книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Другой путь турбулизации потока — установка перед турбинкой с зазором 0,5-3 мм неподвижных направляющих лопаток под углом 45-50° к оси трубы. Здесь турбинка может иметь как винтовые [14, 32], так и прямые [33] лопасти. При этом уменьша­ ется влияние вязкости и местных сопротивлений, а также возра­ стает крутящий момент.

14.5.УКАЗАНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ КРЫЛЬЧАТЫХ

ИТУРБИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Аксиальные турбинки весьма чувствительны к направлению движения потока, поэтому в большинстве случаев на входе, а иногда и на выходе в их конструкции предусматриваются неподвижные лопатки, направляющие поток параллельно оси трубы. Измене­ нием угла наклона хотя бы одной из этих лопаток можно воз­ действовать на частоту вращения турбинки. Несмотря на при­ сутствие струевыпрямителей, турбинные расходомеры нельзя ус­ танавливать рядом с местными сопротивлениями.

В работе [3] приведены результаты исследования влияния мест­ ных сопротивлений на входе на показания ряда турбинных пре­ образователей расхода. Наибольшее влияние оказывают местные сопротивления, создающие сильное одностороннее пережатие по­ тока, а также сопротивления, вызывающие винтовое движение. Тем не менее прямой участок трубы между местным сопротив­ лением и турбинным преобразователем, равный всего 10D, в боль­ шинстве случаев оказывается достаточным для снижения влия­ ния местного сопротивления до пренебрежимо малого значения. Применение мелкоячеистых сеток и других типов турбулизаторов [2, 3] на входе перед турбинным преобразователем оказыва­ ется также весьма эффективным для устранения деформаций потока, вызываемых местными сопротивлениями.

Изменение пространственной ориентации (вертикальная или горизонтальная установка) изменяет условия работы подшипни­ ков и поэтому может оказать влияние на градуировочную зави­ симость, особенно при малых расходах, как это видно из резуль­ татов испытаний, приведенных в работе [62]. Вместе с тем в рабо­ те [10] указано, что большинство конструкций турбинных расхо­ домеров малочувствительны к изменению пространственной ори­ ентации.

Большое значение для обеспечения не только стабильности статической характеристики преобразователя расхода, но и дли­ тельного срока его службы имеет надежная работа опор. Усло­ вия их работы весьма тяжелые — высокая частота вращения Тур­ биной, доходящая до нескольких сотен оборотов в секунду, и от­ сутствие в большинстве случаев подачи смазочного материала к подшипникам. Поэтому смазывающая способность измеряемо­

303

го вещества весьма желательна. Но у сухих газов и кислот она полностью отсутствует. Изменение смазывающей способности из­ меряемой жидкости может оказывать влияние на характеристи­ ку расходомера. Так, при переходе от воды к керосину (вязкости их близки друг к другу) наблюдалось возрастание частоты вра­ щения турбинки, особенно это проявлялось в переходной зоне при уменьшении расхода.

Механические примеси недопустимы. Испытания показали, что при работе на мазуте подшипники турбинных расходомеров РВН быстро выходили из строя [37]. Если момент трения в подшип­ никах составляет небольшую часть от общего момента сопротив­ ления, то замену износившихся подшипников можно делать даже без переградуировки расходомера [24]. Но если момент трения существен, то постепенное изнашивание подшипников будет вли­ ять на показания. В этих случаях необходимо проводить перио­ дическую проверку градуировки расходомера.

Изменение температуры и давления, сопровождающееся изме­ нением плотности и вязкости измеряемого вещества, будет вли­ ять на градуировочную характеристику, главным образом у га­ зов. Так, изменение плотности вызывает изменение движущегося момента и сказывается на показаниях расходомера, особенно при малых числах Re [56]. С уменьшением плотности уменьшается частота вращения турбинки и возрастает порог чувствительности приблизительно обратно пропорционально квадратному корню из отношения плотностей. Так, при испытании одного преобразовате­ ля его показания на гелии по сравнению с показаниями на возду­ хе снизились при gmax на 2,5 % , а при 20 % дш х даже на 7 % .

В процессе эксплуатации оси турбинных расходомеров изна­ шиваются, особенно на газе, в связи с чем некоторые изготовите­ ли ограничивают их срок службы семью годами, например для приборов типа «Тургас». Но имеются данные, свидетельствую­ щие о возможности более длительной работы турбинных расхо­ домеров. Так, в Нидерландах провели повторную градуировку большого числа турбинных расходомеров газа после 5—15 лет их работы. Градуировочная характеристика изменилась лишь на 0,1 -

0,2 %.

