ES2219209T3 - Impulsor de elevado de flujo axil, revestido de vidrio. - Google Patents

Abstract

Impulsor de flujo axil, con revestimiento de vidrio, impulsor (10) que comprende un cubo (12), que tiene un orificio (14) situado centralmente, dicho orificio tiene un eje central (16), dicho orificio (14) está dimensionado para poder pasar por un árbol de mando (18), que tiene un eje longitudinal (20), de forma que el eje central (16) del orificio (14) situado centralmente se corresponde con el eje longitudinal del árbol (20), teniendo dicho impulsor (10) una pluralidad de ángulos y bordes, todos los cuales tienen una configuración redondeada, comprendiendo además dicho impulsor (10) por lo menos dos palas de paso variable (22), donde cada pala (22) tiene unas superficies anterior (24) y posterior (26), definidas ambas por un borde interior (28), que tiene un primer extremo inicial (30) y un extremo final (32), un borde exterior (34) que tiene un segundo extremo inicial (36) y un segundo extremo final (38), un borde inicial (40), que conecta el primer extremo inicial (30) del borde interior (28) al segundo extremo inicial (36) del borde exterior (34) y un borde final (42), que conecta el primer extremo final (32) del borde interior (28) al segundo extremo final (38) del borde exterior (34), caracterizado porque dicho borde exterior (34) de cada pala (22) tiene una longitud igual a 1, 5 a 2, 5 veces la longitud del borde interior (28), estando dichas palas (22) simétricamente unidas a dicho cubo (12) en sus bordes interiores (28), de modo que los bordes interiores (28) formen un ángulo de 45 a 60 grados con respecto al eje central (16) del cubo acoplado (12) y sus bordes exteriores (34) forman un ángulo de 50 a 70 grados con el eje central (16) de dicho cubo (12); entendiéndose que el ángulo de los bordes interiores (28) con el eje central de dicho cubo (12) tiene de 6 a 12 grados menos que el ángulo de los bordes exteriores (34) con el eje central (16) de dicho cubo (12), estando dicho cubo (12) y sus palas acopladas (22) recubiertos por un revestimiento contiguo de vidrio.

Description

Impulsor de elevado flujo axil, revestido de vidrio.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a impulsores de mezcla, resistentes a la corrosión, y más particularmente a impulsores de mezcla, revestidos de vidrio.

Se conoce muy bien el revestimiento de vidrio de substratos metálicos, como los que se describen por ejemplo en las patentes US RE 35 625; 3 775 164 y 3 788 874. También se conocen impulsores de mezcla, revestidos con vidrio, como los que se describen por ejemplo en las patentes US 3 494 708; 4 213 713; 4 221 488, 4 264 215; 4 314 396; 4 601 583 y D 262 791. La patente US 4 601 583 describe impulsores revestidos con vidrio, acoplados a un eje por medio de enfriamiento criógeno para obtener un ajuste muy fuerte por fricción. Los impulsores son impulsores de dos cubos, cada uno de los cuales lleva dos palas. Los cubos están colocados cerca el uno del otro sobre el eje, de forma que las palas estén orientadas 90° entre sí en torno al eje. La patente también muestra diversos impulsores, separados entre sí sobre el eje, lo cual se conoce como configuración de "doble vuelo".

Pese a que se sabe que se pueden colocar ciertos impulsores con revestimiento de vidrio sobre un eje, no se disponía hasta ahora de ningún buen impulsor de elevado flujo axil con revestimiento de vidrio. Sería deseable disponer de un impulsor de elevado flujo axil como el indicado, para poder obtener de forma rápida un flujo vertical que garantice la mezcla rápida de un depósito completo sin preocuparse por la estratificación separada que puede producirse cuando se utilizan impulsores de flujo radial solamente, es decir de tipo turbina.

La patente US 4 601 583 describe un impulsor, que presenta propiedades de flujo axil, pero la salida de flujo axil medida por su índice de flujo axil no es tan buena como se desearía.

