SE442077B - Elektromagnetisk pump for smelta metaller - Google Patents

Description

7908935-5 för att bibringa detsamma en rotationsrörelse.

Passagens och cylinderns form gör det ej heller möj- ligt att på ett effektivt sätt öka mediets hastighet genom pumpen. Dessutom saknar denna kända pump en effektiv anord- ning för omvandling vid pumpens utloppssida av mediets hastighet till tryck. ' En annan sådan pump är känd genom amerikanska patentet 2 929 326. Även här används ett roterande magnetfält till att alstra den framåtriktade drivkraften på den smälta metall som införs i pumpkammaren. Pumpen saknar organ, vilka skulle kunna alstra ett roterande flöde inuti mediet vid in- loppet. Ej heller sker vid utloppet någon effektiv omvand- ling av dynamiskt tryck till tryckhöjd. Pumpens verknings- grad blir därför mycket dålig. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en elek- tromagnetisk pump, vilken i ovan berörda avseenden är över- lägsen de kända pumptyperna. Det för uppfinningen känne- tecknande framgår av patentkraven och ett par utförings- former av densamma beskrivs nedan med hänvisning till rit- ningen.

Fig. 1 visar en längdsektion genom en elektromagnetisk pump enligt en första utföringsform, vilken sektion är tagen genom planet A-A i fig. 5.

Fig. 2 visar en sidovy av den induktor som ingår i pumpen enligt fig. 1.

Fig. 3 visar induktorn enligt fig. 2 i tvärsektion enligt planet D-D. I Fig. 4 visar induktorn i sektion enligt planet C-C i fig. 2.

Fig. 5 visar en ändvy av pumpen.

Fig. 6 visar en sektion enligt planet B-B 5 fig. 5.

Fig. 7 visar en längdsektion genom en pump enligt en annan, för närvarande föredragen utföringsform av uppfinningen.

Fig. 8 visar en sidovy av en annorlunda utförd induktor.

Fig. 9 visar i perspektivvy detaljutförandet hos induk- torn enligt fig. 8.

Den i fig. 1 åskådliggjorda pumpen har en cylinder 10, 7908935-5 som företrädesvis består av rostfritt stål och som är fäst inuti ett pumphölje 11 medelst svetsfogar 9 vid höljets gavelsköld 12. Detta är förbundet med höljets 11 mantel via bultar 13. Cylinderns 10 utsida har ett foder 19 av ett värmeisolerande material, exempelvis en keramisk fiber- matta, bestående av 47% aluminiumoxid och 53% kisel. Cylin- derns 10 insida är beklädd med en matta 5 av en värmeisole- rande fiberfilt, vilken kan bestå av keramiska fibrer, till lika delar sammansatt av aluminiumoxid och kisel. Ovanför denna filtmatta 5 befinner sig ett skikt av ett eldfast material 18, som kan innehålla ca. 94% aluminiumoxid, 5,4% kalciumoxid och 0,6% spårmaterial. Detta lager är i sin tur överdraget med ett korrosionsbeständigt skikt 20 av kisel- karbid.

Innanför skiktet 20 befinner sig en ledkropp 24, for- mad såsom en dubbelkon, och en virvelbildare 32, Kroppen 24 kvarhålls på sin plats genom att dess parti 29 med den största diametern med glidpassning anligger mot skiktet 20.

Virvelbildaren 32 fasthålls genom_presspassning mellan kroppen 24 och en lâsring 14, som medelst bultar 15 är fäst vid gavelskölden 12. En del av cylindern 10 är omgiven av pumpkammaren 21, inuti vilken befinner sig en elektrisk lindning 6, som omger en järnkärna 7. Lindningen matas med flerfas växelström. Kärnan 7 fasthålls vid pumphöljet 11 medelst ett låsstift 8. Pumpkammaren 21 genomgås av ett kylmedel, som kommer in genom ett inlopp 50 och avgår genom ett utlopp 51. Vilket som helst lämpligt kylmedel kan använ- das, men enligt den här valda utföringsformen antas kylmed- let bestå av luft vid en temperatur av ca. 25°C.

Under drift är pumpen vanligen vertikalt orienterad med virvelbildaren 32 delvis nedsänkt i det bad av smält metall som skall pumpas. Till inloppet och utloppet ansluts då (icke visade) metallrör.

