CZ297287B6 - Cerpadlo - Google Patents

Abstract

Cerpadlo odstredivého nebo poloaxiálního typu procerpání odpadních a splaskových vod obsahuje skrín (1) cerpadla, opatrenou válcovým vstupem (2), a obezné kolo (3), opatrené stredovou hlavou (4) a jednou nebo nekolika lopatkami (5) s nábehovými hranami (6) ohnutými smerem zpet a umístenými ve válcovém vstupu (2) v rovine kolmé na osu (z) hrídele obezného kola (3). Jedna nebo nekolik prívodních drázek (8) je usporádáno ve stene skríne (1) cerpadla na povrchové plose (7) proti lopatkám (5). Drázky (8) jsou umísteny ve smeru proudení pred oblastí nábehových hran (6), vedou od vstupu smerem k výstupu a jsou ohnuty ve smeru otácení obezného kola(3). Válcový rez drázkou (8) vykazuje hladké spojení povrchové plochy (7) skríne (1) cerpadla na strane, od které obezné kolo (3) prochází pod úhlem (.gama.) mezi sklonenou cástí (14) drázky (8) a povrchovou plochou (7) skríne (1) cerpadla, který jedefinován jako .gama. = arctan (.DELTA.z/(r.sup...n..DELTA..theta.)), kde .gama. má hodnotu od 2 do25.degree., .DELTA.z je osový posun, a r.sup...n..DELTA..theta. je tangenciální rozsírení.

Description

Vynález se týká odstředivého nebo poloaxiálního čerpadla pro čerpání tekutin, zejména pro čerpání odpadních vod a splašků.

Dosavadní stav techniky

V literatuře je popsáno velké množství typů čerpadel a oběžných kol čerpadel pro uvedené účely, avšak všechna tato čerpadla či oběžná kola čerpadel mají určité nevýhody. To se týká především jejich zanášení či ucpávání ajejich nízké efektivnosti, výkonnosti a účinnosti.

Odpadní vody a splašky obsahují celou řadu různých typů znečištění a nečistot, jejichž množství a složení závisí jednak na ročním období a jednak na typu oblastí, z nichž tyto odpadní vody proudí. Ve městech jde zejména o plastické materiály, hygienické potřeby, textil a podobně, zatímco v průmyslových oblastech mohou být produkovány zejména opotřebovávající částice.

Zkušenosti ukazují, že největší problémy nastávají s hadry a podobnými předměty, které se zachycují na náběhových hranách lopatek a začnou se navíjet na hlavu oběžného kola. V důsledku takovýchto nehod dochází ke snižování intervalů mezi jednotlivými častými opravami a v důsledku toho i ke snižování účinnosti a výkonnosti.

V zemědělství a v dřevozpracujícím průmyslu je používáno mnoho různých typů speciálních čerpadel, která jsou schopna zvládnout slámu, trávu, listí a další druhy organických materiálů. Pro tyto účely jsou náběžné hrany lopatek zahnuty směrem dozadu, a to proto, aby byly nečistoty vedeny směrem ven k obvodu, namísto toho, aby zůstaly zachyceny na náběžných hranách.

Rovněž jsou často používány různé typy rozmělňovacích prostředků, zejména pro řezání materiálu a pro usnadňování průtoku. Příklady takových zařízení jsou uvedeny například v patentových spisech SE 435 952, SE 375 831 a US 4 347 035.

Jelikož nečistoty a různá znečištění v odpadních vodách a ve splašcích jsou odlišného typu a jsou tedy mnohem obtížněji zvládnutelné a jelikož provozní doba čerpadel pro odpadní vody a splašky bývá běžně mnohem delší, je zřejmé, že shora uvedená speciální čerpadla nesplňují náročné požadavky na čerpání odpadních vod a splašků, a to ani z hlediska jejich spolehlivosti, ani z hlediska jejich účinnosti a výkonnosti.

Čerpadlo na odpadní vody a splašky je velmi často v provozu až 12 hodin denně, což znamená, že spotřeba energie závisí do značné míry na celkové účinnosti daného čerpadla.

