ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, РАБОТАЮЩИЙ В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ, ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО КРЫЛЬЧАТКА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2015 года по МПК B01F7/00 

Настоящее изобретение относится к перемешивающему элементу, работающему в осевом направлении, предпочтительно к крыльчатке, изготовленной от листового металла, с лопастями, расположенными в радиальном направлении вокруг оси, к использованию такого перемешивающего элемента в механизме мешалки для перемешивания и/или смешивания, и к способу изготовления такого перемешивающего элемента.

Крыльчатки, работающие в осевом направлении, являются известными в многочисленных вариантах осуществления из предшествующего уровня техники. Примерами являются крыльчатки в мешалках моделей Amamix 300 или Amamix 400, выпускаемых фирмой KSB Aktiengesellschaft. Эти модели используют в числе других моделей в качестве мешалок с горизонтальным погружным электродвигателем для перемешивания, гомогенизации и сгущения коммунальных или промышленных сточных вод и суспензий. Используемые крыльчатки являются особенно пригодными для этого, поскольку они изготовлены из листовых металлов, которые являются стойкими к транспортируемой текучей среде, в частности, стойкими к коррозии. Крыльчатки, которые имеют постоянную или почти постоянную толщину металла или лопасти, при вращении в иногда вязких перемешиваемых средах подвергаются более высоким потерям мощности на задней кромке, крыльчатки с профилированными лопастями, причем последние, тем не менее, являются существенно более сложным изготовлении. Таким образом, для вращения крыльчатки в вязкой среде с постоянной высокой скоростью вращения необходимо использовать больше энергии. Из предшествующего уровня техники известно, что для уменьшения потерь на сопротивление передней поверхности необходимо скашивать и заострять лопасти с их входной стороны, на которую набегает поток (спереди).

Исходя из этой и аналогичных конструкций, задачей настоящего изобретения является дополнительное уменьшение сопротивления вращению крыльчатки. Это также может обеспечивать заметную экономию энергии, необходимой для процесса перемешивания. Следовательно, еще одной задачей настоящего изобретения является использование перемешивающего элемента согласно настоящему изобретению для обеспечения лучшего результата перемешивания при том же самом потреблении энергии, стабильного результата перемешивания при более низком потреблении энергии или улучшенного результата перемешивания при более низком потреблении энергии.

Согласно настоящему изобретению, эти задачи выполнены за счет перемешивающего элемента, работающего в осевом направлении, по п. 1 формулы изобретения. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, предпочтительно крыльчатка, с лопастями, расположенными в радиальном направлении вокруг оси, имеет, соответственно, по меньшей мере, одну лопасть, кромка которой на выходной стороне является заостренной.

Используемый здесь термин "осевые" перемешивающие элементы относится к перемешивающим элементам, лопасти на которых расположены в радиальном направлении вокруг оси вращения и, в основном, под наклоном к ней. При работе такого осевого перемешивающего элемента основной поток перемешиваемой среды всегда ориентирован в осевом направлении. Понятно, что входной или передней стороной является та кромка лопасти, которая при работе перемешивающего элемента идет первой в предложенном направлении вращения. Понятно, что выходной или задней стороной является та кромка лопасти, которая при работе перемешивающего элемента идет последней в предложенном направлении вращения.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, связанных с основным пунктом формулы изобретения.

В первом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения одна или большее количество лопастей также заострены с входной стороны. Отношение тягового усилия к мощности может быть улучшено за счет оптимальной шлифовки. В еще одном варианте осуществления изобретения с соответствующим заострением на передней стороне и на задней стороне несомненно обеспечено улучшение усовершенствований, являющихся следствием заострения только на передней стороне или только на задней стороне.

В еще одном варианте осуществления изобретения перемешивающий элемент согласно настоящему изобретению имеет, по меньшей мере, одну лопасть с упомянутыми свойствами. Предпочтительно несколько, половина или все лопасти перемешивающего элемента согласно настоящему изобретению являются заостренными с входной и/или с выходной стороны.

