ITMI20010593A1

ITMI20010593A1 - SELF-BALANCED AXIAL THRUST VERTICAL CENTRIFUGAL PUMP

Info

Publication number: ITMI20010593A1
Application number: IT2001MI000593A
Authority: IT
Inventors: Umberto Cambiaghi
Original assignee: Umberto Cambiaghi
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-21
Also published as: EP1247990A1; ITMI20010593A0

Description

Titolo: "Pompa centrifuga verticale/orizzontale a spinta assiale auto-equilibrata" Title: "Self-balanced vertical / horizontal axial thrust centrifugal pump"

La presente invenzione si riferisce alle The present invention relates to

centrifughe ed in particolare ad una struttura semplificata di pompa centrifuga priva di cuscinetti, a strisciamento o a rotolamento, di guida e di spinta. centrifugal pumps and in particular to a simplified structure of a centrifugal pump without bearings, sliding or rolling, driving and thrust.

In linea generale, le pompe centrifughe sono macchine nelle quali si trasferisce energia dalla macchina al fluido mediante una girante in moto relativo rispetto al fluido. La loro struttura comprende una parte statica ed una parte in movimento: una cassa esterna che contiene la girante calettata su un albero mosso, a mezzo di giunto rigido, da un motore. Tra le due parti sono interposti, in linea generale, organi di tenuta che esercitano la loro funzione tra superfici affacciate, piane o cilindriche, in moto relativo tra loro. Per aumentare la tenuta e per ridurre gli attriti in gioco, la pompa viene generalmente equipaggiata di dispositivi ausiliari per la lubrificazione di tali superfici distribuendo un fluido lubrificante nei loro interstizi. Generally speaking, centrifugal pumps are machines in which energy is transferred from the machine to the fluid by means of an impeller in relative motion with respect to the fluid. Their structure includes a static part and a moving part: an external casing that contains the impeller keyed on a shaft moved, by means of a rigid coupling, by a motor. Between the two parts are generally interposed sealing members which perform their function between facing surfaces, flat or cylindrical, in relative motion to each other. To increase the seal and to reduce the frictions involved, the pump is generally equipped with auxiliary devices for lubricating these surfaces by distributing a lubricating fluid in their interstices.

Tali dispositivi di lubrificazione sono fonte di inconvenienti notevoli, sia di tipo ambientale per le perdite e lo smaltimento dei fluidi lubrificanti, sia di rendimento meccanico della macchina per i trafilamenti di fluido, che infine per la complicazione e il maggiore ingombro della macchina. Strutture di pompe centrifughe prive di dispositivi di lubrificazione e con tenuta di tipo radiale tra superfici piane sono note dai brevetti USA 4,242,039, 4,501,530 e 4,913,619. Tali strutture di pompa centrifuga risultano però assai complesse e presentano difficoltà nella loro realizzazione, montaggio, manutenzione e regolazione. These lubrication devices are a source of considerable drawbacks, both of an environmental type due to the losses and disposal of lubricating fluids, and of the mechanical efficiency of the machine for fluid leaks, and finally due to the complication and greater overall dimensions of the machine. Centrifugal pump structures without lubrication devices and with radial seal between flat surfaces are known from US patents 4,242,039, 4,501,530 and 4,913,619. However, these centrifugal pump structures are very complex and present difficulties in their construction, assembly, maintenance and adjustment.

La presente invenzione si riferisce più particolarmente ad una pompa centrifuga di struttura assai più semplice e facile da realizzare, montare, mantenere e regolare. Essa risulta inoltre dotata di un sistema di auto-equilibratura delle spinte assiali, e corrisponde inoltre a esigenze di semplicità, leggerezza e piccolo ingombro. The present invention relates more particularly to a centrifugal pump having a much simpler structure and easier to manufacture, assemble, maintain and adjust. It is also equipped with a self-balancing system of the axial thrusts, and also corresponds to the need for simplicity, lightness and small footprint.

La pompa secondo l'invenzione viene definita, con le sue caratteristiche essenziali, nella prima rivendicazione, mentre le rivendicazioni dipendenti definiscono realizzazioni preferenziali e perfezionamenti dell'invenzione. The pump according to the invention is defined, with its essential characteristics, in the first claim, while the dependent claims define preferential embodiments and improvements of the invention.

