 정류 조립체와 결합시킨 것의 축방향 단면도로서, 이것은 공통의 하우징 안에 일체화되어 있다.

도 1 은 본 발명의 제 1 의 예시적인 구현예에 따른 정류 장치(2)를 가진 도관 부분(1)의 개략적인 도면이다. 정류 장치(2)는 변위 동체(displacement body, 3)와 변위 동체 둘레에 분포된 반경 방향 리브(rib, 4)들을 구비한다. 변위 동체(3)는 인접한 실린더를 가진 반구형 캡의 형태로 이루어진다. 리브(4)들의 상류 선단 에지(41)들은 도관(1)의 반경 방향 평면으로 연장되는데, 도관의 반경 방향 평면은 반구형 캡의 정점(31)과 실질적으로 정렬된다.

정류 장치(2)의 접근 영역에 있는 유동 프로파일이 제한되도록, 제한용 고리(5)는 정류 장치(2)의 상류측에서 도관 부분내에 배치된다. 제한용 고리(5)는 선단 에지(41)로부터 간격(t)을 가진다. 간격(t)은 제한용 고리가 최적으로 유동에 영향을 미칠 수 있도록 크다. 본 구현예에서 제한용 고리(5)의 축방향 폭(b)은 유체 유동의 안으로 반경 방향으로 돌출된 제한용 고리의 높이(h) 보다 작다. 제한용 고리(5)의 높이(h)는 도관 부분의 내측 직경(D)과 제한용 고리의 내측 직경(d)에 관련되는데, 다음의 관계 h=(D-d)/2를 가진다.

그러나, 제한용 고리(5)의 높이(h)가 폭(b) 보다 작은 것도 가능하다. 또한 유동 프로파일이 정류 장치(2)의 접근 영역에서 제한되는 한, 거리(t)를 더 크게 선택하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 조립체의 제 2 의 예시적인 구현예는 도 2 에 도시되어 있다. 이러한 예시적인 구현예는, 반경 방향 리브(4')의 선단 에지(41')들이 변위 동체(3')의 정점(31')의 상류로 거리(s)를 두고 도관의 반경 방향 평면내에 배치되어 있다는 점에서, 도 1 의 예시적인 구현예와 상이하다. 제한용 고리(5)에 의해서 제한되는 유체 유동은 더욱 하류측으로 위치된 변위 동체(3')에 충돌하기 이전에 정류 장치(2')의 리브(4')에 충돌한다. 따라서 제한된 유동은, 축으로부터 더 이탈되어 있는 유동 경로들로 변위 동체(3)에 의해 편향되기 전에, 보다 긴 유동 경로에 걸쳐서 반경 방향 리브(4')의 축에 근접하는 작용을 받는다. 이러한 조립체는 유동의 교란에 따라서 정류에 유리한 효과를 가진다.

본 발명에 따른 조립체의 제 3 의 예시적인 구현예는 도 3 에 도시되어 있다. 이것은 변위 동체(3")의 캡의 형상에서 도 1 의 예시적인 구현예와 상이하다. 이러한 예시적인 구현예에서 캡은 회전 대칭의 형상을 가지며, 그것의 주위는 반구 형상의 경우에서 보다 작은 범위로 증가한다. 회전 대칭 캡 부분의 곡률은 회전 대칭인 캡 부분의 반경이 증가하는 것과 함께 유동 방향에서 중심축(6)으로부터 감소된다. 따라서 제한된 유동은 축에 근접한 영역에서 긴 유동 경로에 걸쳐서 변위 동체(3")의 영향하에 유지된다. 중심 축(6)을 중심으로 그 위치에서 주위 방향으로 보다 밀접하게 위치된 반경 방향 리브(4)들은 유동에서의 회전의 정류를 더욱 향상시킬 수 있다.

변위 동체(3")는 설명된 형상을 가지지만, 반경 방향 리브(4")의 선단 에지(41")들이 변위 동체(3")의 정점(31")의 상류로 거리(s)를 두고 도관의 반경 방향 평면내에 배치되도록 정류 장치(2")가 구성될 수도 있다.

도 4 는 유체 유동 측정 장치(7), 유동 정류 장치(2) 및, 제한용 고리(5)의 조합에 대한 축방향 단면도이다. 상기 언급된 모든 구성 요소들은 하우징(13) 안에 일체화되어 있다. 유체 유동 측정 장치(7)는 터빈 휘일 개스 카운터 유형이며 터빈 휘일(8), 유출 통로(9) 및, 도관(10)을 가진다. 하우징(13) 안에는 2 개의 내측 실린더(11,12)들이 배치되는데, 이들은 중심 축(6)을 중심으로 배치되며 이들중 상류의 내측 실린더(11)는 구성 요소(4,3)들과 제한용 고리(5)를 가진 정류 장치(2)를 수용하고 하류의 내측 실린더(12)는 터빈 휘일 개스 카운터(7)의 구성 요소들을 수용한다. 하우징(13)은 상류의 유입 경로(14)에 대하여 플랜지 연결에 의해 연결된다.

다양한 수정이 발명의 범위 안에서 가능하다.

정류 장치와 제한용 고리는 도관 부분내에서 유동 측정 장치로부터 분리되어 배치될 수도 있다. 도관 부분은 단품(one-part) 구성일 필요는 없다. 축방향과 반경 방향에서 다품(multi-part) 구성도 가능하다.

유입 경로와 관련하여, 예를 들면, 파이프 굽힘들의 형태로, 수정된 구성들도 가능하다.

리브(4,4',4")들의 선단 에지(41,41',41")는 반경 방향 평면에 놓일 필요는 없지만 축(6)에 대하여 만곡되거나 또는 기울어진 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 조립체는 또한 다른 정류 장치들을 이용할 때도 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 개스 유동 측정 장치등에 이용될 수 있다.

Claims (9)

1. 개스 계량기(gas meter)의 터빈 휘일을 가진 도관 부분(1)내에서 개스 유동을 정류하기 위한 조립체로서, 정류 장치(2,2',2")는 터빈 휘일의 상류측에 설치되고, 정류 장치(2,2',2")는 유입 공간의 중심 축(6)에 회전 대칭으로 배치된 변위 동체(3,3',3") 및, 변위 동체의 주위에 걸쳐 분포된 복수개의 반경 방향 리브(4,4',4")를 가지며,

   정류 장치(2,2',2")의 상류측으로 도관 부분(1) 안에 제한용 고리(5)가 배치됨으로써, 정류 장치의 접근 영역에서 유동 프로파일이 제한되고, 정류 장치(2,2',2")에 대한 제한용 고리(5)의 축방향 거리(t)는 다음의 관계:

   0 <t < E

   에 따라서 크기가 정해지며,

   여기에서 E 는 도관 부분(1)의 유동에서의 제한 범위이고, 제한은 제한용 고리(5)에 의해 발생되고, 제한 범위는 제한용 고리(5)로부터 도관 부분(1)의 축방향 하류측으로 지향(指向)되는 것을 특징으로 하는, 도관 부분내에서 유체 유동을 정류하기 위한 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   제한용 고리(5)는, 개스 유동 안으로 연장된 제한용 고리의 반경 방향 높이(h) 보다 작은 축방향 폭(b)을 가지는 것을 특징으로 하는, 도관 부분내에서 유체 유동을 정류하기 위한 조립체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   정류 장치(2,2',2") 및 제한용 고리(5)는 공통의 하우징(13) 안에 일체화되는 것을 특징으로 하는, 도관 부분내에서 유체 유동을 정류하기 위한 조립체.
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