CZ2015905A3 - Hybridní čerpací systém - Google Patents

Abstract

Vynálezem je hybridní čerpací systém, zejména pro čerpání kapalin z velkých hloubek, sestavený ze sady alespoň dvou vzájemně napojitelných potrubních segmentů (1). Podstata řešení spočívá v tom, že potrubní segment (1) je tvořen dutým potrubním tělesem (11), v jehož části pláště je zabudován stator (14) elektromotoru a v jehož vnitřním prostoru je zabudováno axiální čerpadlo (2) tvořené ložiskovým tělesem (21), z jehož skříně jsou vyvedena žebra (22) pro zajištění upevnění axiálního čerpadla (2) k vnitřní stěně potrubního segmentu (1), přičemž k ložiskového tělesa (21) je axiálně vyvedena pohonná hřídel (24), na které je uloženo oběžné kolo (25), jehož konce radiálních lopatek (26) jsou propojeny obvodovým kroužkem (27) tvořícím rotor elektromotoru.

Description

Hybridní čerpací systém Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti čerpací techniky a týká se konstrukce hybridního čerpacího systému určeného zejména pro čerpání kapalin z velkých hloubek, například vrtů či studní, nebo k přečerpávání vody z lagun vzniklých při živelných pohromách, případně v reciprokém turbínovém provozu pro vodojemy, vyprazdňování nádrží apod. D.Q?a.v9£ir>í j-tav .techniky

Pro dopravu kapalin se dnes běžně používají odstředivá nebo objemová čerpadla, na jejichž výtlačná hrdla se napojuje potrubí, kterým protéká kapalina. Pro dosažení vysokého tlaku čerpané kapaliny je nutno používat vícestupňová čerpadla s několika do série řazenými oběžnými koly. Tato čerpadla jsou charakterizována vysokou hmotností a jejich nevýhodou je skutečnost, že na vysoký tlak za výtlačným hrdlem čerpadla musí být dimenzováno i výtlačné potrubí. Pro dosažení vysokého tlaku je možno zatím používat pouze čerpadel odstředivých a objemových, zejména plunžrových, ovšem pro nízké průtoky. Manévrovací schopnost těchto klasických čerpadel poháněných klasickým motorem je velmi obtížná. K operativním akcím, například pro hasičské nebo záchranářské sbory, lze používat pouze čerpadla malých výkonů. Větší čerpadla, například pro eliminaci povodní, jsou speciálního provedení a využívají se jako stacionární stanice. Čerpadla do hlubokých studní se obecně vyznačují dvojím konstrukčním řešením. U první varianty je čerpadlo se sacím košem a rotorem s radiálními oběžnými koly zavěšeno na potrubí, uvnitř kterého je vedena hřídel uložená v kluzných ložiskách. Toto čerpadlo je ponořeno pod hladinu kapaliny ve studni a vlastní pohonný agregát čerpadla je umístěn nahoře na podlaze strojovny. Pro tyto účely je vzhledem k vysokým dopravním výškám nutno používat čerpadla velkých výkonů, které lze dosáhnout sériovým řazením oběžných kol, takže čerpadla jsou charakterizována velkou délkou a hmotností, velkými hodnotami axiálních sil, které je nutno zachytit v ložiskách nebo speciálním vyrovnávacím zařízením. Tím se stávají čerpadla velmi robustními. Vzhledem ke skutečnosti, že čerpadla jsou využívána do studní hlubokých až několik set metrů, má v potrubí bezprostředně za výtlačnými hrdly čerpadel kapalina vysoký tlak, čemuž musí odpovídat i tloušťka potrubí, což cenu čerpadla značně zvyšuje. U čerpadel do vrtů je situace ještě horší, neboť průměry vrtů bývají malé a k dosažení potřebného výkonu je proto potřeba nadměrného množství radiálních nebo diagonálních oběžných kol, což generuje mimořádnou délku celého čerpadla. Tím se snižuje možnost manipulace s čerpadly, jejich provozní spolehlivost a nemožnost jejich umístění do extrémních hloubek. Významně tomu brání i pevná konstrukce a nadměrná délka čerpadla jako tuhého tělesa, kterou není možno přizpůsobit zakřivenému tvaru vrtu pro extrémní hloubky, kdy vrt již není přímý. Provozní spolehlivost je také velmi omezena životností kluzných ložisek, které jsou v potrubí umístěny obvykle ve vzdálenosti po tří metrech. Pro délku potrubí 10(jm je nutno hřídel uložit ve 30 ložiskách, čímž se komplikuje dynamika rotoru stroje a jeho spolehlivost i životnost.