Было установлено, что при вращении такого перемешивающего элемента в вязкой среде турбулентность и завихрения происходят не только на входной стороне, но также и на выходной (задней) стороне лопастей вследствие отсутствия обтекаемости, что вызывает сопротивление вращению и, следовательно, потери мощности. Завихрения на выходной кромке создают потери, величина которых ранее не учитывалась на предшествующем уровне техники. Заострение, то есть снятие фасок, обеспечивает снижение потерь мощности и, следовательно, прежде всего, улучшает отношение тягового усилия к мощности при вращении по сравнению с иными осевыми крыльчатками из листового металла, имеющими простую конструкцию.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором одна или большее количество лопастей являются заостренными с передней и/или с задней стороны, заострение на входной и/или выходной стороне, каждое в отдельности, включает в себя угол наклона от 5° до, приблизительно, 30°, предпочтительно от, приблизительно, 10° до, приблизительно, 15°. Если предусмотрено наличие нескольких лопастей, заостренных с выходной стороны, то этот угол наклона может являться постоянным углом для всех лопастей. То же самое утверждение применимо и в том случае, если имеется несколько лопастей, заостренных с входной стороны.

Кроме того, в одном из вариантов осуществления изобретения может быть предусмотрено, что при наличии шлифованных передних сторон и/или задних сторон, шлифовка применена к входной стороне лопастей. Понятно, что верхней стороной лопасти является та сторона вдоль оси вращения, с которой перемешиваемая среда течет через перемешивающий элемент при вращении крыльчатки в предложенном направлении вращения, то есть, та сторона лопастей, которая расположена выше по течению. Такая шлифовка может оказывать дополнительное положительное влияние на возможность автоматизации и на стоимость конструкции.

В другом варианте осуществления изобретения заострена не вся кромка, а только один участок. Предпочтительно им может являться внешняя участок, то есть, участок, наиболее удаленный от оси вращения, поскольку здесь, при одной и той же скорости вращения, абсолютная скорость прохождения кромок через среду является более высокой, чем во внутренней области. Таким образом, в одном из вариантов осуществления изобретения обработаны только внешние две трети или только внешняя половина лопастей. Специалист в данной области техники должен расценивать эти значения как приближенные значения, и они в значительной степени зависят от размера и формы крыльчатки, от области применения и от рабочей скорости вращения.

Кроме того, эксперименты показали, что, прежде всего, при меньших крыльчатках, характеризующихся относительно короткими длинами лопастей, скорость вращения которых в соответствующих случаях может быть относительно высокой, то есть в диапазоне скоростей вращения выше 600 оборотов в минуту, выше 800 оборотов в минуту, выше 1000 оборотов в минуту и даже выше 2000 оборотов в минуту, на выходной стороне могут происходить потери, которые больше не являются пренебрежимо малыми.

Следовательно, такой перемешивающий элемент в одном из вариантов осуществления изобретения имеет общий диаметр от, приблизительно, 20 см до, приблизительно, 1 м, предпочтительно от, приблизительно, 30 см до, приблизительно, 60 см и особо предпочтительно от, приблизительно, 30 см до, приблизительно, 40 см. В другом варианте осуществления изобретения общий диаметр составляет от, приблизительно, 40 см до 80 см. Однако перемешивающий элемент диаметром более 1 м также пригоден для использования в соответствующих механизмах мешалок, и это приводит к заметному увеличению отношения тягового усилия к мощности.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения одна или большее количество лопастей выполнены из листового металла. Такая конструкция из листового металла имеет практическое преимущество, состоящее в сравнительно дешевом изготовлении и в высокой прочности. Термин "листовой металл" означает плоскую или почти плоскую пластину из металла. В качестве исходных материалов для настоящей заявки на изобретение пригодно множество металлов и, главным образом, сплавов, однако, в одном из вариантов осуществления изобретения особо пригодными являются листовая сталь и алюминиевый лист, стойкие к транспортируемым текучим средам.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения одна или большее количество лопастей имеют постоянную толщину вне заостренных мест. Это также является экономически выгодным при изготовлении, обеспечивает умеренный вес пропеллерной мешалки и имеет преимущество, состоящее в низком сопротивлении вращению. Листовой металл обычно имеет постоянную толщину по своей площади поверхности. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения лопастями или материалом, из которого сформированы лопасти, предпочтительно является листовой металл толщиной от 3 до 15 мм, предпочтительно от 3 до 8 мм. Естественно, что эти значения также изменяются в зависимости от области применения и диаметра перемешивающего элемента.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения одна или большее количество лопастей являются изогнутыми. Такая конструкция является предпочтительной в пропеллерной мешалке для создания главной оси, которая является насколько можно более ориентированной в направлении потока перемешиваемой среды. Предпочтительно кривизна на каждой стороне лопасти имеет равномерный показатель или равна 0. В другом варианте осуществления изобретения кривизна спроектирована так, что в точке крепления к валу, при ориентации под углом относительно направления вращения и на внешних концах, лопасти расположены вдоль направления вращения.