Se conocen impulsores de elevado flujo axil en configuraciones metálicas, no revestidas con vidrio, por ejemplo en forma de hélices, como las que se suelen encontrar en las embarcaciones. Se creía que no era posible fabricar configuraciones con revestimiento de vidrio de estos mismos impulsores de elevado flujo axil, debido a que dichos impulsores de elevado flujo axil tienen muchos ángulos y esquinas que, según se creía en general, pueden evitar un revestimiento eficaz con vidrio.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra una vista de frente de un impulsor de dos palas según la invención.

La figura 2 muestra una vista lateral del impulsor de la figura 1.

La figura 3 muestra una vista lateral de dos turbinas de dos álabes de la invención, tal como resultaría si se montasen con una orientación de 90° entre sí sobre un eje.

La figura 4 muestra una vista en planta de dos turbinas de dos álabes según la invención, tal como se apreciaría si estuviesen montadas con una orientación de 90° entre sí sobre un eje.

La figura 5 muestra una vista en alzado de una unidad de mezcla de la invención, en la que se pueden ver dos turbinas según la invención, montadas cerca la una de la otra sobre la parte superior de un eje y un impulsor de tipo turbina montado sobre la parte inferior del eje.

La figura 6 muestra dos turbinas de la invención que tienen unos álabes descentrados, de forma que dichos álabes funcionan en los mismos planos radiales en torno a un eje.

La figura 7 muestra un gráfico, en el que se comparan los índices de flujo del impulsor de la invención con los índices de flujo de impulsores conocidos que tienen características de flujo axil.

Breve descripción de la invención

Según la invención, se ha descubierto ahora que es posible diseñar un impulsor de elevado flujo axil y revestido con vidrio y, si se desea, ensamblarlo en formato de dos cubos.

La invención comprende, por lo tanto, un impulsor de elevado flujo axil, revestido con vidrio, que comprende un cubo y unas palas unidas al mismo. El cubo tiene un orificio central dimensionado para que pueda pasar sobre un árbol de mando. El árbol de mando tiene un eje longitudinal, de tal forma que cuando se coloca el orificio sobre el árbol, el eje central del orificio centrado se corresponde con el eje longitudinal del árbol. El impulsor tiene una pluralidad de ángulos y esquinas, todos los cuales tienen una configuración redondeada para permitir su vidriado sin que se produzca un agrietamiento o una exfoliación considerables. El impulsor comprende además, por lo menos dos palas de paso regulable. Cada pala tiene una superficie anterior y posterior, definidas ambas por un borde interior que tiene un extremo inicial y otro final, un borde exterior que tiene un extremo inicial y un extremo final, un borde inicial que conecta el extremo inicial y el borde interior con el extremo inicial del borde exterior y un borde final que conecta el extremo final del borde interior con el extremo final del borde exterior. "Borde inicial" tal como se utiliza aquí, designa el borde que es el primero en contactar y desplazar fluido cuando se hace girar el impulsor en el fluido. "Borde final" se refiere al último borde en entrar en contacto con el fluido cuando se gira el impulsor.

Una parte importante de la invención es que el borde final de cada pala es igual a aproximadamente 1,5 a 2,5 veces la longitud del borde interior. Esta diferencia de longitud entre los bordes interior y exterior contribuyen notablemente a las características de elevado flujo del impulsor de la invención. Lamentablemente, esta diferencia podría dar origen a ángulos y esquinas poco usuales. Se considera que estos ángulos y esquinas constituyen un factor contributivo en la creencia del arte anterior, según la cual dichas configuraciones de impulsor no se podían someter en la práctica al revestimiento con vidrio. Según la presente invención, estos ángulos y esquinas agudos se redondean antes del vidriado. Las palas se acoplan simétricamente al cubo por sus bordes interiores, de forma que sus bordes interiores forman un ángulo aproximado de 45 a 60 grados con el eje central del cubo acoplado y sus bordes exteriores forman un ángulo de 50 a 70 grados con el eje central de dicho cubo. En cualquier caso, sin embargo, el ángulo que forman los bordes interiores con el eje central de dicho cubo es de 6 a 12 grados aproximadamente inferior y de preferencia de 7 a 9 grados inferior al ángulo de los bordes exteriores con respecto al eje central. El cubo y sus palas acopladas se recubren con un revestimiento continuo de vidrio.

