книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Измерение массовых расходов

В этих устройствах чувствительный элемент прибора участвует в рабочем цикле турбомашпиы, что позволяет понизить энергоемкость всей системы за счет снижения внешних затрат энергии на цели измерения, а также за счет уменьшения общего гидравлического сопротивления трубопроводов, снизить общие габариты и массу гидро­ системы.

На рис. 12 представлен разработанный автором в ИПУ ТК массовый расходомер К-20 [Л. 20], который

Рис. 12.

совмещен с горизонтальным одноступенчатым центро­ бежным консольного типа насосом 2к-6а.

Как известно, изменение момента количества движе­ ния потока в турбомашине будет равно моменту, пере­ даваемому от электродвигателя на ротор, и может быть представлено в следующем виде:

A M G = A G (/'2 с2 cos ей—І\СІ со си).

Входящие в уравнение произведения Ci cos at и с2 cos a2 являются выражениями тангенциальных скоростей пото­ ка или скоростями закручивания потока. Скорость c2cos a2 создается в центробежном насосе, чем и обуслов­ ливается приращение момента количества движения по­ тока. В нашем случае поток на входе в ротор не имеет угловой скорости и поэтому cicosai=0. Тогда уравнение момента на роторе имеет вид:

AM=AGr2c2 cos a2.

60

Очевидно, что прямолопастная крыльчатка, установ­ ленная на валу ротора и закручивающая входящий незакручеиный поток, не будет изменять общий момент на роторе турбомашины. Для прямолопастного ротора цен­ тробежного насоса имеем:

и радиус прямолопастной крыльчатки. Более точно изме­

или

M — kG,

где

Таким образом, временной сдвиг прямолопастной из­ мерительной крыльчатки относительно вала насоса и, что то же самое, относительно основного ротора цен­ тробежного насоса пропорционален массовому расходу. Измерение этого временного сдвига осуществляется пу­ тем установки на корпусе насоса двух магнитоиндукционных преобразователей, в которых генерируются им­ пульсы э. д. с. в момент прохождения около них отмет­ чиков из ферромагнитных материалов. Один отметчик установлен на лопасти прямолопастной крыльчатки,

адругой — на роторе насоса.

Врасходомере ротор 1, корпус 2, сальниковое уплот­ нение, а также асинхронный привод сохранены без из­

полнен из стали ЗОХГСА и несколько развит в сторону входного патрубка насоса для установки на нем измери­ тельного и упругого элементов расходомера. Крышка 4 изготовляется из диагмагнитных материалов (например, дюралюминия) с гнездами для установки магнитоиндукционных узлов 5 и 6. Сечение входного патрубка несколь­ ко увеличено и проточен кольцевой паз 7. Измерительная крыльчатка 8, которая является частью центробежного колеса, имеет шесть лопастей, параллельных оси враще­ ния. Длина лопастей равна 20 мм, что при учете угловых

61

скоростей ротора турбомашины обеспечивает условие закручивания всего проходящего потока до угловой ско­ рости турбомашины. Во втулке крыльчатки установлены два подшипника, закрепленных на валу 3. Крыльчатка 8 упруго соединяется с осью турбомашины с помощью цилиндрической пружины 10, которая вынесена во вход­ ной патрубок насоса и установлена одним концом внутри втулки крыльчатки 8, а другим — в тарелке 11, жестко крепящейся на валу. Детали крепления пружины и по­ лость ее расположения закрываются обтекателем 12. Пружина рассчитана на смещение крыльчатки относи-

I

ZOO

Ol 10

Рис. 13.

