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Diese
Erfindung nimmt in vollem Umfang die Priorität der anhängigen US-Anmeldung Nummer 60/977,130,
angemeldet am 10/03/2007, in Anspruch.
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HINTERGURND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine spiral-axiale Einlauf-/Zerkleinerungsvorrichtung
für Feststoff-beladene,
Flüssigkeits-Strom-Systeme;
insbesondere betrifft sie eine Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung
für kinetische
Umlaufpumpen in einem Flüssigkeits-Strom.
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Hintergrund der Erfindung
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Viele
industrielle Verfahren beinhalten das Fördern von Flüssigkeits-Strömen über Zentrifugal-Pumpen.
Häufig
enthalten oder transportieren diese Flüssigkeitsströme Feststoffe,
Teilchen eines relativ festen Materials, welche zu groß sind um
den Pumpen-Laufrad-Durchlass oder Durchlässe in abflussseitigen Verfahrens-Vorrichtungen passieren
zu können.
Rotations-Zerkleinerungs-Vorrichtungen werden häufig genutzt, um die Größe der Feststoffe auf
eine Größe abzusenken,
welche die abflussseitigen Pumpen und Vorrichtungen passieren kann. Üblicher
Weise wird ein Feststoff-beladener Flüssigkeits-Strom auf dem Weg
zur weiteren Verarbeitung zuflussseitig durch eine Rotations-Zerkleinerungs-Vorrichtung
geführt.
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Der
Spiral-Axial-Zerkleinerer ist eine Bauweise einer solchen Vorrichtung,
welche entwickelt worden ist, um Feststoffe auf eine Größe zu reduzieren,
welche Pumpen und abflussseitige Vorrichtungen passieren kann. In
einer anderen Bauweise eines Zerkleinerers werden radial rotierende Schneid-Flügel in engem
Abstand an einem Stator vorbeigeführt, um die Feststoffe zu zerkleinern.
Problematisch bei bestehenden Spiral-Axial-Zerkleinerern und Rotations-Zerkleinerern
ist die Tatsache, dass diese den Strom zur Pumpe behindern und dadurch
die Möglichkeit
der Kavitation gegeben ist bei Pumpen-Anwendungen in denen für die Pumpe
nur eine begrenzte, erforderliche Zulaufhöhe NPSH (= Net Positive Suction
Head) zur Verfügung
steht.
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Bei
dem Verpumpen von Flüssigkeiten
mit begrenzter, verfügbarer,
erforderlicher Zulaufhöhe NPSH
werden häufig
spiral-axiale Einläufe
den Zentrifugal-Pumpen vorgeschaltet, um den Druck am Zufluss der
Pumpe zu erhöhen
und Kaviatation zu vermeiden. Einläufe erhöhen den Druck der Flüssigkeit an
der Ansaugöffnung
des Laufrads (Impellers) durch Beschleunigung der Flüssigkeit,
wodurch Kavitation auf dem Einlauf stattfindet, während die
Laufrad-seitigen Anforderungen an den Flüssigkeits-Strom erfüllt werden.
Die Teilfläche
senkrecht zur meridionalen Ebene einer Einlauf-Verengung ist üblicher
Weise größer als
der Durchlass der abflussseitigen Laufrad-Verengung. Eine Verengung
ist dabei definiert als der Abschnitt entlang der meridionalen Achse
mit dem geringsten Abstand zweier gegenüberliegender Flächen. Obwohl
Einläufe
wirksam das Auftreten von Laufrad-Kaviatation verhindern, können Feststoffe immer
noch den Einlauf passieren und sich im abflussseitigen Laufrad (Impeller)
festsetzen.
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Zusammenfassend
sind spiral-axial Einläufe, welche
wirksam die Kavitation verhindern, nicht geeignet zur Zerkleinerung
von Feststoffen, während spiral-axial- und radial-Zerkleinerer – obwohl
sie wirksam die Größe von Feststoffen
absenken – eine Hemmung
der Strömung
am Pumpen-Zufluss erzeugen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer
Kavitation erhöht
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine rotierende Rotations-Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung
für Feststoff-beladene
Flüssigkeits-Bearbeitungs-Systeme, welche die
Größe von Feststoffen
auf eine Größe absenkt,
die abflussseitig Laufrad-Durchlässe
passieren können
und welche als Einlauf fungiert, um den am abflussseitigen Laufrad-Zufluss
verfügbaren
Druck zu erhöhen.
