FI88537C - Anordning och foerfarande foer att aostadkomma hoegtrycksvaetska som skall anvaendas vid spritsvattenskaerning - Google Patents

Description

8 8 52 7

Laitteisto ja menetelmä nestesuihkuleikkaukseen käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi

Keksinnön kohteena on laitteisto nestesuihkuleikkauk-5 seen käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaansaa miseksi.

Aiemmin tunnetut nestesuihkuleikkauksessa käytettävät nestesuihkun synnyttävät laitekonstruktiot ovat 10 yleisemmin perustuneet ns. Intesifier -periaatteen sovellutuksiin. Tällöin hydraulinen paine kehitetään syr jäytyspumppuperiaatteella käyttäen mäntäjärjestelyä, jota ohjataan venttiileillä. Mäntäjärjestely saa tavallisimmin energiansa sähkömoottorilta hydrauli-15 välitteisesti. Mäntäjärjestelyä käyttäen synnytettävä hydraulinen paine on luonteeltaan sykkivää, joten laitteistossa tarvitaan paineakku nesteen paineen tasaamiseksi ennen sen käyttämistä varsinaisessa nestesuihkuleikkauksessa. Kuten edellisestä selviää, 20 konstruktio on kokonaisuudessaan suhteellisen monimut kainen useine liikkuvine osineen sekä laitekokonaisuuk-sineen. Toisaalta tunnetuissa laitteistoissa on ehkä tärkeimpänä epäkohtana se, että niiden huoltoväli erityisesti kosketuksellisten mäntäjär jestelyn tiivis- 25 tepintojen osalta on suhteellisen lyhyt, eli jo n.

200 tunnin käyttö vaatii laitteiston kokonaishuoltoa. Myöskin laitteiston kokonaiskäyttöikä on lyhyt, alle 10.000 tuntia. On myös selvää, että laitteiston ollessa suuresta korkeapaineenalaisesta tilavuudesta johtuen 30 paineastiamääräysten alainen, jolloin laitteisto on kallis, suurikokoinen ja vaatii suuressa määrin työturvallisuuden huomioimista suunnittelussa.

Koska otsikkohakemuksen mukaiseen keksintöön liittyy M 35 läheisesti korkeapaineisen (n. 3000-3500 bar) nesteen ;* aikaansaaminen korkeilla pyörimisnopeuksilla, voidaan ·.· j tässä yhteydessä viitata ensinnäkin julkaisuun K.

Kamijo, K. Hirata: Performance of small high speed cryogenic pumps. Journal of fluids engineering, June 8 3 53 7 2 1985, Voi. 107, pp. 197-204. Tästä julkaisusta on tunnettu rakettimoottorin polttoainepumppu, jolla kehitetään huomattavan korkeita paineita. Rakettimoot-toreiden nestehappipumput ovat yleensä yksiportaisia 5 keskipakoispumppuja tyypillisen paineennoston ollessa 120-250 bar. Sen sijaan nestevetypumppujen nostokorkeus voidaan nostaa arvoihin, jotka vastaavat vedellä 1830 bar paineen nousua. Toisaalta korkeiden pyörimisnopeuksien suhteen voidaan viitata julkaisuun J.E. Boretz et 10 ai: Turbine organic rankine engine system for artificial heat application, 749120, pp. 813-823, josta tunnetaan keskipakoispumppu, jonka pyörimisnopeus on 200.000 kierrosta minuutissa. Yleisesti tiedetään, että esim. rakettimoottoreiden polttoainepumppujen 15 pyörimisnopeudet ylittävät harvoin 80.000 kierrosta minuutissa. Käytännössä keksinnön mukaisella laitteistolla ja menetelmällä pyritään aikaansaamaan ainakin 3000 bar'in suuruusluokkaa oleva paineennousu nesteessä. Toisaalta laitteiston kokonaismitoituksen 20 kannalta erityisesti laitteiston toimivuuden takaa miseksi käytetään pyörimisnopeuksia, jotka ovat suurempia kuin 5xl04.

Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on edellä 25 esitettyjen tunnettuun tekniikkaan nestesuihku leikkauk sessa liittyvien epäkohtien poistaminen mitä suurimmassa määrin ja siten alalla vallitsevan tekniikan tason kohottaminen. Keksintö tarjoaa mahdollisuuden toteuttaa laitteisto siten, että se on pitkäikäinen ja oleelli-30 sesti vähemmän huoltoa vaativa kuin tunnetut laitteis tot. Lisäksi laitteisto voidaan konstruoida erittäin pienikokoiseksi, jolloin nestesuihkuleikkauksen teknisten käyttösovellutusten aluetta on mahdollista laajentaa.

