HU221153B1 - Pump rotor - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya járókerék szivattyúkhoz, főleg szennyvízszállítócentrifugális vagy félaxiális típusú szivattyúkhoz. A találmánylényege, hogy a járókeréknek legalább egy lapátján (2) a belépőél (3)a kerülete mentén hátranyilazott kialakítású, továbbá a belépőélen (3)bármelyik pontban mért tényleges szárnynyilazási szög (?) a belépőélre(3) állított merőleges (6) és ebben a pontban a szállított közegvetített relatív sebessége (WR) közötti szögként van meghatározva.Ennek értéke a belépőélnek (3) az agyhoz való csatlakozáspontjában (4)40–55° közötti, a járókerék-- kerülethez való csatlakozáspontjában (5)viszont 60–75°, valamint e két pont között lényegében egyenletesenváltozó értékű. ŕ

Description

A találmány tárgya járókerék, amely szivattyúkhoz, főleg centrifugális vagy félaxiális szivattyúkhoz való, ezek pedig különböző közegek, főleg szennyvizek szállítására alkalmazhatók.

A szakirodalomban különféle szivattyúk és szivattyúkhoz való járókerekek ismeretesek, azonban ezek egyike sem mentes problémáktól. Ilyen problémaként említhető meg az eltömődés miatti megbízhatatlan üzem és a viszonylag alacsony hatásfok.

Mint ismeretes, a szennyvizek különböző típusú szennyeződéseket tartalmaznak, ezek mennyisége és szerkezete függ a szennyvíz gyűjtőterületének típusától, valamint az évszaktól. A városi szennyvizek tartalmaznak műanyagokat, higiéniai hulladékokat, textiltermékeket stb., viszont az ipari körzetekben a szennyvizek gyakran tartalmaznak koptatórészecskéket is. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a szennyvízszállító szivattyúkkal kapcsolatos üzemeltetési problémák annak is tulajdoníthatók, hogy a szennyvizekben lévő rongyhulladékok, papírhulladékok és hasonlók rátapadnak a járókeréklapátok belépőéleire és az agy körül ezek gyakran feltekercselődnek. Ezek a jelenségek viszont gyakori javítási, illetve tisztítási üzemmegszakításokkal járnak, valamint egyúttal csökkentik a szivattyú teljesítőképességét.

A mezőgazdaságban és a mezőgazdasági termékeket feldolgozó iparban különböző speciális szivattyúkat alkalmaznak, amelyekkel különböző típusú szerves anyagokat, így például szalmát, szénát, leveleket és hasonlókat tartalmazó zagyok is szállíthatók. Ehhez a járókerék lapátjainak belépőélei hátrafelé irányuló szárnynyilazási szöggel rendelkeznek, hogy ez által a szennyeződéseket a lapátok a kerület irányába kifelé tereljék, ahelyett, hogy azok a széleknél beszoruljanak. Bizonyos esetekben különböző típusú darabolóegységeket is alkalmaznak, amelyek a továbbított folyadékban lévő anyagokat aprítják s ezzel a szállítás egyszerűbbé válik. Ilyen megoldásokat ismertetnek például az SE-435 952, SE-375 831 és az US-4 347 035 számú szabadalmi leírások.

Mivel a szennyvizekben lévő szennyeződések különböző típusúak, ezek igen nehezen és körülményesen szállíthatók a fenti szivattyúkkal, és éppen ezért a szennyvízszállító szivattyúk élettartama általában jóval rövidebb. Megjegyezzük azonban, hogy a fentiekben említett szennyvízszállító szivattyúk sem a megbízhatóság, azaz üzembiztonság, sem pedig a hatékonyság szempontjából nem képesek a korszerű követelményeket kielégíteni.

A gyakorlati tapasztalatok szerint a szennyvízszivattyúnak gyakran napi 12 órán keresztül kell üzemelnie, ami pedig azt jelenti, hogy az energiafogyasztás nagymértékben függ a szivattyú hatékonyságától.

