SE512154C2 - Pumphjul för centrifugal- eller halvaxiella pumpar avsedda att pumpa i första hand avloppsvatten - Google Patents

Description

Eftersom de föroreningar som förekommer i avloppsvatten är av annan art och mera svårhanterliga än de ovan nämnda långfibriga materialen, och eller drifttiderna normalt är betydligt längre, uppfyller ovan nämnda specialpumpar ej de krav som ställs på avloppspumpar, varken ur driftssäkerhets- eller effektivitetssynpunkt.

En avloppspump arbetar ofta upp till 12 tim per dygn, vilket innebär att den totala energiåtgången blir mycket beroende av pumpens verkningsgrad.

Prov har visat att det är möjligt att förbättra verkningsgraden med upp till 50 % för en avloppspump enligt föreliggande uppfinning, jämfört med en konventionell avloppspump. Eftersom livscykelkostnaden för en elektriskt driven pump i normalfallet domineras av energikostnaden ( ca 80 %), är det självklart att denna dramatiska förbättring av verkningsgraden är oerhört betydelsefull. l litteraturen beskrivs utformningen av pumphjulen mycket allmänt, speciellt vad gäller svepningen av skovelframkanterna. Entydiga definitioner av gränser för svepningsgraden saknas.

Prov har visat att utformningen av framkanternas svepvinkelfördelning är mycket betydelsefull för att den nödvändiga självrensningen av pumphjulet skall kunna åstadkommas. Föroreningarnas beskaffenhet kräver alltså helt olika svepvinkel- fördelningar för att god funktion ska uppnås.

Det ges inte i litteraturen någon tydlig vägledning för vad som krävs för att uppnå glidning, dvs transport av föroreningar utåt i radiell riktning längs skovlarnas framkanter. Istället talas i allmänna ordalag om bakåtlutande, trubbiga vinklar, osv, jämför SE-435952.

För mindre föroreningar, ex.vis gräs och annat organiskt material, kan en relativt liten svepningsvinkel vara tillräcklig såväl för att åstadkomma den radiella transporten som för att möjliggöra sönderdelning i spalten mellan pumphjul och omgivande pumphus. Det senare sker i praktiken genom att föroreningarna delas i kontakten mellan pumphjul med hög periferihastighet (10 - 25 m/s) och det stationära FI\USER\FÅSZZ2\FAS1\RI\VWRD\ANS\ARB1 SF I\USER\FASZH\FAS1 \R|\WORD\ANS\ARB19 512 154 O) pumphuset. Denna sönderdelningsprocess kan underlättas genom att pumphuset förses med någon form av avrivare, skäranordning, urtag eller liknande. Jämför ovan nämnda SE - 435 952. Dessa pumpar används för transport av pappersmassa, flytgödsel och liknande vätskor.

Vid konstruktion av pumphjul som utformas med bakåtsvepta framkanter för att åstadkomma ovannämnda självrensning, uppstår en konflikt mellan svepvinkelfördelning, prestanda och andra konstruktionsparametrar. Generellt kan sägas att ökad svepning medför mindre risk för igensättning, men i gengäld riskerar att ge sämre verkningsgrad.

Föreliggande uppfinning medför en möjlighet att utforma skovelframkanten på ett optimalt sätt vad gäller uppfyllande av olika funktioner och egenskaper för driftsäker och ekonomisk pumpning av avloppsvatten innehållande svåra föroreningar, ex.vis trasor och andra långsträckta föremål.

Uppfinningen har huvudsakligen tre beståndsdelar, som presenteras i patentkraven.