35 3 <3577

Edellä esitettyjen tarkoitusten saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle laitteistolle on pääasiassa tunnusomaista se, että nestesuihkuleikkaukseen käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi lait-5 teisto on varustettu suutinrakenteella, joka on yhteydessä runkoon ja että kanavisto on yhdistetty suutinrakenteeseen.

Ratkaisulla voidaan siis voimalaitteistoa käyttäen 10 akselia pyörittämällä saada akselin pyörimisenergia siirrettyä tietyllä hyötysuhteella nesteen paineen nousuksi vaiheittain painetta kussakin perättäisessä pumppuyksikössä nostamalla aina loppupaineeseen asti. Laitteistossa kunkin pumppuyksikön yli vaikuttaa vain 15 mainitun paineennostovaiheen synnyttämän paineelisäyk- sen suuruinen paine-ero. On selvää, että akselilta vaaditaan suhteellisen korkeaa pyörimisnopeutta, esim. n. 2 x 105 kierrosta minuutissa, jotta konstruk-tiivisesti laitteisto voidaan suunnitella suhteellisen 20 pienikokoiseksi.

Keksinnön mukaisen laitteiston muita edullisia sovellu-: * tusmuotoja on esitetty oheisissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

25

Keksinnön kohteena on myös menetelmä nestesuihkuleik-kaukseen käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaan-saamiseksi. Tälle menetelmälle tunnusomaiset piirteet käyvät ilmi oheisen, menetelmään kohdistuvan riippumat-30 toman patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosasta.

* ' Keksintö on myös määritelty oheisella käyttövaatimukin : sella.

. 35 Keksintöä havainnollistetaan lähemmin seuraavassa selityksessä, jossa viitataan oheiseen, kaaviolliseen ’···' keksinnön mukaisen laitteiston erästä sovellutusta 4 88537 pitkittäispoikkileikkauksena akselin pituussuunnassa kuvaavaan esimerkkiin.

Piirustuksessa on viitenumerolla 3 kuvattu laitteiston 5 runko, joka on sopivimmin valmistettu metallista sopivia työstötekniikoita hyväksi käyttäen. Runko 3 on konstruoitu koottavaksi siten, että sen sisään sijoitettavat laitteiston muut elimet voidaan asentaa rungon koonnin yhteydessä. Tämäntapaiset konstruk-10 tiiviset yksityiskohdat ovat alan ammattimiehelle siinä määrin tunnettuja, että niitä ei tässä yhteydessä lähemmin selvitetä.

Rungon 3 sisään on laakeroitu akseli 10. Akselin 15 ensimmäiseen päähän on sijoitettu voimalaitteisto 1, 2 akselin pyörittämiseksi. Voimalaitteistona 1, 2 on esitetyssä sovellutuksessa ilmaturbiini, jonka roottori 1 on kiinnitetty akselin 10 ensimmäiseen päähän. Turbiinin staattori on esitetty viitenumerolla 2 ja 20 kirjaimella A on esitetty paineilman syöttö staat- toriin, jolloin ilman virtaus staattorista roottoriin on esitetty virtaussuuntanuolilla. Myös ilmaturbiini-tekniikka samoin kuin voimalaitteen konstruktiiviset vaihtoehdot ovat alan ammattimiehelle siinä määrin 25 selviä, että niitä ei lähemmin tässä yhteydessä selvitetä. Akselin 10 toiseen päähän, joka on voima-laitteiston 1, 2 sijoituskohtaan nähden vastakkainen, on sijoitettu suutinrakenne 11, joka piirustuksen esittämässä sovellutuksessa on kiinnitetty runkoon 3. 30

Akselille 10 on sijoitettu peräkkäin piirustuksen esittämässä sovellutuksessa neljä pumppuyksikköä 7. Puroppuyksiköt on sijoitettu määrävälein akselille, jolloin jokaisen perättäisen pumppuyksikköparin väliin 35 on sijoitettu rungon 3 ja akselin 10 välinen tiivistys, erityisesti labyrinttitiiviste 4. Vastaava tiivistys, erityisesti labyrinttitiiviste on myös ensimmäisen pumppuyksikön ja ensimmäisen laakerointiyksikön 5a, 5 -8577 5b, 6a välissä sekä viimeisen pumppuyksikön ja toisen laakerointiyksikön 6b välissä samoin kuin rungossa 3 akselin ensimmäisen pään läheisyydessä.