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Zu
diesem Zweck ist eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine in Reihe angeordnete Vorrichtung, welche
eine Zerkleinerungs-Funktionalität
mit einer Einlauf-Funktionalität
kombiniert. Die Vorrichtung hat eine rotierbare Baugruppe, welche
in einer stationären
Baugruppe angeordnet ist. Die Vorrichtung wird im Flüssigkeits-Strom
zuflussseitig zu einem Haupt-Pumpen-Laufrad angeordnet. Die Vorrichtung
kann mit ihrer Drehachse entlang der Drehachse des Haupt-Pumpen-Laufrades angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann mit der gleichen Welle mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit
wie das Haupt-Pumpen-Laufrad angetrieben sein. Die rotierbare Baugruppe
kann eine Nabe aufweisen, welche sich von einer Abfluss-Seite oder einer
Flüssigkeits-Abgabe-Seite
zu einer Zufluss-Seite erstreckt und einen spiralförmig angeordneten
Rotor-Flügel oder
Gruppe von Rotor-Flügeln
auf der Nabe angeordnet aufweist, wobei der/die Rotor-Flügel als Schraube
fungieren und die Flüssigkeit
durch die Vorrichtung zum Haupt-Pumpen-Laufrad-Zufluss drücken. Die
Bedeutung der Begriffe „Abfluss” und „Zufluss” wie sie
hier verwendet werden, ist richtiger Weise als relativ zur Flüssigkeits-Strömung zu
verstehen und kann in Bezug auf die axiale Positionierung spezifisch
sein, kann in Bezug auf die jeweils betroffene Baugruppe spezifisch
sein, und ist im Sinne dieses Zusammenhangs direkt ersichtlich.
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Die
Nabe kann einen größeren Durchmesser am
Abfluss aufweisen als der Naben-Durchmesser am
Zufluss. Der Wechsel des Durchmessers der Nabe von Zufluss zu Abfluss
kann durch eine polynomische Funktion erster Art beschreibbar sein.
Die Gruppe von Rotor-Flügeln
kann aus einem oder einer Vielzahl von spiralförmigen Flügeln von gleichmäßiger oder
sich verjüngender
Breite bestehen. Die Flügel
können
im Bezug zur Spirale länger
als eine Spiral-Wendel oder volle Drehung um die Nabe herum ausgebildet
sein; oder sie können
kürzer
im Sinne eines kleinen Abschnitts der Spirale oder einer Teil-Drehung
um die Nabe herum ausgebildet sein und abdeckend in axialer Richtung über Nabe
verteilt überlappend
versetzt mit abfolgenden Vorderkanten und Hinterkanten angeordnet
sein. Ein oder mehrere Flügel
können
mit einer oder mehreren Ausklinkungen entlang der Außenkante,
beinhaltend auch die Vorderkante, ausgebildet sein. Die Ausklinkungen können stufenförmig sein
und axial entlang der Flügelkanten
angeordnet sein, gleichmäßig oder
ungleichmäßig zwischen
Zufluss und Abfluss angeordnet.
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Ein
jeder Flügel
kann eine Zufluss-Seite, einen eingreifenden Neigungs-Winkel, eine
Abfluss-Seite und einen nachfolgend nachlaufenden Neigungswinkel
aufweisen, wobei der Neigungswinkel der Flügel zunehmend ansteigend oder
anderweitig sich von einem niedrigen, zuflussseitigen Winkel zu
einem relativ größeren, abflussseitigen
Winkel gemäß einer
polynomischen Funktion zweiter Art ändernd ausgebildet ist. Rotor-Flüssigkeits-Wege
werden ausgebildet durch den Raum zwischen aneinander angrenzenden
Flügeln
oder aneinander angrenzenden Flügel-Drehungen, und der
Nabe.
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Die
rotierbare Baugruppe kann koaxial mit der stationären Baugruppe
angeordnet sein, welche ein Gehäuse,
ausgebildet mit oder als Einlauf-Abschnitt, mit einem Zerkleinerungs-Abschnitt
sein kann. Der Einlauf-Abschnitt kann zuflussseitig zum Zerkleinerungs-Abschnitt
angeordnet sein. Der Zerkleinerungs-Abschnitt kann einen größeren Innen-Durchmesser
oder größeren, maximalen,
innenseitigen Durchmesser als der Einlauf-Abschnitt aufweisen. Der
Zerkleinerungs-Abschnitt kann einen größeren Durchmesser als das abflussseitige
Ende der spiral-axialen Vorrichtung oder des Rotors aufweisen, und
eine oder mehrere Zerkleinerungs-Schaufeln
aufweisen, welche radial nach innen weisend von der Wand des Zerkleinerungs-Abschnitts
ausgehend bis auf den gleichen Durchmesser wie der Durchmesser des
angrenzenden Einlauf-Abschnitts erstreckt sind. Flüssigkeits-Wege werden
durch angrenzende Zerkleinerungs-Schaufeln und der Wand oder Innenauskleidung
des Zerkleinerungs-Abschnitts ausgebildet.