Den första delen, presenterad i figur 5, kvantifierar ett band för svepvinkelfördelningen som medger en god funktion och verkningsgrad. Spridningen är kopplad till storlek, periferihastighet och materialfriktion. Den oberoende variabeln som nyttjas för att beskriva detta, här kallad normerad radie, definieras enligt följande: Normerad radie = (f- f1)/(|'2 - l'1) (Ekv. 1) där |”1 är radien till navanslutningen, fz radien till framkantens periferi och där radien enligt ett cylinderkoordinatsystem infört med origo i hjulets axelcentrum, definierar det kortaste avståndet mellan punkten i fråga och en punkt på hjulaxelcentrums förlängning. musenirnszzzirlasi innwonomusmnai smuseniflaszzzlrßlsnianmmmsvilnnns 512 154 L' Det grundläggande i denna del av uppfinningen består i att framkantens svepvinkel har en markerad ökning radiellt utåt, från minimum 40 grader närmast centrum och ökande till minimum 55 grader vid periferien. Den övre gränsen, 60-75 grader definierar en gräns över vilken både verkningsgraden och driftsäkerheten påverkas på ett negativt sätt. Ökningen mot periferin hänger samman med att avloppsvattnets föroreningar kräver precis rätt svepvinklar i detta intervall för att matningen in i spalten ska fungera på ett driftsäkert sätt.

Det andra delen består i att en speciell utföringsform presenteras, av den ovan beskrivna uppfinningen, som ger den mycket fördelaktiga egenskapen att svepvinkeln blir minimalt beroende av driftpunkt, dvs olika flöden och tryckhöjder som också motsvarar olika hastighetstrianglar (ÜÜÜ-V).

Definitionen av svepvinkeln kommer att beskrivas nedan under hänvisning till bifogade figurer.

Fig 1 visar en tredimensionell vy av ett pumphjul enligt uppfinningen, fig 2 visar ett radiellt snitt av en schematiskt tecknad pump enligt uppfinningen, medan fig 3 visar en schematisk axiell vy in i pumphjulets inlopp. Fig 4 visar en förstoring av ett område på hjulskovelns framkant, medan fig 5 visar ett diagram som visar förhållandet mellan framkantsvepning och normerad radie, enligt uppfinningen. l figurerna betecknar 1 ett pumphjulsnav, 2 en skovel med framkant 3. 4 betecknar framkantens navanslutning och 5 dess periferi. 6 betecknar normalen till framkanten i en viss punkt. 7 betecknar pumphusets vägg, 8 navets ände, 9 rotationsriktningen, ot svepvinkel, WR den projicerade relativhastigheten (se definition nedan), dvs vätskehastigheten i ett medroterande koordinatsystem, och z hjulets axelriktning.

För att möjliggöra ett optimalt sätt att konstruera önskad pumphjulsgeometri är en korrekt definition av den ovannämnda svepvinkeln en förutsättning. Den exakta F 2\USER\FAS222\FAS1 \RI\\NORD\ANS\ARB19F;\USER\FAS222\FAS1\RI\WORD\ANS\ARB19 f " 512154 svepvinkeln or är generellt en funktion av framkantsgeometrin i såväl meridional vy (r -z) som i axiell vy (r - 6), jfr flg 2 och 3.

Den exakta definitionen blir en funktion av den kurva som beskriver formen på framkanten 3 och den lokala relativhastigheten V-V vid denna kurva. Detta kan uttryckas matematiskt på följande sätt: Med traditionella beteckningar av hastighetstriangeln (ö, Ü, W) är relativhastigheten \7V( r) en funktion av lägesvektorn? ilett medroterande cylinderkoordinatsystem.

På konventionellt sätt kan relativhastigheten V-l/(r, 9, z) även uttryckas i sina komponenter (Wr, WG, Wz).

Den tredimensionella kurvan längs framkanten 3 kan i motsvarande medroterande koordinatsystem beskrivas av en funktion ä som beror av lägesvektorn T, dvs: ä = lä (r, 6, z).

En infinitesimal vektor som är parallell med framkanten i varje punkt kan betecknas dl-š. Ur definitionen av skalärprodukt fås ett uttryck för den exakta svepvinkeln oi, definierad som vinkeln mellan norrnalen till ai och WR, där WR, den projicerade relativhastigheten, är definierad som den ortogonala projektionen av WR i Wis riktning, då anfallsvinkeln mot skovelframkanten är noll. Detta betyder att WR och W är lika vid, eller nära den nominella arbetspunkten, ofta benämnd den bästa verkningsgradspunkten. or=1r/2-arccos [[dïš~-\I_VR]/[|dl_Q|-|V_VR|]] (Ekv. 2) Om man antar att den absoluta inloppshastigheten inte har någon omfångskomponent vilket är normalt, är We lika med hjulets periferihastighet.