5 Laitteistoon kuuluu lisäksi kanavisto 8, 9, jota käyttäen neste johdetaan rungon sisään (kuvattu kirjaimella B piirustuksessa) ja kaikkien pumppuyksi-köiden 7 kautta suutinrakenteelle 11. Kanavisto on järjestetty kulkemaan ensimmäisen laakerointiyksikön 10 5a, 5b, 6a samoin kuin toisen laakerointiyksikön 6b kautta, jolloin molemmat laakerointiyksiköt on järjestetty toimimaan nestevoiteluperiaatteella. Jokaisessa pumppuyksikössä nesteen paine on järjestetty nostettavaksi akselin 10 pyörimisenergialla vaiheittain 15 siten, että kanavistoa pitkin neste ohjataan aina edellisen pumppuyksikön tulopuolelle, jolloin edellinen pumppuyksikkö on aina lähempänä akselin 10 toista päätä kuin seuraava pumppuyksikkö.

20 Kukin pumppuyksikkö on sijoitettu akselille 10 siten, että yksikön tulopuoli on lähempänä akselin toista päätä kuin pumppuyksikön poistopuoli. Tulopuolen ja ^ ’’ poistopuolen välissä on ko. pumppuyksikön ja rungon 3 ·-·- välillä vaikuttava tiivistys, kuten labyrinttitiiviste.

: 25 Tällöin suutinrakenteen 11 painekammion 11a tai vastaavan kohdalla vaikuttava korkeampi paine, joka : aiheuttaa akseliin 10 aksiaalisen voiman, joka pyrkii siirtämään sitä kohti voimalaitteistoa 1, 2, voidaan ainakin osittain kompensoida, koska pumppuyksikössä .·. : 30 syntyvä paine-ero aiheuttaa edellä mainittuun ak- siaaliseen voimaan nähden vastakkaissuuntaisen ak-siaalisuuntaisen voiman jokaisessa pumppuyksikössä.

Ensimmäinen laakerointiyksikkö 5a, 5b, 6a käsittää : .·. 35 sekä keskeisen radiaalisen 6a laakeri järjestelyn että "i/ radiaalisen laakerijärjestelyn 6a molemmin puolin aksiaalisuunnassa sijaitsevan aksiaalisen 5a, 5b laakerijärjestelyn. Aksiaalista laakerijärjestelyä 6 0357.7 varten ensimmäisen laakeriyksikön laakeripesään 13, joka muodostaa kanaviston osan (alkuosan), on sijoitettu akseliin 10 kiinnitetyt radiaalilaipat akselin 10 aksiaalisuunnassa mahdollisesti vaikuttavia molempia 5 aksiaalisuuntaisia voimia varten.

Toinen laakerointiyksikkö 6b, joka on akselin 10 toisessa päässä, käsittää ainoastaan radiaalisen nestevoidellun laakerin.

10

Kanavisto on pääosin muodostettu toisaalta rungon sisään muodostetuista porauksista 9 sekä toisaalta pumppuyksiköiden johtolaitteista 8, jotka on yhdistetty toisiinsa.

15

Pumppuyksiköt 7 voivat olla rakenteeltaan esim. keskipakois- tai pitotperiaatteella toimivia. Piirustuksessa on esitetty keskipakoisperiaatteella toimivan pumppuyksikön juoksupyörä kaaviollisesti.

20

On selvää, että keksinnön mukaista laitteistoa voidaan muunnella huomattavasti keksinnön perusajatuksen puitteissa. Esimerkiksi laakerointi voidaan toteuttaa mm. magneettilaakerisovellutuksena, jolloin kanaviston 25 konstruktio on riippumaton laakereiden voitelusta.

On luonnollisesti selvää, että nestevoidellut laakeri-konstruktiot voidaan toteuttaa siten, että nestevoitelu tapahtuu erillisellä nesteellä.

