SK284786B6 - Obežné koleso čerpadla - Google Patents

Abstract

Vynález sa týka obežného kolesa čerpadla odstredivého alebo poloaxiálneho typu, určeného na čerpanie kvapalín, najmä odpadových vôd a splaškov. Obežné koleso čerpadla podľa tohto vynálezu obsahuje hlavu (1), vybavenú jednou alebo niekoľkými lopatkami (2), ktorých nábehové hrany (3) sú silno ohnuté smerom dozadu. Veľkosť uhla (a) ohybu kolíše medzi 35 a 65° pri pripojení (4) nábehovej hrany (3) na hlavu (1) obežného kolesa a medzi 55 a 85° na obvode (5) nábehovej hrany (3) lopatky (2) obežného kolesa čerpadla.

Description

Vynález sa týka obežného kolesa čerpadla a najmä obežného kolesa čerpadla na odstredivé a poloaxialne čerpadlá na čerpanie tekutín, najmä odpadových vôd a splaškov.

Doterajší stav techniky

V literatúre je opísané veľké množstvo typov čerpadiel a obežných kolies čerpadiel na uvedené účely, ale všetky tieto čerpadlá alebo obežné kolesá čerpadiel majú určité nevýhody. To sa týka predovšetkým ich zanášania alebo zapchávania, a ich nízkej efektívnosti, výkonnosti a účinnosti.

Odpadové vody a splašky obsahujú celý rad rôznych typov znečistení a nečistôt, ich množstvo a zloženie závisí tak od ročného obdobia, ako od typu oblastí, z ktorých tieto odpadové vody prúdia. V mestách ide najmä o plastické materiály, hygienické potreby, textil a podobne, zatiaľ čo v priemyselných oblastiach môžu byť produkované najmä opotrebovávajúce častice.

Skúsenosti ukazujú, že najväčšie problémy nastávajú s handrami a podobnými predmetmi, ktoré sa zachycujú na nábehových hranách lopatiek a začnú sa navíjať na hlavu obežného kolesa. V dôsledku takýchto nehôd dochádza k znižovaniu intervalov medzi jednotlivými častými opravami a v dôsledku toho aj k znižovaniu účinnosti a výkonnosti.

V poľnohospodárstve a v drevospracujúcom priemysle sa používa veľa rôznych druhov špeciálnych čerpadiel, ktoré sú schopné zvládnuť slamu, trávu, lístie a ďalšie druhy organických materiálov. Na tieto účely sú nábežné hrany lopatiek zahnuté smerom dozadu, a to preto, aby boli nečistoty vedené smerom von na obvod, namiesto toho, aby zostali zachytené na nábežných hranách.

Takisto sú často používané rôzne druhy rozdrobovacích prostriedkov, najmä na rezanie materiálu a na uľahčovanie prietoku. Príklady takýchto zariadení sú uvedené napríklad v patentových spisoch SE 435 952, SE 375 831 a US 4 347 035.

Pretože nečistoty a rôzne znečistenia v odpadových vodách a v splaškoch sú odlišného typu, a sú teda oveľa technicky náročnejšie zvládnuteľné, a pretože prevádzkový čas čerpadiel na odpadové vody a splašky býva bežne oveľa dlhší, je zrejmé, že uvedené špeciálne čerpadlá nespĺňajú náročné požiadavky na čerpanie odpadových vôd a splaškov, a to ani z hľadiska ich spoľahlivosti, ani z hľadiska ich účinnosti a výkonnosti.

Čerpadlo na odpadové vody a splašky je veľmi často v prevádzke až 12 hodín denne, čo značí, že spotreba energie závisí do značnej miery od celkovej účinnosti.

Skúšky ukázali, že je možné zlepšiť účinnosť až na 50 %, a to pri čerpadle na odpadové vody a splašky podľa tohto vynálezu v porovnaní s dosiaľ známymi čerpadlami na odpadové vody a splašky.

Pretože pri nákladoch životného cyklu na elektricky poháňané čerpadlá zvyčajne celkom prevažujú energetické náklady, a to zhruba z 80 %, je celkom zrejmé, že uvedené dramatické zvýšenie účinnosti bude mimoriadne dôležité.

V literatúre je konštrukcia obežných kolies čerpadiel opísaná veľmi všeobecne, najmä čo sa týka vychýlenia alebo ohnutia nábehových hrán. Jednoznačná definícia uvedeného vychýlenia alebo ohnutia vôbec neexistuje.

Skúšky ukázali, že tvar a veľkosť ohybového rozvodového uhla na nábehových hranách má veľký význam na dosiahnutie potrebnej samočistiacej schopnosti obežného kolesa čerpadla. Povaha nečistôt tak isto vyžaduje použitie odlišných ohybových uhlov na účely zaistenia dobrej funkcie čerpadla.

