Система выпрямления струйного потока
Кольцо диафрагмы расположено на участке трубопровода вверх по течению от встроенного в трубопровод выпрямляющего устройства таким образом, что профиль потока в зоне направляющей кромки выпрямляющего устройства сужается. Осевое расстояние t от кольца диафрагмы (5) до выпрямляющего устройства находится в пределах 0<t<E, при этом Е представляет собой величину протяженности сужения по оси трубопровода вниз по потоку. В варианте выполнения выпрямляющее устройство имеет ротационно-симметричное вытесняющее тело, установленное на центральной оси участка трубопровода, и радиальные ребра, распределенные по периферии вытесняющего тела. Выпрямляющее устройство может быть последовательно включено в качестве подготавливающего поток конструктивного элемента участка измерения расходомера текучей среды, в особенности газового расходомера, или интегрировано в расходомер. Изобретение повышает эффективность выпрямления и уменьшает падение давления при выпрямлении. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к системе выпрямления потока текучей среды посредством выпрямляющего устройства на участке трубопровода.
В некоторых типах газовых расходомеров, например газовых расходомерах на основе турбинного колеса, результат измерения в сильной степени зависит от свойства профиля набегающего потока. Калибровка измерительного прибора осуществляется в невозмущенном, почти полностью развившемся профиле потока. Поэтому по возможности невозмущенный профиль потока является существенной предпосылкой получения точного результата измерения в применяемой установке.
Выпрямляющие устройства могут быть встроены в трубопровод или быть составной частью измерительного прибора.
На практике зачастую в наличии имеются лишь короткие участки впуска за возмущающими узлами конструкции, например коленами труб или регуляторами давления. По этой причине требуется система вышеуказанного вида для подготовки профиля потока внутри измерительного прибора или отдельно выше него со стороны потока.
Эффективность выпрямления потока количественно определяется, например, для газового расходомера турбинного колеса, в частности, в EN 12261 (европейский стандарт 12261). Здесь проводится различие в соответствии с двумя стандартизованными видами предварительного возмущения, одно из которых - малое, а другое - сильное, и устанавливается соответствующее минимальное расстояние измерительного прибора от предварительного возмущения, для того чтобы при сравнении с невозмущенной калибровкой при измерении удерживать максимально допустимое отклонение.
Применяемые для предварительного возмущения отладочные конструкции создают возмущения профиля потока, имеющие две важные особенности, а именно асимметрия в комбинации с эксцентрическим вращением.
Известны различные конструкции внешних выпрямляющих устройств. Сюда относятся выпрямители, представляющие собой перфорированные перегородки, пучки труб, радиальные лопатки (звезды), описываемые в EN ISO 5167 (европейский стандарт международной организации стандартизации 5167). Эти известные выпрямляющие устройства зачастую недостаточно эффективны для обоих компонентов возмущения; отчасти они создают также нежелательно высокое падение давления. То же самое может быть сказано и в отношении газовых расходомеров. Предлагаемое решение направлено на устранение этих недостатков.
В основе изобретения лежит задача достигать эффективного выпрямления различных компонентов возмущения и при этом вызывать лишь небольшое падение (потерю) давления.
Исходя из системы вышеуказанного вида изобретение предусматривает для решения этой задачи установку кольца диафрагмы на участке трубопровода выше со стороны потока перед выпрямляющим устройством, сужение профиля потока в зоне набегающего потока, при этом расстояние t кольца диафрагмы до выпрямляющего устройства выдерживается в следующих пределах:
0<t≤Е,
при этом Е - величина протяженности сужения потока по оси трубопровода вниз по потоку.
Кольцо диафрагмы определяет оптимальное расстояние t до выпрямляющего устройства, зависящее от формы выполнения выпрямляющего устройства.
Если расстояние t слишком мало, поток разделяется внутри выпрямляющего устройства посредством ребер, труб, сверлений или тому подобного на частичные потоки, и между ними не происходит никакого выравнивания. Тем самым, прежде всего до выпуска из выпрямляющего устройства, асимметрия устраняется недостаточным образом.
