沃尔特曼流量计

摘要

本发明涉及一种具有轴向力补偿功能的沃尔特曼流量计。该补偿应在压力损耗小且叶轮运转稳定的情况下，采用极其简单的手段加以实现。实现该任务的方案如下，叶轮轮体(5)在其宽度(B)上具有保持不变的外径(D1)，该外径小于固定轮套(7，8)面向叶轮(3)端的外径(D1，D3)4％至8％。

说明书

本发明涉及一种沃尔特曼流量计，该流量计带有一叶轮，该叶轮由叶轮轮体和安装在叶轮轮体上的叶片构成，该叶轮可旋转并可滑移地设置在位于叶轮入口侧的固定轮套和位于叶轮出口侧的固定轮套之间，其中固定轮套的面向叶轮端的外径大于叶轮轮体的面向固定轮套端的外径，并且轴流式叶轮的作用于流向的轴向力通过在叶轮轮体两个端面上的静压差得以补偿。

液体流过沃尔特曼流量计并带动叶轮旋转。流体介质流产生的作用于流向的液动轴向力同时在叶轮上，该轴向力使位于出口侧的叶轮端轴承承受破坏性的载荷，该载荷将对轴承产生不利的影响。同时测量精度也将因此受损。

已知有许多可以消除或减轻此缺点的解决方案，采用这些方案可以实现或将实现对液流产生的作用于叶轮的轴向力的补偿。

在US-PS 4449410中，描述了一种沃尔特曼流量计，在该流量计中，一个由轮体和安装在轮体上的叶片构成的叶轮被可旋转并可轴向滑移地支撑在一管形穿流件中。为此，在叶轮入口和出口侧分别设有一个固定轮套，在轮套中叶轮轴安装在端轴承上。

在待测流体的流路上，轮套和轮体的直径有梯度变化，即固定轮套面向叶轮端的外径大于叶轮轮体面向固定轮套端的外径。此外，固定轮套面向叶轮端的内径也大于叶轮轮体面向固定轮套端的外径。因此为提供叶轮相应的轴向活动余量，叶轮轮体可留有余量地贯穿固定轮套。固定轮套的内壁在比贯穿长度或超过比长度呈圆柱形，因而在叶轮轮体浸入端与该呈空心圆柱形的内壁区之间分别形成截面相同的径向环状间隙。此外，叶轮轮体出口端的直径大于该轮体其它部分的直径。因此，位于出口侧的固定轮套面向叶轮端的直径当然也大于位于入口侧的固定轮套的直径。

在所述沃尔特曼流量计中，采用下述方式实现对叶轮轴向力的补偿：

由于位于入口侧的轮套和叶轮轮体外径间的突变，因而在此处形成一流谱，该流谱在叶轮的所有轴向位置上，在入口侧轮套的腔室内导致产生一接近均匀的负压。在叶轮轮体的出口端，由于其外径增大，并由于位于出口侧的轮套的直径增大，因而形成一较大的拦截截面，该截面明显地突入叶轮-轴向流中并导致在叶轮的所有轴向位置上液流急剧转向。所产生的升压和随之的过压，通过上述径向环形间隙被传递到叶轮轮体的面向出口侧。该过压将在叶轮的所有位置上产生一逆流向的轴向力。

在上述沃尔特曼流量计中，对应于已有技术采用较为简单的结构手段实现了对轴向力的补偿。但其缺点是，由于拦截截面明显地形成在轴向流中，因而将造成压力损耗和不利的穿流条件，致使叶轮运转不稳定。

为此，本发明的任务在于，提出一种沃尔特曼流量计，在该流量计中采用极其简单的结构，实现了对液流作用于叶轮的轴向力的补偿，由于压力损耗很小，故从流体技术考虑这是较为有利的，而且还实现了叶轮的稳定运转。

依照本发明，采用本说明书开始时所述方式的沃尔特曼流量计通过如下方式解决了上述的任务，叶轮轮体具有一小于固定轮套面向叶轮端约4％至8％的外径，在轮体的整个宽度上外径保持不变。

结果突出地表明，仅仅采用使叶轮轮体外径小于位于入口侧或出口侧的固定轮套的外径方法，就可以实现对轴向力有效自动的补偿，而且也不会出现公知已有技术的缺点。

在依照本发明实施的沃尔特曼流量计中，自动对轴向力补偿的工作原理如下：

当液体穿流沃尔特曼流量计时，紧邻入口侧的轮套后的截面突变使轴向速度或轴向流速发生变化，其中受入口侧轮套上形成的边界的影响(但与截面变化幅度无关)，产生边界层分离现象。因而，在直径突变后(入口侧轮套/叶轮轮体)就形成一死水区。此时，在入口侧轮套与叶轮间构成的轴向间隙区内的静压力并不升高。

上述间隙构成通向入口侧轮套腔室中液体的畅通的通路。这样由工作状态决定的轴向间隙的宽度将对死水区产生影响，这是因为，位于轮套腔室内液体的附加动能可以到达死水区。因而，随着间隙宽度的增大，死水区的轴向长度变短，并且液流在叶轮附近又重新贴近叶轮轮体。故死水区是通过叶轮的轴向位置控制的。

