CZ297385B6

CZ297385B6 - Obezné kolo cerpadla

Info

Publication number: CZ297385B6
Application number: CZ0372498A
Authority: CZ
Inventors: Arbéus@Ulf
Original assignee: Itt Manufacturing Enterprises Inc.
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2006-11-15
Also published as: BR9804382A; ZA988883B; JP4143184B2; NO322538B1; US6142736A; TR199802361A1; BG102919A; DE69811608D1; NZ332884A; NO984310L; EP0916851B1; CA2254187A1; SE512154C2; PL189277B1; HU221153B1; ATE233373T1; YU51998A; SE9704222L; SK284786B6; ID23820A

Abstract

Obezné kolo odstredivého nebo poloaxiálního typu pro cerpadlo na cerpání odpadních vod je opatreno jednou nebo nekolika lopatkami (2), jejichz nábehové hrany (3) jsou ohnuty zpet smerem k obvodu. Presný úhel (.alfa.) ohybu, definovaný v kazdém bode nábehové hrany (3) jako úhel mezi kolmicí (6) na nábehovou hranu (3) a projektovanou relativní rychlostí (W.sub.R.n.) cerpaného média v daném bode, máhodnotu v rozmezí, omezeném intervalem od 40.degree. do 60.degree. na pripojení (4) nábehové hrany (3) k hlave (1), a intervalem od 60.degree. az 75.degree. na obvode (5), mezi nimiz jsou prevázne stejnomerné variace.

Description

Oběžné kolo čerpadla

Oblast techniky

Vynález se týká oběžného kola čerpadla a zejména oběžného kola čerpadla pro odstředivá a poloaxiální čerpadla pro čerpání tekutin, zejména 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, a jejich nízké efektivnosti, výkonnosti a účinnosti.

Odpadní vody a splašky obsahují celou řadu různých typů znečištění a nečistot, jejich 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 druhů speciálních čerpadel, která jsou schopna zvládnout slámu, trávu, listí a další druhy organických materiálů. Pro tyto účely jsou náběžné hrany lopatek zahrnuty 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 druhy 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 možné 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 cyklu životnosti 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 297385 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 zahrnuty 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, viz například patentový spis SE 435 952. Taková čerpadla se používají pro dopravu buničiny, hnojiv a podobných materiálů.

Při konstrukci oběžného kola čerpadla, majícího náběhové hrany lopatek ohnuty směrem zpět za účelem dosažení jeho samočisticí schopnosti, dochází ke konfliktu mezi rozvodem úhlu ohybu, výkonem a dalšími konstrukčními parametry. Obecně je pravdou, že zvýšený úhel ohybu představuje menší riziko ucpávání a zanášení, avšak současně způsobuje pokles účinnosti a výkonnosti.

Podstata vynálezu

Předmět tohoto vynálezu přináší možnost konstrukce náběhové hrany lopatky optimální formou co se týče dosažení různých funkcí a kvalit pro spolehlivé a hospodárné čerpání odpadních vod a splašků, obsahujících takové nečistoty a znečištění, jako jsou hadry, vlákna a podobně.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu bylo tedy vyvinuto oběžné kolo čerpadla odstředivého nebo poloaxiálního typu pro čerpadlo na čerpání odpadních vod. Oběžné kolo je opatřeno jednou nebo několika lopatkami, jejichž náběhové hrany jsou ohnuty zpět směrem k obvodu. Přesný úhel ohybu, definovaný v každém bodě náběhové hrany jako úhel mezi kolmicí na náběhovou hranu a projektovanou relativní rychlostí čerpaného média v daném bodě, má hodnotu v rozmezí, omezeném intervalem od 40° do 60° na připojení náběhové hrany k hlavě, a intervalem od 60° až do 75° na obvodě, mezi nimiž jsou převážně stejnoměrné variace.

Náběhová hrana lopatky je s výhodou umístěna v podstatě v rovině kolmé na směr hřídele oběžného kola, kde je absolutní rychlost čerpaného média převážně axiální.

Připojení náběhové hrany k hlavě je s výhodou umístěno přilehle ke konci hlavy.

Pásmo rozvádění úhlu ohybu umožňuje dobrou funkci a výbornou účinnost. Příslušné rozmezí souvisí s velikostí, obvodovou rychlostí a materiálovým třením.