При слишком большом расстоянии t в выпрямляющем устройстве не используется ускорение ротации и тем самым это мало эффективно для компонентов завихрения.
При оптимальном расстоянии t между обоими пограничными положениями 0 и Е общий выпрямляющий эффект системы согласно изобретению возрастает до максимума. Кольцо диафрагмы образует по всему объему радиальный компонент в потоке, направленный к центру профиля протекания. При ротационно-симметрично распределенной осевой составляющей скорости массовый поток концентрируется, поэтому остается временно у центра и ниже по течению потока симметричным. При асимметрическом распределении осевой составляющей скорости в зоне более высокой скорости потока возникает больший направленный к центру радиальный компонент (радиальная составляющая). Центр тяжести массового потока смещается тем самым к середине и асимметрия снижается.
Одновременно диафрагма в общей сложности уменьшает траектории завихрений, что является преимуществом для выпрямления завихрения. Так как момент количества движения завихрения остается тем же, тангенциальный компонент завихрения пропорционально увеличивается по мере сужения. Благодаря этому повышается кинетическая энергия в компоненте (составляющей) завихрения по квадратической функции с тем следствием, что существенно повышается рассеяние энергии ротации и, соответственно, повышается эффективность выпрямления.
Кроме того, изменяется угол набегающего потока для вхождения потока в последующее выпрямляющее устройство.
Осевой (аксиальный) компонент квадратично увеличивается по мере сужения диаметра трубы. Вместе с повышением тангенциального компонента уменьшается вместе с этим тангенс угла набегающего потока пропорционально сужению диаметра трубы.
С одной стороны это действительно оказывает отрицательное воздействие на выпрямление завихрения, однако явно с избытком компенсируется благодаря существенному повышению рассеяния.
Кольцо диафрагмы имеет осевую ширину b, которая предпочтительно должна быть меньше, чем выступающая в поток высота h (h=(D-d)/2, где D - внешний диаметр кольца диафрагмы, d - внутренний диаметр кольца диафрагмы).
Ширина b может быть, однако, больше, чем высота h кольца диафрагмы.
В одной из предпочтительных форм выполнения изобретения предусмотрено, что диаметр диафрагмы и/или осевое расстояние кольца диафрагмы от выпрямляющего устройства настроены таким образом в зависимости от конструктивной особенности и построения выпрямляющего устройства, что эффективность выпрямления повышается и/или уменьшается падение давления при выпрямлении, либо расходы на создание выпрямляющего устройства снижаются. Оптимизация осуществляется предпочтительно эмпирически.
Альтернативно или дополнительно сечение вытесняющего тела в осевом направлении потока может увеличиваться в меньшей степени, чем при форме полушария. Тем самым завихрение, вытесненное на меньшие траектории, остается в зоне, близкой к оси, где тангенциальное расстояние двух ребер, либо секущая линии ротации, короче. Этим, как правило, также улучшается выпрямление завихрения.
Дающие преимущества дальнейшие примеры использования изобретения обозначены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Далее изобретение более подробно объясняется с помощью схематично представленных на чертежах примерах выполнения изобретения.
Фиг.1 схематично показывает первый пример выполнения заявленной системы выравнивания потока текучей среды согласно изобретению. При этом направляющие кромки направляющих ребер со стороны набегающего потока проходят в радиальной плоскости трубопровода и выровнены по вершине полушария вытесняющего тела.
Фиг.2 схематически показывает второй пример выполнения заявленной системы выпрямления потока текучей среды согласно изобретению, причем кромки со стороны набегающего потока направляющих ребер расположены радиально в трубопроводе и устанавливаются на стороне притока перед вершиной полусферы вытесняющего тела, имеющего форму полушария.