Следовательно, с конструктивной точки зрения может оказаться целесообразным использование в предпочтительном варианте осуществления изобретения одного металлического листа для конструкции крыльчатки, причем этот лист согнут в форме лопасти и приварен к втулке крыльчатки.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения одна или большее количество лопастей являются серповидными. Эта серповидная форма может являться следствием обоих факторов: формы неизогнутого материала, предпочтительно металлического листа, или формы лопастей вдоль оси вращения на виде сверху. В предпочтительном варианте осуществления изобретения лопасти не сужаются на внешней стороне, но являются скругленными или обрезанными под наклоном или по касательной. Такая конструкция приводит к высокой прочности лопастей до их конечных участков и к образованию меньшей турбулентности.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, две лопасти выполнены по их размеру, расстоянию между ними и/или форме таким образом, что на виде сверху в направлении оси вращения отдельные лопасти являются наложенными друг на друга. Предпочтительно все лопасти имеют одинаковое расстояние между ними, однако имеют, по меньшей мере, регулярную схему размещения. Предпочтительным количеством лопастей крыльчатки согласно настоящему изобретению обычно является количество от 2 до, приблизительно, 10 лопастей, предпочтительно от 2 до 5 лопастей и особо предпочтительно в точности 3 лопасти. По своей длине (приблизительно D/2), более точно определяемой на виде сверху их диаметром, лопасти имеют ширину от 5 см до 30 см, предпочтительно от, приблизительно, 10 см до, приблизительно, 25 см. Этот размер может относиться как к ширине металлического листа до изгибания, так и к ширине крыльчатки на виде сверху с осевого направления.

Такие крыльчатки могут вводиться в центр или с несимметрично относительно центра в среду, которая подлежит смешиванию или перемешиванию. Также возможно использование нескольких таких крыльчаток в одной среде. Крыльчатка может быть введена в целевой участок вдоль оси вертикально сверху, или снизу, или также сбоку, под наклоном и/или под углом.

Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является использование описанного выше перемешивающего элемента. В предпочтительном варианте использования такой перемешивающий элемент используют в механизме мешалки для перемешивания и/или смешивания. Использование в смесителе или в мешалке с погружным электродвигателем является предпочтительными, причем особо предпочтительным для смешивания, гомогенизации и сгущения предпочтительно коммунальных и/или промышленных сточных вод или суспензий. В одном из вариантов осуществления изобретения крыльчатка вращается со скоростью от, приблизительно, 100 до, приблизительно 1500 оборотов в минуту, предпочтительно от, приблизительно, 500 до, приблизительно, 1000 оборотов в минуту. Приведенная в качестве примера максимальная мощность привода для промышленного использования составляет, приблизительно, 5 кВт. Предпочтительно такую крыльчатку приводят в действие электродвигателем.

Таким образом, настоящее изобретение также включает в себя механизмы мешалок, которые являются пригодными для упомянутой области применения и содержат перемешивающий элемент согласно настоящему изобретению.

Кроме того, настоящее изобретение включает в себя способ изготовления осевой крыльчатки, содержащий следующие операции: изготавливают, по меньшей мере, одну деталь из листового металла в форме, пригодной для лопасти, способом вырубки, резки, резки сваркой и/или иным подходящим способом, изгибают эту, по меньшей мере, одну деталь из листового металла, заостряют эту, по меньшей мере, одну деталь из листового металла, по меньшей мере, с одной ее стороны, которая запланирована как выходная сторона, и приваривают эту, по меньшей мере, одну деталь из листового металла к втулке крыльчатки.

Этот способ предназначен для использования для изготовления перемешивающего элемента согласно настоящему изобретению в соответствии с любым из предложенных вариантов его осуществления. Следовательно, приведенные выше описания отдельных вариантов осуществления изобретения для различных возможных компоновок перемешивающих элементов согласно настоящему изобретению также применимы и к операциям способа. Порядок следования операций, перечисленный в предыдущем абзаце и в п. 15 формулы изобретения, не следует истолковывать как ограничивающий признак. В частности, операции формирования, в частности, в форме прессования или сжатия, заострения и приваривания детали из листового металла могут быть при необходимости поменяны местами одна с другой.

Признаки, подробности и преимущества настоящего изобретения объяснены ниже со ссылкой на приведенные в качестве примеров варианты его осуществления, показанные на чертежах. На них изображено следующее:

на чертеже Фиг.1 в косой проекции показан перемешивающий элемент согласно настоящему изобретению;

на чертеже Фиг.1а в косой проекции показан перемешивающий элемент из предшествующего уровня техники;

на чертеже Фиг.2 изображена крыльчатка согласно настоящему изобретению;

на чертеже Фиг.2а изображена лопасть крыльчатки согласно настоящему изобретению;

на чертеже Фиг.3 изображен поперечный разрез лопасти согласно настоящему изобретению; и

на чертеже Фиг.3а изображен поперечный разрез лопасти из предшествующего уровня техники.