A szakirodalomban a szivattyú-járókerekek kialakítását illetően csupán igen elnagyolt és általános ismertetések találhatók, különösen a belépőélek hátranyilazását tekintve. Ennek valóban pontos és egyértelmű definíciója tudomásunk szerint ez idáig nem létezett.

A jelen találmánnyal célunk a fenti hiányosságok kiküszöbölése, azaz olyan tökéletesített járókerék létrehozása szivattyúkhoz, főleg centrifugális és félaxiális szennyvízszivattyúkhoz, amelynek az üzembiztonsága és hatásfoka javított, az ismert megoldásokhoz képest.

A kitűzött feladat megoldásához a bevezetőben ismertetett járókerékből indultunk ki, amely centrifugális vagy félaxiális típusú szivattyúhoz való. A találmány szerinti járókerék lényege, hogy a járókeréknek legalább egy lapátján a belépőéi a kerülete mentén hátrafelé irányuló szárnynyilazási szöggel van kialakítva, továbbá a belépőélen bármelyik pontban mért tényleges szárnynyilazási szög a belépőéire állított merőleges, valamint az adott pontban a szállított közeg vetített relatív sebessége (7F_R) közötti a szögként van meghatározva, amelynek értéke a belépőéinek az agyhoz csatlakozási pontjában 40-55° közötti, a járókerék-kerülethez való csatlakozáspontjában viszont 60-75°, valamint e két pont között lényegében egyenletesen változó értékű.

Célszerű az olyan kivitel, amelynél a belépőéire állított merőleges és a belépőéi bármely pontjában a szállított közeg vetített relatív sebessége (IC_R) között mért szárnynyilazási szög (a) értéke a belépőéinek az agyhoz kapcsolódási pontjánál 45-55° közötti értékű, a kerületnél mérve pedig 62-72° közötti, e két pont között pedig lényegében egyenletesen változó értékű.

Előnyös lehet az olyan kiviteli alak, amelynél a lapát belépőéle a járókeréktengely irányára lényegében merőleges síkban helyezkedik el, ahol a szállított közeg abszolút sebessége lényegében axiális.

Célszerű az olyan elrendezés, amelynél a belépőéinek a járókerék agyához való kapcsolódási pontja a kerékagy végével szomszédosán helyezkedik el.

A kísérleteink során azt tapasztaltuk, hogy a találmány szerinti járókerékkel ellátott szivattyúval akár 50%-os hatásfoknövelés is elérhető az ismert szennyvízszállító szivattyúkhoz képest. Mivel a villanymotorral hajtott szivattyúk üzemciklusainak költségét lényegében az energiaköltségek határozzák meg (közelítőleg 80%-ban), ebből következik, hogy a találmány szerinti megoldással nyújtott meglepő hatásfoknövelés rendkívül nagy jelentőségű az üzemeltetők szempontjából.

A találmány szerinti járókerékkel végzett kísérleti vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy a belépőéleken a szárnynyilazási szög megválasztása rendkívül fontos abból a szempontból, hogy elérjük a járókerék kívánatos öntisztuló képességét. A szennyeződések különböző típusai viszont következésképpen más-más szárnynyilazási szögeket követelnének meg ahhoz, hogy jó működőképességet érjünk el.

A szakirodalom viszont nem ad semmiféle információt arra vonatkozóan, hogy mi szükséges ahhoz, hogy a lapátok belépőélei mentén radiális irányban kifelé a szennyeződések megfelelően csúsztathatok, azaz továbbíthatók legyenek. Amit általában említenek, az mindössze annyi, hogy a széleknek tompaszögben hátranyilazottaknak kell lenniük (lásd például SE-435 952).