Med hjälp av dessa definitioner och förutsättningar visas nedan att oi är oberoende av flödet. Villkoren är att framkanten ligger i ett plan huvudsakligen vinkelrätt mot hjulaxeln z, och att framkanten är placerad där den absoluta inloppshastigheten är huvudsakligen axiell, vilket betyder att den radiella komponenten av V-Vïæ är nära noll.

F'\USER\FAS222\FAS1\Rl\WORD\ANS\AR81SFÅUSERFASZZZFÅ-ÜRIWWJRUANSMRGW 512 154 é Av samma skäl är omfångskomponenten, dvs i B-led, av WR lika med hjulets periferihastighet, dvs helt oberoende av flödet.

Den axiella komponenten av WR ger ett försumbart bidrag till a, eftersom dRz enligt villkoret ovan är noll, vilket följer av definitionen av skalärprodukt. Härav följer även att den flödesberoende variabeln WR ej påverkar oi i ekv. 2, eftersom såväl täljaren som nämnaren ändras proportionellt.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är sålunda skovelframkanten belägen i ett plan huvudsakligen vinkelrätt mot hjulaxeln.

Med kännedom om att en pump ofta arbetar inom ett mycket brett område vad gäller volymström och uppfordringshöjd, medger den föreslagna utföringsformen av uppfinningen att pumphjulets unika självrensande förmåga dessutom kan bibehållas oberoende av olika driftsförhållanden.

Den tredje delen visar en föredragen utföringsform av uppfinningen där skovelframkantens navanslutning 4 är belägen omedelbart intill hjulnavets ände 8, dvs navet saknar centralt utskjutande spets vilket minskar risken för upplindning av föroreningar runt hjulets centrala del.

F;\USER\FÅS222\FAS1\RI\WORO\ANS\ARB1BF \USER\FAS222\FAS1\Rl\WORD\ANS\ARB19

Claims (4)

ha 512 (154 Patentkrav

1. Pumphjul av centrifugal- eller halvaxiell typ avsett att användas i en pump för pumpning av orensat avloppsvatten, kännetecknat därav, att pumphjulet är försett med en eller flera skovlar vars framkanter är bakåtsvepta mot periferien, varvid den exakta svepningsvinkeln (a), definierad i varje punkt på skovel- framkanten (3) som vinkeln mellan normalen (6) till skovelframkanten (3) och det pumpade mediets projicerade relativhastighet (WR) i samma punkt, har ett värde inom ett område begränsat av intervallet 40 - 55 ° vid framkantens navanslutning (4) och intervallet 60 - 75 ° vid framkantens periferi (5) och en huvudsakligen jämn variation däremellan.

2. Pumphjul enligt krav 1, kännetecknat därav att vinkeln (a) mellan normalen (6) till skovelframkanten (3) och det pumpade mediets projicerade relativhastighet

3. (WR) i samma punkt , har ett värde inom ett område begränsat av intervallet 45 - 55 ° vid framkantens navanslutning (4) och intervallet 62 - 72 ° vid framkantens periferi (5) och en huvudsakligen jämn variation däremellan. 3A Pumphjul enligt krav 1, kännetecknat därav, att skovelns framkant (3) huvudsakligen ligger i ett plan vinkelrätt mot hjulaxeln z, där det pumpade mediets absoluthastighet huvudsakligen är axiell.

4. Pumphjul enligt krav 1, kännetecknat därav, att skovelframkantens navanslutning (4) är belägen omedelbart intill navets ände (8). F;\usER\FAs222\FAs1innwonovmsmkß19Fi\uSER\FAs222\FAs1\Rl\W0RDlANS\ARB19