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Im
Rahmen der Erfindung beinhalten Strukturen, gleichwirkend zu dem
mit Schaufeln versehenen Zerkleinerungs-Abschnitt, einen Zerkleinerungs-Abschnitt
mit dem gleichen Durchmesser wie der Einlaufabschnitt, jedoch ausgebildet
mit einer Abfolge von längs
oder spiralförmig
angeordneten Schlitzen oder Kanälen,
deren Wände
als Schaufeln fungieren. Spiralförmig
angeordnete Schaufeln, Schlitze oder Kanäle im Zerkleinerungs-Abschnitt vergrößern im
Endeffekt dessen Durchmesser, stellen die vorbenannten Flüssigkeits-Wege
bereit und können
einen Neigungswinkel aufweisen, welcher als polynomische Funktion
dritter Art beschreibbar ist, mit einer Rotations-Richtung welche
gleich oder abweichend zu der der Rotor-Flügel ausgebildet ist.
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Der
Rotor und das Gehäuse
können
dergestalt zusammengesetzt werden, dass das zuflussseitige Ende
des Rotors innerhalb des Einlauf-Abschnitts des Gehäuses und
das abflussseitige Ende des Rotors innerhalb des Zerkleinerungs-Abschnitts des
Gehäuses
angeordnet ist, wobei der Flügel-Durchmesser
im Rotor-Abfluss eng am Schaufel-Durchmesser anliegend ausgebildet
ist, sodass die kombinierte Teilfläche von Einlauf-Abschnitt-Flüssigkeits-Weg
und Zerkleinerungs-Abschnitt-Flüssigkeits-Weg – bestimmt
entlang einer Ebene senkrecht zur meridionalen Ebene – am ausflussseitigen
Ende der Rotations-Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung größer ist
als die der Verengung des abflussseitigen Laufrad-Abschnitts, wobei
aber die individuell bestimmte Teilfläche eines jeden Flüssigkeits-Weges der
Vorrichtung kleiner ausfällt
als die Verengungs-Fläche
des abflussseitigen Laufrad-Durchlasses. Weiterhin sind Neigungswinkel
der Flügel
und andere Merkmale des Rotors im Bereich des Abflusses der Einlaufsektion
dahingehend ausgestaltet, dass die gesamte, volumetrische Fluss-Leistung
abflussseitig zur Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung gleich oder größer als
die Fluss-Anforderungen des abflussseitigen Laufrads bemessen ist.
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Weitere
Ziele und Aufgaben der Erfindung sind aus den Figuren und der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine seitliche Aufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung, veranschaulichend
eine rotierbare Baugruppe anbringbar an einem Wellenende innerhalb
eines Gehäuses,
wobei die rotierbare Baugruppe eine Nabe aufweist mit einem Naben-Außendurchmesser,
welcher vom zuflussseitigen Ende bis zum abflussseitigen Ende gegeben
ist, und mit spiralförmigen
Rotor-Flügeln,
welche auf der Nabe angeordnet sind, ihrerseits aufweisend einen Neigungswinkel,
welcher von einem geringen Neigungswinkel am zuflussseitigen Ende
auf einen erheblicheren Neigungswinkel am abflussseitigen Ende übergeht,
und die Flügel
ausgebildet mit Stufenausklinkungen entlang ihrer Außenkanten,
welche mit den Schaufeln in dem Zerkleinerungs-Abschnitt des Gehäuses axial
ausgerichtet sind.
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2A und 2B sind
alternative Ausführungsformen
eines Schnittbilds eines Gehäuses
im Bereich des Zerkleinerungs-Abschnitts eines Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtungs-Gehäuses, veranschaulichend
harte Kanten, welche durch Streichbewegung durch Rotation der Flügel ein
Zermahlen und Scheren von transportierten Feststoffen im Flüssigkeits-Strom
bereitstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung umfasst eine Vielzahl von Ausführungsformen. Was vorliegend
beschrieben und in den Figuren veranschaulicht wird, ist rein veranschaulichend
gedacht und ist nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend zu
sehen.
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Bezugnehmend
auf 1 ist darin eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
bei der ein Rotor (1) zuflussseitig zu einem Haupt-Pumpen-Laufrad
(nicht dargestellt) angeordnet ist, wobei dessen Rotationsachse übereinstimmend
mit dem Haupt-Pumpen-Laufrad ausgerichtet ist. Der Rotor (1)
ist endständig
auf der Pumpen-Welle (nicht dargestellt) angebracht und ist über die
Welle rotierbar mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit wie das Laufrad
der Hauptpumpe. In anderen Ausführungsformen kann
der Rotor mit einem beliebigen Ende auf einer anderen Welle mit
der gleichen oder einer abweichenden Rotationsgeschwindigkeit rotierbar angebracht
sein. Eine Vielzahl spiralförmiger
Flügel
(2) – in
dieser Ausführungsform
in einer Anzahl von drei obwohl auch mehr oder weniger als drei
vorliegen können – erstrecken
sich spiralförmig-axial
entlang der Längsachse
des Rotors (1). Jeder Flügel hat – in Bezug auf die axiale Richtung
des Flüssigkeits-Stromes – am zuflussseitigen
Ende einen Eingriffwinkel oder Zufluss-Winkel und einen nachlaufenden
Kanten-Flügel-Winkel
oder Abfluss-Winkel, welcher größer sein
kann als der Winkel der zuflussseitigen Seite des Flügels. Der
Neigungs-Winkel des Rotations-Flügels
wird relativ zu einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse an einem
Messpunkt bestimmt; klein entsprechend einem geringen Neigungswinkel,
größer entsprechend
einem relativ erheblicheren Neigungswinkel.
