NO169940B - Fluidkraftoverfoering for smaa apparater - Google Patents

Abstract

Et fluidkraftsystem (10) omfatter en fluidpumpe (13,14) og en impuls turbin (22) som drives i det "inkom-pressive området" hvor pumpen er kjennetegnet ved en kurve for forholdet mellom trykk og stram som er gjensidig omvendt avhengig av hverandre og av en forutbestemt optimal pumpestromningstverrsnittsflate som er forbundet med maksimal pumpeutgangskraft og hvor pumpen innbefatter en innløpsstrømningsbane til turbinrotoren hvis effektive tverrsnittsflate er i det vesentlige tilpasset til pumpens optimale strøm-ningstverrsnittsflate for å begrense pumpedriften til området for maksimal utgangskraft.

Description

Oppfinnelsen vedrører fluid-kraftoverføringssystemer som arbeider i det såkalte "inkompressible området" (selv om uttrykket "inkompressibelt område" er et anerkjent faguttrykk, er det noe misvisende, da området det vises til mer er et i hvilket det i realiteten ikke opptrer noen vesentlig grad av fluidkompresjon, enn et område i hvilket fluider i det er vesentlige inkompressible. Som det også er kjent fra innretninger som arbeider i det inkompressible området forblir selv høyt kompressible fluider såsom luft, i det vesentlige usammenpresset da fluidet som strømmer gjennom systemet vil være utsatt for en trykkvariasjon hvis amplitude er liten i sammenligning med fluidets gjennomsnittlige absolutte trykk).

Mer spesielt vedrører oppfinnelsen et tilpasset sett av pumpe og turbinmotor, av den art som er angitt i innledningen til krav 1, beregnet for drift i det inkompressible området. Oppfinnelsen vedrører også et forbedret, pumpedrevet impulsturbinapparat og en fremgangsmåte til frembringelse av maksimal effekt i et pumpe/turbinsystem.

Vakuumdrevne turbinmotorverktøy eller apparater av den ovennevnte generelle type er kjent f.eks. fra US patent nr. 3 909 875 (Rother et al), nr. 4 305 176 (Lessing et al.) og nr. 4 414 782 (Langenberg). Disse apparater drives med luftstrøm som induseres av vanlige støvsugeranlegg som f.eks. benyttes i hjem, verksteder og lignende. Vanligvis drives disse apparatene ved et relativt lavt energinivå og gir følgelig begrenset ytelse. En underliggende grunn til denne begrensede energi for disse verktøy er kapasiteten for vakuummotoren eller pumpen. Vanlige vakuumpumper er primært, hvis ikke utelukkende utformet for dannelse av en sugeluftstrøm for å innfange smuss og støvpartikler ved munningen av en sugedyse. Vanligvis er det kraft- eller energinivå som kreves for å tilveiebringe en enkel sugerensing imøtekommet med en spesiell vakuumvifte-pumpe-utforming uten noen spesiell energikapasitet. Vanligvis kan luftstrømmens energi som frembringes av vakuumpumpen, selv om den er egnet for sugerensing være marginal i sammenligning med det som kreves for egnet energitilførsel til et turbinverktøy. Vanligvis vil de tidligere kjente turbinmotorapparater når de drives i deres tilhørende systemer bare frembringe en fraksjon av den maskimale energiutgang som er tilgj engelig fra vakuumpumpen. Da som nevnt den maksimale fluidumkraft fra det vanlige støvsugersystem er begrenset, vil et verktøy som bruker mindre enn denne fulle kraft være vesentlig begrenset i sin arbeids-ytelseskapasitet.

Ved oppfinnelsen tas det sikte på å tilveiebringe et høyt kraftnivå i pumpedrevne impulsturbininnretninger av den forannevnte generelle type. Som angitt er utgangstrykk og strøm for pumpen i slike systemer omvendt uavhengig av hverandre.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et sett som er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i kravene 1-4.

Fra US patent 2703904 er det riktignok kjent et tilpasset sett av pumpe og turbinmotor, hvor turbinen har en rotor av impulstypen og en innløpsstrømningsbane for fluidum som kommer inn i turbinmotoren, og hvor strømningsbanen har en effektiv tverrsnittsflate vinkelrett til den innkommende strøm som i størrelse er nær den optimale tverrsnittsflate slik at når det pumpes fluid gjennom motoren vil pumpen induseres til drift i det vesentlige ved sitt maksimale utgangskraftnivå.

