CZ306714B6

CZ306714B6 - Tekutinové odvalovací čerpadlo

Info

Publication number: CZ306714B6
Application number: CZ2008-796A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Sedláček; Karel Brada
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze, Fakulta stavebnĂ
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2017-05-24
Also published as: EP2359008A2; WO2010066210A3; CZ2008796A3; EP2359008B1; WO2010066210A2

Abstract

Tekutinové odvalovací čerpadlo sestává ze skříně (1) čerpadla, opatřené vstupem (6) tekutiny a výstupem (7) tekutiny a statorem (2), uvnitř kterého je uspořádán nejméně jeden odvalovací rotor (3). Odvalovací rotor (3) je 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). Unášeč (11) je uložen v uložení (12) unášeče (11), které je součástí skříně (10) pohonu. Na hřídeli (4) je umístěna nad rotorem (3) ve volném prostoru mezi rotorem (3) a statorem (2) usměrňovací lopatka (9), připojená k přestavitelnému aretačnímu zařízení (14).

Description

Tekutinové odvalovací čerpadlo

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.

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 č. 284483 o názvu Odvalovací tekutinový stroj a dle Evropského patentu EP 1 015 760 Bl o názvu Rolling Fluid Machine. V praxi je používáno 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 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 č. 7606 U o názvu Hydromotor a podle evropského patentu EP1082538 Bl o názvu Hydraulic Motor může být využito k dopravě tekutiny. Rovněž tak řešení podle českého patentu č. 294 708 o názvu Odvalovací kapalinová turbína je známo jako fluidní čerpadlo, je-li tato turbína opatřena rotačním pohonem.

Čerpadla, která jsou stručně zmíněna v předchozím, mají v porovnání s odvalovacím tekutinovým strojem pracujícím v čerpadlovém režimu základní nevýhodu vtom, 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 vynálezu

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 nad mezerou mezi rotorem a statorem po

- 1 CZ 306714 B6 mocí 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 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 unášečem 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 energii hydraulickou.

Usměrňovači lopatka je uspořádána na hřídeli v mezeře mezi rotorem a statorem a sklon usměrňovači lopatky od kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně čerpadla je směrem k rotoru roven 0 až 35° a směrem od rotoru je roven 0 až 50° a úhel pootočení usměrňovači lopatky ve směru odvalování rotoru nebo proti směru odvalování rotoru je roven 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 od rotoru pod úhlem 0 až 35° a směrem k rotoru pod úhlem 0 až 25° a může být svojí podélnou osou pootočena ve směru odvalování rotoru o 0 až 35° a ve směru proti odvalování rotoru o 0 až 45°.

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 aretačního zařízení od kolmice vedené od podélné osy hřídele k vnitřní stěně skříně, směrem od rotoru pod úhlem 0 až 35° a směrem k rotoru pod úhlem 0 až 25°.

Podle jiného výhodného provedení má usměrňovači lopatka tvar části šroubové plochy s proměnlivým úhlem stoupání ± 10 až 50° a její šířka je 10 až 65 % vzdálenosti mezi hřídelí a skříní a je svojí výsečí orientována nad mezeru mezi rotorem a statorem.

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.

Objasnění výkresů

Tekutinové čerpadlo podle vynálezu bude blíže popsáno pomocí výkresů, na kterých jsou schematicky uvedeny konkrétní příklady provedení řešení.

Na obr. 1 je první příklad provedení odvalovacího tekutinového čerpadla podle vynálezu v částečném řezu v bočním pohledu, kdy usměrňovači lopatka má tvar zborcené plochy. Na obr. 2 je druhý příklad provedení odvalovacího tekutinového čerpadla podle vynálezu v částečném řezu v bočním pohledu, kdy 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

