NO324976B1

NO324976B1 - Lavtrykkspumpesystem for fiskeoppdrettsanlegg

Info

Publication number: NO324976B1
Application number: NO19991632A
Authority: NO
Inventors: Theodore Baxter White
Original assignee: Future Sea Technologies Inc
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2008-01-14
Also published as: JP2001501702A; US5681146A; NO991632L; NO991632D0; AU4196997A; WO1998015739A1; EP1027543B1; CA2263758A1; DE69713630D1; EP1027543A1; CA2263758C; JP4050324B2

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en pumpe, nærmere bestemt en pumpe for lave trykk og store volumer for å sirkulere vann til et fiskeoppdrettsanlegg.

Oppfinnelsens bakgrunn

Det er kjent å oppdrette fisk i såkalte mærposeanlegg ("bag" type farms), der fisken er innhegnet i et avgrenset område med en stor mengde vann. US patentene 3,716,024 utstedt den 13. februar 1973 til Lawson, 3,900,004 utstedt den 19. august 1975 til Goldman m.fl., 4,144,840 utstedt den 20. Mars 1979 til Bubien, 4,422,408 utstedt den 27. desember 1983 til Pohlhansen, 4,615,301 utstedt den 7. oktober 1986 til MacKaw, 4,711,199 utstedt den 8. desember 1987 til Nynan, og 4,798,186 utstedt den 17. januar, 1989 til Gartnervn viser eksempler på slike fiskeoppdrettsanlegg.

Disse oppdrettsanleggene bruker en rekke forskjellige typer av konvensjonelle pumper for å sirkulere vannet inn i og ut av mærposen eller innhegningen der fisken vokser opp. Konvensjonelle pumper, så som sentrifugalpumper og liknende pumper som vanligvis brukes i disse anlegg, er relativt dyre i drift og krever mye driftskraft, noe som nødvendig-gjør en stor kraftkilde da de fleste fiskeoppdrettsanlegg ikke har en lett tilgjengelig elektrisk kraftkilde for å drive pumpene.

Skovlhjul for å sette fluider i bevegelse er ikke nye, og mange forskjellige skovlhjulstyper er blitt foreslått for å sette vann i bevegelse. Generelt brukes skovlhjul for eksempel til drive båter, som luftflyttere i vifter eller liknende. Skovlhjulsturbiner brukes også til å generere elektrisitet ved å la strømmende vann drive turbinen i stedet for omvendt.

Bruken av bakoverkrummede blader påskovlhjul har vært kjent i mange år, se US patent 25,213 utstedt den 22. november 1959 til Trip, som beskriver en skrueliknende propell for bruk i en båt. De bakoverkrummede bladene angitt av Trip egner seg ikke for foreliggende oppfinnelse og ville ikke være effektive under de lavtrykks forhold som finnes i fiskeoppdrettsanlegg .

US patent 1,991,095 utstedt den 12. februar 1935 til Hochsetter beskriver en trykkvifte for å sette luft i bevegelse, visstnok uten å danne så mye støy som de vifter som ble brukt for oppfinnelsen. Dette skovlhjul egner seg ikke til å sette vann i bevegelse mot lave trykk fordi navet har for stor diameter og bladene er for brede målt i omkrets-retningen, noe som resulterer i uønsket turbulens som danner høye Reynoldstall, som er uegnet for pumping i fiskeoppdrettsanlegg .

US patent 5,249,993 utstedt den 5. oktober 1993 til Martin

beskriver et sjøgressmotstandsdyktig skovlhjul for å drive en båt eller liknende, med en bakoverkrummet ledekant og der et parti av bladet ved ledekanten som befinner seg nær roten av bladet overlapper bakkanten av det blad som står umiddelbart foran nevnte blad.