Descripción detallada de la invención

Los impulsores de la invención se revisten con vidrio en la forma que ya conocen las personas versadas en el arte. En general, el substrato metálico se limpia, se recubre con una formulación de frita de vidrio y se calienta.

"Flujo axil" tal como se utiliza aquí significa un flujo en una dirección paralela al eje central del impulsor. El flujo axil puede caracterizarse mediante el índice de flujo (Fn). Fn se define como (Q/rpm x D^{3}), donde Q es la capacidad de bombeo de la turbina, rpm es la velocidad de rotación de la turbina y D es el diámetro de la turbina. En la práctica, se conoce rpm y el diámetro D de la turbina. El volumen de bombeo, a una rpm y con un diámetro de turbina conocidos, se mide entonces, por ejemplo mediante medida láser de flujo, donde la velocidad de las partículas suspendidas en un fluido se mide en un área determinada. Se puede calcular entonces el índice de flujo. Una vez conocido el índice de flujo para una configuración particular de turbina, se puede utilizar entonces para determinar el volumen de bombeo para diversos diámetros de la turbina a rpm diferentes. Los impulsores con índices de flujo elevados tienen un mayor volumen de bombeo que los impulsores inferiores, a la misma velocidad de rotación y con el mismo diámetro del impulsor.

Los impulsores de la invención suelen ser de metal revestido con vidrio. El metal suele ser acero con bajo contenido de carbono o una aleación resistente a la corrosión, como acero inoxidable. La turbina puede configurarse utilizando cualquier medio adecuado, como por ejemplo soldando los álabes a un cubo o forrando o forjando todo el impulsor de una sola pieza. En todos los casos, se redondean los ángulos para reducir el esfuerzo sobre los revestimientos de vidrio que se aplican ulteriormente. Para formar el revestimiento de vidrio, se suelen utilizar aplicaciones múltiples de vidrio, por ejemplo dos capas de imprimación, seguidas de cuatro capas de recubrimiento.

El cubo del impulsor tiene un orificio por el centro, dimensionado para deslizarse sobre un árbol de mando y formar una unidad de mezcla de una sola pieza. El impulsor se puede retener sobre el árbol mediante ajuste por fricción o utilizando cualquier otro medio, como unión con encaje o junta atornillada.

El cubo del impulsor tiene un orificio por el centro revestido con vidrio. La superficie que define el orificio se suele esmerilar de preferencia para reducir las tolerancias del ajuste de fricción a un árbol de mando, por ejemplo enfriando criogénicamente el árbol para reducir su diámetro y deslizando ulteriormente el cubo sobre el árbol. Una vez enfriado, el árbol se expande manteniendo de forma segura el impulsor unido al árbol por ajuste por fricción, formando de este modo una unidad de mezcla de una sola pieza (árbol e impulsor combinados).

La unidad de mezcla puede comprender por lo menos dos impulsores, cada uno de los cuales se afianza al árbol de mando, ajustando el árbol de mando a través de los orificios y los cubos de los impulsores. Según la invención, por lo menos uno de los impulsores es de elevado flujo axil según la invención.

La unidad de mezcla puede comprender, por ejemplo, una combinación de por lo menos dos impulsores de flujo elevado de la invención, para formar eficazmente un impulsor de elevado flujo axil, que tiene cuatro palas. En este caso, cada uno de los impulsores se monta en el árbol de mando y se afianza al mismo ajustando el árbol de mando a través de los orificios centrales de los cubos de los impulsores. Las palas de un primer impulsor se hacen girar 30 a 90 grados aproximadamente en torno al eje longitudinal del árbol, respecto de la orientación de las hojas de un segundo impulsor. Además, los cubos del primero y del segundo impulsores están cerca el uno del otro, es decir están directamente en contacto o separados una distancia reducida, que suele ser inferior al grosor de un solo cubo. En una configuración de este tipo, las fijaciones de las palas o de los impulsores al cubo pueden estar descentradas de forma que los bordes iniciales de las palas del primero y del segundo impulsores se encuentren en un mismo plano.