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In
dieser Ausführungsform
beinhalten Flügel (2)
eine oder mehrere Stufenausklinkungen (3) am Außendurchmesser
oder der Außenkante
der Flügel. Die
Ausklinkungen (3) sind axial zwischen dem zuflussseitigen
Ende und dem abflussseitigen Ende der Flügel ausgerichtet, wobei in
dieser Ausführungsform eine
Ausklinkung auf ungefähr
halber Strecke an der Außenkante
eines jeden Flügels
ausgebildet ist. Andere Ausführungsformen
können
mehr Ausklinkungen aufweisen. Die Größe aller oder einzelner Ausklinkungen
kann größer oder
kleiner als veranschaulicht ausfallen. Die Form der Ausklinkungen
in dieser Ausführungsform
ist grundsätzlich
zweiseitig in Form eines V-förmigen
Schlitzes, wobei eine Seite oder Kante (3a) dargestellt
ist als rotierend radial zum Flüssigkeits-Strom
und den darin befindlichen Feststoffen ausgerichtete Schlag- oder
Schneid-Kante, und die andere Seite oder Kante (3b) als
rotierend nacheilende, hintere Kante in Bezug auf den Flüssigkeits-Strom.
Die Schlagkante (3a) kann gehärtet oder anderweitig ausgebildet
sein, um verschleißbeständig gegenüber den
auftreffenden Feststoffen im Flüssigkeits-Strom
zu sein. Der zuflussseitige Winkel der Flügel (2) ist geringer
als der ausgabeseitige oder abflussseitige Winkel der Flügel (2),
wodurch die Neigung zur Verursachung einer Beschleunigung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit
und/oder Erhöhung
des Flüssigkeitsdrucks
am Abfluss in Bezug auf den Zufluss bewirkt wird, wodurch die Neigung
zur Auslösung
von Kavitation innerhalb des Rotor-Abschnitts bewirkt wird und Kavitation
im abflussseitig nahen Haupt-Pumpen-Laufrad verringert wird. Der Übergang
des Flügel-Winkels
der Flügel
(2) von Zufluss zu Abfluss gehorcht einer polynomischen
Funktion.
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Nabe
(4) ist integral mit dem Rotor (1) verbunden und
ist gekennzeichnet durch einen größeren Durchmesser am Abfluss
als der Durchmesser am Zufluss. Der Übergang des Naben(4)Durchmessers
vom Zufluss der Flügel
(2) zum Abfluss der Flügel
(2) ist gekennzeichnet durch eine weitere, polynomische
Funktion.
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Das
Gehäuse
(5) beinhaltet einen Einlauf-Abschnitt (6) zuflussseitig
zu einem Zerkleinerungs-Abschnitt (7). Rotor (1)
ist innerhalb des Gehäuses
dergestalt angeordnet, dass er durch den Zerkleinerungs-Abschnitt 7 bis
weit in den Einlauf-Abschnitt
(6) reicht. Zerkleinerungs-Abschnitt (7) hat einen
größeren, durchschnittlichen
Durchmesser als der Einlauf-Abschnitt (6), wie in 2A veranschaulicht
ausgeführt
in dieser Ausführungsform
als konstanter Durchmesser (7d). Es sind eine oder mehrere
Zerkleinerungs-Schaufeln (8), kennzeichnender Weise eine
Vielzahl von Schaufeln, gleichmäßig über den
Außenumfang
des Zerkleinerungs-Abschnitts (7) verteilt, welche mehr
oder weniger axial erstreckt sind – gleichwohl auch eine spiralförmige Komponente
in Form und Ausrichtung in eine Richtung oder eine andere Richtung
gegeben sein kann – entlang
der Längsachse
des Zerkleinerungs-Abschnitts (7), und nach innen radial
erstreckt, ausgehend von der Innenwand des Zerkleinerungs-Abschnitts
(7) bis hin zu einem zuflussseitigen, effektiven Schaufeldurchmesser,
veranschaulicht als Durchmesser (8d) in 2a,
gleich zum abflussseitigen Durchmesser des angrenzenden Einlauf-Abschnitts
(6).
