роликолопастной расходомер

Формула изобретения

1. Роликолопастной расходомер, содержащий корпус, имеющий каналы подвода и отвода рабочего тела и образованную в его внутреннем объеме рабочую камеру с опорными щеками, внешние поверхности которых обращены к торцам корпуса, между внутренними поверхностями опорных щек, связанных между собой средствами соединения, посредством размещенных в указанных щеках подшипниковых узлов установлены лопастной ротор и имеющие пазы для свободного прохождения его лопастей валики-распределители, оси вращения которых кинематически связаны с валом ротора через синхронизирующую передачу, расположенную со стороны внешней поверхности одной из щек в крышке, соединенной с корпусом, расходомер также снабжен датчиком частоты вращения ротора, при этом рабочие поверхности лопастей и поверхность рабочей камеры, рабочая поверхность валиков-распределителей, обращенная к ней поверхность выполненных в рабочей камере открытых к ротору выемок, в которых установлены валики-распределители, и поверхность ротора образуют относительно друг друга уплотняющие диаметральные зазоры, а внутренние поверхности опорных щек и обращенные к ним соответствующие поверхности ротора - уплотняющие торцевые зазоры, отличающийся тем, что во внутреннем объеме корпуса выполнена диаметральная перемычка для формирования рабочей камеры, соединенная с опорными щеками, каждая из которых со стороны ее поверхности, обращенной к торцу корпуса, снабжена гайкой, установленной в контакте с размещенным в данной щеке подшипниковым узлом вала ротора для регулирования уплотняющего торцевого зазора, при этом передающий элемент датчика частоты вращения ротора связан с синхронизирующей передачей, а его воспринимающий элемент расположен в крышке.

2. Роликолопастной расходомер по п.1, отличающийся тем, что торец корпуса со стороны, противолежащей стороне размещения синхронизирующей передачи, соединен со второй крышкой.

3. Роликолопастной расходомер по п.1 или 2, отличающийся тем, что величина уплотняющего торцевого зазора составляет 10-30 мкм.

4. Роликолопастной расходомер по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что крышка имеет перегородку, отделяющую воспринимающий элемент датчика от передающего элемента, при этом толщина перегородки не менее 1 мм.

5. Роликолопастной расходомер по п.1, отличающийся тем, что передающий элемент датчика выполнен в виде смонтированной на валу ротора крыльчатки, размещенной в крышке корпуса со стороны синхронизирующей передачи и с внешней стороны последней, радиус вращения крыльчатки превышает межцентровое расстояние между шестернями синхронизирующей передачи.

6. Роликолопастной расходомер по п.1, отличающийся тем, что шестерни синхронизирующей передачи выполнены из композиционных полимерных материалов.

7. Роликолопастной расходомер по п.1, отличающийся тем, что передающий элемент датчика выполнен в виде металлической вставки, установленной на шестерне синхронизирующей передачи, соединенной с валом ротора.

8. Роликолопастной расходомер по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в опорных щеках в зоне установки подшипниковых узлов валиков-распределителей выполнены кольцевые полости под уплотнители для осевой фиксации осей вращения валиков.

9. Роликолопастной расходомер по любому из пп.4-8, отличающийся тем, что крышка, оснащенная воспринимающим элементом датчика, имеет дисплейное окно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения массового расхода (количества) жидкостей, газов (рабочих тел), приводящихся в движение потоком этих рабочих тел, а более конкретно к массовым расходомерам роликолопастного типа, которые могут быть использованы в гидро- или газовых системах для точного измерения расхода жидкости или газа в широком диапазоне изменения их расхода, давления, температуры, вязкости.

Известны роликолопастные расходомеры (см., например, а.с. SU 1663437, пат. RU 2017071, кл. G 01 F 3/10).