30 ESIMERKKI

Seuraavassa on esimerkillä havainnollistettu erästä keksinnön sovellutusta esimerkkilaskelman avulla. Nestesuihkuleikkauslaitteiston mitoituksen lähtöarvoik-35 si valitaan seuraavat: virtaus 2 1/min, pumppuyksi köiden lukumäärä 10 kappaletta ja akselin pyörimisnopeus 200.000 kierrosta minuutissa. Tällöin akselin ominaispyörimisnopeudeksi tulee 0.05 rad. Valitaan 7 : S 5 7 7 lisäksi pumppuyksikössä käytettävän juoksupyörän kiek-kohäviöiden minimoimiseksi virtaussuunnassa eteenpäin käyrät siivet. Edellä esitetyillä tiedoilla laskien juoksupyörien halkaisijaksi D (ks. piirustus) tulee 5 20 mm. Akselin halkaisijaksi d valitaan 10 mm, jolloin vesivoidellun laakerin, joka kestää 200 000 kierrosta minuutissa, on valmistusteknisestä yksinkertainen toteuttaa. Hyötysuhteen maksimoimiseksi käytetään siivekkeellisiä johtopyöriä, jolloin rungon 3 läpimi-10 taksi D2 tulee n. 60 mm. Rungon 3 pituudeksi akselin pituussuunnassa tulee n. 190 mm. Kavitaation välttämiseksi laitteistoon syötettävän nesteen paineen on oltava vähintään 40 bar (käytettävänä nesteenä vesi).

15 Suurimpana yksittäisenä häviönä on juoksupyörien kiekkokitka suuruudeltaan n. 26 kW. Tällöin laitteiston kokona i st ehon tarve on n. 40 kW ja hyötysuhde 3 0%. Tarvittava teho voidaan tuottaa esim. piirustuksessa esitetyllä yksiportaisella impulssiturbiinilla (reikä-20 halkaisija 31 mm) , jota syötetään kolmen bar' in paineisella paineilmalla.

Edellä mainitun laitteiston hyötysuhde voidaan nostaa n. 50%, jos se suunnitellaan pyörimisnopeudelle 400 000 25 kierrosta minuutissa siten, että virtaus on 2 1/min tai nostamalla virtaus arvoon 8 1/min akselin pyörimisnopeudella 200 000 kierrosta minuutissa. Vastaavasti akselin pyörimisnopeuksia voidaan laskea esim. juuri menetelmävaatimuksessa esitetylle alarajalle, mikäli • · 30 vaatimukset esim. nestevirtauksen tilavuusvirran ja/tai laitteiston koon suhteen mahdollistavat tämän mitoitusperusteen. Edellä esitetyllä esimerkkilaskelmalla on ainoastaan esimerkinomaisesti osoitettu, että laitteiston rakentaminen on teknisesti toteutet-: 3 5 tavissa.

8 885Z7

On selvää, että pumppuyksikkönä voidaan käyttää keskipakoispumppua (Partial Emission tai Full Emission) . Esitetyllä ominaispyörimisnopeudella 0.05 rad antaisi pitotpumppu paremman hyötysuhteen, mutta sen 5 pyörivää kammiota on todennäköisesti vaikea saada kestämään suuren keskipakoisvoiman ja painevoiman yhteisrasitusta. On selvää, että edellä mainittu pitotpumppu voidaan saada kestämään pyörimisnopeuksilla, jotka ovat alhaisemmat kuin edellä mainittu 10 ominaispyörimisnopeus.

Piirustuksen mukaisessa laitteistossa on aksiaalivoima-kompensointi toteutettu käyttämällä pumppuyksiköiden juoksupyörien takaosien sisäkehää vastamäntinä kompen-15 soimaan akselin päähän kohdistuva suuri painevoima. Käytetyt tiivisteet ovat kosketusvapaita labyrintti-tiivisteitä, jotka on valmistettu pienellä välyksellä. Tällaisista labyrinttitiivisteitä on käytännössä kokeiltu ja ne ovat hyvin kestäneet pyörimisnopeudet, 20 jotka ovat olleen n. 300.000 kierrosta minuutissa.

Esimerkkilaskelman laitteiston hyötysuhteen ollessa 30% on nesteen loppulämpötila n. 200°C. On selvää, että korkea paine estää veden höyrystymisen ja useim-25 missä käytännön sovellutuksissa tästä lämpötilasta ei ole haittaa varsinaisessa nestesuihkuleikkaustyöstössä.

i

Claims (15)