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Die
Schaufeln können
aus gehärteten
Materialien hergestellt sein oder gehärtete Kanten aufweisen. Der
Schaufel-Durchmesser kann über
die Länge des
Zerkleinerungs-Abschnitts variieren und von dem des Einlauf-Abschnitts
abweichen, solange er für
einen Scher-Vorgang nahe am Durchmesser der Rotor-Flügel-Gruppe
gehalten ist, ohne von der Erfindung abzuweichen. Der Schaufel-Neigungswinkel
ist relativ zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Vorrichtung am
Achspunkt als Messpunkt zu bestimmen; wobei klein entsprechend einem
geringen Neigungswinkel, größer entsprechend
einem relativ erheblicheren Neigungswinkel zu verstehen ist.
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In
Bezug auf die 1 und 2A ist
Rotor (1) coaxial mit dem Gehäuse (5) angeordnet
und längs
ausgerichtet innerhalb des Gehäuses
(5), sodass das zuflussseitige Ende des Rotors (1)
insbesondere die Außenkante
oder der Außendurchmesser
der Flügel
(2), radial in enger Nähe
zur Wand des Zerkleinerungs-Abschnitts (6) angeordnet sind.
Der Durchmesser des Rotors (1), definiert durch den rotierenden
Bogen der Außenkante
der Flügel
(2), ist in radial enger Nähe zum Schaufeldurchmesser
(8d) des Zerkleinerungs-Abschnittes (7) oder anders
ausgedrückt,
in dieser Ausführungsform
ist der Durchmesser des Rotors (1) geringfügig kleiner
als der Einlauf-Durchmesser des Gehäuses (5) und ist konstant über die
Länge des
Rotors. In anderen Ausführungsformen
kann die Rotorflügel-Breite
konstant und der Rotordurchmesser variiert sein in gleicher Weise
wie der Naben-Durchmesser.
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Stufen-Ausklinkungen
(3) sind axial an den Flügeln (2) ausgeformt,
um entlang zu und in engem Abstand zu den Zerkleinerungs-Schaufeln
(8) zu rotieren, um einander gegenüberliegende Oberflächen zur
Zerkleinerung von Feststoffen mit zusätzlichen Mahl- und Scher-Vorgängen an
den Schaufeln (8) wie nachfolgend beschrieben bereitzustellen.
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In
der Anwendung ist die volumetrische Fluss-Leistung an Flüssigkeit,
welche durch den Zufluss des Rotors (1) einströmt, bestimmt
durch den Scherwinkel der Vorderkante der Flügel (2), die Rotationsgeschwindigkeit
des Rotors (1) und die Querschnittsfläche des Ringspalts ausgebildet
zwischen Nabe (4) und dem Innendurchmesser des Einlauf-Abschnitts
(6) des Gehäuses
(5) in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse
des Rotors (1) am zuflussseitigen Ende der Flügel (2).
Die Flüssigkeit
wird beschleunigt sowohl durch den ansteigenden Neigungswinkel der
Flügel
(2) als auch durch die Verringerung der Teilfläche des
Einlauf-Flüssigkeits-Weges,
hervorgerufen durch die Änderung
des Durchmessers der Nabe (4) gemäß einer polynomischen Funktion
von Zufluss zu Abfluss, dergestalt, dass der Massefluss konstant
gehalten wird. Flüssigkeit
wird am Rückfluss
zur Ansaugöffnung
gehindert durch die enge, radiale Nähe des Rotor-Durchmessers der
Flügel
(2) zu der Wand des Einlauf-Abschnitts (6). Fällt der
lokale Druck der Flüssigkeit
an irgendeinem Punkt entlang der meridionalen Achse des Rotors (1)
unter den Flüssigkeits-Dampfdruck, wird
Kavitation auftreten, aber die verbleibende Flüssigkeit wird weiterhin die
Einlauf-Sektion durchströmen.
Die nichtkavitierende Masse-Fluss-Leistung ausgabeseitig zur Vorrichtung
wird gleich oder größer als
die benötigte
Masse-Fluss-Leistung des abflussseitig zum Rotor (1) angeordneten
Haupt-Pumpen-Laufrads sein, wodurch Kavitation innerhalb des Haupt-Pumpen-Laufrads
vermieden wird. Da Kavitation innerhalb des Einlauf-Abschnitts unter
Strömen der
Flüssigkeit
stattfindet, kann Kavitation, welche ansonsten in der Haupt-Pumpe
stattfinden würde, verringert
oder vermieden werden.
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Vom
Flüssigkeits-Strom
getragene Feststoffe dringen am Zufluss des Rotors (1)
ein, folgen dem Weg des Flüssigkeits-Stromes
zwischen Nabe (4) und Rotor (1) und der Wand des
Einlauf-Abschnitts (6) zum Zerkleinerungs-Abschnitt (7).