Вертикальная или горизонтальная установка изменяет уело- . вия работы подшипников, и это может влиять на градуировку, особенно при малых расходах, но в большинстве конструкций крыльчатые расходомеры малочувствительны [10] к изменению пространственной ориентации.

Изменение плотности газа сказывается на скорости вращения турбинки. В результате испытания турбинки диаметром 10 мм (градуированной на воздухе при абсолютном давлении 0,2 МПа) на азоте, аргоне и гелии при давлениях 0,2 и 0,9 МПа и расходах от 2 до 14 м3/ч. Значения плотностей р газов были в пределах от 0,3 до 1,5 кг/м3. При давлении 0,2 МПа, когда у гелия р = 0,3 кг/м ,

304

а у азота, аргона и воздуха р= (2,4+2,5) кг/м3, скорость вращения турбинки на гелии снизилась на 4 % по сравнению с остальными газами во всем диапазоне измеренных расходов от 4 до 14 м3/ч. При давлении же 0,9 МПа, когда у гелия р = 1,3 кг/м3, у аргона р= 14,6 кг/м 3 и азота р= 10,4 кг/м 3, скорость вращения на гелии снизилась на 2 -3 % только при малых расходах 2-4 м3/ч.

В сообщении на конференции «Flomeko-93» в Сеуле рассмот­ рено влияние завихрения потока на показания турбинных рас­ ходомеров.

14.6.ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АКСИАЛЬНЫХ ТУРБИНОК

Кчислу основных параметров аксиальной турбинки относят­ ся: число лопастей г, их высота ft, толщина 5 и длина I в направ­ лении оси турбинки, угол <р, образуемый лопастями с плоскостью, перпендикулярной к оси турбинки, и зазор Л3 между корпусом и турбинкой.

Высота лопастей Л = 0,5 (DB - DH), где DBи Du — верхний и нижний диаметры турбинки соответственно. Высота ft должна быть небольшой, чтобы избежать неблагоприятного влияния не­ постоянства углов атаки, различия осевых угловых скоростей и явлений, связанных с центробежными силами. При небольших диаметрах трубопровода высота ft не может быть большой. Здесь лопатки укрепляют непосредственно на ступице (см. далее рис. 140, а), диаметр которой DCT при DB= 10 мм обычно равен 0,5ПВ. Тогда ft = 0,5 (DB- 0,5DB) = 0,25 DB. При значительных же

диаметрах DB лопатки приходится укреплять на ободе (см. рис. 140, б), диаметр которого достигает (0,8+0,85) £>в. При этом ft= 0,5 (DB - 0,8ПВ) =0,1 DB.

Момент сопротивления М в и момент инерции турбинки возра­ стают с увеличением числа z лопастей. Но при слишком малом z возможно уменьшение движущего момента М д вследствие не­ достаточного взаимодействия части струй потока с лопатками. В работе [10] рекомендуется выбирать z так, чтобы расстояние между лопастями, или иначе, шагН лопастей на верхнем диамет­ ре DBбыл не менее высоты ft лопастей. Полагая Н = ft, получим уравнение z = nDB/h для определения г. Учитывая, что ft лежит в пределах (0,25+0,1) DB, найдем, что с увеличением DBчисло ло­ пастей z возрастает от 12 до 30. На практике ограничиваются меньшим числом лопастей — от 4 до 24. При выборе z надо помнить, что моменты Мд и М в зависят не просто от г, а от произ­ ведения zl9 поэтому при уменьшении I надо увеличивать z и на­ оборот. От значения I зависят густота решетки т = l/H sin <р и шаговое перекрытие рш = l/H tgcp. С увеличением I возрастают значения как т, так и рш. Оптимальные значения т и рш, при

305

20 П . П . Кремлевский

Рис. 138. Зависимость оптимальных значений т и рш от угла <р лопасти

Рис. 139. Зависимость отношения SK/tg а от угла<р при различных зна­

чениях т

которых скольжение, вызываемое моментом М в, минимально, приведены согласно [10] на рис. 138. С учетом других моментов сопротивления — М т и М п значения т и рш, приведенные на рис. 138, следует несколько увеличить.

