CZ20067U1 - Tekutinové odvalovací čerpadlo - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti tekutinových čerpadel, která se skládají z válcového nebo kónického statoru, ve kterém je uložen na hřídeli rotor osově symetrického tvaru. Rotor se dotýká statoru a může po jeho vnitřní stěně obíhat.

Dosavadní stav techniky

Z technické praxe jsou běžně známa tekutinová čerpadla dynamického principu, která sestávají ze statoru, jejichž pracovním elementem je jedna lopatka nebo rotující lopatková mříž. Dále jsou známa čerpadla objemová s pracovním elementem ve tvaru pístu.

io Pro malé výkony jsou známa čerpadla viskózní, využívající principu známého u fluidních dynamických radiálních a axiálních ložisek, tj. využívajících vztlakové síly vznikající v klínovité spáře cylindrického nebo rovinného uložení čepu nebo běžce. Na tomto principu jsou založena čerpadla odvalovací, například dle českého patentu CZ 284483 o názvu Odvalovací tekutinový stroj a dle evropského patentu EP 1015760 B1 o názvu Rolling Fluid Machíne. V praxi je použí15 váno čerpadlo, které se skládá ze zásobníku tekutiny opatřeného přítokem a nejméně jednou výstupní tryskou, přičemž v oblasti výstupní trysky je na přidržovacím zařízení uložen odvalovací rotor osově symetrického tvaru. Tento stroj pak může fungovat nejen jako turbína, ale rovněž reverzně jako odvalovací fluidní čerpadlo, kde zvyšování tlaku protékající tekutiny je docilováno jednak odstředivou silou, jednak viskózními silami v klínové pracovní mezeře mezi odvalovacím

2o rotorem a statorem. Proudění v klínové mezeře je obdobou známých Taylorových vírů u koncentrické mezery válcové. Také řešení odvalovacího fluidního motoru v provedení podle českého užitného vzoru CZ 7606 U o názvu Hydromotor a evropském patentu EP 182538 B1 o názvu Hydraulic Motor může být využito k dopravě tekutiny. Rovněž tak řešení podle českého patentu CZ 294708 o názvu Odvalovací kapalinová turbína je známo jako fluidní Čerpadlo, je-li tato tur25 bína opatřena rotačním pohonem.

Čerpadla, která jsou stručně zmíněna v předchozím, mají v porovnání s odvalovacím tekutinovým strojem pracujícím v čerpadlovém režimu základní nevýhodu v tom, že jsou značně složitá. Navíc některé typy nedosahují v okrajových oblastech parametrů činnosti, jakými jsou velmi malé průtoky a zejména malé dopravní výšky, tak příznivý poměr mezi příkonem a výkonem, jako odvalovací tekutinové stroje v turbínovém režimu. Při vyšších otáčkách jsou odvalovací fluidní čerpadla méně účinná a zvyšování otáček nevede adekvátně ke zlepšení parametrů a jejich efektivnosti. U stávajících řešení je přívod tekutiny do pracovního prostoru spojený s energetickou ztrátou, tj. poklesem tlaku a tím nedokonalým plněním klínového pracovního prostoru.

Cílem navrhovaného technického řešení je úprava odvalovacího čerpadla tak, aby jeho funkce byla efektivnější, tj. aby transformace přiváděné vstupní mechanické energie na energii hydraulickou probíhala s vyšší účinností i při vyšších výkonech.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny a stanovený cíl je dosažen odvalovacím tekutinovým čerpadlem, sestávajícím ze statoru, který je opatřen alespoň jedním vstupním otvorem tekutiny a nejméně jedním výstupním otvorem tekutiny, kde v osově symetrickém statoru je na hřídeli uložen nejméně jeden odvalovací rotor, tvořený tělesem rotačního tvaru, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že na hřídeli je pomocí aretaČního zařízení instalována usměrňovači lopatka, která urychluje a navádí potřebným směrem tekutinu do mezery mezi rotorem a statorem. Nastavení usměrňovači lopatky v hydraulicky činném prostoru je umožněno za klidu prostřednictvím přestavení aretaČního zařízení na hřídeli a zafixováním jiné polohy usměrňovači lopatky. Přestavení aretaČního zařízení umožňuje jak výškové umístění usměrňovači lopatky vzhledem k mezeře mezi rotorem a statorem, tak naklonění její podélné osy od kolmice

-1 CZ 20067 Ul vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně směrem k rotoru nebo od rotoru, tak i pootočení usměrňovači lopatky po směru odvalování rotoru nebo proti směru odvalování rotoru. Hřídel je pevně spojena s unášeěem a odvalovací rotor s hřídelí tvoří volně otočný celek.