Según la invención, la combinación del primero y segundo impulsores tienen un índice de flujo de 0,75 a 0,85 aproximadamente. Los impulsores combinados pueden encontrarse en un árbol con impulsores adicionales, por ejemplo el impulsor de turbina de álabes curvados o planos. En este caso, el impulsor "adicional" suele estar cerca de la parte inferior de un depósito o de otro contenedor y los impulsores combinados de la invención están más cerca de la parte superior del recipiente o de otro contenedor. En dicha configuración, los impulsores de flujo elevado de la invención fuerzan el fluido hacia la parte inferior del depósito y la turbina dirige radialmente el fluido. El fluido circula entonces hacia arriba y de regreso hacia los impulsores de la invención. De este modo, se logra una agitación vertical muy eficaz y se evita la estratificación (separación en capas).

La invención se podrá entender mejor con referencia a las figuras, que ilustran unas realizaciones preferidas de la misma. Queda entendido que las realizaciones ilustradas se ofrecen a modo de ilustración, sin que limiten la presente invención.

Según se puede ver en las figuras, el impulsor de flujo axil revestido con vidrio 10 tiene un cubo 12, con un orificio central 14 que tiene un eje central 16. El orificio está dimensionado para poder pasar por un árbol 18 que tiene un eje longitudinal 20, de modo que el eje central 16 del orificio 14 se corresponda con el eje longitudinal 20 del árbol 18. El impulsor tiene por lo menos dos palas de paso variable 22. Cada pala 22 tiene una superficie anterior 24 y una superficie posterior 26, ambas definidas por un borde interior 28 que tiene un extremo inicial 30 y un extremo final 32 y por un borde exterior 34 que tiene un extremo inicial 36 y un extremo final 38. Las superficies anterior y posterior 24 y 26 se definen además por el borde inicial 40 que conecta el extremo inicial 30 del borde interior 28 con el extremo inicial 36 del borde exterior 34 y por el borde final 42 que conecta el extremo final 32 del borde interior 28 con el extremo final 38 del borde exterior 34. Las palas están montadas simétricamente en el cubo en bordes interiores 28, de forma que los bordes interiores 28 forman un ángulo a de 45 a 60 grados aproximadamente con respecto al eje central 16 del cubo 12 y de modo que los bordes exteriores 34 forman un ángulo \beta de 50 a 70 grados aproximadamente con respecto al eje central 16 del cubo 12. Todo el impulsor 10, inclusive la rueda 12 y las palas montadas 22, están recubiertos con un revestimiento contiguo de vidrio 44. El impulsor tiene una pluralidad de ángulos y de bordes, por ejemplo 28, 34, 40, 42, \alpha y \beta, y todos ellos tienen una configuración redondeada para ayudar a formar un revestimiento de vidrio duradero y estable.

Como se podrá apreciar mejor en la figura 5, se pueden afianzar por lo menos dos impulsores 10 al árbol de mando 18 mediante ajuste del árbol de mando con los agujeros 14 en los cubos 12 de los impulsores, para formar una unidad de mezcla. Por lo menos uno de los impulsores es de elevado flujo axil, tal como se describe anteriormente.

Una unidad de mezcla 46 puede estar formada según muestra la figura 5, que comprende por lo menos dos impulsores según se describe anteriormente, cada uno de los cuales está montado y afianzado al árbol de mando 18 por medio de unos orificios 14 en los cubos 12 de los impulsores 10. En este caso, las palas de un primer impulsor se giran deseablemente de 30 a 90 grados aproximadamente en torno al eje longitudinal 20 del árbol 18, respecto de la orientación de las palas del segundo impulsor. Los cubos de los dos impulsores pueden estar cerca el uno del otro, para formar, de modo eficaz, un impulsor combinado que tiene cuatro palas. "Cercano el uno del otro" tal como se utiliza en este contexto significa que los cubos 12 de los impulsores 10 están dispuestos de forma que por lo menos una parte de las palas 22 de por lo menos uno de los impulsores se mueve en un mismo plano de giro en torno al árbol 18, así como por lo menos una parte de las palas del otro impulsor.

