NO158231B - Fremgangsmaate ved fremstilling av aksiale vannstraalepumper - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av aksiale vannstrålepumper for drift med lav kavitasjon og høy virkningsgrad ved et hvilket som helst ytelsesnivå mellom høy effekt og en lav effekt ved et bestemt turtall, hvor pumpen omfatter en impeller som kan være utstyrt med et igangsetningstrinn (kicker stage) nedstrøms for hovedpropellblad, en statorskovleseksjon og en dyseseksjon.

Det finnes flere publikasjoner som omtaler kontroll og styring av fludiumhastigheten ut fra en grunnutførelse. US patent 3 664 001 angår innstilling av gjennomstrømningsmengden i en kompressor. De frie kanter av den uskjermede impeller er nedfreset, slik at bladhøyden er redusert og dermed virkestedet forskjøvet mot den lavere ønskede strømningsmengde. For riktig avskjerming av impelleren kreves nye, stasjonære skjermer. Videre må de frie kanter av diffusorbladene freses eller slipes av på en slik måte at de passer til impellerutløpet. Dette gjøres ved installering av adskilte, ringformede diffusorer. Utførelsen tillater således endring av den konstruksjonsmessig foreslåtte gjennomstrømningsmengde i en kompressor eller pumpe, men angår ikke forandringer i kraftinntaket som benytter et ikke modifisert statorhus.

Sveitsisk patent 368 160 angår innstilling av driftspunktet av en aksial pumpe ved reduksjon av aksialpumperotorens tippdiameter og utfylling av gapet mellom husene og rotoren med en innsats. Denne utførelse påvirker forandringen av kraften uten forandringer av pumpehuset eller statorene, men bare impellerkonfigurasjonen.

Ethvert vannstråletremdriftssystem som drives med en fast hastighet likesom fra en dieselmotor, kan innstilles med en fast hastighet enten ved forandring av hastigheten ved hjelp av en girveksling eller ved forandring av impelleren og statorhuset. Det er ønskelig særlig ved industrielle anlegg å eliminere den kostbare girkasse. Uten girkasse kan systemet tilpasses motorens ytelse ved tilsvarende forandring av pumpestørrelsen. Denne fremgangsmåte er kostbar, fordi de fleste pumpedeler må skiftes ut. Dette igjen skyldes at pumpens ytelse er en funksjon av strømningsmengden og trykket. Ved samme trykk vil mengden synke fra 100% ved f.eks. 1000 HK til 80% ved 800 HK. Følgen er at impellerens innløpsparti samt utløpshastighets- karakteristikk må forandres ved hjelp av nye deler. Hvis man i dette eksempel ikke har skiftet ut deler i statoren, vil effekten reduseres og følgen blir erosjonsskader i statorskovler.

Andre kombinasjoner av trykket og strømningsmengden kan velges for å tilfredsstille ytelseskravene og noen av dem er tidligere kjente. Felles for de forholdsregler som må treffes, er imidlertid at det kreves nye pumpedeler for hvert ytelsesnivå.

Fra US patentskrift 2 831 434 er det tidligere kjent en fremgangsmåte for å omdanne en pumpe med en liten impeller til en pumpe med en stor impeller og en annen funksjonskarak-teristikk. I samsvar med denne publikasjon kan en rekke sentrifugalpumper for forskjellige trykk fremstilles. Produk-sjonsprosessen er imidlertid heller omstendelig idet det for hver trykkhøyde kreves en særskilt impeller som må fremstilles og lagres. Hvis en pumpe som er utstyrt for en bestemt trykkhøyde skal forandres må pumpeimpelleren erstattes med en annen impeller med en større diameter, og pumpehusets fremspring-parti må trimmes nøyaktig før den nye impeller kan monteres inn i pumpen. Som en annen forholdsregel er det nødvendig å utvide dyseåpningen.