Innløpsstrømningsbanen til turbinmotoren innbefatter et antall dyser. Dysene er anført å være større i antall enn antall blader i turbinrotoren. Dysen er også beskrevet med konisk form hvor strømningsbanetverrsnittet eller -arealet avsmalnes i retning av strømningen. Dette er angitt å være en fordel ved at hastigheten for fluidet som rettes mot rotorbladene vil være høy. Det er i US patentet ikke noe forslag eller antydning om at det totale areal eller tverrsnitt av dysene skal ha noe spesielt forhold eller størrelsesforhold til strømningsbane-tverrsnittet for pumpen som driver turbinmotoren.

Et eksempel på en pumpe med en trykk/strømningskarakteristikk som er omvendt avhengig av hverandre er et støvsugeranlegg som vanligvis benyttes for rengjøring hjemme. Vakuumviften eller pumpen vil vanligvis frembringe maksimalt trykk ved null strøm og null trykk ved maksimal strøm. Mellom disse grenser er trykk og strøm vanligvis omvendt i forhold til hverandre slik at fra et vilkårlig referansedriftspunkt vil en økning i strøm resultere i en reduksjon i trykk og omvendt. Maksimal pumpeutgangskraft frembringes vanligvis ved et driftspunkt noe mellom disse ytterpunkter for trykk og strøm.

En slik pumpe og en turbin som drives av denne, arbeider i det inkompressible området fordi det maksimale sugetrykk for støvsugeranlegget er lite i sammenligning med atmosfæretrykket.

En vanlig ASTM test kan gjennomføres med en slik vakuummotor eller pumpe for å bestemme dens utgangskraft som en funksjon av luftstrømmen. Denne test eller prøve innbefatter eksperimentell måling av kraft ved et antall strømningshastigheter og data utledet derav kan benyttes for å registrere en kurve for kraft mot strømningshastighet. Forskjellige strømningshastigheter dannes ved utveksling mellom åpninger med forskjellige tverrsnitt ved oppstrømsenden av vakuumpumpestrømningsbanen. Denne registrerte kurve og en annen registrering av kraft i forhold til pumpestrømstverrsnitt gir en maksimal pumpeutgangskraft, en strømningshastighet som svarer til den maksimale kraftutgang og et optimalt pumpestrømstverrsnitt som frembringer denne strøm og kraft.

Oppfinnelsen omfatter således et pumpedrevet impulsturbinapparat som har de trekk som er angitt i krav 5. Ytterligere trekk ved apparatet er angitt i kravene 6-8.

Som foreslått ovenfor kan et impulsturbinkraftverktøy som drives av luft som pumpes av et støvsugerkraftanlegg, i henhold til oppfinnelsen ha et innløpsstrømningsbanetverrsnitt ved turbinhjulet som er tilpasset til det optimale pumpestrøms-tverrsnitt. Det omtalte tilpassede forhold mellom turbininn-løpsstrømningsbanetverrsnitt og vakuummotorenhet er anvendbart på forskjellige typer og utforminger for impulsturbinkonstruk-sjoner. En korreksjonsfaktor kan benyttes for å dimensjonere turbininnløpsstrømningsbanetverrsnittet oppover, hvor ledevinger eller andre faktorer hindrer innløpsstrømmen fra å følge en uhindret strømningsbanes tverrsnitt. I dette tilfelle vil det effektive areal eller tverrsnitt for det aktuelle turbin-innløpsstrømningsbane være i det meste lik pumpens optimale strømingstverrsnitt.

Hvor kraften synker bare gradvis med økende strøm fra en maksimalverdi vil turbininnløpsstrømningsbanetverrsnittet kunne økes fra et virkelig optimert tverrsnitt uten noe vesentlig tap i maksimalkraft, for å redusere risikoen for at slike tverrsnitt blir tilstoppet av gjenblivende rester. Denne begrensede overdimensjonering av turbininnløpstverrsnittet kan være fordelaktig når en turbin frilegges for skitten luft som i et vakuumfeieverktøy eller en slipemaskin.

