PL248879B1 - Wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących, składający się z piasty (1), połączonej lub wykonanej jako jedna całość z tarczą tylną (3), na której osadzone są łopatki główne (4) tworzące kanały międzyłopatkowe otwarte lub zamknięte tarczą przednią (2), charakteryzujący się tym, że na zewnętrznej powierzchni tarczy tylnej (3) i na zewnętrznej powierzchni tarczy przedniej (2) wykonane są wgłębienia (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących, a w szczególności pompy odśrodkowej. Wirniki takie są powszechnie wykorzystywane w pompach wirowych, które służą do przetłaczania płynów, takich jak woda, ścieki, paliwa czy oleje. Ich zastosowanie może prowadzić do zwiększenia wydajności pomp, zmniejszenia kosztów energii oraz wydłużenia czasu pracy pomp.

Wirniki wraz z elementem odprowadzenia stanowią główne elementy przepływowe pompy wirowej. Wirnik jest elementem roboczym pompy i jest osadzony na wale napędowym. Stosowanie wgłębień jest znanym sposobem kształtowania przepływu, wykorzystywanym na przykład w piłeczkach golfowych, jednak do tej pory nie był stosowany w pompach.

Z polskiego dokumentu patentowego PL 210647 B1 znany jest wirnik pompy wirowej, wyposażony w piastę połączoną lub wykonaną jako jedna całość z tarczą tylną, na której osadzone są łopatki główne, tworzące kanały międzyłopatkowe, otwarte lub zamknięte tarczą przednią, charakteryzuje się tym, że na wewnętrznej powierzchni tarczy tylnej wykonane są rowki, przy czym linia zarysu rowków jest zbliżona do linii zarysu łopatek głównych.

Z kolei w dokumencie patentowym PL225150 B1 przedmiotem wynalazku jest wirnik pompy wirowej, zawierający co najmniej jedną, zamocowaną do okrągłej tarczy zakrzywioną spiralnie łopatkę, biegnącą promieniście od piasty wirnika do krawędzi tarczy. Na całej długości krawędzi łopatki znajduje się kołnierz. Na co najmniej jednej krawędzi kołnierza znajduje się co najmniej jeden uskok.

W zgłoszeniu patentowym JPH03294699 A przedstawiono wirnik, który ma na piaście wiele łopatek o kształcie zbliżonym do trapezu, a po stronie dolnej powierzchni ciśnieniowej łopatek znajdują się liczne wgłębienia o kształcie zbliżonym do koła. W tym przypadku typowy rozmiar wgłębień jest w zakresie od 1 mm do 20 mm, a głębokość jest ograniczona w zakresie od 5% do 50% grubości łopatek. Rozmieszczenie wgłębień może być ułożone w formie siatki, zygzaka lub nieregularnej formy. W związku z tym można ograniczyć rozwarstwianie się strumienia powietrza na stronach łopatek o niższym ciśnieniu i zmniejszyć wahania ciśnienia po rozwarstwieniu. W konsekwencji uzyskuje się niższy efekt hałasu niż w przypadku konwencjonalnego wirnika.

W innym zgłoszeniu patentowym JPH08247093 A ujawniono zespół filtrujący wentylatora wyposażony w dmuchawę odśrodkową (wentylator), który jest wyposażony w filtr ULPA. Na powierzchni czołowej i powierzchni tylnej łopatki tworzącej kształt łopatki na wentylatorze jest uformowana duża liczba wgłębień, ale tym razem, korzystnie, zarówno powierzchnia czołowa jak i powierzchnia tylna są uformowane z wgłębień gęściej w obszarze bliższym ich częściom końcowym, a część środkowa jest uformowana tak, że jest stosunkowo rozproszona z wgłębieniami. W konsekwencji możliwe jest zmniejszenie odrywania prądu powietrza na powierzchni łopatki i turbulencji prądu powietrza w chwili, gdy prąd powietrza jest zasysany i odprowadzany przez nią oraz zmniejszenie oporu powietrza i generowania wiru.