Фиг.3 схематически показывает третий пример выполнения соответствующей изобретению системы выпрямления потока текучей среды, причем вытесняющее тело выпрямляющего устройства имеет иную форму, чем в примерах выполнения в соответствии с фиг.1 и фиг.2.
Фиг.4 показывает осевое сечение комбинации газового расходомера, выполненного в качестве газового расходомера на основе турбинного колеса, с системой выпрямления в соответствии с примером выполнения (фиг.1), которая интегрирована в одном корпусе.
Фиг.1 показывает схематически участок трубопровода 1 с выпрямляющим устройством 2 в соответствии с первым примером выполнения изобретения. Выпрямляющее устройство 2 включает вытесняющее тело 3 и распределенные вокруг вытесняющего тела радиальные ребра 4. Вытесняющее тело 3 выполнено как имеющая форму полушария полусфера с примыкающим цилиндром. Кромки со стороны набегающего потока 41 ребер 4 расположены в радиальной плоскости трубопровода 1, при этом они выровнены по вершине 31 полусферы.
Кольцо диафрагмы 5 устанавливается вверх по течению от выпрямляющего устройства 2 на участке трубопровода таким образом, что профиль потока в зоне набегающего потока выпрямляющего устройства сужается. Кольцо диафрагмы 5 имеет расстояние t от кромок со стороны набегающего потока 41. Расстояние t настолько велико, что кольцо диафрагмы может оказывать оптимальное влияние на набегающий поток. Осевая ширина b кольца диафрагмы 5 в примере выполнения меньше, чем радиально выступающая в струйный поток высота h кольца диафрагмы. Высота h кольца диафрагмы 5 связана с внешним диаметром D отрезка трубы и с внутренним диаметром d кольца диафрагмы следующим соотношением: h=(D-d)/2.
Однако возможно, что высота h кольца диафрагмы 5 меньше, чем ширина b. Также возможно, что расстояние t выбрано большим до тех пор, пока профиль потока в зоне набегающего потока выпрямляющего устройства 2 сужается.
На фиг.2 представлен второй пример выполнения системы в соответствии с изобретением. Этот пример выполнения отличается от примера выполнения по фиг.1 тем, что кромки со стороны набегающего потока 41' радиальных ребер 4' проходят на уровне радиуса трубопровода на расстоянии s на стороне притока за вершиной 31' вытесняющего тела 3'. Сужаемый кольцом диафрагмы 5 поток текучей среды попадает на ребра 4' выпрямляющего устройства 2' до того, как он попадает на вытесняющее тело, расположенное далее вниз по потоку. Тем самым суженный поток на протяжении длительного пути подвергается близкому к оси воздействию радиальных ребер 4', до того как он вытесняющим телом 3' переводится на отдаленные от оси траектории потока.
На фиг.3 представлен третий пример выполнения системы в соответствии с изобретением. Он отличается от примера выполнения в соответствии с фиг.1 формой полусферы вытесняющего тела 3''. Полусфера в этом примере выполнения имеет ротационно-симметричную форму, сечение которой увеличивается в меньшей степени, чем в случае формы полушария. Изгиб ротационно-симметричного отрезка полусферы уменьшается, начиная от центральной оси 6 в направлении потока с увеличением радиуса ротационно-симметричного отрезка полусферы. Тем самым суженный поток также под воздействием вытесняющего тела 3'' находится в течение длительного пути потока в зоне, близкой к оси. Находящиеся в направлении периферии в зоне центральной оси 6 более плотно между собой стоящие радиальные ребра 4'' могут еще больше улучшить выпрямление завихрений потока.
Выпрямляющее устройство 2'' может быть также выполнено таким образом, что вытесняющее тело 3'' имеет описанную форму, при этом кромки со стороны набегающего потока 41'' радиальных ребер 4'', однако, устанавливаются на радиальном уровне трубопровода на расстоянии s на стороне притока за вершиной 31'' вытесняющего тела 3''.
