SE501029C2 - Centrifugalpump - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 2 den ena ytan, som normalt är navytan. Att åstadkomma pumphjulet med en halvöppen konstruktion gör det enklare att gjuta pumphjulet och att hålla kanalerna fria under användning, i det fall materialet som pumpas skulle inne- hålla föroreningar som skulle kunna täppa till pumphjulets kanaler.

Ett avgörande problem med pumphjul av den halvöppna konstruktionen är att trycket på den pumpade fluiden utövar ett högt axialtryck på pumphjulet, vilket ger oönskade höga belastningar på lagersystemet för pump- hjulet. Konstruktörererna brukar minska axialtrycket på pumphjul av den halvöppna konstruktionen genom att anordna tryckbalanserande hål i gaveln för att minska det tryck som anbringas på gavelns yttre yta. De balanserande hålen är vanligtvis anordnade nära pumphjulets inströmnings- område radiellt innanför inloppen till pumphjulets kanaler, p g a att tryckbalanserande hål vanligtvis är mer ända- målsenliga då dessa anordnas närmare rotationsaxeln, och det antas att anordnandet av balanserande hål i kanaler- na'skulle i onödan minska pumphjulets hydrauliska prestanda.

Av denna anledning är det ovanligt för balanserande hål att öppna in i ett pumphjuls pumpande kanaler.

Sammandrag av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett förbättrat pumphjul med radiella centrifugal- blad av halvöppen konstruktion.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett pumphjul med radiella centrifugalblad av halvöppen konstruktion med ett arrangemang av tryck- balanserande hål, som ökar ett dylikt pumphjuls hydrauliska prestanda i jämförelse med ett pumphjul av samma konstruk- tion utan balanserande hål.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett pumphjul med radiella centrifugal- blad av halvöppen konstruktion och ett arrangemang av tryckbalanserande hål, som progressivt kan minskas i 10 15 20 25 30 35 501 029 3 diameter över ett stort diameterområde genom att prog- ressivt beskära och eliminera en del av de balanserande hålen, medan man bibehåller en jämn, hydraulisk prestanda i pumpen över diameterområdet.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett pumphjul med radiella centrifugalblad av halvöppen konstruktion, som minskar de höga axial- trycken som behäftar denna typ av pump utan att negativt påverka pumpens totala prestanda.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 är ett snitt genom en pump längs pumphjulets axel och innefattande ett pumphjul som är framställt i enlighet med föreliggande uppfinning.

Figur 2 är en vy framifrån av pumphjulet i figur 1.

Figur 3 är ett snitt längs linjen 3-3 i figur 2.

Figur 4 är ett förstorat parti av figur 2.

Figur 5 är ett diagram som visar skillnaden mellan de hydrauliska prestandakurvorna för pumpar som utnyttjar och ej utnyttjar föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Pumpen 1, som visas på ritningarna, är en centrifugal- pump och är känd inom industrin som en vertikal pump av ledningstyp ("in-line type"). Pumpen 1 innefattar ett hus 4 med en huskropp 5, ett hushölje 6, en inlopps- kanal 7 och en utloppskanal 8, vilka är avsedda att an- slutas till de åtskilda ändarna hos en rörledning (ej visad), som kan uppbära pumpen 1. Pumpen 1 innefattar ett centrifugalpumphjul 9, vilket roterar i en pumpkammare 10 som är utformad i huskroppen 5 och som är ansluten till inloppet 7 och utloppet 8. Pumphjulet 9 är fäst på den nedre änden av en axel 11, vilken sträcker sig verti- kalt uppåt från pumphjulet 9, genom hushöljet 6 och om- slutes av tätningar 13, vilka är monterade i hushöljet 6.