Tento typ konstrukce čerpadel je běžně známý a je ve výrobním programu všech hydraulických firem. Příklady řešení jsou uvedeny například ve spisech CS 51559 (Dvoustupňové axiální čerpadlo), AT 55554 (Mehrstufige Rohrbrunnen-Kreiselpumpe), CS 55574 (Několikastupňové axiální dmychadlo nebo čerpadlo), RU 2380575 (Auger centrifuga! pump), US 6036192 (Skew and twist resistant hydrodynamic rotary shaft seal), WO 2013028240 (Radial shaft seal with dusí exclusion and hydrodynamics sealing feature), DE 4122965 (Cruising converter for hydrodynamic gearbox - has cylindrical extensions on turbině runner wheel interacting with seal between pump and guide wheels), CN 103047171 (Novel full-function floating throttling device), CA 1308960 (Centrifugal pump and floating casing ring therefor), CN 101709718 (Sealed ring of centrifugal pump with unloading channel), MX 2008008722 (Flexible floating ring seal arrangement for rotodynamic pumps) apod.

Dnes se více prosazuje jiná varianta čerpadel do hlubokých studní a vrtů, kde konstrukce již neobsahuje dlouhou hřídel pro pohon čerpadla, ale motor je zavěšen na čerpadle. Jinak je princip práce čerpadla shodný s předcházejícím. Umístění čerpadla do extrémně hlubokých vrtů je ve srovnání s předchozí konstrukcí ještě problematičtější. Příčinou je mimořádně velká délka pracovní části stroje, která není ohybově poddajná. Umístění do vrtu, který není přímý, je tak prakticky nemožné. Problémem je i životnost motoru, neboť je ponořený v čerpané kapalině a jeho provozní spolehlivost je založena na životnosti ucpávek.

Konečně je známo i řešení podle spisu CS 99251, kde je popisována konstrukce čerpadla do hlubokých vrtů, kde je uveden princip čerpání kapaliny z hlubokých vrtů pomocí komor se stlačeným vzduchem, přivedeným z vnějšího zdroje, kompresorem v čerpací stanici mimo vrt. Jedná se o konstrukčně velmi složité zařízení, které se v podstatě nikdy ve větší míře nepoužívalo a je technicky i technologicky překonáno. Úkolem předkládaného vynálezu je představit z£etgf zcela novou konstrukci čerpacího systému použitelného pro dopravu kapalin jak z hlubokých vrtů a studní, tak při práci záchranářského a hasičského sboru nebo při odstraňování následků živelných pohrom, který odstraňuje nedostatky stávajících řešení při dosažení vysokých průtoků čerpané kapaliny, a to při vysokých účinnostech čerpadel a nízkých tlacích proudícího média.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je hybridní čerpací systém, zejména pro čerpání kapalin z velkých hloubek, sestavený ze sady alespoň dvou vzájemně napojitelných potrubních segmentů, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že potrubní segment je tvořen dutým potrubním tělesem, v jehož části pláště je zabudován stator elektromotoru a v jehož vnitřním prostoru je zabudováno axiální čerpadlo tvořené ložiskovým tělesem, z jehož skříně jsou vyvedena žebra pro zajištění upevnění axiálního čerpadla k vnitřní stěně potrubního segmentu, přičemž z ložiskového tělesa je axiálně vyvedena pohonná hřídel, na které je uloženo oběžné kolo, konce jehož radiálních lopatek jsou propojeny obvodovým kroužkem tvořícím rotor elektromotoru.

Ve výhodném provedení je potrubní těleso tvořeno buď pevnou trubkou nebo elastickým členem, kde pevná trubka je tvořena kovovou trubkou nebo plastovou trubkou a elastický člen je tvořen vlnovcem nebo ohebnou trubkou.