När den elektriska lindningen qenomgås av växelström, alstras ett roterande magnetfält, vilket genomtränger cylin- dern 10, som tjänstgör såsom pumpkammare för det smälta materialet. Det roterande magnetfältet inducerar inuti den .,__l_....._--w~vw-~-.-._.....__._.-..__._ . 7908935-5 smälta metallen strömmar, som bringar metallen att rotera inuti pumpkammaren. Härvid utsätts metallen för en diffe- rentialkraft, som pumpar den genom kammaren. Virvelbildaren har ett flertal från varandra skilda spår, vilka är så orienterade, att rotationsrörelsen omvandlas till ett axiellt flöde. Från pumpens utlopp överförs smältan till lämpliga behållare.

Ledkroppen 24 är i detalj visad i fig. 2. Den har en första del 26, som är konisk och divergerar i pumpens arbetsriktning, samt en andra konisk del 28, som konverge- rar i nyssnämnda riktning. De båda konerna är koaxiella och har sina basytor vända mot varandra. Ledkroppen befinner sig inuti den av cylindern 10 avgränsade pumpkammaren 22 och är koaxiell med cylindern 10. Såsom ovan nämnts, an- ligger dess grövsta del 29 med glidpassning mot cylinderns innervägg. Den hålls korrekt orienterad genom att ett styr- stift 30 i dess bakre ände griper in i en öppning 31 hos virvelbildaren 32. 1 Ledkroppen 24, vilken kan bestå av samma eldfasta material som skiktet 18, gjuts i två halvor, som sedan sam- manfogas genom upphettning. Styrstiftet 30, som består av kiselkarbid, skjuter in i ett hål 36, vilket är koaxiellt med ledkroppens geometriska längdaxel 25. Konens 26 topp- vinkel är ca. 250, medan konens 28 toppvinkel är ungefär 35°.

Fig. 3 och 4 visar alltså sektioner, tagna enligt linjerna D-D resp. C-C i fig. 2. Ledkroppens tjockare liv- del 29 är omgiven av ett flertal rännor 38. Dessa, vilkas tvärsektion är väsentligen halvcirkulär, sträcker sig runt 'konen 26 snett i förhållande till dennas geometriska längd- axel, medan de utmed konen 28 är orienterade parallellt med axeln 25. Spårens snett riktade delar är så orienterade, att de blir väsentligen parallella med den riktning i vil- ken metallsmältan inkommer. Vinkeln mellan dessa spårdelar och längdaxeln 25 kan vara ca. 300.

Fig. 5 visar i ändvy virvelbildaren 32, fäst i gavel- skölden 12 genom att låsringen 14 är förenad med en mantel Iwpnwrw--wuurru-r m3 -- _ . 7908935-5 43. Fig. 6 visar en sektion enligt linjen B-B. Virvel- bildaren 32, som alltså befinner sig vid pumpkammarens 22 inloppssida, bildar ett mekaniskt stöd för ledkroppen 24 och innehåller ett flertal passager 34, genom vilka den smälta metallen inkommer i pumpkammaren. Dessa passager är belägna på utloppssidan av virvelbildarens inloppskamma- re 46, har väsentligen cirkulär tvärsektion och är så orien- terade, att metallen bibringas en rotationsrörelse runt konen 26.

Passagernas 34 längdaxlar 35 (fig. 6) är snedställda i förhållande till ledkroppens längdaxel 25 och belägna i ett plan 41, som är vridet i förhållande till det plan vil- ket innehåller diametern 37 och längdaxeln 25. Skärnings- punkten 42 mellan planet 41 och diametern 37 är belägen på ett avstånd av ca. 75% av låsringens 14 radie.

Intill virvelbildarens utloppsände 45 befinner sig en expansionskammare 44 i form av en stympad kon, vars mindre basyta ansluter sig till passagerna 34. Expansions- kammaren 44 har till uppgift att införa metallsmältan i kammaren 22 med minsta möjliga friktionsförluster. Vid virvelbildarens utlopp 45 pâverkas metallen av ett roterande magnetfält, som accelererar metallflödet i tangentiell och axiell riktning inuti kammaren 22. Vinkeln mellan expansions- kammarens 44 generatris och pumpens längdaxel 25 kan vara ca. 30q.

Passagerna 34 är så orienterade, att den smälta me- tallen bibringas en rotationsrörelse när den kommer in i kammaren 44. Rotationens riktning kan väljas efter behag, men i den här illustrerade utföringsformen har den antagits ske moturs, betraktad längs axeln 25 från pumpens inlopps- sida. Magnetfälten och spåren 38 orienteras alltså för denna rotationsriktning.

Växelströmmen genom lindningen 6 genererar ett rote- rande magnetfält runt konen 26. Lindningen kan bestå av statorlindningen till en vanlig trefas induktionsmotor.