Feststoffe, welche in den Zerkleinerungs-Abschnitt (7)
gelangen, werden durch den Flüssigkeits-Strom und Masse-Trägheit radial
nach außen
in den Ringspalt zwischen Rotor(1)-Durchmesser und Voll-Durchmesser (7d)
des Zerkleinerungs-Abschnitts getragen. Die Rotation des Rotors
(1) bedingt einen Scher-Vorgang der Rotor-Flügel (2)
relativ zu der/den Zerkleinerungs-Schaufel(n) (8). Feststoffe
werden hier gegen die Zerkleinerungs-Schaufel(n) (8) geschert
und durch den Schervorgang der Schaufeln (2) zerkleinert.
Weiterhin werden in dieser Ausführungsform
einige Feststoffe von den Stufen-Ausklinkungen (3) im Rahmen
der Rotation durch den Flüssigkeits-Strom mitgerissen
werden, wobei die Senkrechte der Stufe, die führende oder schlagende Kante
(3a) der Stufenausklinkung (3) rotierend mit den
Feststoffen wechselwirkt, und diese zudem brechend gegen die Zerkleinerungs-Schaufeln
(8) führt.
Dieser Vorgang des Brechens der Feststoffe durch Flügel (2)
und Ausklinkungen (3) gegen die Schaufeln (8)
wird sich unter Rotation des Rotors so lange wiederholen, bis die Feststoffe
klein genug sind, um den Rotor (1) und den Zerkleinerungs-Abschnitt
(7) zusammen mit dem Flüssigkeits-Strom
zu verlassen.
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Bezüglich der 2A und 2B,
veranschaulichen diese ein Schnittbild einer Ausführungsform
eines Zerkleinerungs-Abschnitts (7) mit Schaufeln (8)
und einer alternativen Ausführungsform
eines Zerkleinerungs-Abschnitts (7) mit Kanälen (9).
In 2A weist der Zerkleinerungs-Abschnitt (7)
einen maximalen, innenseitigen Zerkleinerungs-Abschnitts-Durchmesser
(7d) auf, welcher durch die Wand des Abschnitts definiert
ist, und eine kleineren Schaufel-Durchmesser (8d) auf,
welcher durch die Scher-Kante der Schaufeln (8) definiert
ist. Die Schaufeln (8) können als diskrete Baugruppen
ausgebildet und innerhalb des Gehäuses im Zerkleinerungs- Abschnitt (7)
befestigt sein oder abweichend über
grundsätzlich
bekannte Maßnahmen
ausgebildet sein. Die Abstände
zwischen den Schaufeln (8) und der Wand des Zerkleinerungs-Abschnitts
gemäß 2A und
gleichsinnig der Kanäle
(9) gemäß 2B,
bilden oder begrenzen Flüssigkeits-Strom-Wege.
In dieser oder auch anderen Ausführungsformen
können
Schaufeln oder Kanäle
mit andere Anzahl oder anderen Querschnitten Verwendung finden,
und können
linear oder spiralförmigen Typs
sein, können
eine gleiche oder entgegengesetzte Rotationsrichtung zur Rotationsrichtung
der Rotor-Flügel
(2) aufweisen und können
einen einheitlichen oder variierenden Neigungswinkel aufweisen, welcher
als polynomische Funktion beschreibbar ausgebildet sein kann.
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Weitere
Variationen und Beispiele der Erfindung sind gegeben. Zum Beispiel
beinhaltet eine einen Rotor, welcher teilweise gerade und teilweise verjüngt ausgebildet
ist. Einige können
einen Rotor-Flügel
oder Flügel-Gruppe
mit konstantem Abstand oder konstante Breite aufweisen, während andere
Flügel
aufweisen, welche von einem zum anderen Ende in ihrer Breite verjüngend ausgebildet
sind, wodurch die Naben-Verjüngung
kompensiert werden kann, um einen Rotor mit konstantem, über die
Länge erstreckten
Durchmesser bereitzustellen. Wiederum andere Ausführungsformen
können
einen Rotor mit verjüngendem
oder variiertem Durchmesser mit verschiedensten Kombinationen von
Nabe und Rotor-Flügel
aufweisen, wobei die Verjüngung
von einem oder beiden wahlweise als polynomische Funktion beschreibbar
ausgebildet sein kann. In weiteren Ausführungsformen können Ausklinkungen,
Schlitze, Zähne
oder gleichwirkende Strukturen Variationen der Flügel-Form
oder des Kanten-Profils bereitstellen, welche zusätzliche
Schlagflächen
an oder nahe zur Außenkante
der Flügel
bereitstellen, welche mit Feststoffen wechselwirken und optionaler
Weise zusätzliche
Reiß-
und Schervorgänge
bereitstellen. Die Anzahl, Form und Anordnung solcher Variationen
der Flügel-Kanten
ist variabel. Als lediglich weiteres Beispiel können Ausklinkungen in fortlaufender
Wiederholung ein relativ grobes oder feines Sägezahn-Muster entlang der Außenkante
eines jeden Flügels
bereitstellen. Für
einige Ausführungsformen
können
gehärtete
Einsätze
oder Oberflächenbehandlungen gleichfalls
im Bereich der Ausklinkungen und/oder der Schaufel und Flügelkanten
Verwendung finden.