Axeln 11 är en del av ett drivorgan 15, som är känt som ett elektriskt drivorgan, monterat med axeln 11 sig sträckande vertikalt nedåt och som innefattar en änd- 10 15 20 25 30 35 501 1029 4 skiva 17 som omger axeln 11. Ändskivan 17 vilar på och uppbäres av ett bärstativ 20, som är anordnat mellan pumpens hushölje 6 och drivorganet 15. Bärstativet 20 innefattar ett flertal vertikala ben 21, vilka sträcker sig mellan en övre ring 22 och en nedre ring 23. Bärsta- tivets 20 nedre ring 23 vilar mot och är fastskruvad på pumpens 1 hushölje 6, och den övre ringen 22 är fast- skruvad på drivorganets 5 ändskiva 17, vilket resulterar i att drivorganet 15, bärstativet 20 och pumpen 1 är integrerade till en enda, styv enhet som tillåter pumpen att använda drivorganets lagersystem för att rätt uppbära axeln, då denna roterar i pumpens huskropp 5 och tätning- arna 13.

Pumphjulet innefattar ett centralt nav 25 med en axiell borrning som upptar ett parti 26 med reducerad diameter av axeln 11 och är fastkilad på axeln 11 medelst en konventionell kil 27, som är anordnad i motsvarande kilspår i axelpartiet 26 och borrningen i navet 25. Pump- hjulet 9 fasthålles på axeln 11 medelst en konventionell pumpinducerskruv 28 med ett gängat element, som är ingängat i ett motsvarande gängat hål i axelns 11 ände. Inducer- skruven 28 roterar i ett förstorat parti av inloppskanalen 7 för att alstra ett positivt tryck hos den inströmmande fluiden innan den når pumphjulet 9. Inducerskruven 28 kan ersättas med ett konventionellt fästorgan i händelse av att NPSH (det positiva trycket i ledningsnätet) i inloppskanalen 7 är tillräckligt. I huvudsak är den ovan- stående konstruktionen konventionell och utgör ej någon del av föreliggande uppfinning, med undantag av vad be- träffar en sådan konstruktion som är nödvändig för driften av föreliggande uppfinning.

Pumphjulet 9 roterar kring en axel 31 och innefattar en gavel 32, som är integrerad med navet 25 och sträcker sig radiellt utåt från navet 25 med en cirkelformad peri- feri 33, vilken uppvisar en radie som sträcker sig från pumphjulets 9 axel 31. Med hänvisning till figur 2 inne- fattar pumphjulets främre yta 35 ett centralt inström- 10 15 20 25 30 35 501 029 5 ningsområde 36, där den axiellt inströmmande fluiden först träffar pumphjulets yta 35, och en krökt profil för att gradvis vrida fluiden från en axiell riktning mot en radiell riktning, då den inströmmande fluiden strömmar radiellt utåt. En serie långa centrifugalblad 38, vilka är utformade i ett stycke med pumphjulets yta 35, är vinkelmässigt åtskilda med jämna intervall runt pump- hjulets axel och sträcker sig längs radiella linjer (fyra st visas i figur 2). Varje långt centrifugalblad 38 uppvisar en inre kant 39, vilken börjar vid inströmningsområdets 36 ytterkant och sträcker sig radiellt utåt till periferin 33. Varje centrifugalblads 38 främre kant 40 är plan och lutar mot gaveln 32, då det sträcker sig radiellt utåt med en liten vinkel mot ett plan som är vinkelrätt mot axeln 31. Alla långa centrifugalblads 38 främre kanter 40 ligger på ytan av en imaginär kon med spetsen på pump- hjulets 9 axel 31 och divergerar mot gaveln 32 då konen sträcker sig radiellt mot periferin 33.

Ett par korta centrifugalblad 42 är utformade i ett stycke med pumphjulets främre yta 35 mellan varje par intilliggande, långa centrifugalblad 38 och sträcker sig längs radiella linjer samt är jämnt åtskilda från varandra och de intilliggande, långa centrifugalbladen 38.