Известные роликолопастные расходомеры содержат корпус (статор), имеющий каналы подвода и отвода рабочего тела и образованную в его внутреннем объеме рабочую камеру с опорными щеками, внешние поверхности которых обращены к торцам корпуса, между внутренними поверхностями опорных щек, связанных между собой средствами соединения посредством размещенных в указанных щеках подшипниковых узлов, установлены лопастной ротор и имеющие пазы для свободного прохождения его лопастей валики-распределители, оси вращения которых кинематически связаны с валом ротора через синхронизирующую передачу, расположенную со стороны внешней поверхности одной из щек в крышке, соединенной с корпусом, рабочие поверхности лопастей и поверхность рабочей камеры, рабочая поверхность валиков-распределителей, обращенная к ней поверхность выполненных в рабочей камере открытых к ротору выемок, в которых установлены валики-распределители, и поверхность ротора образуют относительно друг друга уплотняющие диаметральные зазоры, а внутренние поверхности опорных щек и обращенные к ним соответствующие поверхности ротора - уплотняющие торцевые зазоры, при этом роликолопастной расходомер по пат. 2017071 снабжен датчиком частоты вращения ротора.

В соответствии с известными техническими решениями корпус (статор) расходомера выполнен из двух частей, первая из которых, наружная, имеет форму капсулы, во внутреннем объеме которой размещена вторая часть с открытой полостью и расположенной с этой стороны опорной щекой, соединенной с противолежащей стенкой корпуса. Выполнение корпуса расходомера из двух частей повышает металлоемкость конструкции, усложняет процесс изготовления и монтажно-демонтажные работы, осуществляемые с учетом жестких требований контроля по уплотняющим зазорам между подвижными парами конструктивных элементов расходомера. Необходимость в гарантированности параметров уплотняющих зазоров соответствует требованиям точности измерения расхода рабочих тел (жидкости, газа) с учетом минимальных утечек последних в зонах герметичности при образовании подвижных пар конструктивных элементов расходомера, формирующих полости подвода и отвода в рабочей камере. При конструктивной проработке расходомеров одновременно должны быть учтены и требования по эксплуатационной надежности работы образуемых подвижных пар с учетом относительного движения их поверхностей без задиров и заеданий. Особенно это существенно при образовании двухсторонних торцевых уплотняющих зазоров (_т) между поверхностями ротора и неподвижными поверхностями щек, а также при образовании диаметрального зазора или зазоров между частью поверхности выемки рабочей камеры и поверхностью валика-распределителя. Эксплуатационная надежность известных расходомеров неэффективна вследствие низкой долговечности указанных пар по герметичности. Объясняется это незначительной угловой протяженностью названных диаметральных уплотняющих зазоров между парой выемка-валик и негарантированностью уплотняющего торцевого зазора между парой щека-ротор. Незначительная угловая протяженность указанных диаметральных зазоров приводит к преждевременному износу поверхностей валика, что особенно существенно в конструкции расходомера по пат. 2017071, но вместе с тем в данном конструктивном решении наличие двухсторонних уплотняющих зазоров между рабочей поверхностью валика и краями его выемки предпочтительнее при образовании герметичной подвижной пары. Негарантированность торцевых уплотняющих зазоров в известных конструкциях объясняется описанными выше конструктивными особенностями корпуса, усложняющего технологический процесс монтажно-демонтажных работ по настройке этих зазоров с учетом работы расходомера в технологических режимах измерения расхода рабочих тел, различных по физико-химическому состоянию.

С учетом ряда конструктивных особенностей известных расходомеров в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано изобретение по пат. 2017071.

Задачей изобретения является оптимизация конструктивно-компоновочной схемы роликолопастного расходомера, что обеспечивает достижение технического результата по уменьшению материалоемкости роликолопастного расходомера, удобства выполнения монтажно-демонтажных работ, в том числе связанных с эксплуатацией расходомера и наладкой его конструктивных элементов на гарантированные по технологическим требованиям параметры при измерении расходов рабочих тел с различными физико-химическими свойствами.

Другой задачей изобретения является подбор для конструктивного выполнения деталей и узлов расходомера материалов повышенной долговечности и надежности при соблюдении требований уменьшения материалоемкости расходомера.

