CZ2011686A3 - Cerpadlo s rotujícím lopatkovým vencem - Google Patents

Abstract

Cerpadlo s rotujícím lopatkovým vencem je tvorené tvarovanou delenou skríní (1), která je opatrena vstupním hrdlem (11) a výstupním hrdlem (12), a v jejímz vnitrním prostoru je ulozeno alespon jedno obezné kolo (2) a jejíz kapalinový prostor je uzavren víkem (3). Kazdé obezné kolo (2) je tvoreno nosným diskem (21), který je opatren minimálne jedním lopatkovým vencem tvoreným soustavou lopatek (23). V oblasti ulození lopatkového vence kazdého obezného kola (2) je ve vnitrním prostoru skríne (1) mezi zaústeními vstupního hrdla (11) a výstupního hrdla (12) vytvoren prutocný kanál (4) tvorený minimálne tremi tvarovanými dutinami (41) vytvorenými postupne strídave po obvodu lopatkového vence ve skríni (1) tak, ze je umoznen prutok kapaliny mezi lopatkami (23) obezného kola (2) bud prevázne v radiálním smeru nebo prevázne v axiálním smeru.

Description

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti čerpací techniky a týká se nové konstrukce čerpadla s rotujícím lopatkovým věncem, určeného zejména pro čerpání čistých kapalin o vysokém tlaku a nízkém průtoku.

Dosavadní stav techniky

U odstředivých čerpadel pro nízké rychloběžnosti charakterizované specifickými otáčkami n_s < 30 otáček/min a určených pro čerpání čistých kapalin o vysokém tlaku a nízkém průtoku se používají většinou tzv. vířivá čerpadla, která jsou tvořena rotorem opatřeným po obvodu pravidelně rozmístěnými radiálními lopatkami a otáčejícím se ve skříni. Skříň je opatřena jednak sacím a výtlačných hrdlem a jednak obvodovým kanálem, vytvářejícím prostor, v němž vzniká při rotaci oběžného kola rotoru vlivem odstředivých sil vír. Příkladem těchto čerpadel jsou například řešení popsaná ve spisech CZ 158425, CZ 170187 nebo CZ 286307. Ve spise CZ 219304 je popsán další typ rotačního vířivého čerpadla s bočními kanály ležícími v meridiální rovině, které umožňují vznik bočních vírů. Konstrukční úprava vířivého čerpadla umožňující zvýšení počtu bočních vírů je pak popsána ve spise CZ 258472. Společnou nevýhodou těchto konstrukcí vířivých čerpadel je skutečnost, že vznik víru v proudící kapalině zvyšuje hydraulické ztráty, takže tato čerpadla dosahují v průměru účinnosti menší než 40%.

-2Vzhledem k uvedené nízké účinnosti se vířivá čerpadla nahrazují různými úpravami konstrukcí odstředivých čerpadel, jak je to uvedeno například v patentových spisech US 3953150, JP 59165895, JP 9042194, WO 2005/108796, nebo EP 684386, jejichž společným znakem je vkládání přídavných lopatek do kanálů oběžného kola, přičemž mezilopatky mají v podstatě stejný hydraulický tvar jako hlavní lopatky, pouze mají zkrácenou délku, a jsou umístěny uprostřed kanálu.

Další variantou, snažící se odstranit nedostatky doposud vyráběných oběžných kol používaných pro nízké specifické otáčky, jsou konstrukce tzv. kanálkových oběžných kol, popsaných například ve spisech JP 2005023794, JP 2004092599, JP 2003201994, JP 9068197, JP 7208392, JP 5071490, JP 3111697, JP 2002122095, JP 9189297, JP 2004232525, JP 58187600, EP 398377 a JP 2004353564. Společnou nevýhodou těchto řešení je, že vstupní prostor oběžného kola není řešen s ohledem na sací schopnost čerpadla, takže tato čerpadla vykazují náchylnost ke vzniku kavitace.