Navržené řešení má výhodu v tom, že usměrňovači lopatka navádí tekutinu tak, že zvětšuje její hybnou složku rychlosti ve směru odvalování rotoru, při zavádění tekutiny do mezery mezi rotorem a statorem. Usměrňovači lopatka dále zabraňuje v rozhodné míře kavitaci, která vzniká při vstupu tekutiny do pracovního prostoru a okolo odvalovacího rotoru s precesním pohybem. Výhoda předkládaného řešení spočívá v uspřádaném proudu tekutiny vstupující do pracovního prostoru, což umožňuje větší výkon stroje při vyšší účinnosti přeměny energie mechanické na ener10 gii hydraulickou.

Sklon usměrňovači lopatky od roviny kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně čerpadla směrem od rotoru je roven 0 až 35° a úhel pootočení plochy usměrňovači lopatky od roviny kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně čerpadla ve směru odvalování rotoru je roven 0 až 50° a ve směru proti odvalování rotoru je 0 až 60°.

Ve výhodném provedení má usměrňovači lopatka tvar zborcené plochy, která je na svém konci u skříně čerpadla opatřena zaoblením tvarově stejným s vnitřní stěnou skříně čerpadla a její šířka je 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí a skříní, přičemž svojí podélnou osou může být pomocí aretačního zařízení nakloněna od kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně, směrem k rotoru pod úhlem 0 až 35° a směrem od rotoru pod úhlem 0 až 50° a může být pooto20 cena po směru odvalování rotoru nebo proti směru odvalování rotoru o úhel 0 až 60°.

Podle dalšího výhodného provedení má usměrňovači lopatka tvar listu vrtule o šířce 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí a skříní a rovněž může být svojí podélnou osou nakloněna pomocí aretaěního zařízení od kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně, směrem k rotoru pod úhlem 0 až 35° a směrem od rotoru pod úhlem 0 až 50° a může byt pootočena po směru odvalování rotoru nebo proti směru odvalování rotoru o úhel 0 až 60°. Podle jiného výhodného provedení má usměrňovači lopatka tvar části šroubové plochy s proměnlivým úhlem stoupání ±10 až 50° a její šířka je 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí a skříní. Podle dalšího výhodného provedení je usměrňovači lopatka alespoň na části svého povrchu opatřena výstupky o výšce 0,1 až 35 mm a/nebo důlky o hloubce 0,1 až 15 mm a o průměru základny výstupku a/nebo důlku 0,1 až 45 mm.

Přehled obrázků na výkresech

Tekutinové čerpadlo podle tohoto technického řešení bude blíže popsáno pomocí výkresů, na kteiých jsou schematicky uvedeny konkrétní příklady provedení řešení.

Na obr. 1 je první příklad provedení odvalovacího tekutinového čerpadla v částečném řezu v bočním pohledu, kde usměrňovači lopatka má tvar zborcené plochy. Na obr. 2 je druhý příklad provedení odvalovacího tekutinového čerpadla v částečném řezu v bočním pohledu, kde usměrňovači lopatka má tvar listu vrtule. Na obr. 3 je příklad provedení usměrňovači lopatky v částečném řezu v bočním pohledu, kde usměrňovači lopatka má tvar části Šroubové plochy s proměnlivým stoupáním. Na obr. 4 je příklad provedení usměrňovači lopatky v částečném řezu v bočním pohledu, kde usměrňovači lopatka je alespoň na části svého povrchu opatřena výstupky nebo důlky.