Для решения поставленной технической задачи предложен роликолопастной расходомер, содержащий корпус, имеющий каналы подвода и отвода рабочего тела и образованную в его внутреннем объеме рабочую камеру с опорными щеками, внешние поверхности которых обращены к торцам корпуса, между внутренними поверхностями опорных щек, связанных между собой средствами соединения посредством размещенных в указанных щеках подшипниковых узлов, установлены лопастной ротор и имеющие пазы для свободного прохождения его лопастей валики-распределители, оси вращения которых кинематически связаны с валом ротора через синхронизирующую передачу, расположенную со стороны внешней поверхности одной из щек в крышке, соединенной с корпусом, расходомер также снабжен датчиком частоты вращения ротора, при этом рабочие поверхности лопастей и поверхность рабочей камеры, рабочая поверхность валиков-распределителей, обращенная к ней поверхность выполненных в рабочей камере открытых к ротору выемок, в которых установлены валики-распределители, и поверхность ротора образуют относительно друг друга уплотняющие диаметральные зазоры, а внутренние поверхности опорных щек и обращенные к ним соответствующие поверхности ротора - уплотняющие торцевые зазоры, согласно изобретению во внутреннем объеме корпуса выполнена диаметральная перемычка для формирования рабочей камеры, соединенная с опорными щеками, каждая из которых со стороны ее поверхности, обращенной к торцу корпуса, снабжена гайкой, установленной в контакте с размещенным в данной щеке подшипниковым узлом вала ротора для регулирования уплотняющего торцевого зазора, при этом передающий элемент датчика частоты вращения ротора связан с синхронизирующей передачей, а его воспринимающий элемент расположен в крышке.

Согласно изобретению торец корпуса со стороны, противолежащей стороне размещения синхронизирующей передачи, соединен со второй крышкой.

Согласно изобретению величина уплотняющего торцевого зазора составляет 10-30 мкм.

Согласно изобретению крышка имеет перегородку, отделяющую воспринимающий элемент датчика от передающего элемента, при этом толщина перегородки не менее 1 мм.

Согласно изобретению передающий элемент датчика выполнен в виде смонтированной на валу ротора крыльчатки, размещенной в крышке корпуса со стороны синхронизирующей передачи и с внешней стороны последней, радиус вращения крыльчатки превышает межцентровое расстояние между шестернями синхронизирующей передачи.

Согласно изобретению шестерни синхронизирующей передачи выполнены из композиционных полимерных материалов.

Согласно изобретению передающий элемент датчика выполнен в виде металлической вставки, установленной на шестерне синхронизирующей передачи, соединенной с валом ротора.

Согласно изобретению в опорных щеках в зоне установки подшипниковых узлов валиков-распределителей выполнены кольцевые полости под уплотнители для осевой фиксации осей вращения валиков.

Согласно изобретению крышка, оснащенная воспринимающим элементом датчика, имеет дисплейное окно.

При реализации изобретения уменьшается металлоемкость расходомера за счет выполнения корпуса с диаметральной перемычкой для образования рабочей камеры ротора, упрощаются монтажно-демонтажные работы за счет двухстороннего расположения крышек на корпусе статора и наличия средств регулирования. При реализации изобретения повышается его эксплуатационная надежность, в том числе за счет использования высокопрочных конструкционных материалов с диэлектрическими свойствами, позволяющих их использовать в качестве несущей конструкции для размещения датчиков измерительных систем. В целом реализованная в соответствии с изобретением конструкция расходомера имеет оптимальные конструктивные параметры по габаритам и металлоемкости, эксплуатационно надежна и обеспечивает максимальную достоверность измерении расхода рабочего тела (жидкости, газа).

При анализе известного уровня техники, относящегося к расходомерам роликолопастного типа, не выявлено технических решений с аналогичной заявляемому техническому решению совокупностью конструктивных признаков и их взаимосвязью, что свидетельствует о соответствии его критериям изобретения: новизна, существенные отличия, промышленная применимость, что и подтверждается нижеприведенным описанием изобретения.