Como se puede ver en la figura 5, los impulsores de la invención se pueden combinar sobre un árbol con otros impulsores iguales o diferentes al impulsor de la invención. La unidad de mezcla 46 mostrada en la figura 5 comprende dos impulsores superiores 10 de la invención y un impulsor inferior 48 en forma de turbina de álabe plano.

Como se puede ver en la figura 6, las palas de los impulsores de la invención pueden estar desplazadas de modo que, cuando dos impulsores están montados de forma que sus cubos 12 estén cercanos el uno del otro, los bordes iniciales 40 de las palas 22 de ambos impulsores se mueven prácticamente en los mismos planos de giro en torno al árbol.

Se sometieron a prueba impulsores de la invención, en una configuración prácticamente como la mostrada en la figura 3, para determinar el índice de flujo axil Fn midiendo el flujo axil del impulsor, utilizando un láser para medir el flujo de las partículas suspendidas en un fluido turbulento de baja viscosidad. Los resultados se compararon con un impulsor de tipo turbofoil conocido (TBF) y con un impulsor conocido como turbina "pitch blade" (de álabe de paso) (PBT), prácticamente como se muestra en la figura 5a de la patente US 4 601 583. Todos los impulsores tenían prácticamente el mismo diámetro y configuraciones de cuatro palas y se hicieron girar a la misma velocidad. La configuración del impulsor de la invención tenía un índice de flujo de aproximadamente 0,81. La turbina de álabe de paso tenía un índice de flujo de aproximadamente 0.65 y el impulsor turbofoil tenía un índice de flujo de aproximadamente 0.45. Estos índices muestran que el impulsor de la invención proporciona un flujo mucho mayor que los impulsores turbofoil o de turbina con álabe de paso que, anteriormente a la presente invención, eran los únicos impulsores con revestimiento de vidrio disponibles que proporcionaba un flujo radial significante. Los resultados se ilustran en el gráfico de la figura 7. Los números en el eje Y del gráfico indican el índice de flujo calculado utilizando la fórmula descrita anteriormente.

Claims (20)

1. Impulsor de flujo axil, con revestimiento de vidrio, impulsor (10) que comprende un cubo (12), que tiene un orificio (14) situado centralmente, dicho orificio tiene un eje central (16), dicho orificio (14) está diemensionado para poder pasar por un árbol de mando (18), que tiene un eje longitudinal (20), de forma que el eje central (16) del orificio (14) situado centralmente se corresponde con el eje longitudinal del árbol (20), teniendo dicho impulsor (10) una pluralidad de ángulos y bordes, todos los cuales tienen una configuración redondeada, comprendiendo además dicho impulsor (10) por lo menos dos palas de paso variable (22), donde cada pala (22) tiene unas superficies anterior (24) y posterior (26), definidas ambas por un borde interior (28), que tiene un primer extremo inicial (30) y un extremo final (32), un borde exterior (34) que tiene un segundo extremo inicial (36) y un segundo extremo final (38), un borde inicial (40), que conecta el primer extremo inicial (30) del borde interior (28) al segundo extremo inicial (36) del borde exterior (34) y un borde final (42), que conecta el primer extremo final (32) del borde interior (28) al segundo extremo final (38) del borde exterior (34), caracterizado porque dicho borde exterior (34) de cada pala (22) tiene una longitud igual a 1,5 a 2,5 veces la longitud del borde interior (28), estando dichas palas (22) simétricamente unidas a dicho cubo (12) en sus bordes interiores (28), de modo que los bordes interiores (28) formen un ángulo de 45 a 60 grados con respecto al eje central (16) del cubo acoplado (12) y sus bordes exteriores (34) forman un ángulo de 50 a 70 grados con el eje central (16) de dicho cubo (12); entendiéndose que el ángulo de los bordes interiores (28) con el eje central de dicho cubo (12) tiene de 6 a 12 grados menos que el ángulo de los bordes exteriores (34) con el eje central (16) de dicho cubo (12), estando dicho cubo (12) y sus palas acopladas (22) recubiertos por un revestimiento contiguo de vidrio.