Je rovněž výhodné, když potrubní těleso je na jednom čele opatřeno připojovací přírubou a na druhém čele hrdlem, přičemž stator elektromotoru je v porubním tělese zabudován na straně vytvoření připojovací příruby.

Konečně je výhodné, když koncové části žeber axiálního čerpadla jsou propojeny obvodovým prstencem, pomocí kterého je axiální čerpadlo nalisováno nebo přivařeno k vnitřní stěně potrubního segmentu nebo když koncové části žeber axiálního čerpadla jsou nalisovány nebo přivařeny k vnitřní stěně potrubního segmentu.

Uvedeným čerpacím systémem se dosahuje vyšších účinků v tom, ž^/yužívals^ axiálního čerpadla pro nízké tlaky s relativně vysokými průtoky a vysokou účinností oproti radiálním nebo diagonálním čerpadlům. Čerpadlo je integrovanou částí potrubí, takže nepotřebuje spojku, rotor prstencového motoru je přitom tvořen oběžným kolem axiálního čerpadla a stator prstencového motoru je součástí potrubí. Další výhodou je, že prstencový motor není nutno chránit proti účinkům kapaliny a vzhledem k nízkému tlaku kapaliny je možno využívat tenkostěnného, případně plastového, potrubí pro relativně velké dopravní výšky čerpadla. Nezanedbatelným přínosem rovněž je, že vzhledem k elasticitě potrubí je možno čerpací systém bezproblémově využívat i pro zakřivené vrty a do studní libovolné hloubky, přičemž pro záchranářské účely a potřeby hasičského sboru je možno sériově sestavit čerpací systém s elastickými potrubními segmenty v libovolném profilu kopírujícím terén krajiny.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde •j obr.jl je podélný řez základním provedením pevného potrubního segmentu čerpacího systému, obr.jž je podélný řez alternativním provedením elastického potrubního segmentu čerpacího systému, obr^a) je podélný řez axiálním čerpadlem zabudovávaným do systému, obr.jto) je čelní pohled na axiální čerpadlo z obr.3a) ve směru P, y obr.j4 je podélný řez základním provedením pevného potrubního segmentu z obr.]j se zabudovaným axiálním čerpadlem z obr.jía), obr.js je explodovaný pohled na sestavu potrubního segmentu z obr.4 se znázorněním směru vkládání axiálního čerpadla zevnitř, obrjp je podélný řez alternativním provedením pevného potrubního segmentu s axiálním čerpadlem vloženým ze strany připojovací příruby, j obr.j7 je explodovaný pohled na sestavu potrubního segmentu z obr.6 se znázorněním směru vkládání axiálního čerpadla, ν' obr.j8 je podélný řez sestavou dvou spojených pevných potrubních segmentů z obrj4, obr.j9 je podélný řez sestavou jednoho pevného a jednoho elastického potrubního segmentu, obr.jl0 je podélný řez sestavou dvou elastických potrubních segmentů z obrj^ se zabudovanými axiálními čerpadly, obr J11 je zjednodušené příkladné schéma čerpacího systému, který je spuštěn ve studni a je sestaven z pevných potrubních segmentů, obr.|l2 je příkladné schéma čerpacího systému z obr.11 doplněného o elastický potrubní segment a obr.^3 je příkladné schéma čerpacího systému sestaveného z elastických segmentů kopírujících terén. Výkresy, které znázorňují představovaný vynález a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu. Příklady provedení vynálezu Čerpací systém je tvořen soustavou vzájemně propojitelných potrubních segmentů 1, které jsou tvořeny v základním provedení dutým potrubním tělesem H, které je na jednom čele opatřeno připojovací přírubou 12 a na druhém čele hrdlem 13. Na straně vytvoření připojovací příruby 12 je v potrubním tělese H zabudován stator 14 elektromotoru ve formě vinutí, přičemž toto těleso H může být tvořeno buď pevnou tenkostěnnou kovovou, popřípadě plastovou, trubkou, jak je znázorněno na obr|í, nebo elastickým členem, například vlnovcem nebo ohebnou pryžovou trubkou, jak je patrné z °brř· Ve vnitřním prostoru každého segmentu 1 je zabudováno axiální čerpadlo 2, znázorněné na obrj3a) a obrj3b), které je tvořeno ložiskovým tělesem 21, z jehož skříně jsou v podstatě radiálně vyvedena žebra 22, jejichž koncové části jsou propojeny obvodovým prstencem £3. Pomocí obvodového prstence 22 je axiální čerpadlo 2 upevněno, například přivařeno nebo nalisováno, k vnitřní stěně potrubního segmentu 1. Z ložiskového tělesa 21 je axiálně vyvedena pohonná hřídel 24, na které je uloženo oběžné kolo 25, konce jehož radiálních lopatek 2S jsou propojeny obvodovým kroužkem 27 tvořícím rotor elektromotoru.