GB PS 700 859 omtaler skiftning av deler i rotoren til en aksialturbin for oppnåelse av en annen strømningsdynamisk karakteristikk. Aksialturbinen ifølge patentskriftet er bygget opp av flere ringformede moduler. Turbinkonstruksjonen forandres ved tilsetning eller avtagning av moduler. Dette krever et stort antall forskjellige modulkomponenter som må lagres. Spesielt må forskjellige skjermringer, rotorskiver, statorringer, blader osv. holdes på lager.

Hensikten med denne oppfinnelse er å forbedre den innled-ningvis omtalte fremgangsmåte for derved å oppnå at samme pumpedeler kan benyttes for et stort ytelsesområde og hvor den nødvendige utskiftning av deler reduseres til et minimum. Samtidig skulle det være mulig å bruke samme pumpedeler til et stort ytelsesområder ved konstant hastighet. Det skulle også kunne oppnås en lengre brukstid for statorskovlene.

Fremgangmåte ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved at

(a) det fremstilles en pumpe med en impeller for høyeffekt-nivå og en dyseåpning for laveffektnivå, og (b) pumpen tilpasses det aktuelle effektnivå ved å etablere det forønskede forhold mellom strømningskoeffisienten og trykk-koeffisienten ved

reduksjon av impellerens lengde og dermed impellerblad-arealet for tilpasning til det lave effektnivå, eller

forstørring av åpningen av dyseseksjonen for tilpasning til det høye effektnivå, eller

kombinasjon av begge forholdsregler for tilpasning til et medium-effektnivå.

Aksiale vannstrålepumper krever en statorskovlseksjon på nedstrømssiden av impelleren for å oppheve hvirveldannelsen og sikre best mulige strømningsforhold. Denne stator utsettes for kavitasjon og med erosjon hvis ikke statorskovlenes innfalls-vinkel er tilpasset strømningsvinkelen for fluidet som forlater nedstrømsenden av impellerbladet. Når ytelsen endres, må aksialimpelleren og likeså statorskovlseksjonen omkonstrueres for tilpasning til driftsforholdene, slik at kavitasjon unngås (hvis ikke pumpehastigheten endres ved hjelp av girutveksling). Oppfinnelsen eliminerer omkonstruering av pumpen ved trimming av de bakre ender eller nedstrømsender av impellerbladene, slik at strømningsretningen for væsken som kommer inn i statorsek-sjonen, forblir uendret. Pumperotorens diameter og likeså huset som inneholder de faste statorskovler, forblir uforandrede med den følge at et eneste pumpehus vil kunne brukes til forskjellige ytelsesområder. Pumpedysen trimmes for tilpasning til den nødvendige strømningsmengde for hvert ytelsesnivå. Ett eneste dysestykke benyttes.

Oppfinnelsen vil f.eks. kunne anvendes for ytelsesnivåer mellom 500 og 1000 HK ved konstant pumpehastighet uten at statorskovlene utsettes for kavitasjonsskader forutsatt at følgende iakttas: a) Statorens innløpsspissdiameter må være konstant for alle ytelser. b) Statorens innløpsnavdiameter må være konstant for alle ytelser.

c) Statorens skovlform er konstant for alle ytelser.

d) Forholdet mellom strømningskoeffisienten for impellerutløpet

og trykk-koeffisienten må holdes i et område som resulterer i

statorskovlkavitasjonsmargin (nesten konstant) for alle ytelsesnivåer.

For å kunne benytte samme statorskovlgeometri for alle ytelsesnivåer er det nødvendig at hastighetstriangler ved utløpet fra aksialimpelleren er like-r slik at den absolutte strømningsretning for strømmen^stim går inn i statoren, forblir i det vesentlige uendret. Når impellerbladspissens hastighet er konstant (turtallet er konstant og impellerdiametern er konstant), bestemmer forholdet mellom aksialstrømningshastigheten og tangentialstrømningshastigheten strømningsvinkelen. Med impellerspissens hastighet konstant er forholdet mellom strømningskoeffisienten og trykkoeffisienten konstant. Det ovenfor nevnte er derfor en betingelse for identiske statorskovlhus for forskjellige ytelsesnivåer. I en dieselmotorgruppe fra 500 til 1000 HK som arbeider med omtrent 2000 OPM, vil f.eks.