US patent 5,226,804 utstedt den 13. juli 1993 til Doh beskriver et propell-liknende løpehjul for en turbin der ledekanten heller fremover fra roten i rotasjonsretningen for å danne forbedret operasjon ved lave trykk og store volum

Kort omtale av oppfinnelsen

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et pumpesystem for lave trykk og store volumer for å sette vann i bevegelse inn i et fiskeoppdrettsanlegg.

I vid forstand vedrører foreliggende oppfinnelse en pumpe for å sette store væskevolumer i bevegelse mot lave trykk på opptil 1 meter, omfattende et hus som Banner en periferivegg av en ringformet passasje med en senterakse, et skovlhjul montert for rotasjon om nevnte vertikale akse og med et navparti og et flertall blader som er symmetrisk posisjonert rundt nevnte akse, der hver av de nevnte blader har et rotparti nær navet og et endeparti ved en maksimal diameter av nevnte blad nær nevnte passasjes periferivegg, der hver av de nevnte blader har en hovedsakelig elliptisk grunnrissut-forming og med et vingeutformet tverrsnitt for å tilveiebringe et forhold mellom løft og motstand (L/D) på minst 75 til 1 under normale driftsforhold når strømningens Reynoldstall gjennom skovlhjulet er under IO<6>, der hvert blad har en senterlinje (CL) som er vridd bakover i forhold til rotasjonsretningen av nevnte skovlhjul, slik at nevnte senterlinje av hvert blad krummer bakover i rotasjonsretningen av nevnte skovlhjul med en svingvinkel oi definert ved uttrykket

a = atan (rt/rr)

der

rr er radien av bladroten

rt er radien av bladtuppen

og følger en bue definert ved

Xi = cos 9iri

Yi = sin Giri

der

Xi = X-koordinaten av punktene i langs bladets nevnte senterlinje i grunnriss som strekker seg langs en radiell linje som strekker seg fra skovlhjulets rotasjonsaksen gjennom et krysningspunkt mellom senterlinjen og navet.

Yi = Y-koordinaten av punktene i langs bladets nevnte senterlinje i grunnriss som står hovedsakelig vinkelrett på X.

ri er den radielle avstand fra punktet i til

rotasjonsaksen,

9i er vinkelen målt mellom X-aksen og punktet i og er definert ved uttrykket

9i = a (ri-rr) / (rt-rr) ,

der hvert nevnte blad har en vingekonfigurasjon fra NACA4000-serien, idet hvert av nevnte blad ved enhver gitt radius ri har en stigning og en angrepsvinkel for å tilveiebringe nevnte forhold mellom løft og motstand for nevnte blad.

Hvert blad vil fortrinnsvis ha en tuppradius rt på mellom

50 cm og 150 cm, nærmere bestemt mellom 75 cm og 120 cm.

Hvert blad vil fortrinnsvis ha en stigningsvinkel fra omtrent 55° til 65° ved roten til 12° til 20° ved enden,

og nevnte angrepsvinkel vil være mellom 3° og 5°.

Nevnte grunnriss vil fortrinnsvis være en ellipse med en hovedakse på mellom 1,3 og 1,7 ganger den maksimale radius (rt) av skovlhjulet, helst l,5<*>rt.

Hvert blad vil fortrinnsvis ha en helning bakover i retningen av væskestrømningen på mellom 4° og 6°, helst 5°.

Nevnte senterakse er fortrinnsvis hovedsakelig vertikal,

og nevnte hus har et konsentrisk vertikalt rør som strekker sg over huset, idet et oppdriftslegeme omslutter nevnte rør og bærer nevnte skovlhjul på undersiden.

Skovlhjulet er fortrinnsvis montert slik i forhold til nevnte vertikale rør og nevnte hus at skovlhjulet kan tas vertikalt ut gjennom røret og huset.