Ved oppfinnelsen er det også tilveiebrakt en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved trekkene i henhold til kravene 9-11.

Ved en illustrert utførelse er turbinmotoren anordnet i et vakuumbørsteapparat. Apparatet er festet til enden av en vanlig fleksibel slange som er koblet til en vakuummotor. Vakuum-børsteapparatet er beregnet på å holdes i hånden for å rengjøre flater over gulvet såvel som trappeløpere og teppeområder som krever spesiell oppmerksomhet.

Fig. 1 er et skjematisk perspektivriss av en fluidkraftdrevet overføring i form av et impulsturbinvakuumbørsteapparat som drives av kraftkilden til en vanlig støvsuger,

fig. 2 et diagram som viser utgangstrykket mot utgangsstrømmen for støvsugerkraftkilden,

fig. 3 et diagram som viser utgangskraften mot strømmen for støvsugerkraftkilden,

fig. 4 et diagram som angir utgangskraften mot pumpestrømnings-banetverrsnittet for støvsugerkraftkilden,

fig. 5 et skjematisk perspektivriss av impulsturbinvakuumbørste-apparatet på fig. 1 i forstørret målestokk, og

fig. 6 et skjematisk perspektivriss av en impulsturbin med en annen utforming enn den som er vist på fig. 5.

På fig. 1 er det vist et eksempel på et fluidkraftsystem 10

som omfatter en vakuumbørste 11 som drives med en luftstrøm som utvikles av et støvsugeranlegg 12. Støvsugeranlegget 12

er en i det vesentlige vanlig enhet som er omdannbar fra en opprettstående gulvrengjører til den viste bærbare enhet hvor et frontdysehus (ikke vist) er fjernet. Støvsugeranlegget 12 innbefatter en elektrisk motor 13 og en vifte 14 drevet av motoren som drives i et hus 16. Under drift vil motoren 13

og viften 14 som arbeider som en pumpe trekke luft inn i et innløp 17 og føre den ut gjennom et utløp 18. En vanlig fleksibel støvsugerslange 19 er koblet med en ende til innløpet 17 og med den andre enden til et rørformet håndtak 21 på vakuum-børsten 11. Den illustrerte vakuumbørste 11 utgjør en enhet som er beskrevet i US patentsøknad Serial No. 639,956 (fra 10. august 1984) hvis innhold er innbefattet her som referanse. Denne vakuumbørste 11 innbefatter en impulsturbinmotordrift

22 (fig. 5) som driver en roterende børste 20.

Det kan generelt vises analytisk at en luftturbinmotor når

den drives av luftstrømmen som er frembragt av en vanlig støv-sugers kraftkilde av den type som benyttes til husrengjøring,

er mest effektiv når turbinhjulet er av impulstypen.

Et karakteristisk forhold mellom utgangstrykket AP og utgangs-strømmen Q fra vakuumenheten 12 er illustrert på fig. 2. Trykket AP er drykkdifferensialet under atmosfæretrykk som nås av vakuumenheten 12. Q er strømningshastigheten for luft (f.eks. cm /min.) som pumpes av vakuumenheten 12. Som vist på fig. 2 er trykket AP og strømmen Q for vakuumenheten 12 innbyrdes omvendt avhengig av hverandre, det vil si trykk/strømkurven på fig. 2 er monoton.

Fig. 3 illustrerer utgangskraften fra vakuumenheten 12 som en funksjon av strømningshastigheten Q for luft som pumpes av enheten. Utgangskraften eller energien til vakuumenheten 12 er produktet avAP•strømningshastighet Q gjennom pumpen. Vakuumtrykket for luften i vakuumenheten er f.eks. i størrelses-orden 84 cm H20 og følgelig kan luftstrømmen bli betraktet som inkompressibel.