Per illustrare con maggiore evidenza le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione, essa viene descritta con riferimento ad una sua tipica realizzazione riportata nelle figure 1, 2 e 3 a titolo esemplificativo e non limitativo. Nelle figure 1 viene mostrata una realizzazione con viste rispettivamente in sezione secondo un piano assiale (figura 1A) e di fronte (figura 1B) della pompa vista da AA. In order to more clearly illustrate the characteristics and advantages of the present invention, it is described with reference to a typical embodiment thereof shown in Figures 1, 2 and 3 by way of non-limiting example. Figures 1 show an embodiment with respectively sectional views according to an axial (Figure 1A) and front (Figure 1B) plane of the pump seen from AA.

Le viste delle figure 2 e 3 mostrano i particolari delle configurazioni assunte dal sistema girante/cassa con la pompa rispettivamente non in funzione e durante il funzionamento. The views of Figures 2 and 3 show the details of the configurations assumed by the impeller / casing system with the pump not in operation and during operation, respectively.

Come illustrato nelle figure da 1 a 3, la pompa centrifuga secondo l'invenzione comprende un corpo pompa 1, che contiene una girante 4 calettata su un albero 3 mediante un profilo scanalato 20, che non vincola la girante in senso assiale. L'albero 3 viene collegato al suo motore -di cui si mostra solamente l'albero 33- con un giunto rigido 15, realizzato in due metà. La carcassa 1 della pompa prevede dalle due parti un'aspirazione IN del fluido ed una mandata OUT del fluido pompato, rispettivamente a sinistra e a destra nelle figure. Nella parte superiore delle figure viene mostrato un coperchio amovibile 2 della carcassa 1, con viti 21 di fissaggio ed un supporto 18 del motore. Tale supporto del motore viene collegato alla carcassa con viti 22. As illustrated in Figures 1 to 3, the centrifugal pump according to the invention comprises a pump body 1, which contains an impeller 4 keyed onto a shaft 3 by means of a grooved profile 20, which does not constrain the impeller in the axial direction. The shaft 3 is connected to its motor - of which only the shaft 33 is shown - with a rigid joint 15, made in two halves. The pump casing 1 provides on both sides an intake IN of the fluid and a delivery OUT of the pumped fluid, respectively on the left and on the right in the figures. In the upper part of the figures a removable cover 2 of the casing 1 is shown, with fixing screws 21 and a support 18 for the motor. This motor support is connected to the casing with screws 22.

L'albero 3 è collegato ad una rondella inferiore 14 a mezzo di una vite 17 e tramite una molla 12, (ammortizzatrice), mantiene la girante 4 sollevata fino a quando non si crea pressione nella camera 23. Con la girante 4 sollevata si hanno i passaggi 9 e 10 massimi di conseguenza la pompa può essere avviata anche a secco senza problemi di usure o grippaggi per attriti nelle zone 9, 10. Quando si crea pressione nella camera 23, a causa del liquido pompato che trafila dal passaggio 10, i giochi 9, 10 si riducono poiché la pressione agendo sulla superficie 29 spinge la girante verso il basso. The shaft 3 is connected to a lower washer 14 by means of a screw 17 and by means of a spring 12, (shock absorber), keeps the impeller 4 raised until pressure is created in the chamber 23. With the impeller 4 raised, the maximum passages 9 and 10 consequently the pump can be started even dry without problems of wear or seizure due to friction in zones 9, 10. When pressure is created in the chamber 23, due to the pumped liquid that leaks from the passage 10, the clearances 9, 10 are reduced since the pressure acting on the surface 29 pushes the impeller downwards.

La guarnizione 24, garantisce la tenuta del fluido pompato tra ogiva 5 e girante 4. La tenuta tra carcassa fissa 1 e girante 4 viene affidata al contatto dei dischi forati od anelli 7 e 8, vincolati alla struttura fissa, con i dischi forati od anelli 6 e 6bis, vincolati alla girante 4. Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione le superfici degli anelli di tenuta vengono realizzate con materiali e finiture ad elevata durezza e bassi attriti allo scopo di ottenere una vita tecnica prolungata degli organi a contatto. The gasket 24 guarantees the tightness of the pumped fluid between the ogive 5 and the impeller 4. The seal between the fixed casing 1 and the impeller 4 is entrusted to the contact of the perforated discs or rings 7 and 8, bound to the fixed structure, with the perforated discs or rings 6 and 6bis, constrained to the impeller 4. According to a preferred embodiment of the invention, the surfaces of the sealing rings are made with materials and finishes with high hardness and low friction in order to obtain a prolonged technical life of the members in contact.