W japońskim dokumencie patentowym JP5515222 B2 ujawniono z kolei wirnik dmuchawy, który jest zaopatrzony w wielość łopatek i w obrotowy środek podporowy podtrzymujący obrotowo łopatki, a na powierzchni łopatki tworzy się wiele występów lub rowków o nieregularnych kształtach rozciągających się w kierunku długości sznura.

W innym japońskim zgłoszeniu patentowym JP2008240659 A, ujawniono konstrukcję wirnika pompy o chropowatej powierzchni składającej się z dużej liczby małych występów/wgłębień, na powierzchni osłony po przeciwnej stronie powierzchni do ułożenia co najmniej jednej łopatki przedniej osłony lub tylnej osłony.

Wskazane powyżej rozwiązania dotyczą wirników otwartych wentylatorów i dmuchaw stosowanych w maszynach głównie osiowych, gdzie wgłębienia są lokalizowane na łopatce, a nie jak w przedmiocie wynalazku. Natomiast w dokumencie patentowym PL210647 B1, w wirniku pompy wirowej zastosowano rowki w kanale międzyłopatkowym do kształtowania struktury przepływu. Zasada działania tego wynalazku jest jednak inna, gdyż rowki pracują jako „mikrołopatki” ograniczające krążenie cieczy w kanale międzyłopatkowym, a nie na zewnętrznej powierzchni tarczy przedniej i tylnej.

Pompy zużywają około 30% energii produkowanej na świecie, jest więc bardzo istotne, aby możliwie w największym stopniu zwiększyć sprawność i niezawodność procesu pompowania.

Dlatego też problemem technicznym do rozwiązania było uzyskanie takiego wirnika promieniowego pompy wirowej, który ma na celu zwiększenie sprawności pompy poprzez zmniejszenie oporu tarcia tarcz wirujących.

Celem wynalazku jest istotne zmniejszenie oporu tarcia tarcz wirujących i tym samym zwiększenie sprawności pomp wirowych.

Istotą wynalazku jest wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących, składający się z piasty, połączonej lub wykonanej jako jedna całość z tarczą tylną, na której osadzone są łopatki główne tworzące kanały międzyłopatkowe, zamknięte tarczą przednią, charakteryzujący się tym, że na zewnętrznej powierzchni tarczy tylnej i na zewnętrznej powierzchni tarczy przedniej wykonane są wgłębienia.

Korzystnie powierzchnia, na której występują wgłębienia na wewnętrznej powierzchni tarczy tylnej stanowi co najmniej 5% powierzchni tarczy tylnej.

Korzystnie powierzchnia, na której występują wgłębienia na wewnętrznej powierzchni tarczy przedniej stanowi co najmniej 5% powierzchni tarczy przedniej.

Korzystnym jest, gdy wgłębienia na powierzchni tarczy przedniej i powierzchni tarczy tylnej są rozłożone w sposób koncentryczny od promienia minimalnego piasty do promienia maksymalnego odpowiadającego średnicy zewnętrznej wirnika.

Korzystnie głębokość wgłębień wynosi od 0.001 mm do 10 mm.

Korzystnie kształt wgłębień jest wycinkiem kuli.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładach wykonania nie ograniczając jego zakresu, oraz na rysunku, który przedstawia:

Fig. 1 zamknięty wirnik pompy wirowej z wgłębieniami - widok aksonometryczny na tarczę przednią; Fig. 2 zamknięty wirnik pompy wirowej z wgłębieniami - widok aksjonometryczny na tarczę tylną.

Fig. 3 porównanie charakterystyk energetycznych wirnika gładkiego i z wgłębieniami, o geometrii jak pokazano na Fig. 1.

