1. Влияние вязкости.

Возможны три режима движения жидкости в проточной части турбинки: ламинарный, переходный и турбулентный. Основной диапазон работы соответствует турбулентному режиму. Здесь, в автомодельной области между  и Q_o сохраняется (в пределах ±0,5 %) пропорциональность при условии постоянства вязкости измеряемой жидкости. Переход на более вязкую жидкость вызывает иногда небольшое увеличение отношения /Q_o и уменьшение области постоянства /Q_o, так как переходный режим от турбулентного к ламинарному наступает при больших расходах Q_oп. Сказанное иллюстрирует рис. 8, где по данным работы на оси абсцисс отложена частота f импульсов, пропорциональная , а на оси ординат — отношение f/Q_o (1— = 210^-6м²/с; 2— = 510^-6м²/с; 3— = 1410^-6м²/с).

Возрастание Q_o прямо пропорционально увеличению вязкости, что обусловлено неизменностью критического числа Рейнольдса. Возрастание же /Qo с увеличением вязкости происходит не всегда (см. кривые 2 и 3 на рис. 8) и объясняется рядом причин, среди которых толщина пограничного слоя и характер профиля скоростей в .проточной части преобразователя.

Рис. 8. Влияние вязкости на линейность характеристики турбинного расходомера.

Степень возрастания зависит от конструкции турбинного преобразователя.Она снижается с уменьшением высоты лопастей и уменьшением угла их подъема (хода лопастей). Так, по данным, при переходе от воды к маслу, вязкость которого в 25 раз больше, наблюдалось возрастание /Q_o на 8,6 % у турбинки, имевшей наружный и внутренний диаметры лопастей 30 и 8 мм соответственно и средний угол их подъема 63° 30'. У аналогичной турбинки, но с углом подъема 45° возрастание /Q_o было лишь на 4,8 %. У турбинки же с укороченными лопастями (внутренний диаметр 15 мм) и углом подъема 40° 30' возрастание /Q_o снизилось до 1 %. Влияние вязкости как на /Q_o, так и на Q_oп, уменьшается с увеличением диаметра турбинки. Эффективное средство для уменьшения О_оп — установка перед турбинкой сетки или другого устройства, турбулизующего поток.

Некоторое возрастания отношения /Q_o происходит в переходной области от турбулентного к ламинарному режиму (см. кривую 1 на рис. 8). При этом на кривой образуется горб с последующим падением /Q_o, причем темп снижения /Q_o по мере уменьшения Q_o все возрастает, пока не достигнет постоянного значения в области ламинарного режима. Причинами появления горба на кривой /Q_o могут быть как заострение профиля скоростей, так и увеличение толщины пограничного слоя, сопровождающееся уменьшением живого сечения проточной части и возрастанием скорости в ней. Подобный горб возникает не всегда, а лишь при некотором соотношении профиля проточной части и вязкости жидкости. Так, уменьшение зазора между лопатками и стенкой трубы и увеличение густоты решетки профиля (отношение хорды лопаток к их шагу) способствует возрастанию горба.

2. Разновидности турбинных преобразователей

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. Но при измерении расхода газа и жидкостей с малой вязкостью их применение целесообразно. Схема аксиальной турбинки для труб небольшого диаметра показана на рис. 9, а. Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей (4-6), которые реализуют значительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в подшипниках скольжения. В турбинках средних размеров применяют как подшипники скольжения, так и шарикоподшипники. При больших диаметрах (рис. 9, б) число лопастей возрастает до 20 — 24, но длина их по винтовой линии очень мала. Лопасти укрепляются на ободе, который соединяется со ступицей диском или ребрами. Поэтому высота их составляет небольшую долю (0,1D_в) диаметра турбинки. Подшипники обычно шариковые, оси могут быть как неподвижные, так и вращающиеся.

Конструкции тангенциальных турбинок более разнообразны. В большинстве случаев (рис. 9, в, г, д) поток жидкости одной общей струёй поступает тангенциально к турбинке. В серийных одноструйных водосчетчиках применяется турбинка с плоскими радиально расположенными плоскостями (рис. 9, д). На рис. 9, в показана особая конструкция маленькой турбинки также с плоскими радиальными лопастями, на торцах которых расположены пластины, служащие для отражения луча, падающего от осветителя на фотоэлемент тахометрического преобразователя. Иногда для измерения расхода газа в трубах очень малого диаметра применяют турбинки с лопастями полушаровой формы (рис. 9, ж).