Ha kisebb szennyeződéseket, így például füvet vagy más szerves anyagot szivattyúzunk, viszonylag kis szárnynyilazási szögek is elegendőek lehetnek a kísérleti tapasztalataink szerint ahhoz, hogy kellően jó radiális szállítást érjünk el, és hogy szétdaraboljuk a

HU 221 153 Bl szennyeződéseket a járókerék és az azt körülvevő szivattyúház közötti résekben. A kísérleti tapasztalataink szerint a szennyvizekben lévő szilárd anyagok aprítása elérhető azáltal, hogy a ház és a forgó járókerék között a viszonylagos kerületi sebesség legalább 10-25 m/sre választjuk. Ez az aprítás javítható például azzal, ha a felületeken különböző vágóelemeket, hornyokat vagy hasonlókat alakítunk ki. Ilyen szivattyúk előnyösen használhatók például pépek, zagyok, trágya és hasonlók szállítására.

Ha a járókerék tervezése során abból indulunk ki, hogy az öntisztulás elérése céljából a lapátok belépőéleit hátranyilazottra alakítjuk ki, akkor számolni kell azokkal az egymással ellentétes követelményekkel, amelyek jelentkeznek a szárnynyilazási szög megválasztása, a teljesítőképesség és a szerkezet geometriai kialakítása között. Általánosságban igaz, hogy a növekvő szárnynyilazási szög csökkenti az eltömődés és lerakódás veszélyét, viszont egyúttal csökkentheti a hatásfokot.

A találmány szerinti megoldás viszont meglepő módon lehetővé teszi a lapátok belépőél-kialakítását olyan kedvező módon, hogy ezáltal különböző alkalmazásmódok és szállítási minőségek érhetők el a különböző szennyeződéseket, például szálasanyagokat tartalmazó szennyvizek szállításánál.

A találmány alapgondolata lényegében három eredeti felismerésen alapul, amelyeket a fentiekben már általánosabb formában definiáltunk.

Az első felismerést az 5. ábrán szemléltettük, amelyen diagramban jól kivehető a szárnynyilazási szög elosztási sávja, ami végül is lehetővé teszi a jó működést és hatásfokot. Ez a tartomány igazodik a méretekhez, kerületi sebességhez és anyagsúrlódáshoz. A független változó itt „normalizált sugárként” szerepel, amelynek meghatározása az alábbi egyenlettel történik:

Normalizált sugár=(r-r₁)/(r₂-r₁) (1. egyenlet)

A fenti egyenletben az r_t az agy kapcsolódási helyének sugarát, az r₂ pedig a belépőéi külső kerületén mért sugarát jelenti. Továbbá, az r sugár a hengeres koordinátarendszer sugarát jelöli, és ennek a rendszemek az origója a járókerék tengelyközéppontjában van, és ez az r sugár határozza meg a legkisebb távolságot a tényleges pont és a járókeréktengely meghosszabbításán lévő pont között.

A találmány alapgondolata szerint tehát a belépőéi szárnynyilazási szöge kifelé jelentősen nő, mégpedig legalább az agycsatlakozásnál 40°-kai, a külső kerület mentén pedig legalább 55°-kal. A felső határértéket 60-75° között jelöljük meg, ezzel meghatároztuk azt a határvonalat, amely fölött a hatásfok és az élettartam már csökkenni kezd (lásd. 5. ábra diagramja).

A találmány szerinti második lényeges felismerésünk szerint a speciális kivitel akkor segíti különösen elő, hogy a szárnynyilazási szög független legyen a működési szempontoktól, azaz a különböző áramlásoktól és nyomómagasságoktól, ha az megfelel a különböző sebességi háromszögeknek (C, U, W).

A találmányt részletesebben a csatolt rajz alapján ismertetjük, amelyen a találmány szerinti megoldás példaként! kiviteli alakját tüntettük fel. A rajzon:

- az 1. ábrán a találmány szerinti járókerék példakénti kiviteli alakjának perspektivikus képe látható;

- a 2. ábra a találmány szerinti szivattyú részletének sugárirányú metszete;

- a 3. ábrán a járókerék beömlésének vázlatos axiális nézete látható;

- a 4. ábra a 3. ábra részletének viszonylag nagyobb léptékű képe;

- az 5. ábra diagramban szemlélteti a találmány szerinti járókeréknél a lapát belépőélének hátranyilazását és a normalizált sugár függvényében.