叶轮与出口侧轮套间的轴向间隙对于实现对轴向力的自动补偿是起着决定作用的。当叶轮离出口侧轮套很近时(小轴间间隙)。紧邻出口侧轮套上的直径突变前就会产生一增压区，这是因为载流线又重新贴近叶轮轮体之故。由此引起的在出口侧轴向间隙区内的升压将产生一轴向力，该轴向力将促使叶轮逆流向轴向滑移。

随着出口侧的轴向间隙逐渐增大，升压效应逐渐减弱。入口侧死水区伸入叶轮轮体区越多，入口侧的轴向间隙就越小。故轴流随着入口侧轴向间隙逐渐变小，被叶轮轮体壁的死水区所偏转。由于在贴靠壁的流线和出口侧固定轮套腔室内的液体之间的剪切应力，将为出口侧轴向间隙区内产生喷射效应并在此处形成负压，该负压将促使叶轮顺流向轴向滑移。因而，轴向力的作用方向就会出现反转-轴向力作用于流向。

通过入口侧轴向间隙处的死水区和由间隙决定的过压/负压作用(截流作用与喷射效应交替变换)的配合，实现了对轴向力的全自动补偿。只要流态稳定，叶轮的每个轴向位置所承受的液压都会被减载。

下面根据实施例对本发明做进一步说明。附图中示出：

图1是沃尔特曼流量计纵剖面示意图。

图2和图3是图1中的沃尔特曼流量计对轴向力自动补偿工作原理的说明。

在附图中未示出其它的沃尔特曼流量计通用的属于已有技术的，即对本发明不重要的构件。

图中，管形件1，待测量的流体接箭头2方向穿流此管形件。叶轮3可旋转并可轴向滑移地支撑在管形件1中，该叶轮由叶轮轴4、轮体5和安装在轮体上的叶片6构成。

在叶轮3入口侧设置有轮套7，在叶轮3出口侧设置有轮套8，在轮套7、8面向叶轮3端和叶轮3由轴向面端间留有轴向间隙9、10。

轮套7、8通过径向伸展的腹板11或12与管形件1连接在一起，即固定支撑在管形件1上。

叶轮轴4伸展，进入轮套8、7的腔室18、19中并且在其面端具有钻孔13。枢轴14插在该钻孔13内并固定，且不可旋转地设置在轮套7、8的顶点。枢轴14的长度和钻孔13的深度相互适配，因而叶轮3利用在轮套7面向出口端与轮套8面向入口端间的余量可以轴向滑移。枢轴14-钻孔13对是一个由液体润滑的横向移动轴承，除轴向移动外，该轴承同时可以保证叶轮3的旋转。上述叶轮3的设置方式在沃尔曼流量计中是很普遍的。

叶片6的轴向范围与叶轮轮体5的宽度相一致。从图1中可见，叶轮轮体5在其整个宽度范围的外径D₁都是不变的。此外还可见，该外径D₁稍小于轮套7、8面向叶轮3端的外径D₂和D₃。依照本发明，D₁约小于D₂或D₃₄％至8％，其中D₁与D₂间的百分偏差不必非得与D₁与D₃间的百分偏差完全相同。

由于轮套7面向出口端与叶轮轮体5间存在着锐减的直径梯度，所以紧靠轮套7的该端后面形成一死水区15，该死水区15经轴向间隙9一直伸展到叶轮轮体5的壁上。死水区15在叶轮轮体5的壁上轴向伸展越长，轴向间隙9就越小。当叶轮3紧靠轮套7(图2)时，即在小轴向间隙9时，死水区15的伸展较大地进入叶轮3。贴壁的轴向流16这时被死水区15偏转，离开叶轮轮体5。因此，该轴向流撞不到由于直径突变D₁/D₃在轮套8的面向入口端上形成的小的截流边缘17，或撞在该截流边缘的可能性非常之少。

由于在贴壁轴向流16与轮套8腔室18内的流体间存在的液流决定的剪切应力，这时在轴向间隙10区内就会产生喷射，该喷射造成此处的负压。由此产生的力F_a×2与液流作用于叶轮3的轴向力作用方向相同，将造成叶轮3被由此产生的力作顺流向滑移。因而，轴向间隙10变小并随之死水区15在叶轮轮体5壁上的伸展长度也变短(图3)。

由于此滑移，因而死水区15伸展进入叶轮3的幅度也大大变小。由于轴向间隙9增大，来自轮套7腔室19中流体的动能也附加到该死水区15，因而死水区不仅仅是相对地(参照叶轮3的轴向位置)而且也是绝对地被缩短。

在叶轮3顺流向轴向移动的同时，贴壁轴向流16由于死水区15轴向长度变短并随之使偏转的减轻，轴向流16将会逐渐贴向叶轮轮体5的壁。

当叶轮3贴近轮套8(小轴向间隙同10)时，在紧邻直径突变D₁/D₂前面在轮套8附宾就会出现一升压区，这是因为又重新贴向叶轮轮体5的贴壁轴向流16撞在节硫边缘17之故。由此在轴向间隙10区中所引起的升压产生一个轴向力F_a×1，该轴向力造成叶轮3逆流向轴向滑移。

通过上述作用机理，实现了对液流作用于叶轮3的轴向力的自动补偿。轴承13、14得到了保护并改善了测量精度。