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In
einem weiteren Beispiel können
mehrere, individuelle Rotorflügel
kürzerer
Länge über die
Länge der
Nabe hinweg angeordnet werden, oder Schaufeln innerhalb des Zerkleinerungs-Abschnitts, wobei
der Neigungswinkel eines individuellen Flügels oder einer Schaufel eine
Funktion einer weiteren, anderen polynomen Funktion ist, welche
den Neigungswinkel des Flügels
oder der Schaufel über
die Länge der
Nabe oder des Zerkleinerungs-Abschnitts vorgibt. Als ein Beispiel
kann die Vorderkante eines einzelnen Flügels oder einer einzelnen Schaufel
nahe zur rückseitigen
Kante eines Flügels
oder einer Schaufel angeordnet sein, wodurch Feststoffe, welche
von der rückseitigen
Kante eines Flügels
oder einer Schaufel abgleiten, auf die Vorderkante des/der nachfolgenden
Flügels/Schaufel
auftreffen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung beinhaltet einen rückführenden
Bypass-Weg oder ein Netzwerk von Wegen vom Abfluss zum Zufluss,
welches um das Gehäuse
herum geführt
ist, wodurch ein Druckunterschied zwischen Zufluss und Abfluss funktional
vermieden oder reduziert wird, um niedrige Strömungs-Schwingungen zu mindern oder zu vermeiden.
Wiederum eine weitere Ausführungsform
beinhaltet ein Gehäuse,
ausgestaltet als oder mit einer Abriebresistenten Innenauskleidung
in einem duktilen, äußeren Gehäuse, welches
einen sichereren und zuverlässigeren
Betrieb begünstigen kann
oder eine einfacher zu wartende Vorrichtung bereitstellt, wie zum
Beispiel bei der Verarbeitung von hochabrasiven oder anderweitig
Werkstoff-schädlichen
Materialien.
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Die
Erfindung kann in zahlreichen und anderen Ausführungsformen Verwendung finden.
Zum Beispiel: Gegeben ist eine Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung
für Feststoff-beladene
Flüssigkeits-Bearbeitungs-Systeme
bestehend aus einem Gehäuse
mit einem Einlauf-Abschnitt und einem Zerkleinerungs-Abschnitt.
Das Gehäuse
ist anpassbar zuflussseitig zu einem Haupt-Pumpen-Laufrad in einen
Flüssigkeits-Strom
installierbar, wodurch der Zerkleinerungs-Abschnitt zwischen dem
Einlauf-Abschnitt und dem Haupt-Pumpen-Laufrad angeordnet wird.
Ein Rotor wird den Zerkleinerungs-Abschnitt und den Einlauf-Abschnitt
einnehmend innerhalb des Gehäuses
angeordnet. Der Rotor weist eine Nabe und mindestens einen spiralförmig auf
der Nabe angeordneten Rotor-Flügel
auf, der Rotorflügel
aufweisend eine Zufluss-Seite und eine Abfluss-Seite, einen von
Zufluss-Seite zu Abfluss-Seite zunehmend ansteigenden Flügel-Steigungs-Winkel,
wobei der Anstieg im Steigungs-Winkel als Funktion erster polynomischer
Art ausgebildet ist. Die Nabe weist abflussseitig einen größeren Durchmesser
auf als der zuflussseitige Naben-Durchmesser,
wobei wiederum der Übergang
des Nabendurchmessers von Zufluss- zu Abfluss-Seite als Funktion zweiter
polynomischer Art beschreibbar ist. Rotor und Gehäuse begrenzen den
gesamten Flüssigkeits-Durchströmungs-Weg.
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Der
rotierende Außenbogen
an dem Rotor Flügel
definiert einen Rotor-Durchmesser. Der Zerkleinerungs-Abschnitt
weist eine Zerkleinerungs-Wand auf, welche einen Zerkleinerungs-Abschnitts-Durchmesser
begrenzend ausgebildet ist, mit nach innen erstreckten, von der
Wand ausgehenden Schaufeln, welche einen Schaufel-Durchmesser oder
Käfig begrenzend
ausgebildet sind, in dem der Rotor Flügel rotiert. Der Einlauf-Abschnitt
weist einen Einlauf-Durchmesser auf und der Schaufel-Durchmesser und der
Einlauf-Durchmesser müssen
ausreichend größer als
der Rotor-Durchmesser sein, um den Rotor und seine Rotation ohne
mechanische Behinderung aufzunehmen, aber auch ausreichend nah an
den Rotor-Durchmesser heranreichen, um bei Rotation der Rotor-Flügel unter Überstreichen
der Schaufeln ein Zermahlen und Scheren von zwischen diese möglicherweise
eingehenden Festkörpern
bereitzustellen.