V literatúre nie sú uvádzané žiadne informácie o tom, čo je potrebné urobiť na docielenie kĺzania a dopravy nečistôt smerom von v radiálnom smere pozdĺž nábehových hrán lopatiek. Čo je všeobecne zmienené, je skutočnosť, že nábehové hrany majú byť zahnuté smerom späť pod tupým uhlom, ako je uvedené napríklad v patentovom spise SE 435 952.

Pokiaľ sú čerpané menšie nečistoty, ako je napríklad tráva alebo iné organické materiály, môžu byť postačujúce pomerne malé uhly, ktoré zaisťujú dosiahnutie radiálnej dopravy a tak isto rozdrobovanie nečistôt v štrbine medzi obežným kolesom jeho obklopujúcou skriňou.

V praxi sa tohto rozdrobovania docieli tak, že častice sú rozrezávané prostredníctvom ich priameho styku s obežným kolesom a s jeho skriňou, keď sa táto skriňa otáča obvodovou rýchlosťou zhruba 10 až 25 m/s. Tento rozrezávací proces je možné vylepšiť tým, že príslušné povrchové plochy sú vybavené reznými ústrojenstvami, štrbinami a podobne pozri napríklad patentový spis SE 435 952. Takéto čerpadlá sa používajú na dopravu buničiny, hnojív a podobných materiálov.

Pri konštrukcii obežného kolesa čerpadla, majúceho nábehové hrany lopatiek ohnuté smerom späť na účely dosiahnutia jeho samočistiacej schopnosti, dochádza ku konfliktu medzi rozvodom uhla ohybu, výkonom a ďalšími konštrukčnými parametrami. Všebecne je pravda, že zvýšený uhol ohybu predstavuje menšie riziko zapchávania a zanášania, ale súčasne spôsobuje pokles účinnosti a výkonnosti.

Podstata vynálezu

Predmet tohto vynálezu prináša možnosť konštrukcie nábehovej hrany lopatky optimálnou formou čo sa týka dosiahnutia rôznych funkcií a kvalít na spoľahlivé a hospodárne čerpanie odpadových vôd a splaškov, obsahujúcich také nečistoty a znečistenia, ako sú handry, vlákna a podobne.

Obežné koleso čerpadla odstredivého alebo poloaxiálneho typu na čerpadlá, čerpajúce odpadové vody a splašky podľa tohto vynálezu, je charakterizované najmä tým, že je vybavené jednou alebo niekoľkými lopatkami, ktorých nábehové hrany sú ohnuté späť smerom na obvod, pričom presný uhol ohybu, definovaný v každom bode nábehovej hrany ako uhol medzi kolmicou na nábehovú hranu a relatívnou pomernou rýchlosťou čerpaného média v danom bode, má hodnotu obmedzenú intervalom 40° až 55° na pripojenie nábehovej hrany na hlavu obežného kolesa, a intervalom 60 až 75° na obvode nábehovej hrany, a v rámci týchto hodnôt sa mení rovnako.

Uhol ohybu medzi kolmicou na nábehovú hranu a relatívnou pomernou rýchlosťou čerpaného média v každom bode nábehovej hrany má výhodne hodnotu obmedzenú intervalom 45 až 55°. Na pripojenie nábehovej hrany na hlavu obežného kolesa, a intervalom 62° až 72° na obvode nábehovej hrany a v rámci týchto hodnôt sa mení rovnako.

Nábehová hrana lopatky leží výhodne v podstate v rovine kolmej na smer hriadeľa obežného kolesa, ak je absolútna rýchlosť čerpaného média prevažne axiálna.

Pripojenie nábehovej hrany na hlavu obežného kolesa je výhodne umiestnené pri konci tejto hlavy obežného kolesa.

Pomocou uvedenej konštrukcie je možné docieliť veľmi dobré prevádzkové vlastnosti čerpadla, ktorá má oveľa menšie sklony na to, by sa zanášalo a zapchávalo, a ktoré má veľmi priaznivú účinnosť.

Prvá zložka znázornená na obrázku 5 určuje pásmo rozvádzania uhla ohybu, čo umožňuje dobrú funkciu a výbornú účinnosť. Príslušné rozmedzie súvisí s veľkosťou, obvodovou rýchlosťou a materiálovým trením.

Nezávislá premenná, ktorá je použitá na opísanie toho, čo je tu nazývané normalizovaným polomerom, je definovaná nasledovne :

Normalizovaný polomer = (r - rl) / (r2 - rl) (rovnica 1), kde rl - predstavuje polomer pripojenia hlavy, r2 - predstavuje polomer na obvode nábehovej hrany, a kde polomer v súlade s valcovým súradnicovým systémom, majúcim počiatok v strede hriadeľa obežného kolesa, definuje najkratšiu vzdialenosť medzi skutočným bodom a bodom na predĺženie hriadeľa obežného kolesa.