Gli anelli fissi 7 e 8 vengono preferibilmente realizzati con materiali ad elevata durezza superficiale, ad esempio acciai inox, bronzi, carburi di silicio, ceramiche e così via. The fixed rings 7 and 8 are preferably made of materials with a high surface hardness, for example stainless steel, bronzes, silicon carbides, ceramics and so on.

Gli anelli rotanti 6 e 6bis della girante 4 possono essere realizzati con materiali autolubrificanti e a basso coefficiente di attrito, ad esempio con resine, contenenti eventuali cariche additive, carburi di silicio, ceramica, leghe metalliche. Tali anelli di tenuta possono anche essere realizzati, con il criterio di scegliere tra essi una parte sacrificale destinata ad usurarsi per ottimizzare i giochi delle tenute anche in caso di piccoli errori nella planarità e/o nelle tolleranze. The rotating rings 6 and 6bis of the impeller 4 can be made with self-lubricating materials with a low coefficient of friction, for example with resins, containing any additive charges, silicon carbides, ceramics, metal alloys. These sealing rings can also be made, with the criterion of choosing among them a sacrificial part destined to wear out in order to optimize the clearance of the seals even in the case of small errors in planarity and / or tolerances.

Come sopra detto, la girante 4 è calettata sull'albero 3 senza vìncoli in senso assiale; i giochi tra i dischi di tenuta sopracitati possono quindi variare. La tenuta meccanica sul coperchio 2 viene realizzata mediante un anello fisso 25 ed un anello rotante 26, premuti tra loro da una molla 11 che nella parte inferiore viene appoggiata su uno spallamento della girante 4. Una cavità circolare cilindrica 28 di forma e dimensione coerenti con l'ingrossamento intermedio dell'albero 3, funge da guida precisa degli scorrimenti assiali della girante 4. As said above, the impeller 4 is keyed onto the shaft 3 without bolts in the axial direction; the clearances between the aforementioned sealing discs can therefore vary. The mechanical seal on the cover 2 is made by means of a fixed ring 25 and a rotating ring 26, pressed together by a spring 11 which in the lower part rests on a shoulder of the impeller 4. A cylindrical circular cavity 28 of shape and size consistent with the intermediate enlargement of the shaft 3 acts as a precise guide for the axial sliding of the impeller 4.

Nel corpo della girante 4 sono praticati dei fori passanti 27, che mettono in comunicazione la camera superiore 23, delimitata dal coperchio 2 e dal disco 8, con la zona dì passaggio in cui il fluido pompato riceve energia e pressione dalla girante in moto relativo rispetto ad esso. Through holes 27 are made in the body of the impeller 4, which connect the upper chamber 23, delimited by the cover 2 and the disc 8, with the passage area in which the pumped fluid receives energy and pressure from the impeller in relative motion with respect to now.

Come sommariamente mostrato nella figura 1A, il semigiunto rigido 15 viene reso solidale con l'albero motore 33 con rondella 30 e vite 31. Durante il montaggio e nelle regolazioni successive la vite 31, avvitata o svitata, a giunto aperto, consente di tarare i giochi 9 e 10, rispettivamente inferiore e superiore tra parte fissa e parte rotante, spostando assialmente la girante 4. As briefly shown in Figure 1A, the rigid half-coupling 15 is made integral with the motor shaft 33 with washer 30 and screw 31. During assembly and in subsequent adjustments, the screw 31, screwed or unscrewed, with the joint open, allows you to set the clearances 9 and 10, respectively lower and upper between the fixed part and the rotating part, moving the impeller 4 axially.

Le peculiarità della pompa centrifuga secondo l'invenzione risultano evidenti dal suo funzionamento che viene sommariamente descritto nel seguito. La figura 2 mostra la parte rotante della pompa ferma. Nella camera 23 non vi è liquido in pressione, la molla 12 prevale e tende a spingere la girante 4 e l'ogiva 5 verso l'alto, nel piano del disegno. La guarnizione 24 garantisce la tenuta, evitando la fuga del liquido pompato. A pompa ferma i giochi, rispettivamente 10 tra gli anelli 6,8 superiori e 9 tra gli anelli 7 e 6bis inferiori, risultano massimi. The peculiarities of the centrifugal pump according to the invention are evident from its operation which is briefly described below. Figure 2 shows the rotating part of the pump stationary. In the chamber 23 there is no liquid under pressure, the spring 12 prevails and tends to push the impeller 4 and the ogive 5 upwards, in the plane of the drawing. The gasket 24 guarantees tightness, preventing the pumped liquid from escaping. With the pump stopped the clearances, respectively 10 between the upper rings 6,8 and 9 between the lower rings 7 and 6bis, are maximum.