Amint a 2-4. ábrákon látható, a találmány szerinti járókeréknek 1 agya van, amely egy vagy több 2 lapáttal van ellátva. A 2 lapátnak 3 belépőéle van, a 3 belépőéinek az 1 agyhoz való csatlakozáspontját 4 hivatkozási számmal jelöltük. A 3. ábrán jól látható, hogy a 3 belépőéi külső kerülethez való kapcsolódáspontját 5 hivatkozási számjelöli. A 4. ábra szerint a 3 belépőéi középső részén felvett pontjában 6 merőlegest húztunk.

A 2. ábrán, a csupán vázlatosan jelölt szivattyúház falát 7-tel, az 1 agy végét pedig 8-cal jelöltük. A 3. ábrán a járókerék forgásirányát 9 nyíl jelöli. A 4. ábrán a jelöli a szárnynyilazási szöget, 1T_(R) pedig a relatív sebességvektorát, azaz a folyadék sebességét az együtt forgó koordinátarendszerben. A szárnynyilazási a szöget tehát a 4. ábra szerint az adott pontba húzott 6 merőleges és a JT(_R) sebességvektor között mérjük. Továbbá, a 2. ábrán z hivatkozási jellel a járókerék tengelyirányát jelöltük eredményvonallal.

A kísérleti tapasztalataink szerint a szivattyú-járókerék geometriájának az optimális megközelítő kialakításához a szárnynyilazási a szög helyes meghatározása az egyik legfontosabb előfeltétel. A tényleges szárnynyilazási a szög általában a 3 belépőéi geometriai kialakításának függvénye meridián nézetben (r-z), valamint axiális irányban (r-Θ) (lásd 2. és 3. ábrák).

A pontos definíció tehát a görbének olyan függvénye, amely leírja a 3 belépőéi alakját és a helyi relatív W sebességet az ívben. Ezt matematikailag a következőképpen lehet meghatározni:

A sebességháromszög (C, U, W) hagyományos megjelöléseivel élve, a relatív ffj_R) sebességvektor az r helyzetvektor függvénye az együtt forgó hengeres koordinátarendszerben. Általában a relatív sebesség W (r, Θ, z) meghatározható a komponenseivel (W_r, W@, W_z).

A 3 belépőéi mentén ez a háromdimenziós görbe a megfelelő együtt forgó koordinátarendszerben leírható R függvényeként, amely viszont függ az r helyzetvektortól, azaz R=R(t, Θ, z).

Minden pontban a 3 belépőéllel párhuzamos végtelenül kicsiny vektor meghatározható dR-ként. Az alábbi egyenletből meghatározható a szárnynyilazási a szög, amelyet a dÁ-nek a 7 merőlegese és a 1T_R sebességvektor között bezárt szögként határozzuk meg (lásd 4. ábra), ahol amint fentebb már említettük, a 1T_R sebességvektor, amely meghatározható a fT_R-nek a W irányra való ortogonális vetítésével, zéró beesésnél. Ez azt jelenti, hogy a W_R és a fV egymással megegyeznek a névleges működési pontban, vagy ahhoz közeli pontban,

HU 221 153 Β1 amelyre néha az alábbiakban mint a legjobb hatékonyságú pontra hivatkozunk. Ez az egyenlet a következő:

a=n/2-arccos[(dÁ· JF_R)/(|d/?|-|lF_R|)] (2. egyenlet)

Ha feltételezzük, hogy az abszolút belépési sebességnek nincs olyan kerületi komponense, amely merőleges, akkor W₀ megegyezik a járókerék kerületi sebességével.