Nezávislá proměnná, která je použita k popsání toho, co je zde nazýváno normalizovaným poloměrem, je definována následovně:

Normalizovaný poloměr = (r - ri)/(r₂ - η) (rovnice 1) kde

-2CZ 297385 B6

Γ] - představuje poloměr připojení hlavy, r₂ - představuje poloměr k obvodu náběhové hrany, a kde poloměr v souladu s válcovým souřadnicovým systémem, majícím počátek ve středu hřídele oběžného kola, definuje nejkratší vzdálenost mezi skutečným bodem a bodem na prodloužení hřídele oběžného kola.

Velmi důležitým momentem v této části předmětu vynálezu je skutečnost, že úhel ohybu náběhové hrany se směrem ven výrazně zvyšuje, a to od minimální velikosti zhruba 40° u připojení hlavy až k minimální velikosti zhruba 55° na obvodu. Horní limit, to jest 60 až 75°, představuje limitní mez, nad níž je účinnost, stejně dobře jako spolehlivost je ovlivňována negativním způsobem.

Druhá část předmětu tohoto vynálezu se týká speciálního uspořádání, které má velmi výhodnou schopnost, že úhel ohybu může být téměř nezávislý na provozním bodu, to jest na odlišných průtocích a hlavách, což rovněž odpovídá rozdílným rychlostním trojúhelníkům (C, U, W).

Přehled obrázků na výkresech

Definice úhlu ohybu bude nyní v dalším podrobněji popsána s odkazem na přiložené výkresy, kde:

obr. 1 znázorňuje trojrozměrný axonometrický pohled na oběžné kolo čerpadla podle tohoto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje radiální řez schematicky zobrazeným čerpadlem podle tohoto vynálezu;

obr. 3 znázorňuje schematický osový pohled na vstup oběžného kola podle tohoto vynálezu;

obr. 4 znázorňuje zvětšený pohled na oblasti náběhové hrany lopatky oběžného kola podle tohoto vynálezu; a obr. 5 znázorňuje graf, ukazující vztah mezi zadním ohnutím náběhové hrany a vztažným poloměrem podle tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na shora uvedených obrázcích výkresů jsou znázorněny hlava 1 oběžného kola a lopatka 2 oběžného kola, mající náběhovou hranu 3. Dále je zde znázorněno připojení 4 náběhové hrany 3 k hlavě 1 oběžného kola a obvod 5 náběhové hrany 3 lopatky 2.

Kolmice 6 je spuštěna na náběhovou hranu 3 v určitém bodě. Jsou zde dále znázorněny stěna 7 skříně čerpadla, konec 8 hlavy 1 oběžného kola, směr 9 otáčení oběžného kola čerpadla a úhel a ohybu.

Relativní poměrná rychlost Wr představuje rychlost tekutiny v současně se otáčejícím souřadnicovém systému, zatímco hřídel oběžného kola leží ve směru Z.

Za účelem vytvoření a zkonstruování geometrie oběžného kola čerpadla optimálním způsobem je podmínkou dosažení správné definice uvedeného úhlu a ohybu. Přesný úhel a ohybuje obecně

-3CZ 297385 B6 funkcí geometrie náběhové hrany 3 v poledníkovém pohledu (r-Z), stejně jako v osovém pohledu (r-Θ), viz obr. 2 a obr. 3.

Přesná exaktní definice bude funkcí křivky, která opisuje tvar náběhové hrany 3 lopatky 2 oběžného kola, a místní relativní poměrné rychlosti W na této křivce. To může být matematicky vyjádřeno následujícím způsobem:

S pomocí tradičního označení rychlostního trojúhelníku (C, U, W) je relativní poměrná rychlost W(r) funkcí polohy vektoru r v současně se otáčejícím souřadnicovém systému. Normálním způsobem může být relativní poměrná rychlost W (r, Θ, Z) rovněž vyjádřena pomocí jejích složek (W_f, W_e, W_z).

Trojrozměrná křivka podélné náběhové hrany 3 lopatky 2 oběžného kola může být v odpovídajícím společně se otáčejícím souřadnicovém systému popsána jako funkce R, která závisí na poloze vektoru r, to znamená, že

R = R (r, Θ, Z).