Tra aspirazione IN e mandata OUT la pressione è equilibrata. Anche la molla 11 della tenuta meccanica è più compressa e garantisce la migliore tenuta alle perdite, in quanto l'anello fisso 25 e l'anello rotante 26 sono premuti con maggior forza uno contro l'altro. Se, per errore, la pompa fosse avviata a secco di liquido, i suoi organi rotanti non entrano in contatto con i componenti statici e viene evitato ogni pericolo di grippaggio. The pressure is balanced between suction IN and delivery OUT. The spring 11 of the mechanical seal is also more compressed and guarantees the best sealing against leaks, since the fixed ring 25 and the rotating ring 26 are pressed with greater force against each other. If, by mistake, the pump were started dry of liquid, its rotating parts do not come into contact with the static components and any danger of seizure is avoided.

La figura 3 mostra la parte rotante della pompa in funzione. Gli anelli 6 e 6bis vengono quindi animati da moto rotatorio mentre gli anelli 7 e 8, ad essi affacciati, sono statici essendo vincolati alla carcassa. Figure 3 shows the rotating part of the pump in operation. The rings 6 and 6bis are then animated by rotary motion while the rings 7 and 8, facing them, are static since they are connected to the casing.

Nella camera 23 si genera una pressione dovuta al liquido che penetra attraverso il gioco 10. In the chamber 23 a pressure is generated due to the liquid which penetrates through the clearance 10.

All'aumentare della pressione nella camera 23 corrisponde una discesa del rotore verso il basso, nel piano del disegno di figura 3, un aumento della distanza X, tra lo spallamento dell'albero 20 e la parte superiore della girante 4 (figura 3), ed una corrispondente diminuzione della distanza Y, tra l'estremità dell'albero 3 e la faccia superiore dell'ogiva 5, con conseguente diminuzione dei giochi 9 e 10. As the pressure in the chamber 23 increases, the rotor descends downwards, in the plane of the drawing of Figure 3, an increase in the distance X, between the shoulder of the shaft 20 and the upper part of the impeller 4 (Figure 3), and a corresponding decrease in the distance Y, between the end of the shaft 3 and the upper face of the ogive 5, with a consequent decrease in the clearances 9 and 10.

Tale pressione si esercita infatti sulla superficie 29 del corpo della girante 4, ovvero sulla faccia superiore dell'anello 6 fissato ad essa, e la spinge, insieme all'ogiva 5 verso il basso nel piano del disegno. Il gioco 9 inferiore si riduce e limita le perdite di ritorno verso l'aspirazione del liquido pompato, mentre il gioco 10 si equilibra per lo scarico di pressione dalla camera 23 dai fori 27 della girante 4. This pressure is in fact exerted on the surface 29 of the impeller body 4, or on the upper face of the ring 6 fixed to it, and pushes it, together with the ogive 5 downwards in the plane of the drawing. The lower clearance 9 is reduced and limits the return losses towards the suction of the pumped liquid, while the clearance 10 balances for the discharge of pressure from the chamber 23 from the holes 27 of the impeller 4.

L'anello superiore rotante 6 affacciato all'anello 8 statico funge così da disco di equilibrio idraulico regolando la pressione nella camera 23 al variare del gioco 10. Le spinte assiali vengono sopportate con l'anello 6bis, che le scarica con il meato del liquido sull'anello 7 contrapposto. The upper rotating ring 6 facing the static ring 8 thus acts as a hydraulic balance disc by adjusting the pressure in the chamber 23 as the clearance 10 varies. The axial thrusts are supported with the ring 6bis, which discharges them with the liquid meatus on the opposite ring 7.