Осевая длина лопастей I обычно постоянна по высоте, но как показали опыты [34] с турбинкой, имевшей DB - 100 мм, уменьше­ ние I с увеличением радиуса г при условии lr = const увеличивает область линейной характеристики в сторону малых чисел Re. Толщина 8 лопастей должна быть минимальной. Для лопастей из стали и алюминиевых сплавов 8 составляет 0,8, 1,0 и 2,0 мм для D менее 50 мм, от 50 до 150 мм и свыше 150 мм соответствен­ но [23].

Степень шероховатости лопастей и форма их входных кромок влияют на показания расходомера [9]. В работе [60] для облегче­ ния стандартизации турбинных преобразователей рекомендуется иметь хорошо обработанные гладкие лопасти и острые входные кромки. (Последняя рекомендация сомнительна, так как острые кромки в процессе эксплуатации будут затупляться.)

Весьма важное значение для работы турбинного преобразова­ теля расхода имеет установочный угол ф, который образуют ее лопасти с плоскостью, перпендикулярной к оси турбинки. С уве­ личением значения ф возрастает отношение ш/д0 и, следователь­ но, чувствительность, но также возрастают момент сопротивле­ ния и скольжения SK. В работе [10] рекомендуется определять угол исходя из минимума отношения SK/tg а, где а = рср - ф — угол атаки, которому пропорционален коэффициент подъемной силы. На рис. 139 даны зависимости SK/tg а от угла ф для раз­ ных значений густоты решетки т. Оптимальные значения углов Ф для различных т лежат на линии 1, соединяющей минималь­

306

ные точки кривых. Чем больше густота т, тем ближе фопт лежит к 45°. Но даже и при очень малой густоте (т = 0,6) угол <ропт очень мало отличается от 45°. Кривая 2 дает зависимость т0ПТ от <р. Пересечение кривых 1 и 2> соответствующее ф = 43° и т = 0,65, определяет наиболее целесообразные параметры ф и т. Пологий характер кривых на рис. 139 позволяет допустить небольшие от­ клонения от ФоптЭтим объясняется, что различные изготовите­ ли выбирают ф в пределах 40-50 и даже 55° и при этом получают хорошие результаты. В одной из работ при испытании турбинок диаметром 40 мм было определено, что фопт = 52°.

Если перед турбинкой для турбулизации потока находится направляющий аппарат не с прямыми лопатками, а с располо­ женными по винту, которые закручивают поток, то турбинка мо­ жет иметь или прямые лопасти, параллельные оси [14], или вин­ товые [14, 32], угол наклона которых обычно противоположен углу наклону лопаток направляющего аппарата. Однако имеются кон­ струкции [1в], где наклон направляющих лопаток (угол 35°) и наклон лопастей турбинки (угол 15°) идут в одном направлении.

Зазор h3 между корпусом, имеющим диаметр £>, и турбинкой определяется формулой h3 = 0,5(Z> - DB). При работе в области больших чисел Re зазор h3 можно выбирать малым: от 0,01 до 0,02D. Но при очень малом зазоре (h3 - 0,0035П) проявится за­ метное влияние профиля скоростей [51]. В работе [63] показано, что малые зазоры способствуют нарушению линейности характе­ ристики турбинного преобразователя в области перехода от тур­ булентного к ламинарному режиму. Поэтому для работы при малых числах Re полезно увеличивать зазор до (0,05^0,1)£>.

Дополнительные сведения по влиянию геометрии турбинки на ее характеристику содержатся в работах [8, 10].

1 4 .7 . РАЗН О ВИ Д Н ОСТИ К РЫ Л ЬЧ АТЫ Х

И ТУР Б И Н Н Ы Х П РЕО БРАЗОВАТЕЛ ЕЙ

Аксиальные турбинки имеют винтовые лопасти с переменным по высоте углом подъема винтовой линии. Попытка применения плоских лопастей при измерении расхода вязких сред привела к ухудшению линейной характеристики [34]. Но при измерении расхода газа и жидкостей с малой вязкостью их применение це­ лесообразно [9]. Схема аксиальной турбинки для труб небольшо­ го диаметра показана на рис. 140, а. Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей (4-6), которые реализуют зна­ чительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в под­ шипниках скольжения. В турбинках средних размеров применя­ ют как подшипники скольжения, так и шарикоподшипники [11, 14]. При больших диаметрах (рис. 140, б) число лопастей возрас­ тает до 20-24, но длина их по винтовой линии очень мала. Лопа­ сти укрепляются на ободе, который соединяется со ступицей дис­

307

ком или ребрамиПоэтому высота их составляет небольшую долю (0,1£>в) диаметра турбинки. Подшипники обычно шариковые, оси могут быть как неподвижные, так и вращающиеся.