Фиг.4 показывает осевое сечение через комбинацию расходомера потока 7, выпрямляющего поток устройства 2 и кольца диафрагмы 5. Все указанные компоненты интегрированы в одном корпусе. Расходомер потока 7 включает колесо турбины 8, сливной канал 9 и счетчик 10. В корпусе 13 устанавливаются два внутренних цилиндра 11, 12, центрированные вокруг центральной оси 6, из которых расположенный вверх по течению внутренний цилиндр 11 вбирает выпрямляющее устройство 2 с компонентами 4, 3 и кольцом диафрагмы 5, а расположенный вниз по течению внутренний цилиндр 12 вбирает компоненты газового расходомера турбинного колеса. Корпус 13 соединен путем фланцевого соединения с расположенным внизу по течению участком трубопровода 14.
В рамках изобретения возможны многочисленные вариации.
Выпрямляющее устройство и кольцо диафрагмы могут устанавливаться также отдельно от расходомера потока на одном из участков трубопровода. Далее, участок трубопровода не обязательно должен выполняться как единое целое. Конструкция из нескольких частей в осевом направлении и в радиальном направлении также возможна.
Возможны различные выполнения также и в отношении участка трубопровода, например в виде колена трубы.
Кромки со стороны набегающего потока 41, 41', 41'' ребер 4, 4', 4'' не обязательно должны устанавливаться радиально, а могут по отношению к оси 6 быть изогнутыми или находиться под углом.
Система в соответствии с изобретением может применяться также при применении других выпрямляющих устройств.
1.Система выпрямления струйного потока на участке трубопровода (1), в который встроено выпрямляющее устройство (2, 2', 2''), отличающаяся тем, что вверху по течению от выпрямляющего устройства (2, 2', 2'') на участке трубопровода установлено кольцо диафрагмы (5) таким образом, что профиль потока в зоне набегающего потока выпрямляющего устройства сужается и что осевое расстояние t кольца диафрагмы (5) от выпрямляющего устройства (2, 2',2'') выдержано таким образом, что повышается эффективность выпрямления и уменьшается падение давления при выпрямлении, при этом t находится в следующих пределах:
0<t<E,
при этом Е - это величина протяженности сужения потока по оси трубопровода вниз по потоку.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольцо диафрагмы (5) имеет осевую ширину b, которая меньше, чем выступающая радиально в струйный поток высота h кольца диафрагмы.
3. Система по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что кольцо диафрагмы (5) имеет осевую ширину b, которая больше, чем выступающая радиально в струйный поток высота h кольца диафрагмы.
4. Система по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что внутренний диаметр диафрагмы d выдержан в зависимости от конструктивной особенности и выполнения выпрямляющего устройства.
5. Система по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что выпрямляющее устройство (2, 2', 2'') последовательно включено в качестве подготавливающего поток конструктивного элемента участка измерения расходомера текучей среды, в особенности газового расходомера (7).
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что выпрямляющее устройство (2, 2', 2'') интегрировано в расходомер потока.
7. Система по п.6, отличающаяся тем, что выпрямляющее устройство (2, 2', 2") выполнено в форме звезды.
8. Система по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что выпрямляющее устройство (2, 2', 2'') имеет ротационно-симметричное вытесняющее тело (3, 3' 3''), установленное на центральной оси (6) участка трубопровода, многочисленные радиальные ребра (4, 4', 4"), распределенные по периферии вытесняющего тела, при этом направляющие кромки радиальных ребер со стороны набегающего потока проходят в радиальной плоскости трубопровода и выровнены по вершине полушария вытесняющего тела.
9. Система по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что выпрямляющее устройство (2, 2', 2'') имеет ротационно-симметричное вытесняющее тело (3, 3' 3''), установленное на центральной оси (6) участка трубопровода, и многочисленные радиальные ребра (4, 4', 4''), распределенные по периферии вытесняющего тела, при этом охват полусферы вытесняющего тела (3, 3' 3'') увеличивается в направлении оси потока в меньшей мере, чем в случае формы полушария.