De korta centrifugalbladens 42 inre kanter 43 är anordnade på ett väsentligt avstånd radiellt utanför de långa centri- fugalbladens 38 inre kanter 39 och sträcker sig utåt till pumphjulets 9 periferi 33. De korta centrifugal- bladens 42 främre kanter 44 är anordnade på ytan av samma imaginära kon som i fallet med de långa centrifugalbladens 38 främre kanter 40. En anledning till detta anordnande av de främre kanterna 40 och 44 hos de långa och de korta centrifugalbladen beror på att dessa kanter måste rotera nära pumpkammarens 10 intilliggande vägg för att pumpa ändamålsenligt. En annan anledning beror på att dessa kanter är anordnade att planas (svarvas medelst maskinverk- tyg) för att ändra storleken på pumphjulet, vilket möjlig- gör att gjutning av pumphjul med samma storlek kan utnyttjas 10 15 20 25 30 35 5016029 6 för olika stora pumpar. Föreliggande uppfinning möjliggör även bearbetning av det gjutna pumphjulets periferi 33 för att åstadkomma en serie pumphjul 9 med olika diametrar, såsom kommer att förklaras närmare nedan.

Pumphjulet 9 är av den halvöppna typen, eftersom det endast uppvisar en enda gavel 32. Denna typ av pump- hjul orsakar alstrandet av ett högt axialtryck på pump- hjulets bakre yta 46, p g a att utloppstrycket hos den pumpade fluiden, som strömmar in i utrymmet intill den bakre ytan 46, och trycket på pumphjulets främre yta 35 ej är tillräckligt för att alstra en motkraft av samma storlek, såsom skulle ha varit fallet med ett slutet pumphjul (med två gavlar). Ett sätt att minska detta stora axialtryck är att anordna tryckbalanserande hål 47 i pumphjulet 9 intill det centrala inströmningsområdet 36.

Tryckfluiden, som verkar på den bakre ytan 46, strömmar genom hålen 47 och förenas med den inströmmande fluiden då den pumpas. Rätt dimensionering och placering av hålen 47 intill inströmningsområdet 36 minskar ej överdrivet pump- ens verkningsgrad, eftersom det hjälper till att minska trycket hos fluiden som verkar på den bakre ytan 46.

Användningen av långa centrifugalblad 38 tillsammans med korta centrifugalblad 42 ger en serie radiellt riktade pumpkanaler 50. Området mellan varje par centrifugalblad 38 karaktäriseras som en sektor 51, och de tre kanalerna 50 i varje sektor 51 uppdelas ytterligare i en främre kanal 50A, en mellanliggande kanal SOB och en bakre kanal 5OC, varvid dessa benämningar har valts i enlighet med pumphjulets 9 rotationsriktning, som visas med pilen i figur 2 och 4.

Föreliggande uppfinning innefattar konceptet att anordna ytterligare små tryckbalanserande hål 52 i gaveln 3 mellan kanalerna 50 och gavelns 32 bakre yta 46. Dessa hål 52 tillåter ytterligare fluid att under tryck strömma från utrymmet intill den bakre ytan 46 för att förenas med den fluid som pumpas in i kanalerna 50, vilket or- sakar ytterligare minskning av det tryck som verkar på 10 15 20 25 30 35 501 029 7 den bakre ytan 46 och, till uppfinnarnas stora förvåning, ökar pumparbetets verkningsgrad, såsom kommer att för- klaras.

Såsom framgår av figur 2 roterar pumphjulet 9 i medurs riktning, och då den pumpade fluiden inströmmar i inströmningsområdet 36 svepes den radiellt utåt, vilket i samband med pumphjulets rotation orsakar en resulterande rörelse med en medurs spiralformad strömning för fluiden.