Forholdene mellom trykk og strøm og kraft og' strøm som er illustrert på fig. 2 og 3 så vel som forholdet mellom kraft og tverrsnittsflate som er angitt på fig. 4 og omtalt senere kan eksperimentelt bestemmes ved utprøving av vakuumenheten 12 i et ASTM standard plenumkammer som benyttes for å måle støvsuger-ytelser. (ASTM standard 1982, vol. 46F 431-79, Standard Performance Measurement Plenum Chamber for Vacuum Cleaners, sidene 654-660; ASTM standard 1982, Vol. 46F 558-78a, Standard Method for Measuring Air Performance Characteristics og Vacuum Cleaners, sidene 906-927). Vakuumenheten 12 er forbundet med plenumkammeret over den fleksible standard slange 19 slik at de målte egenskaper for vakuumenheten 12 innbefatter tilstedevær-elsen av denne slange. En tverrsnittsflate for åpningen, som åpner mellom plenum og slangen 19 varieres i et tilstrekkelig antall trinn til å frembringe data for nøyaktig registrering av kurvene på fig. 2-4. Plenum åpningsflaten som benyttes i ASTM plenumkammeret omdannes til pumpestrømningstverrsnittsflate for vakuumenheten 12 (blandt annet for absisseverdiene på fig. 4) ved å multiplisere slike åpningstverrsnittsflater med ko-effesienten 0,6 for å ta hensyn til sammentrekningseffekter som er forbundet med de skarpe kantene i åpningene til plenum.

Studerer man fig. 3 finner man at utgangskraften fra vakuumenheten 12 når et maksimum ved en gjennomsnittlig strømnings-hastighet Q^, det vil si ved en strøm som er større enn null og mindre enn maksimal strømningshastighet som frembringes av vakuumenheten. Ved dette driftspunkt Q, er den kinetiske energi pr. tidsenhet i fluidumstrømmen som frembringes av vakuumenheten maksimal. På fig. 4 som er en kurve som er funnet eksperimentelt, er utgangskraften for vakuumenheten 12 vist som en funksjon av pumpestrømningstverrsnittsflaten A (utledet av ASTM plenumåpningsarealdata). Tverrsnittsflaten A^ på fig. 4 representerer tverrsnittsflaten som begrenser vakuumenhetens luftstrøm til Q, (det vil si strømningshastigheten ved maksimal kraftutgang som angitt på fig. 3).

I samsvar med oppfinnelsen er turbinmotoren 22 på vakuumbørsten II tilpasset til trykk/strømningskarakteristikkene for vakuumenheten 12 på en måte slik at vakuumenheten begrenses til å virke under trykk og strømningsbetingelser som svarer til området for maksimum kraftutgang for vakuumenheten. Spesielt er vakuumbørsteturbinmotoren 22 innrettet for å forårsake at vakuumenheten 12 utvikler en strømningshastighet som er lik Q^. Med vakuumenheten 12 frembringende sin maksimale kraftutgang blir krafttilførsel til turbinen 22 maksimal.

Denne tilpasning eller avstemning av vakuumbørsteturbinen 22 gjennomføres ved bestemmelse av en effektiv total luftinnløps-strømningsbanetverrsnittsflate Ag^ som er lik pumpens strøm-ning3 stverrsnittsflate A P og forstørrelse av A el, til en aktuell total tverrsnittsf late A -, for innløpsstrømningsbanen til tur-binbladene som er betegnet med 23. Den aktuelle turbininnløps-banetverrsnittsflate måles vinkelrett til fluidumstrømnings-retningen mot impulsturbinbladene 23. Med henvisning til fig. 5 innbefatter impulsturbinen 2 2 en rekke stasjonære innløps-ledevinger 24 som er symmetrisk anordnet i et sirkulært mønster hosliggende til banen for de roterende impellerblad 23. I dette tilfellet vil den aktuelle totale innløpsstrømningsbanetverr-snittsflate A for turbinmotoren 22 være summen av de enkelte passasjetverrsnittsflater a1 (antydet på fig. 5) avgrenset av de hosliggende par av innløpsledevinger 24. Ledevingene 24 frembringer en ønsket strømningsretning for luften til rotorbladene 23.

Forstørrelsen fra effektiv innløpsstrømningsbanetverrsnitts-flate A n til aktuell tverrsnittsflate A , er nødvendig hvor

el

innløpet innbefatter ledevinger som i utførelsen på fig. 5 eller hvor andre faktorer er til stede som begrenser den frie fiiii^c-i-r/jm nonno Vnri-ocinncfsVfnr *=t\Ai +k hvor konstanten

K E er en friksjonskoeffesient som kan beregnes med analytiske metoder og/eller ved eksperementering.