Veľmi dôležitým momentom v tejto časti predmetu vynálezu je skutočnosť, že uhol ohybu nábehovej hrany sa smerom von výrazne zvyšuje, a to od minimálnej veľkosti zhruba 40° pri pripojení hlavy až na minimálnu veľkosť zhruba 55° na obvode. Horný limit, to je 60 - 75° predstavuje limitnú medz, nad ktorú už účinnosť, rovnako dobre ako spoľahlivosť je ovplyvňovaná negatívnym spôsobom.

Druhá časť predmetu tohto vynálezu sa týka špeciálneho usporiadania, ktoré má veľmi výhodnú schopnosť, že uhol ohybu môže byť takmer nezávislý od prevádzkového bodu, to je od odlišných prietokov a hláv, čo takisto zodpovedá rozdielnym rýchlostným trojuholníkom (C, U, W).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Definícia uhla ohybu bude teraz v ďalšom podrobnejšie opísaná s odkazom na priložené výkresy, kde:

obr. 1 znázorňuje trojrozmerný axonometrický pohľad na obežné koleso čerpadla podľa tohto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje radiálny rez schematickým zobrazením čerpadla podľa tohto vynálezu;

obr. 3 znázorňuje schematický osový pohľad na vstup obežného kolesa podľa tohto vynálezu;

obr. 4 znázorňuje zväčšený pohľad na oblasť nábehovej hrany lopatky obežného kolesa podľa tohto vynálezu a obr. 5 znázorňuje graf, ukazujúci vzťah medzi zadným ohnutím nábehovej hrany a vzťažným polomerom podľa tohto vynálezu

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na uvedených obrázkoch výkresov je vzťahovou značkou 1 označená hlava obežného kolesa, vzťahovou značkou 2 je označená lopatka obežného kolesa majúca nábehovú hranu 3. Vzťahovou značkou 4 je označené pripojenie nábehovej hrany 3 na hlavu 1 obežného kolesa a vzťahovou značkou 5 je označený obvod nábehovej hrany 3.

Vzťahová značka 6 označuje kolmicu na nábehovú hranu 3 v určitom bode. Vzťahová značka 7 označuje stenu skrine čerpadla, vzťahová značka 8 označuje koniec hlavy 1 obežného kolesa, vzťahová značka 9 označuje smer otá čania obežného kolesa čerpadla a vzťahová značka a je použitá na uhol ohybu.

Vzťahová značka WR označuje navrhovanú relatívnu pomernú rýchlosť, to je rýchlosť tekutiny v súčasne sa otáčajúcom súradnicovom systéme, zatiaľ čo vzťahová značka 7 označuje smer hriadeľa obežného kolesa.

Na účely vytvorenia a skonštruovania geometrie obežného kolesa čerpadla optimálnym spôsobom je podmienkou dosiahnutia správnej definície uvedeného uhla ohybu. Presný uhol a ohybu je všeobecne funkciou geometrie nábehovej hrany v poludníkovom pohľade (r - Z), rovnako ako v osovom pohľade (r - Θ,), pozri obr. 2 a obr. 3.

Presná exaktná definícia bude funkciou krivky, ktorá opisuje tvar nábehovej hrany 3 lopatky 2 obežného kolesa, a miestnej relatívnej pomernej rýchlosti W na tejto krivke. To môže byť matematicky vyjadrené nasledujúcim spôsobom.

Pomocou tradičného označenia rýchlostného trojuholníka (C, U, W) je relatívna pomerná rýchlosť W (r) funkciou polohy vektora r v súčasne sa otáčajúcom súradnicovom systéme. Normálnym spôsobom môže byť relatívna pomerná rýchlosť W (r, θ, Z) takisto vyjadrená pomocou ich zložiek (Wr, We, Wz).

Trojrozmerná krivka pozdĺž nábehovej hrany 3 lopatky 2 obežného kolesa môže byť v zodpovedajúcom súradnicovom systéme opísaná ako funkcia R, ktorá závisí od polohy vektora r, to značí, že

R=R(r, Θ, Z).