Kort omtale av figurene

Ytterligere trekk, formå og fordeler vil fremgå av den påfølgende detaljerte beskrivelse av de foretrukne utførelser av den foreliggende oppfinnelse under henvisning til de vedføyde tegninger der,

Fig. 1 viser et pumpesystem ifølge foreliggende oppfinnelse som er anbrakt for å levere vann til et fiskeoppdrettsanlegg,

fig. 2 er et grunnriss av en skovlhjulsammestilling som er konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse, Fig. 3 er et grunnriss av en bladkonstruksjon ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 4 er et grunnriss av bladet,

Fig. 5 er et enderiss av bladet,

Fig. 6 er et snitt langs linjen 6-6 i fig. 3.

Beskrivelse av de foretrukne utførelser

Som vist i fig. 1 omfatter pumpesystemet i ifølge foreliggende oppfinnelse et innløp eller inntak 12 som kan beveges mellom stillingen angitt med heltrukket linje og stillingen angitt med stiplet linje eller enhver stilling mellom disse for å justere eller forandre nivået som vannet trekkes fra. Denne bevegelse muliggjøres av svivelstykket 14 .

Et skovlhjul 16 av pumpen befinner seg i et hus 18 som danner en sirkulær periferivegg som har en hovedsakelig vertikal senterakse eller senterlinje 20 som skovlhjulet 16 roterer om. Skovlhjulet drives av en passende motor som i den viste sammenstilling er en hydraulisk motor 22, forbundet via en fleksibel kopling 24 og et aksellager 26 med en aksel som er skjematisk angitt ved senterlinjen 20 for å drive skovlhjulet 16.

En skjerm som er skjematisk illustrert ved 15 avbøyer strømningen generert av skovlhjulet 16 mot et utløp 28. Skjermen 15 er utformet for åtillate lekkasje slik at betydelige trykkstøt ved oppstart av pumpen strømmer inn i det hovedsakelig vertikale rørparti 17 og demper strøm-ningen .

Hele pumpesystemet bæres av en oppdriftskrage 32 som holder motoren 22 et godt stykke over væskenivået L og skovlhjulet 16 et godt stykke under nivået L. Stillingen av oppdrifts-kragen 32 som omslutter den øvre ende av rørpartiet 17 og som inntakssystemet og skovlhjulet 16 er opphengt i, tilveie-bringer et stabilt system som ikke blir påvirket uhensikts-messig av for eksempel bølgebevegelser.

Det er foretrukket at akselen 20 er hovedsakelig vertikal og dermed at røret 17 er hovedsakelig vertikalt, idet disse holdes i hovedsakelig vertikal stilling av oppdriftslegemet 32 som omslutter røret 17. Akselen 20 er montert og posisjonert i røret 17 ved hjelp av passende lagre, så som et ekeunder-støttet lager 21 og et andre ekeunderstøttet lager som ikke er vist, men som bæres av statiske vinger 23 som strekker seg over den fulle diameter av huset 18.

Det vil legges merke til at røret 17 og huset 18 har en hovedsakelig konstant indre diameter fra skovlhjulet 16 (statiske vinger 23 i den viste sammenstilling) til topp-eller motorenden 22 av røret 17. Denne konstruksjon tillater at akselen 20 innbefattet skjermen 15, det ekeunderstøttede lager 21, skovlhjulet 16 og den viste sammenstilling med statiske vinger 23 oppstrøms for skovlhjulet 16 kan demonteres vertikalt ut gjennom røret 17, vanligvis når motoren 22 først er koplet fra akselen 20 og beveget ut av veien. Dette system for demontering oppnås enkelt ved hjelp av kjente midler for å holde og midlertidig feste skjermen 15, det ekeunderstøttede lager og dets holdeorgan 21 og de statiske vinger 23 til røret 17 av huset 18.