Magnetfältet inducerar i metallsmältan strömmar, vilka sam- verkar med det roterande magnetfältet, så att metallen kom- gem QUMTY; 7908935-5 mer att rotera runt ledkroppen 24 inuti pumpkammaren 22.

En av denna rotationsrörelse orsakad tryckskillnad ut- sätter metallen för en kraft, som driver fram densamma genom pumpen. Under denna rörelse kring konen 26 kommer metallsmältans hastighet att öka, både med avseende på den tangentiella och den axiella komposanten, fram till den förtjockade livdelen 29. Där träder smältan in i spåren 38, varvid rotationsrörelsen omvandlas till ett axiellt flöde, som sedan bringas att konvergera mellan konen 28 och den till dennas form anpassade kammarväggen 23.

Såsom ovan beskrivits, är spåren 38 snedställda il förhållande till längdaxeln 25 för att smältans tangentiella hastighet skall omvandlas till en axiellt riktad hastighet.

De delar av spåren 38 vilka omger konen 28 är däremot paral- lella med axeln 25, så att metallen strömmar väsentligen axiellt mellan konen 28 och begränsningsytan 23. Mellan dessa båda detaljer bildas alltså en i tvärsektion ring- formad kanal 27, vars längd väsentligen överensstämmer med konens 28. Tack vare kanalen 27 når metallsmältan pumpens utlopp med väsentligen samma hastighet som genom spåren 34.

Genom konens 26 närvaro kommer pumpkammarens 22 effektiva tvärsektionsarea att minska mellan virvelbilda- rens utlopp 45 och ledkroppens livdel 25. När smältan når delen 29, har därför rotationskomponenten hos dess hastig- het sitt högsta värde. Såsom ovan nämnts, omvandlas i spå- ren 38 denna rotationsrörelse till en axiellt riktad rörelse Mellan livdelen 29 och pumputloppet utsätts metall- smältan praktiskt taget inte för det roterande magnetfäl- tets inverkan. Kanalen 27 har ungefär samma tvärsektions- area utmed hela konen 28, så att metallsmältans hastighet förblir konstant i kanalen, vilket innebär effektiv omvand- ling av hastighet till tryck.

Enligt en alternativ utföringsform består virvelbil- daren 32 helt enkelt av en inloppsöppning för metallsmäl- tan. I detta fall åstadkoms rotationsrörelsen alltså ute- slutande av magnetfältet.

Vid utföringsformen enligt fig. 7 kan pumpens hölje 7908935-5 eller kärl uppfattas såsom en degel 60, vilken består av ett eldfast material, företrädesvis smält kvarts. Pumpen har en centralt belägen pumpkammare 62, omgiven av en ringformad kanal 64. Denna har en innervägg 66, en ytter- vägg 68, en sluten botten 70 och en öppen övre ände 72.

Genom att bottnen 70 är sluten, hindras smält metall från att komma in i kanalen 64 när pumpen är nedsänkt i ett bad från vilket pumpning skall ske. Väggen 66 skiljer pumpkam- maren 62 från ringkanalen 64. Inuti denna befinner sig en växelströmslindning 74 med en hållarram 76, fäst medelst bultar 78. Hållaren är förenad med kärlet 60 genom att en stödring 80 anligger mot kärlets övre kant 69.

Stödringen 80, som radiellt sträcker sig utanför kär- let 60, har hål 82 för fästbultar 84. Bultarna samverkar med klämmor 86, som har inåtriktade skänklar 88, vilka gri- per in under kärlväggens översta parti 69, utformat såsom en förtjockad fläns. Mellan denna och ringen 80 befinner sig en bricka 90. När bultarna 84 dras åt och härvid tränger ned i sina hål 87, som är koniska, uppnås både att lindning- ens hâllarram 76 lägesfixeras i förhållande till kärlet 60 och att brickan 90, vilken tjänstgör såsom en packning, sam- mantrycks så att tätning uppnås mellan delarna 92 och 80.

Till hållaren 76 är även kylmedelsinloppet 94 anslu- tet. Kylmedlet kommer via öppningar 96 in i ringkanalen 64 och avgår genom öppningar 98.

Pumpens utloppsrör 100 är medelst bultar 150 förenat med en fästring 149, vilken i sin tur av bultar 104 och en fläns 106 är fäst vid innerväggen 66. Ringen 149 har en fläns 102 med hål för bultarna 104. Flänsen 106 har koniska hål 108 och en upphöjd kant 110. Mellan utloppsledningen 100 och väggens 66 överkant 112 befinner sig en packning 114. På väggens 66 utsida finns ett ringformat spår 116, i vilket flänsens 106 kant 110 griper in, så att vid âtdragning av bultarna 104 packningen 114 sammanpressas och utloppsled- ningen 100 blir tätt ansluten till pumpkärlet 60.