Конструкции тангенциальных турбинок более разнообразны. В большинстве случаев (рис. 140, в—д) поток жидкости одной общей струей поступает тангенциально к турбинке. В серийных одноструйных водосчетчиках применяют крыльчатки с плоски­ ми радиально расположенными плоскостями (рис. 140, д). На рис. 140, в показана особая конструкция маленькой крыльчатки также с плоскими радиальными лопастями, на торцах которых расположены пластины, служащие для отражения луча, падаю­ щего от осветителя на фотоэлемент тахометрического преобразо­ вателя. Иногда для измерения расхода газа в трубах очень мало­ го диаметра применяют турбинки с лопастями полушаровой фор­ мы (рис. 140, ж).

Во избежание одностороннего изнашивания опор в одноструй­ ных водосчетчиках применяют многоструйные водосчетчики, у которых вода поступает на радиальные лопасти крыльчатки

Рис. 140. Различные типы крыльчаток и турбинок: аксиальные при малом (а) и большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластин­ ками (в), в многоструйных водосчетчиках (г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими лопастями (е) и лопастями полушаровой формы (ж)

308

тангенциально в виде нескольких отдельных струй (рис. 140, г) через косые отверстия, равномерно расположенные в кольце, ох­ ватывающем крыльчатку.

В трубах большого диаметра иногда применяют турбинки, за­ нимающие незначительную часть площади поперечного сечения потока и измеряющие местную скорость. Обычно они бывают аксиального типа. Но известны случаи применения турбинки особого типа, состоящей из двух полуцилиндрических лопастей, сдвинутых относительно друг друга и имеющих сечение, показан­ ное на рис. 140, е. Ось этой турбинки перпендикулярна к потоку.

Срок службы турбинного преобразователя зависит главным образом от опорных узлов, работающих в тяжелых условиях (очень высокие скорости вращения, отсутствие смазочного материала, возможность динамических нагрузок, агрессивность некоторых измеряемых веществ). С уменьшением диаметра цапф осей сни­ жается момент трения, но одновременно и срок службы преобра­ зователя. Оси изготовляют из материалов с повышенной износо­ устойчивостью, остальные вращающиеся части — из алюминие­ вых сплавов и пластмасс, а при измерении расхода газа в некото­ рых случаях из полипропилена [56] или полистирола [12] для уменьшения нагрузки на опоры. Но при индукционных или ин­ дуктивных тахометрических преобразователях лопатки в боль­ шинстве случаев изготовляют из ферромагнитных материалов. Подшипники скольжения делают из графита или пластмассы, а при малых размерах — из часовых камней. Наконечники осей следует изготовлять из сплава иридий — осмий или других твер­ дых материалов. Учитывая, что смазывающая способность мно­ гих жидкостей недостаточна, а у сухих газов она отсутствует, по­ лезно покрывать шарикоподшипники специальными смазочны­ ми материалами типа Б-2-12 и 105-М, динамическая вязкость которых не превышает 1 Па •с [24].

При измерении расхода газа для уменьшения трения и удли­ нения срока службы подшипников иногда предусматривают по­ дачу смазочного материала, а для защиты от действия твердых частиц предложена турбинка с воздушными опорами [59], у кото­ рой через неподвижную ось к опорным поверхностям непрерыв­ но подводится сжатый воздух.

Применяют два типа размещения опор: с обеих сторон тур­ бинки или же с одной стороны, когда турбинка висит на консоли. Последний вариант применяют реже, хотя он легче обеспечивает соосность подшипников и отсутствие биения оси турбинки. Но при малых диаметрах и консольном варианте трудно обеспечить необходимое расстояние между двумя подшипниками. Передний и задний подшипники помещают внутри обтекателей, обеспечи­ вающих безотрывное течение жидкости. Обтекатели крепятся к неподвижным струенаправляющим лопаткам. Наружный диа­ метр обтекателей равен диаметру ступицы или обода турбинки.

309

20*

Наибольшую нагрузку испытывают обычно не опорные, а упор­ ный подшипник. Первые воспринимают лишь справнительно небольшой вес турбинки, а второй — осевое давление потока, про­ порциональное плотности и квадрату скорости вещества. Поэто­ му нередко применяют меры уменьшения осевого давления или даже полной его компенсации. Простейший (но малоэффектив­ ный) прием — расположить аксиальную турбинку вертикально, а жидкость подвести снизу. Тогда вес турбинки будет частично компенсировать осевое усилие.