Zkoušky prokázaly, že je možno zlepšit účinnost až na 50 %, a to u čerpadla na odpadní vody a splašky podle tohoto vynálezu v porovnání s dosud známými čerpadly na odpadní vody a splašky.

Jelikož u nákladů životního cyklu pro elektricky poháněná čerpadla obvykle zcela převažují energetické náklady, a to zhruba z 80 %, je zcela zřejmé, že shora uvedené dramatické zvýšení účinnosti bude mimořádně důležité.

V literatuře je konstrukce oběžných kol čerpadel popsána velmi obecně, zejména co se týče vychýlení či ohnutí náběhových hran. Jednoznačná definice uvedeného vychýlení či ohnutí vůbec neexistuje.

-1 CZ 297287 B6

Zkoušky prokázaly, že tvar a velikost ohybového rozvodového úhlu na náběhových hranách má velký význam pro docílení nezbytné samočisticí schopnosti oběžného kola čerpadla. Povaha nečistot rovněž vyžaduje použití odlišných ohybových úhlů za účelem zajištění dobré funkce čerpadla.

V literatuře nejsou uváděny žádné informace o tom, co je nutno učinit pro docílení klouzání a dopravy nečistot směrem ven v radiálním směru podél náběhových hran lopatek. Co je obecně zmíněno, je skutečnost, že náběhové hrany mají být zahnuty směrem zpět pod tupým úhlem, jak je uvedeno například v patentovém spise SE 435 952.

Pokud jsou čerpány menší nečistoty, jako je například tráva či jiné organické materiály, mohou být postačující poměrně malé úhly, které zajišťují dosažení radiální dopravy a rovněž rozmělňování nečistot ve štěrbině mezi oběžným kolem a je obklopující skříní.

V praxi je tohoto rozmělňování dosahováno tak, že částice jsou rozřezávány prostřednictvím jejich přímého styku s oběžným kolem a s jeho skříní, když se tato skříň otáčí obvodovou rychlostí zhruba 10 až 25 m/s. Tento rozřezávací proces lze vylepšit tím, že příslušné povrchové plochy jsou opatřeny řeznými ústrojími, štěrbinami a podobně.

Různé druhy zářezů a řezných prostředků či ústrojí jsou popsány v patentových spisech SE 435 952 a SE 375 831. Mají společné to, že lopatka je umístěna za osazením hřídele. To způsobuje významné ztráty efektivnosti a výkonnosti v porovnání se stejnými obrysy, které jsou používány u vysoce efektivních čerpadel na čistou vodu.

V patentovém spise SE 435 952 je znázorněno provedení, kde je axiální otvor umístěn za osazením hřídele. Teorie je taková, že znečištění a nečistoty budou odváděny směrem ven k uvedenému otvoru prostřednictvím lopatek, majících náběhové hrany silně ohnuté směrem dozadu. Takovéto uspořádání, popsané zde pouze velmi obecně, však není vhodné pro čerpání hrubých nečistot, obsažených v odpadních a splaškových vodách.

V patentovém spise SE 375 831 je popsáno řešení, využívající opačného principu, kdy jsou nečistoty dopravovány směrem ke středu, to jest pryč od štěrbiny. Tato skutečnost v kombinaci s již dříve zmíněným osazením znemožňuje napájení štěrbiny.

Jak již bylo dříve uvedeno, tak podmínkou pro to, aby byla umožněna doprava nečistot směrem ven a do štěrbiny na obvodu, je skutečnost, že náběhové hrany lopatek jsou silně ohnuty směrem dozadu. Pokud tohoto není dosaženo, dojde velmi brzy k vážnému zastavení provozu.

Oběžná kola čerpadel tohoto typu jsou popsána v patentových přihláškách SE 9704222-0 a SE 9704223-8.

Pokud se nečistoty dostávají kluzným pohybem směrem ven a dosáhnou štěrbiny mezi lopatkou a stěnou skříně čerpadla, tak pořád ještě existuje riziko, že uvíznou na obvodu náběhové hrany lopatky a zanesou či zcela ucpou tuto štěrbinu.