1. Laitteisto korkeapaineisen nesteen aikaansaamisek-5 si, jolloin laitteisto käsittää: rungon (3), rungon (3) sisään laakeroidun (5a, 5b, 6a, 6b) akselin (10), 10. voimalaitteiston (1, 2) akselin (10) pyörittämisek si, - ainakin kaksi akselilla (10) peräkkäin olevaa, kineettisellä periaatteella toimivaa pumppuyksikköä (7), ja 15. kanaviston (8, 9) nesteen johtamiseksi rungon (3) sisään ja pumppuyksiköiden (7) kautta, jolloin jokaisessa pumppuyksikössä (7) nesteen paine on järjestetty nostettavaksi akselin (10) pyörimisener-gialla vaiheittain siten, että kanavistoa (8, 9) 20 pitkin neste ohjataan edellisen pumppuyksikön f *·· poistopuolelta tai vastaavalta seuraavan pumppuyk- :***: sikön (7) tulopuolelle tai vastaavalle, tunnettu siitä, että nestesuihkuleikkaukseen käytet-tävän korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi lait-.·*·. 25 teisto on varustettu suutinrakenteella (11) , joka on yhteydessä runkoon (3) ja että kanavisto (8, 9) on yhdistetty suutinrakenteeseen (11).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, 30 tunnettu siitä, että voimalaitteisto (1, 2) on yhdistetty akselin (10) ensimmäiseen päähän ja että suutinrakenne (11) on yhdistetty akselin toisen pään / . läheisyydessä olevaan painekammioon tai vastaavaan, '* '1 jonne neste johdetaan kanavistoa (8, 9) pitkin viimei- “ 35 sen pumppuyksikön painepuolelta.

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että akseli (10) on 10 88537 laakeroitu runkoon (3) nestevoidelluilla laakereilla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että voitelunesteenä on neste, 5 jonka painetta nostetaan laitteistolla.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin akselin (10) ensimmäisen pään läheisyydessä olevan ensimmäisen 10 laakerointiyksikön (5a, 5b, 6a) laakeripesä (13) on muodostettu kanaviston (8, 9) osaksi.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että akselin (10) ensim- 15 maisen pään läheisyydessä oleva laakeripesä (13), joka on muodostettu kanaviston osaksi, käsittää ainakin yhden sekä aksiaalisen (5a, 5b) että radiaalisen (6a) nestevoidellun laakerijärjestelyn.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että pumppuyksiköiden (7) välissä on akselin (10) ja rungon (3) välillä vaikuttava tiivistys, erityisesti labyrinttitiiviste (4).

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että pumppuyksikössä (7) ja/tai rungossa (3) on tulo- ja poistopuolen välissä ko. pumppuyksikön (7) ja rungon (3) välillä vaikuttava tiivistys, erityisesti labyrinttitiiviste. 30

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kussakin pumppuyksikössä (7) on nesteen tulopuoli järjestetty suhteessa nesteen poistopuoleen siten, että mainitussa pumppuyksikössä 35 syntyvän paine-eron aiheuttama aksiaalinen voimakom-ponentti, joka kohdistuu akseliin (10), suuntautuu kohti akselin (10) toista päätä, joka on lähempänä suutinrakennetta (11) . i 11 8 5 ? 7

9 08527 Patenttivaatimukset;

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että pumppuyksiköt (7) ovat keskipakois- ja/tai pitotperiaatteella toimivia. 5

11. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin akselin (10) toisen pään läheisyydessä olevan toisen laakerointiyksikön (6a) laakeripesä (14) on muodostettu kanaviston osaksi 10 ja että laakerointiyksikkö käsittää radiaalisen laakerijärjestelyn.

12. Menetelmä korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi käsittäen seuraavat vaiheet: 15 sijoitetaan rungon (3) sisään laakeroidun, voima-laitteiston (1, 2) pyörittämän akselin (10) yh teyteen peräkkäin ainakin kaksi kineettisellä periaatteella toimivaa pumppuyksikköä (7), 20 johdetaan neste mainittujen pumppuyksiköiden (7) kautta, jolloin jokaisessa pumppuyksikössä nesteen j'.’; paine nostetaan akselin (10) pyörimisenergialla .·. : vaiheittain siten, että neste ohjataan edellisen 25 pumppuyksikön poistopuolelta tai vastaavalta ‘Il seuraavan pumppuyksikön tulopuolelle tai vastaaval le, tunnettu vaiheesta, jossa : 30 - johdetaan pumppuyksiköiden (7) jälkeen neste . · ·. nestesuihkuleikkauksessa käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi suutinrakenteelle (11).

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että akselin (10) pyörimisnopeus valitaan ainakin 5 x 104 kierrosta minuutissa. 12 o 8 5 3 7

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nesteen paine nostetaan laitteistolla ainakin 3 x 103 bar'iin.

15. Rungon sisään laakeroituun akseliin sijoitetun ainakin kahden peräkkäisen, kineettisellä periaatteella toimivan pumppuyksikön käyttö nestesuihkuleikkaukseen käytettävän korkeapaineisen nesteen aikaansaamiseksi. 13 88537