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Die
Rotor Nabe und die Wand der Rotor Flügel bilden mindestens einen
individuellen Einlauf-Flüssigkeits-Strom-Weg
aus. Die Schaufeln und die Wand des Zerkleinerungs-Abschnitts bilden
individuelle Zerkleinerungs-Flüssigkeits-Strom-Wege aus. Die Rotor
Flügel
können
mindestens eine Ausklinkung an der Außenkante des Flügels im
Bereich des Zerkleinerungs-Abschnitts aufweisen, wodurch ein Zermahlen
und Scheren zwischen einer Schlag-Kante der besagten Ausklinkung
und den Schaufeln gegenüber
den im flüssigen
Strom transportierten Festkörpern
bereitgestellt wird. Die Ausklinkung kann stufenförmig mit
radial zum flüssigen Strom
ausgerichteter Vorderkante ausgebildet sein.
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Die
Vorrichtung kann eine Gesamt-Teilfläche des Flüssigkeits-Durchströmungs-Weges bestimmt auf
einer Fläche
am Abfluss und senkrecht zur meridionalen Ebene der Vorrichtung
aufweisen, welche größer ausgebildet
ist als eine Teilfläche
einer Verengung in dem abflussseitigen Laufrad-Durchströmungs-Weg.
Die kleinste Teilfläche
jeglicher individuellen Wege des besagten Flüssigkeits-Durchströmungs-Weges kann dabei
kleiner als die Teilfläche der
Verengung in dem abflussseitigen Laufrad-Durchströmungs-Weg
ausgebildet sein. Einige Ausführungsformen
können
weiterhin einen Flüssigkeits-Durchströmungs-Bypass
aufweisen, welcher das abflussseitige Ende des Flüssigkeits-Durchströmungs-Weges
mit dem zuflussseitigen Beginn des Flüssigkeits-Durchströmungs-Weges
verbindet. Die abflussseitige, volumetrische Fluss-Leistung der
Einlauf-Zerkleinerungs-Vorrichtung ist gleich oder größer als
die Fluss-Anforderungen des abflussseitigen Haupt-Pumpen-Laufrades.
Der Rotor-Durchmesser kann gleichmäßig oder ungleichmäßig über die
Länge des
Rotors ausgebildet sein. Der Schaufel-Druchmesser kann durchgehend
gleich oder ungleich über seine
Länge zum
Einlauf-Abschnitts-Durchmesser ausgebildet
sein.
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Den
in diesem Bereich erfahrenen Fachleuten sind Gegenstand und Umfang
der möglichen
Anwendungen der Erfindung direkt ersichtlich. Die Erfindung und
Ausführungsformen
und Beispiele umfassen Abwandlungen der zur Beschreibung verwendeten
Bezeichnungen und Funktionalitäten
sowie der Details der Baugruppen der veranschaulichten Anführungsbeispiele,
sowie der nachfolgenden Ansprüche
und deren Äquivalenten.
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Zusammenfassung
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Vorrichtung
zur Zerkleinerung von Feststoffen in einem Flüssigkeits-Strom und zur Erhöhung des
Flüssigkeits-Drucks,
aufweisend einen Zerkleinerungs- und einen Einlauf-Abschnitt in
einem Gehäuse
zuflussseitig zu einem Haupt-Pumpen-Laufrad (impeller), mit einer
Nabe mit einem größeren Durchmesser
am Abfluss als am Zufluss seiner Rotor-Flügel. Die Flügel sind entlang ihres Außendurchmessers
gekerbt und der Flügel-Neigungswinkel
ist vom Zufluss zum Abfluss gemäß einer
polynomischen Funktion zunehmend ansteigend ausgebildet. Der Zerkleinerungs-Abschnitt des Gehäuses weist
einen größeren Innendurchmesser
als der Einlauf-Abschnitt
auf, und der Einlauf-Abschnitt einen größeren Durchmesser als der Rotor.
Ein oder mehrere Widerlager-Schaufeln sind als integrale Gehäusebestandteile
von der innenseitigen Wand radial nach innen erstreckt ausgebildet
und reichen bis zum Innendurchmesser ID des Einlauf-Abschnitts heran
und fungieren als Zerkleinerer der Feststoffe durch einen Schervorgang.