V patentovém spise DE 614 426 je popsáno zařízení, určené k řešení shora uvedených problémů, a to bez nutnosti použití již dříve zmíněného osazení hřídele. Zde popisované čerpadlo je odstředivým čerpadlem, které má velmi ostré propojení axiálního vstupu a radiální části průtokového kanálu. Obvod náběhové hrany je zde umístěn směrem dolů od tohoto propojení v radiální části průtokového kanálu.

Dále je zde zmíněno ústrojí, které má pevný zářez v přední části náběhové hrany se snižující se výškou až k řeznému noži, který je následován spirálovitě vytvořenou drážkou s trojúhelníkovitým průřezem a s ostrými rohy, která se směrem k obvodu postupně rozšiřuje.

-2CZ 297287 B6

Rovněž je zde uvedeno, že základní princip tohoto typu řešení spočívá v tom, že vyměnitelné řezné prostředky budou nečistoty rozmělňovat. Pokud tento postup selže, například z toho důvodu, že řezné prostředky budou otupeny, dostaví se ten důsledek, že snižující se výška zářezu bude stlačovat nečistoty tak, že zanesou nebo zcela ucpou oblast, která má minimální rozměry, to jest oblast uvedených řezných prostředků.

Shora uvedený patentový spis tak popisuje řešení, které za určitých podmínek může dosáhnout samočisticí schopnosti, avšak které má velmi důležité nedostatky z hlediska účinnosti, výkonnosti, odolnosti proti opotřebení a celkové životnosti. A navíc zde nejsou uvedeny žádné podrobnosti o velmi důležitých podmínkách, týkajících se náběhových hran lopatek, a z toho důvodu nemá žádný smysl pokoušet se o uplatnění zde popisovaného zařízení pro čerpání odpadních a splaškových vod.

Podstata vynálezu

Vynález se týká ústrojí pro čerpání odpadních a splaškových vod, které odstraňuje nedostatky dosud známých typů řešení tohoto problému.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu bylo tedy vyvinuto čerpadlo odstředivého nebo poloaxiálního typu pro čerpání odpadních a splaškových vod, obsahující skříň čerpadla, opatřenou válcovým vstupem, a oběžné kolo, opatřené středovou hlavou a jednou nebo několika lopatkami s náběhovými hranami ohnutými směrem zpět a umístěnými ve válcovém vstupu v rovině kolmé na osu hřídele oběžného kola, přičemž jedna nebo několik přívodních drážek je uspořádáno ve stěně skříně čerpadla na povrchové ploše proti lopatkám, přičemž drážky jsou umístěny ve směru proudění před oblastí náběhových hran, vedou od vstupu směrem k výstupu a jsou ohnuty ve směru otáčení oběžného kola.

Válcový řez drážkou vykazuje hladké spojení povrchové plochy skříně čerpadla na straně, od které oběžné kolo prochází pod úhlem mezi skloněnou částí drážky a povrchovou plochou skříně čerpadla, který je definován jako γ = arctan (Az/(r ΔΘ)), kde γ má hodnotu od 2 do 25°,

Az je osový posun, a r ΔΘ je tangenciální rozšíření.

V libovolném válcovém řezu drážkou je protilehlá strana drážky s výhodou vytvořena jako převážně kolmo směřující plocha, která spojitě přechází do převážně eliptického dna drážky.

Hlavní osa elipsy, která charakterizuje dno drážky, má s výhodou délku alespoň dvakrát větší, než je hloubka drážky.

Úhel ohybu, to jest úhel mezi hranou drážky a obloukem, jehož středem prochází osa oběžného kola, který je v každém bodě na této hraně definován jako β = arctan ((dr dr+dzdz))‘/2/(rd0)), má s výhodou hodnotu od 10 do 45° podél jeho celkové dráhy, kde dr, d0 a dz jsou nekonečně malá přemístění podél hrany drážky.

-3CZ 297287 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje trojrozměrný axonometrický pohled na skříň čerpadla;

obr. 2 znázorňuje radiální řez schematickým zobrazením čerpadla podle tohoto vynálezu;

obr. 3 znázorňuje schematický osový pohled na povrchovou ploch skříně čerpadla; a obr. 4 znázorňuje válcový řez drážkou v povrchové ploše skříně čerpadla.