Příklady provedení technického řešení

Jedno z konkrétních provedení tekutinového odvalovacího čerpadla podle tohoto technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1. Tekutinové odvalovací čerpadlo sestává ze skříně j0 pohonu, která je tvořena dutým válcem o vnitřním průměru 165 mm, který je na své horní straně uzavřen odnímatelným víkem a jeho spodní strana je tvořena víkem skříně 1 čerpadla. Ve středové části skříně 1 čerpadla je uspořádán osově symetrický prstencový stator 2 tvořící zároveň dráhu volně otočného uložení odvalovacího rotoru 3 ve dvojicí s pouzdrem ložiska 8 rotoru 3

-2CZ 20067 Ul uspořádaného na odvalovacím rotoru 3. Osově symetrický prstencový stator 2 je kónického tvaru a má vstupní průměr 134 mm, jeho délka je 115 mm a jeho vrcholový úhel je 15°. Odvalovací rotor 3 má tvar pravidelné duté polokoule o vnějším průměru 120 mm. Hřídel 4 prochází víkem skříně i čerpadla, kde se může naklápět v kulovém kloubu 5, který je uspořádán uprostřed víka skříně i čerpadla. Spodní konec hřídele 4 je uložen v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 a horní konec hřídele 4 je uložen v polohovací JJ unášeče li· Polohovač JJ unášeče JJ, který je spojen s unášečem JJ Jenž je uložen v uložení J_2 unášeče JJ, které je součástí skříně W pohonu, zabezpečuje neotočné a sousměrné spojení hřídele 4 s unášečem JJ_, čímž je docilováno stejného počtu otáček hřídele 4 jako unášeče JJ. Unášeě J_L spolu s polohovačem ]_3 unášeče JJ, kulovým klou10 bem 5 a hřídelí 4 jsou dimenzovány tak, že odvalovací rotor 3 se dotýká statoru 2. Usměrňovači lopatka 9 má tvar zborcené plochy a je pře stavitelným způsobem umístěna pomocí aretačního zařízení J4 na hřídeli 4 v pozici nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2. Otáčení unášeče JJ okolo svojí podélné osy, umístěného v uložení J_2 unášeče JJ, pomocí polohovače JJ unášeče JJ, vede k souhlasnému otáčení hřídele 4 okolo její podélné osy prostřednictvím uložení v kulovém kloubu 5. Uložení hřídele 4 v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 vede k odvalování odvalovacího rotoru 3 po vnitřní straně statoru 2 a tím dochází k nasávání tekutiny vstupem 6 čerpadla do prostoru mezi rotorem 3 a statorem 2 a vytlačování tekutiny výstupem 7 čerpadla. Usměrňovači lopatka 9 tvaru zborcené plochy, má šířku 50 % vzdálenosti mezi hřídelí 4 a skříní 1 a je zaaretována nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2, přičemž je nakloněna svojí podélnou osou od kolmice vedené od podélné osy hřídele 4 k vnitřní stěně skříně 1 směrem k rotoru 3 pod úhlem 30° a zároveň je pootočena po směru odvalování rotoru 3 o úhel 28°. Takto uspořádaná usměrňovači lopatka 9 napomáhá protékání tekutiny činným prostorem mezi rotorem 3 a statorem 2 tím způsobem, že zvětšuje její hybnou složku rychlosti na okraji mezery mezi rotorem 3 a statorem 2 ve směru odvalování rotoru 2 při jejím zavádění do mezery mezi rotorem 3 a statorem 2.

Dále tato usměrňovači lopatka 9 brzdí kavitaci, která vzniká při vstupu tekutiny do pracovního prostoru mezi rotorem 3 a statorem 2 tím způsobem, že rychlost zaváděné tekutiny je na začátku mezery mezí rotorem 3 a statorem 2 lopatkou 9 v důsledku jejího pootočení ve směru odvalování rotoru 3 zvyšována více, než jak je zvyšována v ostatních místech nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2.