Nekonečne malý vektor, ktorý je rovnobežný s nábehovou hranou v každom bode, môže byť definovaný ako dR. Z definície skalámeho súčinu je možné získať výraz pre uhol a ohybu, definovaný ako uhol medzi kolmicou na dR a WR, kde veličina Wr alebo navrhovaná relatívna pomerná rýchlosť je definovaná ako kolmý priemet veličiny Wr do smeru W v nulovom dopade. To znamená, že Wr a W majú rovnakú veľkosť v nominálnom prevádzkovom bode alebo v jeho blízkosti, pričom tento nominálny prevádzkový bod je niekedy takisto nazývaný bodom najlepšej účinnosti.

a = π/2 - arccos [(dR . Wr) / (I dR | . | Wr |)] (rovnica 2)

Za predpokladu, že absolútna vstupná rýchlosť nemá žiadnu obvodovú zložku, ktorá je kolmá, rovná sa W9 obvodovej rýchlosti obežného kolesa čerpadla.

S využitím uvedených definícií a predpokladov bude ďalej ukázané, že uhol a ohybu je za určitých podmienok, takmer nezávislý od prietoku. Tieto podmienky sú také, že nábehová hrana 3 leží v rovine, ktorá je v podstate kolmá na smer Z hriadeľa obežného kolesa, a že nábehová hrana 3 je umiestnená tam, kde je absolútna vstupná rýchlosť v podstate axiálna, čo znamená, že radiálna zložka WR je blízka nule.

Z tých istých dôvodov je obvodová zložka WR, to je v smere 9, zhodná s obvodovou rýchlosťou obežného kolesa čerpadla a je nezávislá od prietoku.

Axiálna zložka relatívnej pomernej rýchlosti WR má zanedbateľný vplyv na uhol a ohybu, pretože dRz sa rovná nule v súlade s uvedeným. To vyplýva z definície skalámeho súčinu. Preto teda od prietoku závislá premenná WR nemá vplyv na uhol a ohybu v rovnici 2, pretože sa čitateľ takisto ako menovateľ proporcionálne mení.

V súlade s výhodným uskutočnením tohto vynálezu je nábehová hrana lopatky umiestnená v rovine v podstate kolmej na hriadeľ obežného kolesa. So znalosťou toho, že čerpadlo veľmi často pracuje vo veľmi širokom rozsahu čo sa týka objemového prietoku a hlavy obežného kolesa, potom toto výhodné uskutočnenie umožňuje, že samočistiaca schopnosť môže byť udržiavaná nezávislo od rozdielnych prevádzkových podmienok.

Tretia časť predmetu tohto vynálezu sa týka výhodného uskutočnenia, kde pripojenie 4 nábehovej hrany 3 lopatky 2 na hlavu 1 obežného kolesa je umiestnené veľmi blízko ku koncu 8 hlavy 1 obežného kolesa, to znamená, že hlava 1 obežného kolesa nemá žiaden stredový vyčnievajúci koniec. Tým sa znižuje riziko, že by sa rôzne nečistoty mohli namotávať okolo stredovej časti obežného kolesa čerpadla.

Claims (4)

1. Obežné koleso čerpadla odstredivého alebo poloaxiálneho typu na čerpadlá, čerpajúce odpadové vody a splašky, vyznačujúce sa tým, že obežné koleso je vybavené jednou alebo niekoľkými lopatkami (2), ktorých nábehové hrany (3) sú ohnuté späť smerom na obvod, pričom presný uhol (a) ohybu, definovaný v každom bode nábehovej hrany ako uhol medzi kolmicou (6) na nábehovú hranu (3) a relatívnou pomernou rýchlosťou (Wr) čerpaného média v danom bode, má hodnotu obmedzenú intervalom 40 - 55° na pripojenie (4) nábehovej hrany (3) na hlavu (1) obežného kolesa, a intervalom 60 - 75° na obvode (5) nábehovej hrany (3), a v rámci týchto hodnôt sa mení rovnako.

2. Obežné koleso čerpadla podľa nároku 1, v y z n a čujúce sa tým, že uhol (q) ohybu medzi kolmicou (6) na nábehovú hranu (3) a relatívnou pomernou rýchlosťou (WR) čerpaného média v každom bode nábehovej hrany (3) má hodnotu obmedzenú intervalom 45 - 55° na pripojenie (4) nábehovej hrany (3) na hlavu (1) obežného kolesa, a intervalom 62 až 72° na obvode (5) nábehovej hrany (3), a v rámci týchto hodnôt sa mení rovnako.

3. Obežné koleso čerpadla podľa nároku 1, v y z n a čujúce sa tým, že nábehová hrana (3) lopatky (2) je umiestnená v podstate v rovine kolmej na smer (Z) hriadeľa obežného kolesa, ak je absolútna rýchlosť čerpaného média prevažne axiálna.

4. Obežné koleso čerpadla podľa nároku 1, v y z n a čujúce sa tým, že pripojenie (4) nábehovej hrany (3) na hlavu (1) obežného kolesa je umiestnené pri konci (8) uvedenej hlavy (1) obežného kolesa.