Изобретение поясняется чертежами, где на:

фиг.1 показан общий вид роликолопастного расходомера, сечение (Б-Б); при варианте использования резьбовых крышек для корпуса и крыльчатки в качестве передающего элемента датчика частоты вращения;

фиг.2 - то же, что на фиг.1 при варианте выполнения синхронизирующей передачи из композиционных полимерных материалов;

фиг.3 - то же, что на фиг.2, сечение А-А;

Фиг.4 - вариант выполнения крышки корпуса с измерительным устройством;

Роликолопастной расходомер содержит корпус 1, имеющий открытые торцы, с которыми соединены крышки 2 и 3. Внутренний объем корпуса 1 выполнен с диаметральной перемычкой 4. Названная перемычка выполнена в корпусе 1 в зоне формирования рабочей камеры 5 посредством опорных щек 6, соединяемых между собой и с перемычкой 4 болтовыми соединениями 7. В рабочей камере 5 между опорными щеками 6 посредством подшипниковых узлов 8 установлен вал 9 ротора с лопастями 10. Лопасти 10 соединены с валом 9 через крепежные элементы 11 или 12 (см. фиг.1 и 2). Диаметральная перемычка 4 имеет выемки 13, в которых установлены валики-распределители 14. Оси вращения валиков-распределителей 14 размещены в подшипниковых узлах 15, смонтированных в опорных щеках 6 рабочей камеры 5. На внешних сторонах опорных щек 6 в зоне установки подшипниковых узлов 15 выполнены кольцевые полости 16 под размещаемые в них уплотнители 17, посредством которых осуществляется осевая фиксация осей вращения валиков 14. Между поверхностью каждой выемки 13 и наружной поверхностью каждого валика-распределителя 14 образована полость 18 (для снижения гидравлических ударов). Валики-распределители 14 имеют открытые пазы 19 для свободного прохождения в них лопастей 10 ротора. Оси вращения валиков-распределителей кинематически связаны с валом 9 ротора через синхронизирующую передачу 20, обеспечивающую согласование скоростей вращения ротора и валиков-распределителей. Шестерни синхронизирующей передачи 20 размещены во внутреннем объеме крышки 2. Корпус 1 имеет каналы подвода и отвода рабочего тела (жидкости или газа) соответственно 20 и 21 или 21 и 20, сообщающиеся с рабочей камерой 5 и образующие в ней вместе с лопастями 10 ротора, рабочими (наружными) поверхностями валиков-распределителей 14 (в зависимости от направления движения рабочего тела) соответственно полость подвода или отвода 22 и полость отвода или подвода 23. Образование указанных полостей 22 и 23 обеспечивается за счет гарантированных параметров уплотняющих зазоров ₁,₃ и ₂ соответственно между парами: рабочими поверхностями лопастей 10 и обращенной к ним поверхности диаметральной перемычки 4; рабочей (наружной) поверхностью каждого валика-распределителя 14 и обращенной к ней поверхностью выемки 13, предпочтительно, в зоне прилегающей к краевым участкам выемки; рабочей поверхностью каждого валика-распределителя и обращенной к ней рабочей поверхностью ротора. Наличие указанных уплотняющих зазоров ₁,₂ и ₃ гарантирует герметичность соединения подвижных пар за счет снижения гидромеханических потерь (утечек) рабочего тела при переходе его из полости подвода 22 (23) в полость отвода 23 (22). Гарантированность диаметральных зазоров ₁ и ₂, равномерность распределения заданной величины их относительно поверхностей соответствующих герметизирующих пар обеспечивается как за счет технологических процессов изготовления, так и за счет уплотнителей 17, исключающих или уменьшающих (при соответствующих силовых нагрузках) осевые смещения валиков 14.

Обращенные друг к другу торцевые поверхности ротора и внутренние поверхности опорных щек 6 имеют торцевые уплотняющие зазоры _т. Снижение гидромеханических потерь через уплотняющие зазоры ₁,₂,₃ и _т во всех гидро- или пневмоагрегатах, в том числе в роликолопастных расходомерах, обеспечивается гарантированной величиной (микронной) их и надежностью работы этих пар в эксплуатационных условиях с учетом термовязкостных характеристик рабочего тела (жидкости, газа), скорости движения потока, протяженности зазора, при этом существенное значение для эксплуатационной надежности любого названного агрегата имеют физико-химические параметры рабочих тел, а также возможное наличие в них посторонних примесей или загрязнений, которые влияют на работу подвижных пар. С учетом этих обстоятельств существенное значение для роликолопастных расходомеров приобретает гарантированность величины торцевого зазора _т, параметры которого должны не только предотвращать утечки рабочего тела из полости в полость, но и обеспечивать возможность свободного вращения ротора без заклинивания и заедания под действием потока рабочего тела при минимально заданном моменте страгивания в любом положении ротора. С учетом этих требований величина торцевого зазора _т не превышает 10-30 мкм, при этом наименьшие значения зазора соответствуют использованию расходомера в условиях измерения расхода рабочих тел низкой плотности, кинематической вязкости и прироста ее при термоокислительных процессах. Торцевой зазор (_т) в расходомере регулируют посредством гаек 24. Гайки 24 размещают со стороны внешних торцевых поверхностей опорных щек 6 в зоне расположения в них подшипниковых узлов 8 вала ротора. Каждая гайка 24 контактирует с соответствующим подшипниковым узлом, обеспечивая в пределах заданного торцевого зазора (_т) смещение ротора относительно внутренних поверхностей опорных щек.