Nakonec je známo i oběžné kolo hybridního typu, které je popsané ve spisu CZ 300161 a je tvořené nosným diskem opatřeným lopatkami vytvářejícími úzké průtočné kanálky, kde lopatky jsou tvarované tak, že šířka jejich náběhové části dosahující maximálně do jedné třetiny poloměru nosného disku je v podstatě konstantní. Následně se lopatky směrem k obvodu oběžného kola pozvolna rozšiřují, přičemž v rozšířené obvodové části lopatek jsou vytvořeny v radiálním směru přídavné kanálky, které jsou vedeny směrem od obvodu oběžného kola dostředně.

Úkolem předkládaného vynálezu je představit novou konstrukci čerpadla pro velmi nízké rychloběžnosti, tedy pro malé průtoky a velké dopravní výšky, které by odstraňovalo nedostatky známých řešení a dosahovalo vyšší účinnost než známé typy odstředivých čerpadel používané pro tyto parametry čerpání kapalin.

-3Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je do značné míry dosaženo vynálezem, kterým je čerpadlo s rotujícím lopatkovým věncem tvořené tvarovanou dělenou skříní, která je opatřena vstupním hrdlem a výstupním hrdlem, v jejímž vnitřním prostoru je uloženo alespoň jedno oběžné kolo a jejíž kapalinový prostor je uzavřen víkem, přičemž každé oběžné kolo je tvořeno nosným diskem, který je opatřen minimálně jedním lopatkovým věncem tvořeným soustavou lopatek, kde podstata řešení spočívá v tom, že v oblasti uložení lopatkového věnce každého oběžného kola je ve vnitřním prostoru skříně mezi zaústěními vstupního hrdla a výstupního hrdla vytvořen průtočný kanál tvořený minimálně třemi tvarovanými dutinami vytvořenými postupně střídavě po obvodu lopatkového věnce ve skříni tak, že je umožněn průtok kapaliny mezi lopatkami oběžného kola buď převážně v radiálním směru nebo převážně v axiálním směru.

Ve výhodném provedení je lopatkový věnec oběžného kola situován bočně od nosného disku, přičemž tvarované dutiny jsou ve skříni vytvořeny vzhledem k lopatkám v radiálním směru nebo je lopatkový věnec oběžného kola situován radiálně po obvodu nosného disku, přičemž tvarované dutiny jsou ve skříni vytvořeny vzhledem k lopatkám v axiálním směru.

V dalších výhodných provedeních jsou lopatky po obvodu oběžného kola rozmístěny pravidelně a mají shodný tvar nebo jsou lopatky po obvodu oběžného kola rozmístěny v různých roztečích a/nebo jsou různě tvarovány.

Konečně je výhodné, že pro oběžné kolo, na jehož disku jsou zrcadlově uspořádány dva nebo více lopatkových věnců, jsou průtočné kanály se střídajícími se dutinami vytvořeny v oblasti každého z lopatkových věnců.

Předkládaným provedením čerpadla se dosahuje vyššího technického účinku v tom, že nová konstrukce dutin kanálu pro průchod kapaliny od sání k výtlaku

-4zajišťuje vyšší hydraulickou účinnost čerpadla pro velmi nízké specifické otáčky, tj. pro n_s < 30 otáček/min.

obrázků na

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr.1 je radiální řez provedením čerpadla s radiálně protékaným lopatkovým věncem, obr.2je meridiální řez A-A čerpadlem z obr.1, obr.3 je detail lopatky radiálně protékaného věnce čerpadla z obr.1 vyobrazené v radiálním řezu, obr.4 je radiální řez provedením čerpadla s axiálně protékaným lopatkovým věncem, obr.5 je meridiální řez A-A čerpadlem z obr.4, obr.6 je rozvinutý válcový řez B-B čerpadlem z obr.4, obr.7 je detail lopatky axiálně protékaného věnce čerpadla z obr.4 vyobrazené v radiálním řezu, obr.8 je detail lopatky axiálně protékaného věnce čerpadla z obr.4 vyobrazené v rozvinutém válcovém řezu C-C, obr.9 je radiální řez alternativním provedením čerpadla s radiálně protékaným lopatkovým věncem, kde vstupní hrdlo neleží v radiální rovině, obr. 10 je meridiální řez A-A čerpadlem z obr.9,