тельно основного ротора турбомашины на угол до 180°. Ограничительное устройство защищает пружину от пере­ грузок (палец 14 и упор 13). Уплотнение рабочего коле­ са уменьшает утечки жидкости (ее циркуляцию вокруг ротора из области высокого давления во всасывающий патрубок) и создается кольцевым выступом на наружном диске ротора насоса и кольцом 15, запрессованным в крышке корпуса 4. Расположение крыльчатки 8 в об­ ласти кольцевого уплотняющего выступа ротора позво­ ляет исключить влияние моментов вязкого трения, дей­ ствующих по ее периферии. Обеспечивается это тем, что крыльчатка и ротор насоса вращаются с одинаковым числом оборотов. Зазор между крыльчаткой и внутрен­ ней поверхностью кольцевого выступа ротора составляет 0,1—0,2 мм, что гарантирует полную закрутку потока. Отметчик 16 магнито-индукционного узла 6 установлен на наружном диске ротора насоса и вращается в кольце­ вом пазе 7. Отметчики 9 и 16 выполнены из стали Армко.

62

менения перетечек вокруг расходомера составит ±0,3% . При проведении этого эксперимента чувствительная крыльчатка устанавливалась на пружине, имеющей мо­ мент 3 735 гсм при 180° закручивания, что соответствова­ ло массовому расходу 1,1 кг/сек. Это позволило более точно измерять момент массового расхода циркулирую­ щего потока.

Сравнение гидроприводов с электроприводами анало­ гичного назначения показывает, что объем гидропривода составляет 10—13% объема соответственно электродви­ гателя и генератора той же мощности, масса же гидро-

Рис. 14.

агрегатов составляет 10—20% массы электрических агре­ гатов равновеликой мощности. Следовательно, по этим характеристикам расходомеры с гидроприводом чувстви­ тельных крыльчаток более предпочтительны.

Однако в ряде случаев переменная угловая скорость крыльчаток нежелательна. В этих случаях для получения наименьшего потребного момента Мп синхронного двига­ теля наилучшие результаты дает комбинация электро- и гидроприводов. Одним из вариантов такого исполнения прибора является установка перед прямолопастиой крыльчаткой, вращаемой от синхронного двигателя, не­ подвижного шнека. В этом случае угол атаки шнека вы­ бирается так, чтобы обеспечить закрутку потока до угло­ вой скорости крыльчатки при максимальной скорости и наименьшей плотности потока.

Наименьшая плотность берется потому, что скорость потока при максимальном массовом расходе будет

64

Исследуя это выражение на экстремум, получаем:

вижного шнека на входе в крыльчатку молено понизить потребляемую мощность электропривода в 4 раза. При увеличении плотности жидкости точка экстремума будет

смещаться в сторону больших расходов (рис. 14,а). При участии автора разработан прибор, в котором

направляющий аппарат выполнен в виде шнека, часть лопастей которого под действием скоростного напора уменьшает свой угол атаки [Л. 26]. Такая конструкция позволяет значительно снизить нагрузки на синхронный двигатель.

Конструкция входной части этого расходомера пред­ ставлена на рис. 14,6. Прямые лопасти / одним концом укреплены на неподвижном обтекателе 2, а вторым — на подвижном кольце 3. Первоначально лопасти располо­ жены под некоторым углом относительно плоскости, пер­ пендикулярной оси корпуса. Проходящий поток создает давление на лопасти и заставляет их поворачиваться во­ круг неподвижной оси, чему противодействует упругий элемент 4. С увеличением расхода пружины 4 растягива­ ются, пластины с кольцом 3 поворачиваются относитель­ но продольной оси корпуса и угол закручивания потока изменяется.

Для увеличения эффекта разгрузки двигателя турборасходомера на малых расходах подвижные лопасти имеют на своих подвижных концах упругие пластинки 5, работающие по тому же принципу, что и основные ло­ пасти направляющего аппарата.

Подпружиненная лопасть изменяет направление по­ тока и..на нее действует момент (рис. 15,а).

Сравнительные экспериментальные данные изменения угловой скорости крыльчатки при выполнении лопастей

Рис. 15.