Vingene 23 er vist i posisjonen over eller oppstrøms for skovlhjulet 16, men de bør helst plasseres på nedstrømssiden av skovlhjulet 16, dvs. på siden motsatt fra motoren 22, idet akselen 20 sager ut forbi skovlhjulet 16 slik den opptas av et passende lager som understøttes av de statiske vinger 23. Med denne sammenstillingen kan demontering av skovlhjulet 16 bli enda enklere da akselen nå bare trenger å løsnes fra lageret på de statiske vinger 23, og de statiske vinger 23 trenger ikke åbli løftet opp sammen med skovlhjulet 16. Utløpet 28 leverer væske, nærmere bestemt vann, til inn-hegningsområdet eller mærposen 34 som inneholder fisken som produseres i fiskeoppdrettsanlegget.

Skovlhjulet 16 vist i grunnrisset i fig. 2 dannes av et flertall blader 36 (fem stykker i den viste sammenstilling) som er hovedsakelig identiske og symmetrisk plassert rundt periferien av navet 38, som er sentrert i.skovlhjulets rotasjonsakse 20. Hvert av bladene has en aksial senterlinje CL som er krummet som vist i fig. 3.

Antallet blader vil være et primtal 1, dvs. 3, 5, 7, 11, og bladene vil være plassert symmetrisk rundt aksen eller akselen 20. Jo større antallet blader er, desto saktere er skovlhjulets rotasjonshastighet for en gitt gjennomstrøm-ning .

Bladene er alle like og opererer effektivt ved lav blad-belastning, dvs. ved en trykkhøyde på mindre enn omtrent 1 m, leverer relativt store strømninger av størrelsesorden 1 m<3>/sek per innhegning og har et stort reduksjonsforhold uten særlig å redusere pumpeoperasjonens virkningsgrad. En pumpe kan brukes for å levere væske til flere separate innelukkings- eller innhegningsområder.

Hvert av bladene leverer vann der forholdet mellom løft og motstand (L/D) er større enn 75 til 1, fortrinnsvis oppimot 100 til 1 ved et lavt Reynoldstall på mindre enn IO<6>. For å oppnå dette store L/D, har hvert av bladene et vingetverr-snitt som er valgt ut fra NACA-serien (National Advisory Committee of Aeronaeutics) for vingeutforminger, nærmere bestemt NACA4000-serien for vinger (se Abbot, I.H. og A.D. von Doenhoff, 1959, Theory of Wing Sections, Dover Publications, New York).

For å holde Reynoldstallet i det området som kreves (under IO<6>), må hastigheten av væsken gjennom pumpen holdes relativt lav, generelt omtrent 5 m/sek. For dermed å oppnå de store strømningene som kreves, trengs en relativt stor skovlhjulsdiameter og stor husdiameter. Foreliggende oppfinnelse vil normalt ha en skovlhjulsdiameter på minst 50 cm og mindre enn 150 cm, helst mellom omtrent 75 til 120 cm, og en diameter på navet 38 på mellom 10% og 20%, fortrinnsvis 15% av skovl-hjulsdiameteren. Skovlhjulets diameter vil være større enn 93% av den indre diameter av det omsluttende hus 18, slik at klaringen er mindre enn 7% av den indre husdiameter av huset 18. Dersom klaringen er for stor vil, effektiviteten og virk-ningsgraden av pumpen påvirkes betydelig.

Senterlinjen CL (se fig. 3) på bladet er vridd i den motsatte retning av skovlhjulets rotasjonsretningen. Senterlinjen CL vil generelt strekke seg over en bue definert av en sving-vinkel a, som i sin tur er definert ved uttrykket a = atan (rt/rr)

der

rr er radien av bladroten rt er radien av bladtuppen og følger en bue definert ved utrykket

Xi = cos 9iri

Yi = sin Giri

der

Xi = X-koordinaten av punktene i langs bladets nevnte senterlinje i grunnriss som strekker seg langs en radiell linje som strekker seg fra skovlhjulets rotasjonsakse gjennom et krysningspunkt mellom senterlinjen og navet.

ri er den radielle avstand fra punktet i til

rotasj onsaksen,

Øi er vinkelen malt fra X-aksen ved punktet i og er definert ved

Krumningen påsenterlinjen CL er relativt ensartet fra rotposisjonen benevnet med irtil tuppen benevnet med it. Det er viktig at vridningen av skovlhjulsbladene 36 definert av a og 9 er utformet for å øke bladenes tilsynela-tende sideforhold, redusere driftsstøyen og tillate bladene å være hovedsakelig selvrensende.