Przykład

Wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących, wykonany jako wirnik zamknięty, który ma piastę 1 wykonaną jako jedną całość z tarczą tylną 3. Na tarczy tylnej 3 osadzone są łopatki główne 4. Kanały międzyłopatkowe zamknięte są tarczą przednią 2. Na zewnętrznej powierzchni tarczy przedniej 2 i na zewnętrznej powierzchni tarczy tylnej 3 wykonane są wgłębienia 5 o kształcie połowy powierzchni sferycznej o średnicy 1 mm, głębokości 0.5 mm i w ilości 378: 189 wgłębień 5 na tarczy przedniej i 189 wgłębień 5 na tarczy tylnej, co stanowi 16% powierzchni tarczy przedniej i 14% tarczy tylnej. Wgłębienia na powierzchni tarczy przedniej 2 i powierzchni tarczy tylnej 3 są rozłożone w sposób koncentryczny od promienia minimalnego piasty 1 do promienia maksymalnego odpowiadającego średnicy zewnętrznej wirnika.

W obrębie kanałów międzyłopatkowych klasycznego wirnika promieniowego pompy wirowej następuje konwersja energii mechanicznej silnika na energię hydrauliczną przekazaną cieczy. Wirniki pomp mają wewnętrzne powierzchnie tarczy przedniej i tylnej gładkie, przez co praktycznie nie biorą one udziału w procesie przekazywania energii do cieczy przez wirnik.

Zaletą wirnika promieniowego pompy wirowej według wynalazku, w porównaniu do klasycznego, jest zmniejszenie strat mocy na skutek wirowania wirnika zanurzonego w płynie, poprzez zastosowanie wgłębień na zewnętrznej powierzchni tarczy tylnej i/lub przedniej. Wgłębienia - poprzez oddziaływanie na pole przepływu, głównie w obszarze warstwy przyściennej, powodują szybsze przejście z przepływu laminarnego w turbulentny, a tym samym zmniejszają wartość naprężeń stycznych odpowiadających za straty tarcia tarcz wirujących, przez co dodatkowo zwiększa się sprawność procesu przekazywania energii z silnika napędowego do cieczy.

Przeprowadzone wstępne badania laboratoryjne wirnika o geometrii przedstawionej na fig. 1 pokazały, że powyższe cechy, jak mniejsze naprężenia styczne oraz wyższą sprawność, posiada wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonyc h oporach tarcia tarcz wirujących według wynalazku.

Na fig. 3 przedstawiono porównanie charakterystyk wirnika gładkiego oraz wirnika promieniowego pompy wirowej według wynalazku. Na podstawie analizy wyników badań ukazanych na fig. 3 można zauważyć, że wirnik opisany w przykładzie wykonania, charakteryzował się o 6% wyższą sprawnością całkowitą, w porównaniu do wirnika gładkiego. Zatem zoptymalizowany kształt wirnika i rozłożenie wgłębień skutkuje jeszcze wyższym przyrostem sprawności.

Claims (6)

1. Wirnik promieniowy pompy wirowej o zmniejszonych oporach tarcia tarcz wirujących, składający się z piasty (1), połączonej lub wykonanej jako jedna całość z tarczą tylną (3), na której osadzone są łopatki główne (4) tworzące kanały międzyłopatkowe otwarte lub zamknięte tarczą przednią (2), znamienny tym, że na zewnętrznej powierzchni tarczy tylnej (3) i na zewnętrznej powierzchni tarczy przedniej (2) wykonane są wgłębienia (5).

2. Wirnik promieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia, na której występują wgłębienia (5) na wewnętrznej powierzchni tarczy tylnej, stanowi co najmniej 5% powierzchni tarczy tylnej.

3. Wirnik promieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia, na której występują wgłębienia (5) na wewnętrznej powierzchni tarczy przedniej (2) stanowi co najmniej 5% powierzchni tarczy przedniej.

4. Wirnik promieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wgłębienia (5) na powierzchni tarczy przedniej (2) i powierzchni tarczy tylnej (3) są rozłożone w sposób koncentryczny od promienia minimalnego piasty (1) do promienia maksymalnego odpowiadającego średnicy zewnętrznej wirnika.

5. Wirnik promieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że głębokość wgłębień (5) wynosi od 0.001 mm do 10 mm.

6. Wirnik promieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że kształt wgłębień (5) jest wycinkiem kuli.