Рис. 9. Различные типы турбинок: аксиальные при малом (а) и большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластинками(в), в многоструйных водосчетчиках(г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими лопастями(е) и с лопастями полушаровой формы(ж)

Во избежание одностороннего изнашивания опор в одноструйных водосчетчиках применяют многоструйные водосчетчики, у которых вода поступает на радиальные лопасти турбинки тангенциально в виде нескольких отдельных струй (рис.9, г) через косые отверстия, равномерно расположенные в кольце, охватывающем турбинку.

В трубах большого диаметра иногда применяют турбинки, занимающие 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, показанное на рис. 9, 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 смазки, возможность динамических нагрузок, агрессивность некоторых измеряемых веществ). С уменьшением диаметра цапф осей снижается момент трения, но одновременно и срок службы преобразователя. Оси изготовляют из материалов с повышенной износоустойчивостью, остальные вращающиеся части — из алюминиевых сплавов и пластмасс, а при измерении расхода газа в некоторых случаях из полипропилена или полистирола для уменьшения нагрузки на опоры. Но при индукционных или индуктивных тахометрических преобразователях лопатки в большинстве 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 твердых материалов. Учитывая, что смазывающая способность многих жидкостей недостаточна, а у сухих газов она отсутствует, полезно покрывать шарикоподшипники специальными смазками типа Б-2-12 и 105-М, динамическая вязкость которых не превышает 1 Па с.

Рис. 10. Турбинки с разгрузкой осевого давления: а — за счет снижения дав-1 ления рд, действующего на входной торец ступицы; б — за счет подачи началь­ного давления к задней опоре

При измерении расхода газа для уменьшения трения и удлинения срока службы подшипников иногда предусматривают подачу смазки, а для защиты от действия твердых частиц предложена турбинка с воздушными опорами, у которой через неподвижную ось к опорным поверхностям непрерывно подводится сжатый воздух.

Применяются два типа размещения опор: с обеих сторон турбинки или же с одной стороны, когда турбинка висит на консоли. Последний вариант применяется 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, обеспечивающих безотрывное течение жидкости. Обтекатели крепятся к неподвижным струенаправляющим лопаткам. Наружный диаметр обтекателей равен диаметру ступицы или обода турбинки.

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

Более совершенные схемы компенсации основаны или на понижении статического давления, действующего на передний торец ступицы турбинки, или же на повышении статического давления позади этой ступицы. Первый способ показан на рис. 10, а. Постепенным увеличением диаметра переднего обтекателя перед торцом ступицы создается зона пониженного давления. Этому способствует также и то, что диаметр ступицы у ее торца больше диаметра обтекателя. На рис. 10, б изображен наиболее известный вариант, реализующий второй способ разгрузки. Через центральное отверстие, просверленное в переднем обтекателе и в ступице турбинки, начальное полное давление потока подводится к выходному концу ступицы. Повышение давления в этом месте может быть создано также с помощью дефлектора на заднем обтекателе, который поворачивает часть потока на 180° и направляет его на выходной торец ступицы. Предложены и другие схемы компенсации осевого усилия, в том числе с применением магнитов в ступице и заднем обтекателе, направленных друг к другу одноименными полюсами. В преобразователях турбинных расходомеров «Тургас» через отверстия на конце заднего обтекателя повышенное давление действует на ступицу турбинки сзади.

Компенсация осевого усилия полезна, так как уменьшает трение в упорном подшипнике и удлиняет срок его службы. Но она не может полностью предотвратить изнашивание как упорного, так и опорных подшипников, поэтому уже давно разрабатываются различные варианты безопорных турбинных преобразователей, роторы которых уравновешены гидродинамическими силами. При этом достигается и полное уравновешивание осевого давления. Таким преобразователям не нужны ни опорные, ни упорные подшипники. Их действие основано на том, что в зазорах внутри обтекателей между неподвижными его частями и частями ротора возникают радиальные силы, центрирующие ротор, так как при эксцентрическом его положении статическое давление максимально в самом узком месте щелевого канала. Разработанные конструкции безопорных турбинных преобразователей достаточно работоспособны, но, к сожалению, у большинства их наблюдается ухудшение метрологических характеристик, уменьшение области линейной характеристики и повышение числа Re, при котором начинает сказываться влияние вязкости. В связи с этим они получили весьма ограниченное применение. От подобных преобразователей существенно отличается безопорный преобразователь расходомера, состоящий из двух турбинок с противоположным направлением лопастей, укрепленных на одной вертикальной оси. Турбинки работают во взвешенном положении, не имея ни упорного, ни опорных подшипников. Такие преобразователи получили промышленное применение.