-2CZ 306714 B6 šroubové plochy s proměnlivým stoupáním. Na obr. 4 je příklad provedení, usměrňovači lopatky podle vynálezu v částečném řezu v bočním pohledu, kdy usměrňovači lopatka je alespoň na části svého povrchu opatřena výstupky nebo důlky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Jedno z konkrétních provedení tekutinového odvalovacího čerpadla podle vynálezu je schematicky znázorněno na obr. 1. Tekutinové odvalovací čerpadlo sestává ze skříně 10 pohonu, která je tvořena dutým válcem o vnitřním průměru 165 mm, který je na své horní straně uzavřen odnímatelným víkem ajeho 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 dvojici s pouzdrem ložiska 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 pravidelné duté polokoule o vnějším průměru 120 mm. Hřídel 4 prochází víkem skříně 1 čerpadla, kde se může naklápět v kulovém kloubu 5, který je uspořádán uprostřed víka skříně 1 čerpadla. Spodní konec hřídele 4 je uložen v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 a horní konec hřídele 4 je uložen v polohovači 13 unášeče 11. Polohovač 13 unášeče 11, který je spojen s unášečem 11, jenž je uložen v uložení 12 unášeče 11, které je součástí skříně 10 pohonu, zabezpečuje neotočné a sousměrné spojení hřídele 4 s unášečem 11, čímž je docilováno stejného počtu otáček hřídele 4 jako unášeče 11. Unášeč 11 spolu s polohovačem 13 unášeče 11, kulovým kloubem 5 a hřídelí 4 jsou dimenzovány tak, že odvalovací rotor 3 se dotýká statoru 2. Usměrňovači lopatka 9 má tvar zborcené plochy a je přestavitelným způsobem umístěna pomocí aretačního zařízení 14 na hřídeli 4 v pozici nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2. Otáčení unášeče 11 okolo svojí podélné osy, umístěného v uložení 12 unášeče 11, pomocí polohovače 13 unášeče 11, 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 laje zaaretována nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2, přičemž je nakloněna svojí podélnou osou od nejdelší 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 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.

Jiné konkrétní provedení tekutinového odvalovacího čerpadla podle vynálezu je schematicky znázorněno na obr. 2. Tekutinové odvalovací čerpadlo zde sestává ze skříně 10 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 ložiska 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 ajeho 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 1 čerpadla. Spodní konec hřídele 4 je uložen v ložisku 8 odvalovacího rotoru 3 a horní konec hřídele 4 je uložen v polohovači 13 unášeče 11. Polohovač 13 unášeče 11, který je spojen s unášečem 11, jenž je uložen v uložení 12 unášeče 11, které je součástí skříně 10 pohonu, zabezpečuje neotočné a sousměrné

-3 CZ 306714 B6 spojení hřídele 4 s unášečem 11, čímž je docilováno stejného počtu otáček hřídele 4 jako unášeče 11. Unášeč 11 spolu s polohovačem 13 unášeče 11, kulovým kloubem 5 a hřídelí 4 jsou dimenzovány tak, že odvalovací rotor 3 se dotýká statoru 2. Otáčení unášeče 11 okolo svojí podélné osy, umístěného v uložení 12 unášeče 11, prostřednictvím polohovače 13 unášeče 11, 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 % vzdálenosti mezi hřídelí 4 a skříní 1 a je zaaretována aretačním zařízením 14 nad mezerou mezi rotorem 3 a statorem 2, přičemž je nakloněna svojí podélnou osou od nejdelší 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 pracovního 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 podle vynálezu 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 1. 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 při 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 odvalovacího rotoru 3.

Jiné konkrétní provedení usměrňovači lopatky 9 podle vynálezu je vyobrazeno na obrázku 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 15 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.

Průmyslová využitelnost

Čerpadlo podle vynálezu 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

PATENTOVÉ NÁROKY

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 (10) pohonu, vyznačující se tím, že na hřídeli (4) je umístěna nad rotorem (3) ve volném prostoru mezi hřídelí (4) a skříní (1) čerpadla usměrňovači lopatka (9), připojená k přestavitelnému aretačnímu zařízení (14).
2. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že sklon usměrňovači lopatky (9) od kolmice vedené od podélné osy hřídele (4) k vnitřní stěně skříně (1) čerpadla směrem k rotoru (3) je roven 0 až 35° a směrem od rotoru (3) je roven 0 až 50° a úhel pootočení usměrňovači lopatky (9) ve směru odvalování rotoru (3) nebo proti směru odvalování rotoru (3) je roven 0 až 60°.
3. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že 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. 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 skříní (1) čerpadla.
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 65 % vzdálenosti mezi hřídelí (4) a skříní (1) čerpadla.
6. Tekutinové odvalovací čerpadlo podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, 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 0,1 až 15 mm, přičemž průměr základny výstupku a/nebo důlku je 0,1 až 45 mm.