Först inströmmar fluiden i en sektor 51 mellan två intill- liggande, långa centrifugalblad 38 och fortsätter att strömma i spiral åt vänster, i förhållande till det medurs roterande pumphjulet, såsom visas i figur 4 med pilarna 54. Denna resulterande spiralrörelse hos fluiden bringar mer fluid att inströmma i den bakre kanalen 50C än vad som inströmmar i den mellanliggande kanalen SOB, och ännu mindre fluid att inströmma i den främre kanalen SOA. Eftersom mindre fluid strömmar i den främre kanalen 50A är de små balanserande hålen 52 i den främre kanalen 50A anordnade närmare inströmningsområdet 36 än vad de små hålen 52 i de andra två kanalerna 50B och 50C är för att fluiden på den bakre ytan 46 skall öka mängden fluid tidigare i den främre kanalen 50A, d v s närmare inströmningsområdet 36 än i de två andra kanalerna. Lika- ledes är de små balanserande hålen 52 i den mellanliggande kanalen 5OB anordnade närmare inströmningsområdet 36 än vad hålen 52 i den bakre kanalen 50C är av samma an- ledning, nämligen för fluiden som strömmar genom hålen 52 att förenas med den pumpade fluiden i den mellanliggande kanalen 50B tidigare än i den bakre kanalen 50C.

De små balanserande hålen 52 i varje sektor 51 är vidare anordnade i kanalerna med lika stora intervall längs kanalerna 50, med hålen i varje kanal 50 på ett annorlunda avstånd från axeln 31 i jämförelse med de andra hålen 52 i hålgruppen i denna sektor av kanalerna 51.

En anledning till detta arrangemang är att sprida ut de tryckbalanserande hålen jämnt längs pumphjulens 9 radie i varje sektion 51 för att mera jämnt frigöra 501 029 10 15 20 25 30 35 8 trycket på den bakre ytan 46 av pumphjulets gavel 32.

En annan anledning är den att de tryckbalanserande hålen 52 fortsätter att vara utspridda jämnt över den bakre ytan 46, då pumphjulets periferi 33 minskas genom bearbetning såsom kommer att förklaras nedan.

En annan faktor som skall tagas med i beräkningen är att bestämningen av arrangemanget av de små tryck- balanserande hålen 52 är behovet av att uppvisa samma antal tryckbalanserande hål 52 som öppnar på periferin 33, då pumphjulets radie minskas. I det arrangemang som visas i figur 4 uppvisar varje sektor 51 ett litet hål 52 på sin periferi över hela periferins 33 minskning. Detta innebär att, då pumphjulets 9 radie ökas med början från hålet 52 närmast inströmningsområdet 36 i varje sektor 51, ett hål 52 per sektor 51 alltid kommer att ligga på en cirkel med valfri radie tills man når periferin 33.

Om de små hålen 52 vore runda skulle det ha funnits många fler hål i kanalerna 50 än vad som visas för att uppfylla detta behov av att alltid uppvisa ett hål per sektor på en cirkel med valfri radie. Bruket av avlånga hål 52 har minskat det nödvändiga antalet hål för att uppfylla detta villkor att alltid uppvisa åtminstone ett hål på cirkeln. Färre antal hål innebär att pumphjulets hållfasthet påverkas i en mindre utsträckning än om hålen vore runda. I själva verket skulle användningen av dessa runda hål kunna minska pumphjulets 9 hållfasthet till den punkt där det vore farligt och således oacceptabelt att utnyttja pumphjulet. Allt detta gör det uppenbart, att bruket av långsträckta hål utgör ett av särdragen hos föreliggande uppfinning.

Centrifugalpumpens pumphjul 9, som uppvisar raka radiellt sig sträckande centrifugalblad, uppvisar en relativt låg specifik hastighet, normalt inom området under 600 rpm (se nedanstående formel för specifik hastig- het). Detta relativt låga specifika hastighetsomràde innebär att detta är en pump med relativt litet flöde som kan åstadkomma höga tryckkoefficienter och som uppvisar 10 15 20 25 30 501 029 9 en relativt låg verkningsgrad. Denna typ av pump används vid tillämpningar då det krävs att man åstadkommer höga tryck medan man pumpar en relativt liten mängd pumpfluid och då en hög verkningsgrad ej har någon hög prioritet.

Konstruktionen av en pump är normalt en kompromiss mellan olika egenskaper som önskas för pumpen, och generellt är tillämpningen för föreliggande pump när önskan att erhålla ett högt tryck till en relativt låg pumpkostnad är en av de viktigaste faktorerna.