Для повышения эксплуатационной надежности расходомера валики-распределители последнего выполняют с наружным покрытием, имеющим толщину не более 100 мкм и твердость по минералогической шкале не менее 9-10, что соответствует твердости таких минералов, как корунд и алмаз. Данное покрытие выполнено с использование известного технологического процесса микродугового оксидирования. Процесс микродугового оксидирования известен (см., например, Научно-технический обзор, авт. Л.С. Саакиян и др. "Применение поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов и покрытий для повышения коррозионно-механической стойкости деталей нефтегазопромыслового оборудования", 1986 г, М.: ВНИИОЭНГ) и основан на формировании в силикатсодержащем электролите, например, твердого а-Аl₂O₃ (корунд) покрытия на поверхностях изделий из алюминиевых сплавов. Нанесенное на поверхность изделия методом микродугового оксидирования покрытие значительно повышает микротвердость обработанной поверхности, увеличивает ее износостойкость, что существенно для роликолопастных расходомеров, работающих в технологических режимах измерения расходов рабочих тел (жидкость или газ), не имеющих высокой степени фильтрации. Наличие упрочняющего покрытия на наружных поверхностях валиков-распределителей предпочтительно, вследствие малой угловой протяженности герметичной зоны, образуемой между подвижными парами наружная поверхность валика и часть угловой зоны поверхности выемки, и особенно существенно для конструктивного варианта при образовании герметичной зоны по краевым участкам выемки (фиг.1 и фиг. 2). Выполнение корпуса расходомера с открытыми торцами обеспечивает возможность беспрепятственного доступа к регулировочным гайкам 24, что обеспечивает контроль за параметрами торцевого зазора и возможной переналадки его с учетом различных факторов эксплуатации, в том числе с учетом использования конкретного расходомера для измерения параметров расхода различных рабочих тел.

Для технологичности изготовления расходомера лопасти 10 ротора соединены с его валом крепежными элементами, при этом вариант крепления лопастей по фиг.2 предпочтителен.

Для измерения расхода рабочего тела в крышке 2, имеющей синхронизирующую передачу, установлен датчик частоты вращения вала ротора. Передающий элемент датчика связан с шестерней 25 синхронизирующего механизма, соединенной с валом вращения ротора, а воспринимающий элемент 26 датчика расположен в выполненной в крышке 2 полости 27. Названная полость имеет перегородку 28, которая расположена в зоне действия магнитного или/и электрического поля воспринимающего элемента 26 и в зоне размещения передающего элемента датчика. Наличие перегородки 28, с одной стороны, предотвращает возможность любого контакта воспринимающей части датчика с рабочим телом, вследствие возможных его утечек, а с другой стороны, повышает точность измерения параметров за счет уменьшения возможных помех со стороны конструктивных узлов расходомера. Толщину перегородки определяют экспериментально с учетом конструктивных особенностей используемых в расходомерах датчиков, материалов, из которых изготавливаются корпус статора и его крышки, при этом, предпочтительно, чтобы толщина перегородки была не менее 0,8-1 мм или несколько больше, в том числе с учетом расстояния между ней и передающим элементом датчика, которое, преимущественно, задают в пределах 0,8-1,5 мм. В соответствии с вариантом конструктивного исполнения расходомера по фиг.1 передающий элемент датчика выполнен в виде крыльчатки 29 размещаемой на валу ротора с внешней стороны шестерни 25 синхронизирующей передачи. Радиус вращения крыльчатки 29 для уменьшения помехопередающего сигнала со стороны синхронизирующего механизма равно или превышает межцентровое расстояние между шестернями этого механизма.