Vid pumpinloppet 118 finns ett inloppsmunstycke 120, som t.ex. kan bestå av kiselkarbid och har en inloppsmynning 7908935-5 122 och en utloppsmynning 124. Munstycket 120 fasthålls genom presspassning mellan en låsring 121 och pumpkamma- rens foderbeklädnad 123. Låsringen 121 vilar i ett spår 125. Inloppsmynningen 122 är väsentligen cylindrisk och sträcker sig utmed ca. 25% av munstyckets axiella längd.

Härefter avgränsas munstycksöppningen av en konisk yta 119, som divergerar i flödesriktningen fram till utlopps- mynningen 124. Konvinkeln kan vara ca. 300 och inlopps- mynningens 122 diameter ca. 75 mm.

Det område som avgränsas av den koniska ytan 119 bildar en expansionskammare, som har förmågan att ge mini- mala energiförluster på grund av friktion och skjuvning samt minimalt tryckfall. Tack vare inloppsmunstyckets koniska form kommer metallsmältan att gradvis anpassa sig till pumpkammarens form, så att även turbulensen blir liten.

Kammarens foder 123, som alltså består av kiselkarbid, kan vara utformad såsom en lätt utbytbar cylindrisk hylsa.

Det kvarhålls genom presspassning i läge mellan inlopps- munstycket 120 och pumpens ledkropp 126. Fodrets uppgift är att skydda väggen 66 från att korroderas av smälta metaller med korrosiv verkan. Emedan fodret 123 lätt kan bytas ut, ökas pumpens effektiva livslängd, då denna ej längre kommer att begränsas av korrosion orsakad av vissa metaller, sär- skilt aluminium. " Ledkroppen 126 - se fig. 8 och 9"- som även kan bestå av kiselkarbid, fasthålls inuti pumpkammaren 62 genom press- passning mellan fodret 123 och ett utloppsmunstycke 128.

Ledkroppen 126 har en första del 130, vilken divergerar koniskt, en cylindrisk mittdel 132 och en koniskt konver- gerande del 134. Konens 130 toppvinkel är ca. 600 och konens 134 toppvinkel ca. 400. Livdelen 132 är omgiven av en ring 136. Inuti denna och tvärs hela dess bredd sträcker sig ett antal spår 138 - se fig. 9. Dessa spår är skruvformigt orienterade och leder metallsmältan från pumpkammaren 62 in i utloppsledningen 100.

Enligt en föredragen utföringsform kan ledkroppen 126 ha sex, på lika inbördes avstånd belägna, vänstervridna 79Ü8935~5 skruvspår med väsentligen rektangulär tvärsektion och en stigning av ca. 45 cm. Spârens höjdmâtt 160 kan vara ca. 12 mm och deras breddmått 162 ca. 50 mm.

När metallsmältan kommer in i dessa spår, har den redan en rotationsrörelse. Under passagen genom spåren modi- fieras rotationsmönstret till anslutning med spårens form.

Strömningsmönstret har alltså nu också en axiell komposant, så att smältan kommer att fortsätta uppåt genom pumpkamma- ren och att avgå genom utloppsledningen 100.

Enligt en alternativ utföringsform är ledkroppen för- sedd med spår väsentligen enligt fig. 2. Smältan kommer då att avgå med väsentligen endast en ren axialrörelse.

Utloppsmunstycket 128, vilket likaledes kan bestå av kiselkarbid, är uttagbart monterat i pumpkammaren 62. Det kvarhålls genom presspassning mellan induktorringen 136 och utloppsrörets 100 vägg. Sedan bultarna 150 åtdragits, bil- dar röret 100, munstycket 128, ledkroppen 126, fodret 123, inloppsmunstycket 120 och låsringen 121 en sammanhängande enhet genom vilken metallsmältan kan passera.

Munstycket 128 har vid sin inloppsände en väsentligen cylindrisk del 140 och en ävenledes cylindrisk del 142 vid utloppsänden. Den sistnämnda delen har mindre tvärmått och de båda delarna övergår koniskt i varandra. När smältan passerar mellan ledkroppen 126 och munstycket 128 kommer densamma därför att utsättas för minimala friktions- och kontraktionsförluster.