Příklady provedení vynálezu

Na obrázcích výkresů je znázorněna skříň 1 odstředivého čerpadla, která má válcový vstup 2. Oběžné kolo 3 odstředivého čerpadla je opatřeno válcovou hlavou 4 a lopatkou 5.

Na obrázcích výkresů jsou dále znázorněny náběhová hrana 6 lopatky 5, povrchová plocha 7 stěny skříně 1 odstředivého čerpadla, přívodní drážka 8 ve stěně skříně 1 odstředivého čerpadla, směr 9 otáčení a osa Z otáčení odstředivého čerpadla.

Dále jsou zde znázorněny strany 10 a 11 drážky 8, povrchová plocha 12 drážky 8, a převážně eliptické dno 13 drážky 8, přičemž drážka 8 má hloubku h.

Významný princip předmětu tohoto vynálezu spočívá v tom, že nečistoty, obsažené v čerpané tekutině, nejsou rozmělňovány řeznými prostředky. Naopak je použito mnohem robustnější konstrukce, jejímž prostřednictvím jsou nečistoty odváděny směrem ven k obvodu stroje. To znamená, že celková životnost stroje se výrazně zvýší, a to zejména při čerpání opotřebovávajících částic. Konstrukce je rovněž stabilní, což se projevuje tím, že dochází ke snížení opotřebení povrchové plochy 7 stěny skříně 1 odstředivého čerpadla.

Vynález se týká čerpadla, které je opatřeno zvláštním typem oběžného kola 3, kde jsou náběhové hrany 6 lopatky nebo lopatek 5 umístěny směrem vzhůru od skříně 1 čerpadla, to znamená v prostoru válcového vstupu 2 skříně 1 čerpadla, a kde náběhové hrany 6 leží v rovině kolmé k ose Z otáčení oběžného kola 3.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu je ve stěně skříně 1 čerpadla uspořádáno několik zářezů nebo drážek 8, které se rozprostírají na povrchové ploše 7 na opačné straně oběžného kola 3, to znamená od v podstatě válcového vstupu 2 k v podstatě axiální povrchové ploše skříně 1 čerpadla, a které mají tvar, který bude v dalším podrobněji specifikován.

Drážky 8 spolupracují s náběhovými hranami 6 lopatky nebo lopatek 5 takovým způsobem, že nečistoty jsou odváděny ve směru výstupu čerpadla.

Za účelem zajištění řádného průtoku tekutiny čerpadlem a rovněž za účelem zajištění ostatních výhod v porovnání se známým stavem techniky je drážce 8 dán speciální směr, dráha a geometrie.

Na obr. 4 je znázorněn tvar válcového řezu drážkou, který je charakteristický hladkým spojením se stěnou skříně 1 čerpadla na straně 10, od které oběžné kolo 3 přichází. Opačná strana 11 drážky 8 je ve shora zmíněném válcovém řezu představována ve vztahu ke stěně skříně 1 čerpadla kolmou povrchovou plochou 12, která spojitě přechází do převážně eliptického dna 13, které má

-4CZ 297287 B6 charakteristickou hlavní osu, jejíž délka je alespoň dvakrát větší než je hloubka h dna 13 drážky 8.

Toto zaoblení dna 13 je velmi důležité tehdy, kdy jsou od povrchové plochy 7 dopravovány opotřebovávající částice prostřednictvím sekundárních proudů, neboť opotřebení povrchové plochy 7 se tak výrazně sníží.

Mezi hladkým spojením s povrchovou plochou 7 a dnem 13 drážky 8 je převážně lineární přechod, tvořený skloněnou částí 14. Úhel γ mezi tímto lineárním přechodem a povrchovou plochou 7 leží v intervalu od 2 do 25°, přičemž je úhel γ definován jako:

γ = arctan (AZ/(r ΔΘ)), kde

NL - představuje osové přemístění, a γΔΘ - představuje tangenciální rozsah.