В соответствии с вариантом конструктивного исполнения расходомера, предложенного по фиг.2, шестерни синхронизирующего механизма выполнены из композиционных полимерных материалов, например капролона. При этом варианте исполнения синхронизирующего механизма предпочтителен вариант выполнения передающего элемента датчика в виде металлической вставки 30, размещаемой в шестерне 25 синхронизирующей передачи. При указанном исполнении синхронизирующей передачи и передающего элемента датчика уменьшаются габариты расходомера, снижается его металлоемкость, упрощается процесс по регулированию расстояния между вставкой 30 и воспринимающей частью датчика за счет регулируемой установки вставки 30 в шестерне 25. Воспринимающая часть датчика связана (например, электрически) с измерителем, который может быть (см. фиг. 4) расположен в крышке 2. Для этой цели крышка 2 имеет полость 31 для установки соответствующего измерителя 32, а также дисплейное окно 33. Конструктивное исполнение измерителя 32 (электронного блока) определяется, в частности, заданностью параметров измерения расхода рабочего тела с учетом характеристик последнего (давление, плотность и др.)

Размещаемые на корпусе 1 крышки 2 и 3 могут быть соединены, например, с использованием резьбовых (фиг. 1) или крепежных (фиг.2) соединений. Исполнение валиков-распределителей 14 с одним пазом 17 и ротора с двумя лопастями 10 (фиг.1 и 2) предпочтительно, но вместе с тем возможны и иные варианты конструктивного исполнения расходомеров, например ротора с тремя лопастями и соответственно валика-распределителя - с двумя пазами, оппозитно расположенными (см., например, а.с. 1663437). Конкретное конструктивное исполнение указанных узлов расходомера зависит, в частности, от физико-химического состояния рабочих тел (давление, вязкость и др.).

Передаточное отношение между шестернями синхронизирующего механизма определяется конструктивными особенностями вышеописанных узлов расходомера, при этом в конкретном варианте исполнения расходомера в соответствии с фиг.1 и фиг.2 передаточное отношение равно 1:2.

Расходомер работает известным образом.

Независимо от направления подачи рабочего тела в канал 20 или 21 ротор с лопастями под действием энергии газа или жидкости вращается, перенося их из полости 22 или 23 в полость 23 или 22 благодаря синхронному вращению валиков-разделителей, поочередно пропускающих лопасти 10 ротора, и благодаря наличию уплотняющих зазоров ₁,₂,₃ и _т, которые разделяют рабочую камеру на полости подвода и отвода рабочего тела, при этом одновременно осуществляют измерение расхода, например объемного, следующим образом.

Объем рабочего тела, проходящий через расходомер за один оборот ротора (рабочий объем), равен:

V₀ = n/4(D²₁-D²₂)l cм³,

где n - количество оборотов ротора;

D₁ - диаметр ротора по лопастям 10;

D₂ - диаметр ротора по перекатыванию;

l - осевая длина лопасти 10;

датчик частоты вращения посредством его передающих элементов (крыльчатки или вставки) и воспринимающей части снимает информацию о количестве оборотов ротора "n" (в виде импульсов). Информация с датчика частоты вращения передается на измеритель (электронный блок), где осуществляется ее переработка с учетом суммарного объемного расхода по формуле: V=V₀ n t, где t - время измерения. Полученные данные выводятся на дисплейное окно.

Благодаря конструктивному исполнению расходомера обеспечивается:

снижение материалоемкости при одновременном упрощении конструкции и повышение удобств монтажно-демонтажных работ;

расширение технологических возможностей расходомера за счет возможной перенастройки или настройки герметизирующей пары: поверхности опорных щек - ротор на соответствующие условия эксплуатации с учетом использования расходомера на измерение расходов рабочего тела заданного типа по физико-химическим параметрам;

повышение эксплуатационной надежности, в том числе за счет увеличения ресурса долговечности работы конструктивных узлов и деталей расходомера;

повышение точности измерения расхода рабочих тел за счет описанных конструктивных особенностей деталей и узлов расходомера.