Formen för specifik hastighet, som används här, är: Specifik hastighet = N/Q/H3/4 Där: N = pumphjulets hastighet (rpm) Q = strömningshastighet (gpm) H = tryck (fot) De generella konstruktionsparametrarna för pumpen enligt föreliggande uppfinning innefattar följande: hastighet 3550 rpm strömningshastighet 16 till totalt utvecklat tryck 250 till 750 fot 125 gpm max insugningstryck 500 psi max arbetstryck 720 psi NPSH utan inducerskruv 4 till 10 fot NPSH med inducerskruv 2 fot tempertur -65 till 500° F pumphjulsdiameter 6 till 12 tum Figur 5 är ett diagram, i vilket den vertikala axeln indikerar det totalt utvecklade trycket i fot och den horisontella axeln indikerar strömningshastigheten i gallon per minut. Kurvan 58 uppmättes vid en konstant hastighet för en pump, som innehöll pumphjulet 9, minus de små tryckbalanserande hålen 52, och kurvan 59 upp- mättes för samma pump vid samma konstanta hastighet med ett pumphjul 9 som innehöll de små tryckbalanserande 10 15 10 hålen 52. Det skall observeras, att kurvan 59 uppvisar ett högre tryck vid samma strömningshastighet än vad kurvan 58 gör, vilket indikerar att de små tryckbalan- serande hålen 52 ökar pumpens tryckkapacitet utan några förluster avseende pumpens totala verkningsgrad, vilket var förvånande.

Specifikationen för pumparna, som användes för att bilda diagrammet i figur 5, innefattade ett pumphjul på 12 tum med 27 stycken centrifugalblad, varvid varje långt centrifugalblad efterföljdes av två kortare Centri- fugalblad, hastigheten var 3550 rpm, NPSH var 4 fot, ingen inducerskruv användes och den pumpade fluiden var 80°F vatten.

Fastän endast en utföringsform av föreliggande upp- finning har visats och beskrivits i detalj är uppfinningen ej begränsad enbart till den speciellt beskrivna utförings- formen utan andra utföringsformer och varianter är tänk- bara, vilka utnyttjar föreliggande uppfinnings koncept och lära.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 501 029 N PATENTKRAV

1. Centrifugalpump, innefattande ett centrifugal- pumphölje (6) med en pumphjulskammare (10) ansluten mellan ett inlopp (7) och ett utlopp (8), en axel (ll) som är monterad i höljet (6) och avsedd att drivas, ett pumphjul (9) som är anordnat i kammaren (10) och fäst på axeln (ll), varvid pumphjulet (9) innefattar ett centralt nav (25) som är fäst på axeln (ll), en cirkulär gavel (32) som är fäst på navet (25) och som uppvisar en cirkulär periferi (33), av att ett flertal längre centrifugalblad (38) är fästa pà gaveln (32) och åtskilda runt navet (25) med lika stora inter- vall, en serie kortare centrifugalblad (42) som sträcker k ä n n e t e c k n a d sig radiellt och är anordnade runt navet (25) med åtmins- tone ett kortare centrifugalblad (42) anordnat mellan varje par längre centrifugalblad (38), varvid den inre änden (43) av varje kortare centrifugalblad (42) är an- ordnad radiellt utanför de inre ändana (39) av intill- liggande längre centrifugalblad (38), varvid varje par intilliggande längre centrifugalblad (38) mellan sig formar en enda kanal (51) som sträcker sig radiellt utåt från navet (25) och övergår i ett flertal mindre kanaler (SOA, SOB, 50C), längre centrifugalblad (38) och vilka avgränsas på åtmins- vilka formas mellan paret intilliggande tone den ena sidan av åtminstone ett kortare centrifugal- blad (42), längre centrifugalblad (38), och en serie,;ryckbalanseran- som är anordnat mellan paret intilliggande de hål (47, 52) som är anordnade i gaveln (32) och som är SOA, 50B, SOC).