Jiné konkrétní provedení tekutinového odvalovacího čerpadla je schematicky znázorněno na obr. 2. Tekutinové odvalovací čerpadlo zde sestává ze skříně W pohonu, která je tvořena dutým válcem, který je na své horní straně uzavřen odnímatelným víkem a jeho spodní strana je tvořena víkem skříně 1 čerpadla. Ve středové části skříně 1 čerpadla je uspořádán osově symetrický prstencový stator 2 dráhy volně otočného uložení odvalovacího rotoru 3 ve dvojici s pouzdrem lo35 žíska 8 rotoru 3 uspořádaného na odvalovacím rotoru 3. Osově symetrický prstencový stator 2 je kónického tvaru a má vstupní průměr 134 mm, jeho délka je 115 mm a jeho vrcholový úhel je 15°. Odvalovací rotor 3 má tvar dutého komolého kuželu, jehož největší průměr je 120 mm a vrcholový úhel je 20°. Hřídel 4 prochází víkem skříně 1 čerpadla, kde se může naklápět v kulovém kloubu 5, který je uspořádán uprostřed víka skříně i čerpadla. Spodní konec hřídele 4 je uložen v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 a horní konec hřídele 4 je uložen v polohovači JJ unášeče JJ. Polohovač JJ unášeče 11, který je spojen s unášečem JJ, jenž je uložen v uložení 12 unášeče JJ, které je součástí skříně J_0 pohonu, zabezpečuje neotočné a sousměrné spojení hřídele 4 s unášečem JJ, čímž je docilováno stejného počtu otáček hřídele 4 jako unášeče JJ. Unášeč JJ spolu s polohovačem JJ unášeče JJ, kulovým kloubem 5 a hřídelí 4 jsou dimenzovány tak, že odvalovací rotor 3 se dotýká statoru 2, Usměrňovači lopatka 9 tvaru listu vrtule má šířku 90 % vzdáleností mezí hřídelí 4 a skříní 1 čerpadla. Otáčení unášeče JJ okolo svojí podélné osy, umístěného v uložení 12 unášeče JJ, prostřednictvím polohovače JJ unášeče JJ, vede k souhlasnému otáčení hřídele 4 okolo její podélné osy prostřednictvím uložení v kulovém kloubu 5. Uložení hřídele 4 v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 vede k odvalování rotoru 3 po vnitřní straně statoru 2 a tím dochází k nasávání tekutiny vstupem 6 čerpadla do prostoru mezi rotorem 3 a statorem 2 a vytlačování tekutiny výstupem 7 čerpadla. Usměrňovači lopatka 9 je tvaru listu vrtule a má šířku 60 % vzdáleností mezí hřídelí 4 a skříní i a je zaaretována aretačním zařízením JJ nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2, přičemž je nakloněna svojí podélnou osou od

-3CZ 20067 UI kolmice vedené od podélné osy hřídele 4 k vnitřní stěně skříně 1 směrem k rotoru 3 pod úhlem 9° a zároveň je pootočena po směru odvalování rotoru 3, vzhledem k celkové činné ploše, která je v tomto případě menší, než jaké bylo u lopatky 9 tvaru zborcené plochy v předcházejícím provedení, o úhel 36°. Takto provedená usměrňovači lopatka 9 napomáhá protékání tekutiny činným prostorem mezi rotorem 3 a statorem 2 jako v předcházejícím provedení tím způsobem, že zvětšuje její hybnou složku rychlosti na okraji mezery mezi rotorem 3 a statorem 2 ve směru odvalování rotoru 2 při jejím zavádění do mezery mezi rotorem 3 a statorem 2. Dále tato usměrňovači lopatka 9 v důsledku svého pootočení ve směru odvalování rotoru 2, které je větší, než jaké bylo popsáno v předcházejícím provedení, brzdí kavitaci, která vzniká při vstupu tekutiny do pracovio ního prostoru mezi rotorem 3 a statorem 2 tím způsobem, že rychlost zaváděné tekutiny je na začátku mezery mezi rotorem 3 a statorem 2 lopatkou 9 v důsledku jejího pootočení ve směru odvalování rotoru 3 zvyšována více, než jak je zvyšována v ostatních místech nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2.

Další konkrétní provedení usměrňovači lopatky 9 je znázorněno na obr. 3. Řešení tekutinového čerpadla podle vynálezu je zde shodné s provedením, které je vyobrazeno na obr. 1, kdy rotor 3 má tvar duté polokoule, avšak s tím rozdílem, že usměrňovači lopatka 9 má tvar části šroubové plochy s proměnlivým stoupáním 15° a její šířka je 23 % vzdálenosti mezi hřídelí 4 a skříní i. Přitom tato lopatka 9 tvaru části šroubové plochy je svojí výsečí orientována nad mezeru mezi rotorem 3 a statorem 2 a vliv na zavádění tekutiny do mezery mezi rotorem 3 a statorem 2 zde má tím způsobem, že zvětšování hybné složky rychlosti tekutiny se děje, na rozdíl od předcházejících provedení, na dlouhém úseku nad hydraulicky činným prostorem mezi rotorem 3 a statorem

2. Dále tato usměrňovači lopatka 9 brzdí kavitaci především pří menších pracovních otáčkách odvalovacího čerpadla, kdy osově symetrický prstencový stator 2 dráhy volně otočného uložení odvalovacího rotoru 3, nemá svůj průměr větší více než 1,116 krát, než jaký je průměr odválova25 čího rotoru 3.