Na obr. 3 je znázorněn úhel β pohybu drážky 8, přičemž platí, že:

β = arctan (Ý(drdr+dZdZ)/(rd0)), kde dr, d0 a dZ jsou nekonečně malá přemístění podél hrany drážky 8.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu má úhel β ohybu hodnotu od 10 do 45° podél jeho celkové dráhy, a to za účelem dosažení těch nej lepších výsledků.

S pomocí předmětu tohoto vynálezu je dosaženo několika význačných výhod v porovnání s dosud známými řešeními, obsaženými v dosavadním stavu techniky. V tomto směru je nutno zdůraznit následující skutečnosti.

Nezbytnost specifických a stálých nebo vyměnitelných řezných prostředků je odstraněna, neboť průtoková funkce již počítá s příslušnými nečistotami a odvádí je pryč.

Ohnutí drážky 8 působí jako štěrbinovité těsnění, které přináší přímé zvýšení efektivnosti a účinnosti, neboť netěsnost štěrbiny je snížena.

Snížení opotřebení povrchové plochy, přilehlé ke drážce 8, je dosaženo tím, že opotřebovávající částice jsou odváděny pryč z této oblasti poté, kdy prošly drážkou 8. Tímto způsobem je zachována dobrá účinnost i v těch případech, kdy odpadní a splaškové vody obsahují opotřebovávající částice.

Dlouhodobé životnosti je dosaženo tím, že opotřebovávající částice v Čerpaném médiu způsobují opotřebení, které zachovává originální tvar příslušných součástí. To znamená, že dobrá funkce je zachována rovněž i po určitém opotřebení.

Ústrojí je uzpůsobeno pro oběžné kolo čerpadla, mající optimální tvar z hlediska výkonu, neboť dráha drážky 8 se transformuje z axiálního směru do směru radiálního.

Claims (4)

1. Čerpadlo odstředivého nebo poloaxiálního typu pro čerpání odpadních a splaškových vod, obsahující skříň (1) čerpadla, opatřenou válcovým vstupem (2), a oběžné kolo (3), opatřené středovou hlavou (4) a jednou nebo několika lopatkami (5) s náběhovými hranami (6) ohnutými směrem zpět a umístěnými ve válcovém vstupu (2) v rovině kolmé na osu (z) hřídele oběžného kola (3), přičemž jedna nebo několik přívodních drážek (8) je uspořádáno ve stěně skříně (1) čerpadla na povrchové ploše (7) proti lopatkám (5), přičemž drážky (8) jsou umístěny ve směru proudění před oblastí náběhových hran (6), vedou od vstupu směrem k výstupu a jsou ohnuty ve směru otáčení oběžného kola (3), vyznačující se tím, že válcový řez drážkou (8) vykazuje hladké spojení povrchové plochy (7) skříně (1) čerpadla na straně, od které oběžné kolo (3) prochází pod úhlem (γ) mezi skloněnou částí (14) drážky (8) a povrchovou plochou (7) skříně (1) čerpadla, který je definován jako γ = arctan (Az/(r ΔΘ)), kde γ má hodnotu od 2 do 25°,

Az je osový posun, a r ΔΘ je tangenciální rozšíření.

2. Čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že v libovolném válcovém řezu drážkou (8) je protilehlá strana drážky (8) vytvořena jako převážně kolmo směřující plocha (12), která spojitě přechází do převážně eliptického dna (13) drážky (8).

3. Čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že hlavní osa elipsy, která charakterizuje dno (13) drážky (8), má délku alespoň dvakrát větší, než je hloubka (h) drážky (8).

4. Čerpadlo podle nároku 1, vy z n a č uj í c í se t í m , že úhel (β) ohybu, to jest úhel mezi hranou drážky (8) a obloukem, jehož středem prochází osa oběžného kola (3), který je v každém bodě na této hraně definován jako β = arctan ((dr dr+-dzdz))'/2/(r dO)), má hodnotu od 10 do 45° podél jeho celkové dráhy, kde dr, d9 a dz jsou nekonečně malá přemístění podél hrany drážky (8).