Durante il suo funzionamento, la girante 4, montata sull'albero 3 con il profilo scanalato 20, risulta assialmente libera e flottante nel liquido pompato. Gli scorrimenti assiali sono ammortizzati dalle molle 11 e 12 che lavorano in contrapposizione; durante il servizio la pompa trova da sola il suo equilibrio della posizione assiale. Lo scorrimento della girante 4 verso il basso, sempre nel piano del disegno, scarica la molla 11 della tenuta meccanica; l'anello fisso 25 e l'anello rotante 26 sono premuti con minor forza uno contro l'altro, quando sono animati da moto relativo. Da tale struttura di pompa consegue una minore usura e una maggiore vita tecnica della tenuta meccanica. During its operation, the impeller 4, mounted on the shaft 3 with the grooved profile 20, is axially free and floating in the pumped liquid. The axial sliding is cushioned by the springs 11 and 12 which work in opposition; during the service the pump finds by itself its equilibrium of the axial position. The sliding of the impeller 4 downwards, again in the plane of the drawing, discharges the spring 11 of the mechanical seal; the fixed ring 25 and the rotating ring 26 are pressed with less force against each other, when they are animated by relative motion. This pump structure results in less wear and longer service life of the mechanical seal.

Come si può notare dalla realizzazione esemplificativamente riportata, la pompa centrifuga secondo l'invenzione consegue ulteriori e rilevanti miglioramenti e vantaggi rispetto alla tecnica nota. Tra di essi, meritano almeno un cenno quelli che vengono esposti nel seguito. As can be seen from the embodiment given by way of example, the centrifugal pump according to the invention achieves further and significant improvements and advantages with respect to the known art. Among them, those that are exposed below deserve at least a mention.

La pompa secondo l'invenzione consente la sostituzione e la manutenzione delle parti interne con estrema facilità, non essendovi cuscinetti a rotolamento di guida e di spinta. Non vi è parimenti necessità dì dispositivi di lubrificazione. Tutte le parti interne sono accessibili senza rimuovere il motore e le tubazioni. La taratura dei giochi 9 e 10 tra gli anelli radiali di tenuta è effettuabile dall'esterno del coperchio 2, senza aprire la pompa. La pompa risulta assai leggera e compatta e molto adatta in campo navale, dove esistono vincoli sia nello spazio disponibile sia nella accessibilità della collocazione delle pompe e del loro motore. The pump according to the invention allows the replacement and maintenance of the internal parts with extreme ease, as there are no guide and thrust roller bearings. There is likewise no need for lubrication devices. All internal parts are accessible without removing the engine and pipes. The calibration of the clearances 9 and 10 between the radial sealing rings can be carried out from the outside of the cover 2, without opening the pump. The pump is very light and compact and very suitable in the naval field, where there are constraints both in the available space and in the accessibility of the location of the pumps and their motor.

L'albero 3 della pompa non viene in contatto con il liquido pompato ed è quindi preservato da eventuali attacchi corrosivi. La pompa può essere messa in funzione anche a secco e per periodi prolungati senza danni di rilievo. The pump shaft 3 does not come into contact with the pumped liquid and is therefore protected from any corrosive attacks. The pump can also be operated dry and for prolonged periods without significant damage.

Claims

CLAIMS 1. Centrifugal pump comprising a pump body or casing (1), an impeller (4) connected to a shaft (3) in turn connected to a motor shaft (33) with a coupling (15), a removable cover (2) , the seal between the pump body (1) and the impeller body (4) being entrusted to rings (7,8), bound to the fixed casing (1), facing rings (6,6bis), bound to the impeller (4) , which are placed in rotation with it, characterized by the fact that the impeller (4) is keyed onto a shaft (3) by means of a grooved profile (20), which does not constrain it in the axial direction and allows it to be floating in the pumped liquid in its rotation and which in the impeller body (4) through holes (27) are made that connect the upper chamber (23), delimited by the cover (2) and the ring (8), with the passage area where the pumped fluid receives energy and pressure from the impeller in relative motion with respect to it. 2. Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the shaft (3) at one end is connected to the impeller (4) and at the opposite end the other part is connected to the coupling (15). 3.Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the axial sliding of the shaft (3) is cushioned by springs (11,12) which work in opposition, the spring (11) being connected to the mechanical seal on the cover (2 ) by means of a fixed ring (25) and rotating ring (26), and the spring (12) being inserted between the impeller (4) and a washer (14) fixed to the end of the shaft (3) opposite the joint (15) by means of a screw (17). 4. Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the means for adjusting the clearances (9,10), axially moving the impeller (4) with respect to the pump body (1), consist of a screw (31), of constraint of the shaft (3) to the joint (15). 5. Centrifugal pump according to claim 2, characterized in that an ogive (5) is mounted on the impeller (4) with the interposition of a gasket (24) for sealing the pumped fluid.