Bladene har stigninger P som varierer langs sine lengder malt fra rotasjonsaksen 20 av skovlhjulet 16 for å opp-rettholde den ønskede angrepsvinkel. Stigningsvinkelen P er vinkelen mellom X-planet vinkelrett på akselens 20 rotasjonsakse og linjen som forbinder ledekanten og bakkanten på bladet (se fig. 6).

Angrepsvinkelen (3 er satt til mellom 3° og 5°, fortrinnsvis omtrent 4° og dermed varierer tilnærmingsvinkelen cp fra roten ir til tuppen it av hvert blad ifølge forandrin-gen i st igningsvinkelen P, dvs. cp = P - p. Tilnærmingsvinkelen cp ved roten av hvert blad (dvs. cpr) er mellom omtrent 50° til 70°, fortrinnsvis omtrent 60°, og er mellom 12° og 20° ved tuppen (dvs. cpr)/ fortrinnsvis omtrent 16°.

Det er også foretrukket at senterlinjen CL av hvert blad 36 heller i retningen av væskebevegelsen, dvs. at bladets senterlinje ved bladtuppen vil være forskjøvet i bevegel-sesretningen av væsken i forhold til bladets senterlinje ved roten. Denne vinkel benevnet med R i fig. 4 vil generelt være i området mellom 4° og 6°, fortrinnsvis 5°.

Hvert av bladene vil ha en semi-elliptisk utforming rundt senterlinjen CL sett i grunnrisset som vist i fig. 3. Ellipsen vil fortrinnsvis ha en hovedakse som er omtrent

1,5 ganger maksimallengden av senterlinjen CL mellom punktene ir og it,

Eksempel

Et skovlhjul med en maksimal radius rL på omtrent 4 6 cm og en navdiameter på omtrent 6,7 cm ble tilvirket med en NACA4421-vingeutforming ved bladroten med en jevn overgang til en NACA4412-utforming ved tuppen slik at vingepartiene krummer jevnt fra roten til tuppen av hvert av bladene. Skovlhjulet ble montert i et hus med en indre diameter på 94 cm. Bladvinkelen a var 85,8° og vridningen var definert som beskrevet ovenfor ved utrykket

Xi = cos Giri

Yi = sin Giri

der

ri er den radielle avstand fra punktet i til rotasjonsaksen,

Gi er vinkelen målt mellom X-aksen og punktet i og er definert ved uttrykket

Bladstigningen ble satt slik at tilnærmingsvinkelen varierte fra 61,8° ved roten til 16° ved tuppen og angrepsvinkelen ble satt til 4°. Senterlinjens helningsvinkel var 5°. Hvert skovlhjulsblad hadde en semi-elliptisk arealfordeling om senterlinjen CL i " panel form" basert på ellipsen hvis hovedakse er omtrent 1,5 ganger skovlhjulets maksimalradius.

Som vist omfattet skovlhjulet fem blad. Denne skovlhjulsut-formingen hadde spesifikasjonene angitt i tabell I.

Det forstås fra de oppnådde resultater at skovlhjulet meget effektivt setter vann i bevegelse ved lavtrykks forhold over et betydelig reduksjonsområde.

Med denne beskrivelse av oppfinnelsen vil fagmannen lett kunne tenke seg modifikasjoner uten å fjerne seg fra ram-men av oppfinnelsen definert i de vedføyde krav.