-5obr. 11 je axonometrický pohled na čerpadlo z obr.1 ze strany připojení k pohonu, obr. 12 je axonometrický pohled na čerpadlo z obr.1 ze strany víka, obr. 13 je radiální řez alternativním provedením čerpadla s radiálně protékaným lopatkovým věncem, kde vstupní i výstupní hrdlo jsou realizovány na vnitřní straně lopatkového věnce, obr. 14 je meridiální řez A-A čerpadlem z obr. 13, obr. 15 je meridiální řez vícestupňovým čerpadlem s radiálně protékanými lopatkovými věnci, obr. 16 je meridiální řez čerpadlem, jehož rotor je tvořen dvěma zrcadlově uspořádanými radiálně protékanými lopatkovými věnci, obr. 17 je meridiální řez čerpadlem, jehož rotor je tvořen dvěma zrcadlově uspořádanými radiálně protékanými lopatkovými věnci a je opatřen integrovaným věncovým motorem, obr. 18 je radiální řez lopatkovým věncem opatřeným neperiodickou lopatkovou mříží a obr. 19 znázorňuje několik možných tvarových provedení lopatek lopatkového věnce.

Výkresy, které znázorňují vynález, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.

-6Příkladv provedení vynálezu

Čerpadlo je v základním provedení znázorněném na obr.1 až obr.3 tvořeno tvarovanou dělenou skříní 1. zastávající funkci statoru, v jejímž vnitřním prostoru je ve funkci rotoru uloženo oběžné kolo 2, přičemž kapalinový prostor čerpadla je uzavřen víkem 3. Oběžné kolo 2 je tvořeno nosným diskem 21. který je uložen na pohonné hřídeli 22, s níž může tvořit jeden integrovaný celek nebo mohou být tyto dva díly samostatnými konstrukčními prvky vzájemně spřaženými běžnými technickými prostředky, například šroubovým spojem. V obvodové části je nosný disk 21 oběžného kola 2 opatřen bočně situovaným lopatkovým věncem tvořeným soustavou lopatek 23, které jsou obloukovitě tvarovány a pro správnou funkci oběžného kola musí pro vstupní úhel výstupní hrany lopatek 23 platit vztah β <90°.

Skříň 1 čerpadla je opatřena vstupním hrdlem 11 a výstupním hrdlem 12, která jsou vytvořena v radiálním směru, jsou oddělena přepážkou 13 a zavedena do vnitřního prostoru skříně 1, kde je v oblasti uložení lopatkového věnce oběžného kola 2 vytvořen průtočný kanál 4. Průtočný kanál 4 je tvořen minimálně třemi tvarovanými dutinami 41 vytvořenými postupně po obvodu lopatkového věnce střídavě ve vnějším a vnitřním dílu skříně 1 tak, že je umožněn průtok kapaliny mezi lopatkami 23. v radiálním směru, jak je patrné zejména z obr.2, kde je ve skříni 1, tedy statoru, vytvořeno celkem sedm dutin 41.

Při činnosti čerpadla rotuje oběžné kolo 2 konstantní úhlovou rychlostí ve vnitřním prostoru skříně 1, čímž uvádí do pohybu kapalinu jak mezi lopatkami 23 lopatkového věnce, tak v radiálních dutinách 41 průtočného kanálu 4. Kapalina je nasávána vstupním hrdlem H, proudí postupně mezi dutinami 41 průtočného kanálu 4 a vytéká výstupním hrdlem 12 do neznázorněného potrubí. Objemové ztráty se eliminují neznázorněnými těsnícími spárami mezi přiléhajícími plochami skříně 1 a oběžného kola 2, přičemž přepážka 13 zabraňuje zpětnému proudění kapaliny do sání.

Popsané provedení není jedinou možnou alternativou předkládaného konstrukčního řešení, ale i v případě, že dutiny 41 průtočného kanálu 4 jsou vytvořeny ne v radiálním směru, ale axiálně po stranách lopatkového věnce oběžného kola 2, jak je patrné ze znázornění na obr.4 až obr.8., přičemž pro konstrukci lopatek 23 i dutin 41 platí stejná pravidla jako pro řešení s radiálně protékaným lopatkovým věncem.