Hvor innløpet ikke innbefatter noen ledevinger og ingen annen strømningsbegrensningsfaktor er til stede er ingen korreksjons-

faktor krevet og A , = A , = A .

^ al el p

Hvor kraften til vakuumenheten 12 som illustrert på fig. 4 ikke øker vesentlig fra sin maksimale kraftmakg med moderate økninger i tverrsnittsflate A Pvil en øket aktuell tverrsnittsflate A ar _ som er større enn A ax, kunne benyttes for dimensjoner-ing av den totale strømningsbanes tverrsnittsflate ved innløpet til turbinmotoren 22. Denne overdimensjonering eller forstør-ring til A^2 kan være ønskelig hvor turbinmotoren trekker inn skitten luft som i en vakuumbørsteanvendelse og det er en risiko for at innløpstverrsnittsflaten kan bli forringet av smuss.

Som eksempel kan det vises til et fluidkraftsystem som vist

på fig. 1-5 som hadde følgende omtrentlige eigenskaper:

Aktuell tverrsnittsflate A al. =3,74 cm<2>

Aktuell tverrsnittsflate A- 0 = 5,55 cm<2>.

Vi skal nå vise til fig. 6 hvor det skjematisk er vist en impulsturbinmotor 31 som adskiller seg fra den på fig. 5. Ved denne utførelse går luft inn i turbinen 32 i en bane som er i det vesentlige tangensial til turbinen og forløper i en retning hovedsakelig på tvers av rotasjonsaksen for turbinen eller rotoren. Turbinmotoren 31 representerer skjematisk den enhets-type som er beskrevet f.eks. i ovennevnte US patent nr. 4 3 05 176. Den totale innløpsstrømningsbanes tverrsnittsflate dannes av en kanal som skjematisk er angitt ved 33. Kanalen 33 retter eller leder luft i det vesentlige tangensielt til impellerrotoren 32 ved en sone som er en relativt smal del av omkretsen av rotoren. Fig. 6 illustrerer et forenklet hus hvor innløpsstrøm-ningsbanekanalen 33 er rektangulær slik at dens tverrsnittsflate er produktet av dens bredde W ganger dens høyde H.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er dimensjonene for innløpskanalen 33 vinkelrett til strømningsbanen anordnet slik at det frembringes en effektiv tverrsnittsflate som er i det vesentlige lik A Psom bestemt for vakuumenheten 12. Hvor im-pulsturbinrotoren 31 har en karakteristisk kraftkurve lik den som er illustrert på fig. 4 og motoren trekker skitten luft vil den effektive totale tverrsnittsflate som benyttes for innløpskanalen 33 kunne være en tverrsnittsflate Ae2, som svarer til Ap2 på fig. 4 og en slik tverrsnittsflate Ag2 opp-dimensjoneres av strømningskorreksjonsfaktorenV 1+K_ hi hvor det er hensiktsmessig til en aktuell total innløpstverrsnittsflate A cl ^9. Luft føres ut gjennom vakuumenheten 12 fra et utløp på turbinmotoren 31 vist skjematisk ved 34.

Det skal forstås at den produsent som gjennomfører foreliggende oppfinnelse kan fremstille et "universelt" impulsturbinapparat for bruk med forskjellige vakuumkraftkilder, hvert med trykk/strømningskarakteristikker som er omvendt avhengig av hverandre men forskjellige. Motoren, huset, impellerrotoren og lignende deler av turbinmotoren kan være i det vesentlige de samme og bare innløpsstrømningsbanetverrsnittet må forandres for tilpasning til et spesielt støvsugeranlegg. Tverrsnittsflaten kan bestemmes ved fremstillingstidspunktet eller kan innstilles av den endelige forbruker ved utskiftning, forand-ring, innstilling eller ved på annen måte å modifisere elemen-tene i strømningsbanetverrsnittsflaten.

De ovenfor beskrevne prinsipper for oppfinnelsen er anvendbare på systemer som drives ved trykk og atmosfæretrykk, såsom hvor en impulsturbin drives av et positivt trykk.