et felles statorhus kunne brukes ved å tilfredsstille en ligning hvor en 500 HK motor vil falle på en felles linje på et diagram for strømningskoeffisienten mot trykk-koeffisienten med en motor som yter 1000 HK. Den oppgave som er igjen, er å innstille den aksiale impellers trykk-koeffisient og pumpens strømningsmengde ved henholdsvis å trimme aksialimpelleren og pumpedysen avhengig av ytelsen av den motor som brukes. En fordel med oppfinnelsen er bruken av et felles statorhus for forskjellige ytelsesnivåer, slik at behovet for å holde flere impellere med større og mindre diameter - eller girkasser - for forskjellige utvekslinger for avpasning mellom motorens ytelse og pumpens kraftinntak elimineres.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor ved hjelp av eksempler og under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et radialsnitt gjennom et parti av impeller-seksjonen i en aksialpumpe, fig. 2 et lignende snitt gjennom dyseseksjonen av pumpen, fig. 3 er et diagram og viser forholdet mellom trykk-koeffisienten og strømningskoeffisienten, fig. 4 et diagram som illustrerer normale ytelsesnivåer for de indikerte trimminger, fig. 5a og 5b er diagrammer som viser forhold mellom aksialimpellerens lengde og ytelsen ved konstant hastighet henholdsvis mellom dysediameteren og ytelsen ved konstant hastighet, fig. 6 viser forholdet mellom akselheste-krefter og pumpeturtallet for forskjellige trimminger, og fig. 7 er et diagram med to kurver som indikerer midtlinjen for to impellerblad i projeksjon på en avrullet eller utflatet sylinder, hvor en bestemt induktor underkastes trimming av bladene i frontrekken.

Fig. 1 viser en del av en aksial vannstrålepumpe 10 omfattende et hus 12, en impeller 14 og en stator 20. Impelleren 14 er anbragt på en drivaksel 22 som er koblet til en kraftkilde (ikke vist). Impelleren har en hovedkrans med impellerblad 16 med fremre kant 15 og bakre kant 17. På nedstrømssiden av den bakre kant 17 kan det være anordnet en ytterligere krans med skovler 18, f.eks. som igangsetningstrinn. Et ringformet gap 24 er dannet mellom ytterflaten 19 av impellerens 14 kropp 21

og husets 12 innervegg 13. Strømmen som forlater den bakre kant 23 av skovltrinnet 18, går inn i statoren 20 ved statorskovlenes 26 fremre kant 25. For å opprettholde strømnings-retningen for strømmen som går inn i statoren 20 ved skovlkanten 25 når motorens ytelse forandres, forandres impellerens 14 skovlbladareal og utløpsvinkel.

For å kunne benytte samme statorskovlgeometri for alle ytelsesnivåer er det nødvendig at hastighetstrekantene ved impellerens utløp forandres på en slik måte at den absolutte strømningsretning for strømmen som går inn i statoren, forblir uforandret som beskrevet. Da aksialimpellerens spisshastighet uT er konstant (OPM og impellerdiameteren er konstant) bestemmer Dette er betingelsen for identiske statorskovlhus for forskjellige ytelsesnivåer.

Fig. 3 viser grafisk kurven for felles statorskovler, f.eks. for dieselmotorgrupper fra 450 til 1025 HK. Det kan sees at hver slik kurve kan trekkes fra nullpunktet og betingelsen = konstant er tilfredsstillet.

Så snart det imidlertid velges et driftspunkt, f.eks. for en dieselmotor som yter 900 HK ved 2000 OPM, er driftspunktene for alle andre pumper fiksert fordi de må tilfredsstille kravet at

Det kan f.eks. antas at det er valgt et punkt A (fig. 3) for 900 HK ved 2000 OPM. Punktet er definert som 4> A = 0,204 og if<>>= 0,338. For 450 HK og 2000 OPM må da punktet B velges med en strømningskoeffisient 0B = 0,144 og en trykk-koeffisient ty>B= 0,235 fordi