Je rovněž možné tvarovat vstupní hrdlo 11 skříně 1 do jiného než radiálního směru, jak je znázorněno pro radiálně protékaný lopatkový věnec na obr.9 až obr.12, nebo je možno vstupní hrdlo 11 i výstupní hrdlo 12 situovat do vnitřního dílu skříně 1, jak je znázorněno na obr.13 a obr.14, popřípadě je možno vstupní hrdlo 11 připojit na vnitřní díl a výstupní hrdlo 12 na vnější díl skříně 1 či naopak. Konečně je pak dané řešení možno za účelem dosažení vyššího tlaku použít pro vícestupňová čerpadla, jak je pro případ třístupňového čerpadla s radiálně protékanými lopatkovými věnci znázorněno na obr. 15.

Alternativně lze předkládanou tvorbu dutin 41 průtočného kanálu 4 použít i pro oběžné kolo 2 s dvěma zrcadlově uspořádanými lopatkovými věnci, což je pro radiálně protékané lopatky 23 znázorněno na obr. 16. Dalším možným využitím je řešení znázorněné na obr. 17, kdy je pohonná hřídel 22 oběžného kola 2 nahrazena u dvouvěncového řešení lopatek 23 integrovaným věncovým motorem 5.

Lopatkový věnec oběžného kola 2 pak nemusí být tvořen pravidelnou lopatkovou mříží, ale lopatky 23 mohou být rozmístěny v různých roztečích a rovněž mohou být různě tvarovány, jak je patrné z meridiálního řezu neperiodické, tzv. chaotické, lopatkové mříže radiálně protékaného oběžného kola 2 znázorněné na obr. 18. Boky lopatek 23 pak nemusí být vymezeny radiálními rovinami, ale mohou být dle potřeby různě zkoseny či tvarovány, jak je znázorněno na obr. 19 představujícím příklady různých meridiálních průřezů lopatek 23 lopatkových věnců.

Průmyslová využitelnost

Čerpadlo s rotujícím lopatkovým věncem podle vynálezu je určeno zejména pro čerpání čistých kapalin o vysokém tlaku a nízkém průtoku.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Čerpadlo šrotujícím lopatkovým věncem^tvořené tvarovanou dělenou skříní (1), která je opatřena vstupním hrdlem (11) a výstupním hrdlem (12), v jejímž vnitřním prostoru je uloženo alespoň jedno oběžné kolo (2) a jejíž kapalinový prostor je uzavřen víkem (3), přičemž každé oběžné kolo (2) je tvořeno nosným diskem (21), který je opatřen minimálně jedním lopatkovým věncem tvořeným soustavou lopatek (23), vyznačující se tím, že v oblasti uložení lopatkového věnce každého oběžného kola (2) je ve vnitřním prostoru skříně (1) mezi zaústěními vstupního hrdla (11) a výstupního hrdla (12) vytvořen průtočný kanál (4) tvořený minimálně třemi tvarovanými dutinami (41) vytvořenými postupně střídavě po obvodu lopatkového věnce ve skříni (1) tak, že je umožněn průtok kapaliny mezi lopatkami (23) oběžného kola (2) buď převážně v radiálním směru nebo převážně v axiálním směru.
2. 2. Čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že lopatkový věnec oběžného kola (2) je situován bočně od nosného disku (21), přičemž tvarované dutiny (41) jsou ve skříni (1) vytvořeny vzhledem k lopatkám (23) v radiálním směru.
3. 3. Čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že lopatkový věnec oběžného kola (2) je situován radiálně po obvodu nosného disku (21), přičemž tvarované dutiny (41) jsou ve skříni (1) vytvořeny vzhledem k lopatkám (23) v axiálním směru.
4. 4. Čerpadlo podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že lopatky (23) jsou po obvodu oběžného kola (2) rozmístěny pravidelně a mají shodný tvar.
5. 5. Čerpadlo podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že lopatky (23) jsou po obvodu oběžného kola (2) rozmístěny v různých roztečích a/nebo jsou různě tvarovány.
6. 6. Čerpadlo podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že pro oběžné kolo (2), na jehož disku (21) jsou zrcadlově uspořádány dva nebo více lopatkových věnců, jsou průtočné kanály (4) se střídajícími se dutinami (41) vytvořeny v oblasti každého z lopatkových věnců.