Selv om foretrukkede utførelser for oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet skal det forstås at forskjellige modifikasjoner og forandringer av delene kan gjennomføres her og i kravene.

Claims (11)

1. Tilpasset sett av pumpe og turbinmotor, beregnet for drift i det inkompressible området innbefattende en pumpe som • frembringer et utgangstrykk som er inverst i forhold til utgangsfluidstrømmen fra pumpen via en strømningsbane, hvor pumpen har en effekt mot pumpestrømningsbanetverrsnitt-egengskap som definerer en maksimal pumpe utgangseffekt ved et optimalt pumpestrømningsbanetverrsnitt, og en turbinmotor med en rotor av impulstypen, som bestemmer en turbin innløpsstrøm-ningsbane for fluid som går inn i turbinmotoren fra pumpen, karakterisert ved at den effektive tverr-snittflate for turbinmotor-innløpsstrømningsbanen er tilnærmet den samme som den optimale pumpestrømningsbanetverrsnittsflate.

2. Sett av pumpe og turbinmotor ifølge krav 1, karakterisert ved at turbinmotoren definerer en innløpsstrømningsbane i form av et antall passasjer som er fordelt rundt rotasjonsaksen til rotoren.

3. Sett av pumpe og turbinmotor ifølge krav 2, karakterisert ved at turbinmotoren innbefatter mellomliggende ledevinger for adskillelse av passasjene.

4. Sett av pumpe og turbinmotor ifølge krav 1, karakterisert ved at turbinmotoren innbefatter innretninger for bestemmelse av motorinnløpsstrømningsbanen som en enkel kanal som retter fluidstrømmer i det vesentlige bare mot en omkretsdel av rotoren.

5. Pumpedrevet impulsturbinapparat, innbefattende en fluidpumpe for drift i det inkompressible området, en impulsturbin drevet av fluid pumpet av pumpen og en last drevet av turbinen, hvor fluidpumpen som karakteristisk egenskap har en trykk mot fluidstrøm-kurve som er i det vesentlige innbyrdes inverst avhengig og med en optimal pumpefluidstrømningstverr-snittsf late ved hvilken pumpen virker med maksimal effekt, hvor turbinen innbefatter en turbinrotor og en innløpskonstruksjon som definerer en turbin innløpsfluidsstrømningsbane til turbinrotoren, karakterisert ved at innløps-strømningskonstruksjonen bestemmer turbininnløpsstrømningsbane-tverrsnittsflaten som i det vesentlig lik eller noe større enn pumpens optimale strømningstverrsnittsflate.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at turbinen er utstyrt med innløpsføringsinnretning som danner innløpsstrømningsbanens tverrsnittsflate.

7. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at innløpsføringsinnret-ningen er dannet av et antall innløpsledevinger.

8. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at føringsinnretningen er fordelt til et antall separate punkter ved omkretsen av turbinrotoren.

9. Fremgangsmåte for å frembringe maksimal effekt i et pumpe/turbinsystem som drives i det inkompressible området, og innbefatter en fluidpumpe og en roterende impulsturbinmotor drevet av pumpen, idet pumpen har en omvendt relatert trykk mot strømningsutgangskarakteristikk, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter følgende trinn: a) bestemmelse for pumpen av en innløpsstrømningsbanetverr-snittsflate ved hvilken produktet av fluidumtrykk og strøm-ningshastighet for pumpen er maksimal, og b) bestemmelse for turbinmotoren av en turbininnløpsfluids-strømningsbane hvis effektive tverrsnittsflate er i det vesentlige den samme som den optimale pumpe innløpsstrømnings-banes tverrsnittsflate.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at tverrsnittsflaten for innløpsstrømningsbanen velges ved økning av en optimal tverrsnittsflate men en multi-pliserende faktor på Vl+Kg for å ta hensyn til begrensninger av strømmen i innløpsstrømningsbanen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at kraftnivået som tilveiebringes av pumpen avtar i relativt liten grad med moderate økninger i strømningen utover det for maksimal pumpeutgangskraft og at tverrsnittsflaten som velges for innløpsstrømningsbanen er moderat større enn den som frembringer maksimal kraft for å redusere risikoen for tilstopning av turbinen hvor turbinen er utsatt for partikkel-holdig luft.