Jak je patrné z přiložených obrázků, není detailně popsané provedení potrubního segmentu i jediným možným řešením podle vynálezu, ale dle potřeby variantního sestavení čerpacího systému mohou být axiální čerpadla 2 zabudována nejen s oběžným kolem 25 směrovaným dovnitř potrubního segmentu 1 podle obr|t a obr]5, ale i s oběžným kolem 2§ směrovaným k připojovací přírubě 12, jak je znázorněno na obr|> a obr.jř. Koncové části žeber 22 nemusí být pro určité velikosti segmentů 1, propojeny obvodovým prstencem 22, ale mohou být přímo navařovány k vnitřní ploše segmentu 1. Potrubní segment 1 nemusí být v koncových částech opatřen připojovací přírubou 12 a hrdlem 12, když spojení segmentů 1 může být realizováno pomocí závitových spojek. Je rovněž zřejmé, že pevné i elastické potrubní segmenty 1 mohou být skládány bez vlivu na funkčnost systému dle potřeby do různých kombinací, jak je příkladně uvedeno na obr.j8 až obr.jlO, a celé čerpací systémy mohou být používány v různých prostředích, jak je naznačeno na obr.|l 1 až obr.j|3.

Průmyslová využitelnost

Hybridní čerpací systém je určen zejména pro čerpání kapalin z velkých hloubek, například vrtů či studní, nebo k přečerpávání vody z lagun vzniklých při živelných pohromách. Alternativně lze vynález využít také v reciprokém turbínovém provozu, například při funkci vodojemů, vyprazdňování nádrží a podobně.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Hybridní čerpací systém, zejména pro čerpání kapalin z velkých hloubek, sestavený ze sady alespoň dvou vzájemně napojitelných potrubních segmentů (1), vyznačující se tím, že potrubní segment (1) je tvořen dutým potrubním tělesem (11), v jehož části pláště je zabudován stator (14) elektromotoru a v jehož vnitřním prostoru je zabudováno axiální čerpadlo (2) tvořené ložiskovým tělesem (21), z jehož skříně jsou vyvedena žebra (22) pro zajištění upevnění axiálního čerpadla (2) k vnitřní stěně potrubního segmentu (1), přičemž z ložiskového tělesa (21) je axiálně vyvedena pohonná hřídel (24), na které je uloženo oběžné kolo (25), .koncet jeho^radiálních lopatek (26) jsou propojeny obvodovým kroužkem (27) tvořícím rotor elektromotoru.
2. 2. Hybridní čerpací systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že potrubní těleso (11) je tvořeno buď pevnou trubkou nebo elastickým členem.
3. 3. Hybridní čerpací systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že pevná trubka je tvořena kovovou trubkou nebo plastovou trubkou.
4. 4. Hybridní čerpací systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že elastický člen je tvořen vlnovcem nebo ohebnou trubkou.
5. 5. Hybridní čerpací systém podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že potrubní těleso (11) je na jednom čele opatřeno připojovací přírubou (12) a na druhém čele hrdlem (13), přičemž stator (14) elektromotoru je v porubním tělese (11) zabudován na straně vytvoření připojovací příruby (12).
6. 6. Hybridní čerpací systém podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že koncové části žeber (22) axiálního čerpadla (2) jsou propojeny obvodovým prstencem (23), pomocí kterého je axiální čerpadlo (2) nalisováno nebo přivařeno k vnitřní stěně potrubního segmentu (1).
7. 7. Hybridní čerpací systém podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že koncové části žeber (22) axiálního čerpadla (2) jsou nalisovány nebo přivařeny k vnitřní stěně potrubního segmentu (1).