Claims

1. Pumpe for å sette store væskevolumer i bevegelse mot lave trykk på opptil 1 meter omfattende et hus (18) som danner en periferivegg av en ringformet passasje med en senterakse (20), et skovlhjul (16) montert for rotasjon om nevnte vertikale akse (20) og med et navparti (38) og et flertall blader (36) som er symmetrisk posisjonert rundt nevnte akse (20), der hvert av de nevnte blader (36) har et rotparti (ir) nær navet (38) og et tupp-parti (it) ved en maksimal diameter av nevnte blad (36) nær nevnte passasjes periferivegg, der hver av de nevnte blader (36) har en hovedsakelig elliptisk grunnrissform og med et vingeutformet tverrsnitt for å tilveiebringe et forhold mellom løft og motstand (L/D) på minst 75 til 1 under normale driftsforhold når strømningens Reynoldstall gjennom skovlhjulet er under IO<6>, der hvert blad (36) har en senterlinje (CL) som er vridd bakover i forhold til rotasjonsretningen til nevnte skovlhjul (16), slik at nevnte senterlinje av hvert blad (36) krummer bakover i rotasjonsretningen til nevnte skovlhjul (16) med en sving-vinkel a definert ved uttrykket der rr er radien av bladroten rt er radien av bladtuppen og følger en bue definert ved xi = cos Giri Yi = sin Giri der Xi = X-koordinaten av punktene i langs bladets nevnte senterlinje i grunnriss som strekker seg langs en radiell linje som strekker seg fra skovlhjulets rotasjonsaksen gjennom et krysningspunkt mellom senterlinjen og navet. Yi = Y-koordinaten av punktene i langs bladets nevn te senterlinje i grunnriss som står hovedsakelig vinkelrett på X. ri er den radielle avstand fra punktet i til rotasjonsaksen, 9i er vinkelen målt mellom X-aksen og punktet i og er definert ved uttrykket Gi = a (r±-rr) / (rt-rr) , der hvert nevnte blad (36) har en vingekonfigurasjon fra NACA4000-serien, idet hvert av nevnte blad ved enhver gitt radius ri har en stigning (P) og en angrepsvinkel (P) for å tilveiebringe nevnte forhold mellom løft og motstand for nevnte blad (36).

2 . Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse i-følge krav 1, karakterisert ved at hvert blad (36) har samme tuppradius rt på mellom 50 cm og 150 cm.

3. Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse i-følge krav 1, karakterisert ved at hvert blad har samme tuppradius rt på mellom 75 cm og 120 cm.

4. Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert blad (36) har en stigningsvinkel (P) ved roten på mellom 55 o til 65 o som gradvis går over til en stigningsvinkel (P) ved tuppen på mellom 12 o til 20 o og har en hovedsakelig konstant angrepsvinkel(P)på mellom 3 og 5 .

5. Pumpe for a sette store væskemengder i bevegelse i-følge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte grunnriss er en ellipse med en hovedakse på mellom 1,3 og 1,7 ganger den maksimale radius rt.

6. Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse i-følge krav 1, 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved at nevnte grunnriss er en ellipse med en hovedakse på mellom 1,3 og 1,7 ganger den maksimale radius rt av skovlhjulet, fortrinnsvis 1,5 rt.

7. Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse i-følge krav 1, 2, 3, 4, 5 eller 6, karakterisert ved at nevnte sentrale akse(20) er hovedsakelig vertikal og nevnte hus (18) omfatter et konsentrisk vertikalt rør (17) som strekker seg fra huset (18), idet et oppdriftslegeme (32) omslutter nevnte rør (17) og er anbrakt slik at nevnte skovlhjul (16) henger under dette.

8. Pumpe for å sette store væskemengder i bevegelse ifølge krav 7, karakterisert ved at nevnte vertikale rør (17) og nevnte hus (18) er anordnet slik at nevnte skovlhjul (16) kan tas vertikalt ut gjennom nevnte rør (17) og nevnte hus (18).