Ještě jiné konkrétní provedení usměrňovači lopatky 9 je vyobrazeno na obr. 4. Řešení tekutinového čerpadla podle vynálezu je zde shodné s provedením, které je vyobrazeno na obr. 1, kdy rotor 3 má tvar duté polokoule, avšak s tím rozdílem, že usměrňovači lopatka 9 tvaru zborcené plochy je opatřena na svém povrchu na straně přivrácené k rotoru 3 dvěma důlky 15 a na straně odvrácené od rotoru 3 dvěma výstupky 16, jejichž základna má kruhový tvar o průměru 7 mm. Hloubka důlků Γ5 je 3 mm a výška výstupků 16 je 4 mm. Takto upravená usměrňovači lopatka 9 především umožňuje efektivní čerpání různých hustých kalových směsí, kdy důlky 15 a výstupky 16 napomáhají homogenizaci čerpaných látek a tím usnadňují jejich protékání mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2.

³⁵ Průmyslová využitelnost

Čerpadlo podle tohoto technického řešení může být použito pro čerpání tekutin, především kapalin, ale i různých tekutinových směsí. Je také vhodné pro dopravu hustých konzistencí, jakými jsou např. různé kaly a kalové směsi.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   40 1. Tekutinové odvalovací čerpadlo sestávající ze skříně (1) čerpadla, opatřené vstupem (6) tekutiny a výstupem (7) tekutiny a statorem (2), uvnitř kterého je uspořádán nejméně jeden odvalovací rotor (3), umístěný otočně na hřídeli (4), která prochází víkem skříně (1) čerpadla přes kulový kloub (5), přičemž hřídel (4) je neotočně spojena s polohovačem (13) unášeče (11), který je spojen s unášečem (11), jenž je uložen v uložení (12) unášeče (11), které je součástí skříně

   45 (10) pohonu, vyznačující se tím, že na hřídeli (4) je umístěna nad rotorem (3) ve

   -4CZ 20067 Ul volném prostoru mezi rotorem (3) a statorem (2) usměrňovači lopatka (9), připojená k přestavitelnému aretačnímu zařízení (14).
2. 2. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že sklon usměrňovači lopatky (9) od roviny kolmice vedené od podélné osy hřídele (4) k vnitřní stěně > skříně (1) čerpadla směrem od rotoru (3) je roven 0 až 35° a uhel pootočení plochy usměrňovači lopatky (9) od roviny kolmice vedené od podélné osy hřídele (4) k vnitřní stěně skříně (1) čerpadla ve směru odvalování rotoru (3) je roven 0 až 50° a ve směru proti odvalování rotoru (3) je 0 až 60°.
3. 3. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ío usměrňovači lopatka (9) má tvar zborcené plochy, jejíž zakončení u vnitřní stěny skříně (1) čerpadla je opatřeno zaoblením tvarově stejným s vnitřní stěnou skříně (1) čerpadla a její šířka je 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí (4) a skříní (1) čerpadla,
4. 4. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že usměrňovači lopatka (9) má tvar listu vrtule o šířce 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí (4) a

   15 skříní (1) čerpadla.
5. 5. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že usměrňovači lopatka (9) má tvar části šroubové plochy s proměnlivým úhlem stoupání ±10 až 50° a její šířka je 10 až 99 % vzdálenosti mezi hřídelí (4) a skříní (1) čerpadla.
6. 6. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle některého z předešlých nároků, vyznačující

   2o s e t í m, že usměrňovači lopatka (9) je alespoň na části svého povrchu opatřena nejméně jedním výstupkem o výšce 0,1 až 35 mm a/nebo nejméně jedním důlkem o hloubce OJ až 15 mm, přičemž průměr základny výstupku a/nebo důlku je 0,1 až 45 mm.

   4 výkresy

   CZ 20067 Ul obr. 1