Pumpverkan baserar sig alltså på samverkan mellan ett roterande magnetiskt växelströmsfält, alstrat av lindningen 74, och strömmar i metallsmältan. Det är ofta lämpligt att nedsänka pumpen i metallsmältan till ungefär en tredjedel av dess höjd, så att smältans fria yta från början befinner sig ovanför inloppsmunstycket 120 ett stycke upp i pumpkam- I maren 62. När lindningen tillförs ström, företrädesvis 440 V vid 60 Hz, alstras inuti pumpkammaren 62 ett roterande magnetfält. Detta inducerar inuti metallsmältan strömmar, vilka i sin tur genererar ett magnetfält, som samverkar med det ursprungliga roterande fältet, så att metallsmältan 7908955-5 10 bringas att rotera. En viktig fördel gentemot kända elek- tromagnetiska pumpar är att detta förlopp är självstartan- de, dvs. det behöver icke på något sätt initieras annat än genom att lindningen strömsätts.

Rotationsrörelsen i metallsmältan innebär att hastig- hetens tangentiella komposant kan bli ungefär 13 m/s. Inuti pumpkammaren bildas en virvel, vars topp ligger i närheten av munstycket 120. Hastigheten omvandlas till tryck och det uppstår mellan inloppet 118 och virveln en tryckskillnad, vilken är så riktad, att metallen pumpas genom kammaren 62.

När den kommer i beröring med ledkroppen 126, passerar den in genom de skruvformade spåren, varvid rotationsrörelsen omvandlas till en väsentligen helt ren axialrörelse.

Claims (9)

7908935-5 11 Patentkrav

1. Elektromagnetisk pump för smälta metaller med ett pumphölje (11), i vilket en kanal (22) är anordnad, en an- ordning för införande av smält metall i kanalens inlopp, en anordning (6, 7) för åstadkommande av ett magnetfält innanför kanalen för att bringa metallen att rotera i kana- len, en i kanalen anbragt ledkropp (24) med en divergerande, konformig del (26), vars topp är vänd mot inloppet, samt en mot kanalens utlopp vänd, konvergerande, konformig del (28), vilka båda konformiga delars basytor (29) är vända mot var- andra och vilka har en gemensam axel (25), varvid mellan kanalens innervägg och ledkroppens utsida, i området för de båda konformiga delarnas basyta, ett flertal genomgående strömningskanaler (38) är anordnade att i området för den divergerande konformiga delen mottaga den smälta metallen och att i området för den konvergerande konformiga delen avge den smälta metallen, k ä n n e t e c k n a d av att det roterande magnetfältet är anordnat att bringa metall- smältan att rotera i området för den divergerande konformiga delen (26), samt att de genomgående strömningskanalerna (38) är så utformade, att de förvandlar den roterande strömmen av metallsmältan i området för den divergerande konformiga delen till en axiell ström i området för den konvergerande konformiga delen (28).

2. Pump enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de genomgående strömningskanalerna (38) bildar en på för- hand bestämd vinkel med ledkroppens (24) axel (25) i områ- det för den divergerande kilformiga delen (26) samt i huvud- sak är parallella med nämnda axel i området för den konver- gerande kilformiga delen (28).

3. Pump enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den på förhand bestämda vinkeln uppgår till ca. 300.

4. Pump enligt något av föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av att anordningen för införande av metall- smältan i kanalen (22) innefattar en virvelbildare (32) med .PÖOR QUALITY 7908955-5 12 en inloppskammare (46) för mottagande av smält metall från en källa för sådan, ett expansionsområde (44) för avgivande av smält metall till kanalen och åtminstone en förbindelse- passage (34), som förbinder kammaren med expansionsomrâdet för genomsläppande av smält metall mellan dessa.

5. Pump enligt krav 4, kfä n n e t e c k n a d av att expansionsområdet (44) utgöres av en urborrning med ökande diameter och med en minsta diameter i närheten av förbin- delsepassagen (34), varvid expansionsområdesurborrningens koniska yta bildar en på förhand bestämd vinkel med led- kroppens (24) axel.

6. Pump enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den koniska ytans på förhand bestämda vinkel uppgår till cat 300. I

7. Pump enligt något av krav 4-6, k ä n n e t e c k n a d av att virvelbildaren (32) har ett flertal passager (34), som är anordnade vid inloppet och är anordnade att förvandla strömmen av den inkommande metallsmältan till en roterande ström.

8. Pump enligt krav 7, k äun n e t e c k n a d av att passagerna (34) är anordnade att bibringa metallsmältan en rotationsrörelse.

9. Pump enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att passagerna (34) har cirkulär tvärsektion och med en axel bildar en på förhand bestämd vinkel med ledkroppens (24) axel (25). _ . fP-'V- - ' f. *i O :g "' ' \=:'."\: ='-=" * .-