Nekonečně malý vektor, který je rovnoběžný s náběhovou hranou v každém bodě, může být definován jako dR. Z definice skalárního součinu lze získat výraz pro úkol a ohybu, definovaný jako úhel mezi kolmicí na dR a W_R, kde veličina navrhovaná poměrná relativní iychlost W_R, je definována jako kolmý průmět veličiny relativní rychlost W_R do směru W v nulovém dopadu. To znamená, že W_R a W mají stejnou velikost v nominálním provozním bodě nebo v jeho blízkosti, přičemž tento nominální provozní bod je někdy rovněž nazýván bodem nej lepší účinnosti.

α = π/2 - arccos [(dR . W_R)/(|dR|. |W_R|)] (rovnice 2).

Za předpokladu, že absolutní vstupní rychlost nemá žádnou obvodovou složku, která je kolmá, rovná se W₀ obvodové rychlosti oběžného kola čerpadla.

S využitím shora uvedených definic a předpokladů bude dále ukázáno, že úhel a ohybu je za určitých podmínek téměř nezávislý na průtoku. Tyto podmínky jsou takové, že náběhová hrana 3 leží v rovině, která je v podstatě kolmá na směr Z hřídele oběžného kola, a že náběhová hrana 3 je umístěna tam, kde je absolutní vstupní rychlost v podstatě axiální, což znamená, že radiální složka relativní rychlosti W_R je blízko nuly.

Ze stejných důvodů je obvodová složka relativní rychlosti W_R> to jest ve směru Θ, shodná s obvodovou rychlostí oběžného kola čerpadla a je nezávislá na průtoku.

Axiální složka poměrné relativní rychlosti W_R má zanedbatelný vliv na úhel a ohybu, neboť dR_zse rovná nule v souladu se shora uvedený. To vyplývá z definice skalárního součinu. Proto tedy na průtoku závislá proměnná relativní rychlost W_R nemá vliv na úhel a ohybu v rovnici 2, neboť se čitatel stejně jako jmenovatel proporcionálně mění.

V souladu s výhodným provedením předmětu tohoto vynálezu je náběhová hrana 3 lopatky 2 umístěna v rovině v podstatě kolmé na hřídel oběžného kola. Se znalostí toho, že čerpadlo velmi často pracuje ve velmi širokém rozsahu co se týče objemového průtoku a hlavy 1 oběžného kola, pak toto výhodné provedení umožňuje, že samočisticí schopnost může být udržována nezávisle na rozdílných provozních podmínkách.

Třetí část předmětu tohoto vynálezu se týká výhodného provedení, kde připojení 4 náběhové hrany 3 lopatky 2 k hlavě 1 oběžného kola je umístěno velmi blízko ke konci 8 hlavy 1 oběžného kola, to znamená, že hlava 1 oběžného kola nemá žádný středový vyčnívající konec. Tím se sni-4CZ 297385 B6 žuje riziko, že by se různé nečistoty mohly namotávat kolem středové části oběžného kola čerpadla.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Oběžné kolo čerpadla odstředivého nebo poloaxiálního typu pro čerpadlo na čerpání odpadních vod, přičemž oběžné kolo je opatřeno jednou nebo několika lopatkami (2), jejichž náběhové hrany (3) jsou ohnuty zpět směrem k obvodu, vy z n a č uj í c í se tím, že přesný úhel (a) ohybu, definovaný v každém bodě náběhové hrany (3) jako úhel mezi kolmicí (6) na náběhovou hranu (3) a projektovanou relativní rychlostí (Wr) čerpaného média v daném bodě, má hodnotu v rozmezí omezeném intervalem od 40° do 60° na připojení (4) náběhové hrany (3) k hlavě (1), a intervalem od 60° až do 75° na obvodě (5), mezi nimiž jsou převážně stejnoměrné variace.

2. Oběžné kolo čerpadla podle nároku 1, v y z n a č u j i c í se tím, že náběhová hrana (3) lopatky (2) je umístěna v podstatě v rovině kolmé na směr (Z) hřídele oběžného kola, kde je absolutní rychlost čerpaného média převážně axiální.

3. Oběžné kolo čerpadla podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se tím, že připojení (4) náběhové hrany (3) k hlavě (1) je umístěno přilehle ke konci (8) hlavy (1).