I eksemplet er antatt at forholdet mellom impellerinnløpet og utløpets strømningskoeffisient er en konstant. Når den ovenfor nevnte ligning tilfredsstilles, oppnås en unik utførelse for denønskede motorytelse og det er da mulig å benytte det samme statorhus 12 til forskellige ytelsenivåer. Den eneste oppgave som blir igjen er å innstille aksialimpellerens trykk-koeffisient og pumpens strømningshastighet, hvilket nå kan gjøres ved trimming av aksialimpelleren hhv. pumpedysen (fig. 2). Fig. 4 og 5a indikerer hvordan en impeller med en bestemt diameter og lengde kan trimmes. Fig. 1 og 4 viser som et eksempel hvordan samme grunn-impeller skal trimmes for å tilfredsstille kravet til ytelses-området fra ca. 600 til 1200 HK.

Fig. 2 viser at pumpens 10 dyse kan trimmes tilbake (ved

30) for å sikre større gjennomstrømning for større motorytelser

eller kan trimmes noe for mellomytelser uten forandring av statorhuset 20. Således kan et eneste felles statorhus benyttes for en hel gruppe med pumper med forskjellige ytelser. Fig. 5b viser forholdet mellom dysediameteren og trimme-kurven for ytelsen for en bestemt pumpe. Fig. 3 viser en felles kurve hvor forholdet mellom strømningskoeffisienten og trykk-koeffisienten er konstant. En 900 HK motor krysser linjen i punktet A, mens en 450 HK motor krysser linjen i punktet B. Impellerens bladareal er trimmet for det laveste ytelsesområde, mens dysen 29 er trimmet for større gjennomstrømningshastigheter for de største ytelsesområder. Fig. 6 viser pumpens ytelsesopptak som funksjon av propellertrimming og turtall.

Kurvene som er vist på fig. 7, gjengir som eksempler midtlinjene og bladvinklene for to bestemte frontkranser med skovler på en avviklet eller avrullet sylinder. Kurven viser hvor meget av bladet som må fjernes fra navet og spissen for hvert ytelsesnivå for en pumpe med bestemt størrelse. Separa-sjonen mellom trimming 1 og trimming 2-4 anviser fullstendig fjerning av igangsetningstrinnet 18 fra impelleren 14 (fig. 1) når ytelsesnivået reduseres fra 1190 HK til 900 HK.

Oppfinnelsen angir en fremgangsmåte som kan brukes på alle ytelsesnivåer og pumpekombinasjoner. Hvis f.eks. alle tall skal dobles hvor ytelsesområdene fra 1800 til 2380 HK og pumpestørrelsen forøkes tilsvarende under anvendelse av samme utforming som vist på fig. 4-7, vil pumpehusets fleksibilitet som forklart forbli den samme.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av aksiale vannstrålepumper for drift med lav kavitasjon og høy virkningsgrad ved et hvilket som helst ytelsesnivå mellom en høy effekt og en lav effekt ved et bestemt turtall, hvor pumpen omfatter en impeller som kan være utstyrt med et igangsetningstrinn (kicker stage) nedstrøms for hovedpropellblad, en statorskovleseksjon og en dyseseksjon,karakterisert vedat (a) det fremstilles en pumpe med en impeller for høyeffekt-nivå og en dyseåpning for laveffektnivå, og (b) pumpen tilpasses det aktuelle effektnivå ved å etablere det forønskede forhold mellom strømningskoeffisienten og trykk-koeffisienten ved reduksjon av impellerens lengde og dermed impellerblad-arealet for tilpasning til det lave effektnivå, eller forstørring av åpningen av dyseseksjonen for tilpasning til det høye effektnivå, eller kombinasjon av begge forholdsregler for tilpasning til et medium-effektnivå.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at igangsetningstrinnet (18) fjernes fra impelleren (14) for tilpasning til en motor med mellomeffekt.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat en del materiale fjernes fra bakkanten (17) av impellerbladet (16) for tilpasning til en motor med lavere effekt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat dyseseksjonens utløpsåpning forstørres for tilpasning til en motor med toppeffekt.