2. El impulsor de la reivindicación 1, caracterizado además porque el ángulo de los bordes interiores (28) respecto del eje central (16) de dicho cubo (12) es de 7 a 9 grados inferior al ángulo de los bordes exteriores (28) respecto del eje central (16) de dicho cubo (12).

3. El impulsor de la reivindicación 3, caracterizado además porque dos palas (22) están acopladas opuestamente a dicho cubo (12).

4. El impulsor de la reivindicación 1, caracterizado además porque las palas (22) están unidas al cubo (12) por soldadura.

5. El impulsor de la reivindicación 1, caracterizado además porque las palas (22) están unidas al cubo (12), debido a que se forjan de una sola pieza con el cubo (12).

6. El impulsor de la reivindicación 1, caracterizado además porque las palas (22) están unidas al cubo (12), al moldearse de una sola pieza con el cubo (12).

7. El impulsor de la reivindicación 2, caracterizado además porque el impulsor (1 b) comprende acero con revestimiento de vidrio.

8. El impulsor de la reivindicación 7, caracterizado además porque el acero es acero inoxidable.

9. Una unidad de mezcla que comprende el impulsor de la reivindicación 2, afianzado al árbol de mando (18) por medio de ajuste del árbol de mando (18) a través del orificio (14) en el cubo (12).

10. La unidad de mezcla de la reivindicación 9, caracterizada además porque el impulsor (10) está afianzado al árbol de mando (18) por medio de ajuste por fricción.

11. La unidad de mezcla de la reivindicación 9, caracterizada además porque el árbol de mando (18) comprende acero con revestimiento de vidrio.

12. La unidad de mezcla de la reivindicación 10, caracterizada además porque el árbol de mando (18) comprende acero inoxidable con revestimiento de vidrio.

13. Una unidad de mezcla, que comprende por lo menos dos impulsores, cada uno de los cuales está afianzado al árbol de mando (18) por medio de ajuste del árbol de mando (18) a través de orificios (14) en los cubos (12) de los impulsores (10), siendo por lo menos uno de los impulsores (10) un impulsor (10) como el descrito en la reivindicación 2.

14. Una unidad de mezcla que comprende una combinación de por lo menos dos de los impulsores (10) descritos en la reivindicación 2, cada uno de los cuales está montado en y afianzado al árbol de mando (18) por medio de ajuste del árbol de mando (18) a través de los orificios centrales (14) en los cubos (12) de los impulsores (10), caracterizado además porque las palas (22) de un primer impulsor (10) se hacen girar de 30 a 90 grados en torno al eje longitudinal (16) del árbol (18), con respecto a la orientación de las palas (22) de un segundo impulsor (10), estando los cubos (12) del primero y el segundo impulsores (10) cerca el uno del otro.

15. La unidad de mezcla de la reivindicación 14, caracterizada además porque la combinación del primero y del segundo impulsores (16) tiene un índice de flujo de 0,75 a 0,85.

16. La unidad de mezcla de la reivindicación 14, caracterizada además porque las uniones de por lo menos dos de las palas (22) a su cubo (12) están descentradas, de forma que los bordes iniciales (30) de las palas (22), tanto del primero como del segundo impulsores (16), se encuentran en un mismo plano.

17. Una unidad de mezcla que comprende un primer impulsor (10), como el descrito en la reivindicación 1, montado en una posición superior sobre un árbol prácticamente vertical (18) respecto de un segundo impulsor (10) montado en una posición inferior sobre el árbol (18), de forma que los impulsores (10) no giren en el mismo plano de giro en torno al árbol (18).

18. La unidad de mezcla de la reivindicación 17, caracterizada además porque el segundo impulsor (10) tiene un índice de flujo axil inferior al del primer impulsor (10).

19. La unidad de mezcla de la reivindicación 18, caracterizada además porque el segundo impulsor (10) es una turbina de álabe plano.

20. La unidad de mezcla de la reivindicación 18, caracterizada además porque el segundo impulsor (10) es una turbina de álabe curvado.