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