A fenti definíciók és feltételezések alkalmazásával alább bemutatjuk, hogy a találmány szerinti megoldásnál a szárnynyilazási a szög lényegében független a mindenkori áramlástól. A feltételek a következőek: A 3 belépőéi olyan síkban helyezkedik el, amely lényegében merőleges a járókerék tengelyének z irányára, továbbá a 3 belépőéi ott helyezkedik el, ahol az abszolút beömlési sebesség lényegében axiális, ez pedig azt jelenti, hogy a JF_r radiális komponense közelítőleg nulla. Hasonló okokból a kerületi (T_R komponens, azaz a Θ irányú komponens megegyezik a járókerék kerületi sebességével, vagyis független az áramlástól. A W_R axiális komponense elhanyagolható tényezőként szerepel a szárnynyilazási a szög vonatkozásában, mivel dR_z a fentiek alapján nullával egyenlő. Ez következik a skalárszorzat definíciójából. Ennek megfelelően az áramlásfüggő W_R változó nem befolyásolja a szárnynyilazási a szög értékét a 2. egyenletben, mivel a számláló és a nevező is egymással arányosan változik.

A találmány szerinti járókerék célszerű kiviteli alakjánál a 2 lapát 3 belépőéle a járókeréktengelyre lényegében merőleges síkban helyezkedik el. Az ilyen járókerékkel ellátott szivattyú a legkülönbözőbb üzemviszonyok között üzembiztosán és energiatakarékosán üzemeltethető, például különböző szállítási mennyiségek és nyomómagasságok esetében is, sőt, a találmány szerinti megoldás révén az öntisztulási képesség lényegében megtartható függetlenül a különböző üzemeltetési körülményektől, ami meglepő műszaki többlethatásként értékelendő.

A találmány alapját képező harmadik felismerésként megemlítjük, hogy a 3 belépőéi célszerűen az 1 agyhoz annak 8 végén, vagy annak közelében kapcsolódik, azaz az 1 agynak nincs semmiféle központi orra vagy egyéb nyúlványa. Ezzel az intézkedéssel elérjük, hogy a szálas vagy egyéb szennyeződések nem tudnak feltekercselődni a járókerék központi részére, így a kísérleti tapasztalataink szerint az üzembiztonságot tovább sikerült hatásosan növelni.

Claims (4)

1. Járókerék szivattyúkhoz, főleg szennyvízszállító centrifugális vagy félaxiális típusú szivattyúkhoz, azzal jellemezve, hogy a járókeréknek legalább egy lapátján (2) a belépőéi (3) a kerülete mentén hátrafelé irányuló szárnynyilazási szöggel (a) van kialakítva, továbbá a belépőélen (3) bármelyik pontban mért tényleges szárnynyilazási szög (a) a belépőéire (3) állított merőleges (6) és ebben a pontban a szállított közeg vetített relatív sebessége (W_R) közötti szögként van meghatározva, amelynek értéke a belépőéinek (3) az agyhoz (1) való csatlakozáspontjában (4) 40-55° közötti, a járókerék-kerülethez való csatlakozáspontjában (5) viszont 60-75°, valamint e két pont között lényegében egyenletesen változó értékű.

2. Az 1. igénypont szerinti járókerék, azzal jellemezve, hogy a belépőéire (3) állított merőleges (6) és a belépőéi (3) bármely pontjában a szállított közeg vetített relatív sebessége (W_R) között mért szárnynyilazási szög (a) értéke a belépőéinek (3) az agyhoz (1) való kapcsolódáspontjánál (4) 45-55° közötti, a járókerékkerülethez való kapcsolódáspontjában (5) 62-72° közötti értékű, e két pont között pedig lényegében egyenletesen változó értékű.

3. Az 1. igénypont szerinti járókerék, azzal jellemezve, hogy a lapát (2) belépőéle (3) a járókerék tengelyirányára (z) lényegében merőleges síkban helyezkedik el, ahol a szállított közeg abszolút sebessége axiális jellegű.

4. Az 1. igénypont szerint járókerék, azzal jellemezve, hogy a belépőéinek (3) az agyhoz (1) való kapcsolódáspontja (4) az agy (1) végével (8) szomszédosán helyezkedik el.