Более совершенные схемы компенсации основаны или на по­ нижении статического давления, действующего на передний то­ рец ступицы турбинки, или же на повышении статического давле­ ния позади этой ступицы. Первый способ показан на рис. 141, а. Постепенным увеличением диаметра переднего обтекателя пе­ ред торцом ступицы создается зона пониженного давления. Это­ му способствует также и то, что диаметр ступицы у ее торца боль­ ше диаметра обтекателя. На рис. 141, б изображен наиболее извест­ ный вариант, реализующий второй способ разгрузки. Через цент­ ральное отверстие, просверленное в переднем обтекателе и в ступице турбинки, начальное полное давление потока подво­ дится к выходному концу ступицы. Повышение давления в этом месте может быть создано также с помощью дефлектора на зад­ нем обтекателе, который поворачивает часть потока на 180° и направляет его на выходной торец ступицы. Предложены и дру­ гие схемы компенсации осевого усилия, в том числе с примене­ нием магнитов в ступице и заднем обтекателе, направленных друг к другу одноименными полюсами. В преобразователях тур­ бинных расходомеров «Тургас» (см. рис. 148) через отверстия на конце заднего обтекателя повышенное давление действует на сту­ пицу турбинки сзади.

Компенсация осевого усилия полезна, так как уменьшает тре­ ние в упорном подшипнике и удлиняет срок его службы. Но она не может полностью предотвратить изнашивание как упорного, так и опорных подшипников, поэтому уже давно разрабатывают­ ся различные варианты безопорных турбинных преобразовате­ лей, роторы которых уравновешены гидродинамическими сила­ ми. При этом достигается и полное уравновешивание осевого

Рис. 141. Турбинки с разгрузкой осевого давления: а — за счет снижения давления рн, действующего на входной торец ступицы; б — за счет подачи

начального давления к задней опоре

310

давления. Таким преобразователям не нужны ни опорные, ни упорные подшипники. Их действие основано на том, что в зазо­ рах внутри обтекателей между неподвижными его частями и ча­ стями ротора возникают радиальные силы, центрирующие ротор, так как при эксцентрическом его положении статическое давле­ ние максимально в самом узком месте щелевого канала. Разра­ ботанные конструкции безопорных турбинных преобразователей достаточно работоспособны, но, к сожалению, у большинства их наблюдается ухудшение метрологических характеристик, умень­ шение области линейной характеристики и повышение числа Re, при котором начинает сказываться влияние вязкости. В связи с этим они получили весьма ограниченное применение. От по­ добных преобразователей существенно отличается безопорный пре­ образователь расходомера (см. рис. 149), состоящий из двух Тур­ биной с противоположным направлением лопастей, укреплен­ ных на одной вертикальной оси. Турбинки работают во взвешен­ ном положении, не имея ни упорного, ни опорных подшипников. Такие преобразователи получили промышленное применение.

1 4 .8 . УСТРОЙ СТВО ТА ХО М Е ТР И Ч Е С К И Х П РЕО БРАЗО ВАТЕЛ ЕЙ

Тахометрический преобразователь служит для преобразования частоты вращения турбинки в измерительный сигнал, обычно электрический частотный. Преобразователь создает тормозящий момент, препятствующий вращению турбинки. Нужно, чтобы этот момент был возможно меньше во исбежание вредного влияния на линейность градуировочной зависимости и увеличения зоны нечувствительности. Это требование особенно важно при измере­ нии расхода газа и при малых диаметрах турбинки, когда движу­ щий момент незначителен.

Измерение электрического сигнала низкой частоты затрудни­ тельно из-за необходимости применять усилители переменного напряжения, у которых коэффициент усиления резко уменьша­ ется в области низких частот. Отсюда возникает ограничение на наименьшую частоту измерительного сигнала.

Тахометрические преобразователи разделяют на индукцион­ ные, индуктивные, фотоэлектрические и оптические.

Индукционные или, иначе, генераторные преобразователи ос­ нованы на создании вращающейся турбинкой пульсирующего тока в обмотке, расположенной с внешней стороны трубы из диамаг­ нитного материала, с последующим измерением частоты или ЭДС этого тока. Обмотка, в которой генерируется ток, обычно пред­ ставляет собой катушку, ось которой перпендикулярна к трубе. Катушка имеет большое число витков тонкой проволоки. Внутри нее помещен железный сердечник из магнитомягкого материала, например, пермаллоя или магнит. В первом случае в ступице

311