2. Centrifugalpump enligt patentkravet 1, anordnade i kanalerna (51, k ä n - n e t e c k n a d av att flertalet tryckbalanserande hål (52) är anordnade i de mindre kanalerna (SOA, 5OB,5OC).

3. Centrifugalpump enligt kravet 2, k ä.n n e - t e c k n a d av att de tryckbalanserande hålen (52) är icke cirkulära i snitt. 501 029 10 15 20 25 30 35 12

4. Centrifugalpump enligt patentkravet 3, k ä n - n e t e c k n a d av att de tryckbalanserande hålen (52) är avlånga i snitt. k ä n - n e t e c k n a d av att den större diametern hos varje avlångt, tryckbalanserande hål (52) sträcker sig i radiell riktning.

5. Centrifugalpump enligt patentkravet 4, k ä n - n e t e c k n a d av att en serie tryckbalanserande hål (52) är anordnade i varje mindre kanal (SOA, SOB, resp

6. Centrifugalpump enligt patentkravet l,

7. SOC), varvid hålen (S2) är anordnad på i radiell riktning åtskilda platser längs kanalen (SOA, SOB resp SOC). _ 7. Centrifugalpump enligt patentkravet 5, k ä n - n e t e c k n a d av att de tryckbalanserande hålen (52) i varje serie i varje kanal (SOA, SOB resp SOC) är anord- nade med i huvudsak samma avstånd till intilliggande hål (52).

8. Centrifugalpump enligt patentkravet 7, k ä n - n e t e c k n a d av att pumpen är tillverkad för ett pumphjul (9) som roterar i en given riktning, och att de mindre kanalerna (SOA, SOB, SOC), varje par längre centrifugalblad (38), innefattar en som är formade mellan främre kanal (SOA) som leder in i de andra kanalerna (SOA, SOB, SOC) mellan varje dylikt par längre centrifugalblad (38) med avseende på pumphjulets (9) rotationsriktning, och varvid serien balanserande hål (47) i en dylik, främre kanal (SOA) börjar på en plats som ligger radiellt närmare pumphjulets (9) axel (ll) än vad serierna tryckbalanseran- de hàl (S2) i de andra kanalerna (SOB, 50q) gör, vilka är anordnade mellan nämnda par längre centrifugalblad (38). k ä n - n e t e c k n a d av att de tryckbalanserande hålen (52) är jämt anordnade längs kanalerna (SOA, SOB, SOC) i ett arrangemang för att tillåta att pumphjulets (9) periferi

9. Centrifugalpump enligt patentkravet 8, (33) bearbetas till en mindre diameter, varvid alltid ett tryckbalanserande hål (52) mellan varje par längre centri- fugalblad (38) är öppet i pumphjulets (9) periferi (33). 10 15 20 25 30 35 501 029 13 _

10. Centrifugalpump enligt patentkravet 1, k ä n - n e t e c k n a d av att åtminstone två kortare centri- fugalblad (42) är anordnade mellan varje par längre centrifugalblad (38), varvid den inre änden (43) av varje kortare centrifugalblad (42) är anordnad radiellt utanför de inre ändarna (39) av intilliggande längre centrifugal- blad (38), varvid varje par intilliggande längre centri- fugalblad (38) mellan sig formar en enda kanal (51) som sträcker sig radiellt utåt från navet (25) och övergår i åtminstone tre mindre kanaler (SOA, 50B, SQC), vilka formas mellan paret intilliggande längre centrifugalblad (38) och vilka avgränsas på åtminstone den ena sidan av åtminstone ett kortare centrifugalblad (42) som är anord- nat mellan paret intilliggande längre centrifugalblad (38), och en serie tryckbalanserande hål (47, 52) som är anordnade i gaveln (32) och som är anordnade i kanalerna (51, SOA, SOB, 50C).

11. ll. Centrifugalpump enligt patentkravet 1, k ä n - n e t e c k n a d av att centrifugalbladen (38, 42) är anordnade så att kanalerna (51, 50A, 508, 5OC) divergerar i riktning radiellt utåt.