закручивающего аппарата с постоянным углом наклона (15°) и подпружиненными показаны на рис. 15,6". На этом же графике показана погрешность измерения расходов при применении закручивающего аппарата с неподвиж­ ными лопастями 02=1—со/юс-

66

Как показывают результаты проведенного экспери­ мента, применение подпружиненных лопастей закручи­ вающего аппарата позволяет повысить предел измерения массового расхода в 4 раза.

В рассматриваемом типе массовых расходомеров мо­ мент от двигателя передается на синхронно-вращающую­ ся прямолопастную крыльчатку через магнитную муфту, работающую в крайне тяжелых условиях, определяемых значительной толщиной разделительной стенки. Поэтому снижение потребляемой мощности для закрутки потока вызывает снижение мощности двигателя и уменьшения

расходомеры с синхронным электроприводом, гидропри­ водом и расходомеры с асинхронным экранированным электроприводом. Особые группы представляют компен­ сационные массовые расходомеры с синхронным и ги­ дроприводами, а также приборы, в которых чувствитель­ ные крыльчатки не охвачены вращающимися элементами конструкций расходомера.

Рассмотрение динамических свойств расходомеров бу­ дем проводить с учетом того, что плотность измеряемого потока постоянна, а коэффициент вязкого трения на по­ верхности крыльчатки при угловых скоростях, обуслов­ ленных смещением крыльчатки относительно привода, пропорционален первой степени угловой скорости. До­ пускается также, что скорости всех элементарных струек между лопастями крыльчатки одинаковы и вся масса жидкости между лопастями представляет собой присо­ единенную массу вертушки. Считается, что изменение скорости потока происходит одновременно по всему из­ мерительному тракту расходомера. Влияние вязкости из­ меряемого вещества при установившихся режимах не учитывается, так как в этих условиях момент вязкого трения либо влияет только на точность измерения, либо (в компенсационных расходомерах) вычитается и не участвует в силовом взаимодействии. В табл. 3 приведе-

на классификация механических массовых расходомеров по их динамическим свойствам. Обозначения номеров рассматриваемых типов приемных преобразователей со­ ответствуют принятым на рис. 8.

В расходомерах с синхронным электроприводом и крыльчатками, не имеющими угловой скорости относи­ тельно охватывающих их экранов, чувствительный эле­

Пружина и крыльчатка— два элемента, способные запасать и взаимно обмениваться энергиями. В этом случае движение крыльчатки описывается дифференци­ альным уравнением второго порядка

вующий на крыльчатку при придании потоку угловой скорости ІСІ>; Мс — момент сопротивления; ср — угол пово­ рота крыльчатки относительно привода.

Для переходного режима, когда угол ср изменяется, имеем:

и

где \kv — коэффициент, зависящий от размеров крыльчат­ ки; q — жесткость пружины; R— коэффициент вязкого трения, учитывающий геометрию крыльчатки.

68

Перенеся со в правую часть, получаем выражение для временного интервала как выходной величины расхо­ домера. В этом случае

нимального времени переходного процесса, а минималь­ ной величины интегральной погрешности во время пере­ ходного режима. При этом величина степени успокоения ßy должна быть равна 0,65 [Л. 35]. Для рассматриваемых расходомеров

R + k*pG

• •

На величину ß y существенно влияют не только кон­ структивные параметры расходомера, но и массовый рас­ ход, причем величина ß y при увеличении расхода увели­ чивается, приводя к затягиванию переходных процессов из-за увеличения коэффициента демпфирования.

В расходомерах с приводом от потока наличие пру­ жины между двумя крыльчатками также определяет сте­ пень дифференциального уравнения углового смещения крыльчатки. Это уравнение будет иметь тот же вид, что и уравнение для расходомера с синхронным электропри­ водом, с той разницей, что здесь угловая скорость явля­ ется функцией объемного расхода или скорости измеряе­ мого потока.

Допущение, что систему вращающихся крыльчаток можно рассматривать как чувствительный элемент ско­ ростного (объемного) турбинного расходомера вполне оправдано, так.как в расходомерах с приводом от пото-

69