На чертеже Фиг.1 показан механизм пропеллерной мешалки с крыльчаткой согласно настоящему изобретению. Крыльчатка 1 прикреплена вдоль оси к втулке 2 крыльчатки. Лопасти 3 являются изогнутыми. Они имеют входную сторону 4 и выходную сторону 5, и усечены на их внешних концах 6. Обе кромки: кромка на входной стороне 4 и кромка на выходной стороне 5, являются заостренными.

Этот чертеж отличается от чертежа 1а, на котором показана та же самая крыльчатка без заострения кромки на выходной стороне. Такая крыльчатка соответствует предшествующему уровню техники.

На чертеже Фиг.2 изображена часть крыльчатки согласно настоящему изобретению. Этот прототип был изготовлен на основе модели мешалки Amamix 300, выпускаемой фирмой KSB Aktiengesellschaft, путем фрезерования выходной стороны. В частности, ясно показана лопасть 3а. Лопасть 3а в этом описании расположена на лопасти второй крыльчатки согласно чертежу 1, расположенному наоборот. Втулка 2 крыльчатки и втулка 2,1 крыльчатки из крыльчатки согласно предшествующему уровню техники расположены напротив друг друга.

На чертеже Фиг.2а изображена часть крыльчатки согласно настоящему изобретению в виде одной лопасти 3а. Выпуклая изогнутая деталь 4а серповидной лопасти 3а образует входную сторону, а вогнутая изогнутая деталь 5а - выходную сторону. Очевидно, что лопасть была скошена на выходной стороне (обозначенной как В). Заострение с обеих сторон существенно уменьшает сопротивление при перемешивании и обеспечивает улучшенное отношения тягового усилия к мощности.

На чертеже Фиг.3 показан поперечный разрез лопасти крыльчатки согласно настоящему изобретению. Для простоты лопасть 3 показана прямой в разрезе, то есть, не изогнутой. Входная сторона 4 и выходная сторона 5 являются заостренными по углами α и β. Эти углы каждый в отдельности могут принимать значения в интервале угла резания, заданном в общей части описания заявки. Верхняя сторона 7 и нижняя сторона 8 являются параллельными друг другу, и лопасть 3 имеет постоянную толщину d по всей ее ширине. В этом приведенном в качестве примере варианта осуществления (изобретения) это также предположено, что лопасть имеет постоянную толщину d по всей площади ее поверхности. Толщина показана на чертеже Фиг.3 как величина d и предпочтительно принимает значение в интервале, заданном в общей части описания.

В отличие от этого, на чертеже Фиг.3а показан поперечный разрез лопасти из предшествующего уровня техники. Здесь угол β приблизительно равен 90°. Кромка на выходной стороне не заострена.

Изобретение касается перемешивающего элемента, работающего в осевом направлении. Перемешивающий элемент представляет собой крыльчатку (1), изготовленную из листового металла с лопастями (3) крыльчатки, расположенными в радиальном направлении вокруг оси (А). При этом перемешивающий элемент имеет, по меньшей мере, одну лопасть крыльчатки, кромка которой на выходной стороне (5) является заостренной. Исходя из этой и аналогичных конструкций, задачей настоящего изобретения является дополнительное уменьшение сопротивления вращению крыльчатки. Это также может обеспечивать заметную экономию энергии, необходимой для процесса перемешивания. Изобретение обеспечивает улучшенный результат перемешивания при более низком потреблении энергии. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, имеющий входную и выходную стороны, изготовленный из металлического листа, снабженный лопастями (3) крыльчатки, расположенными в радиальном направлении вокруг оси (А), причем металлический лист согнут в форме лопасти и приварен к втулке (2) крыльчатки, причем одна или более лопастей имеют серповидную форму, и на виде сверху в направлении оси по меньшей мере две отдельные лопасти накладываются друг на друга, причем по меньшей мере у одной лопасти крыльчатки кромка на выходной стороне (5) выполнена заостренной, и при этом только часть этой кромки имеет заострение на входной и/или выходной стороне.

2. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем этот перемешивающий элемент является крыльчаткой.

3. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем лопасти (3) скруглены на внешних концах (б) или срезаны под углом или по касательной.

4. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем упомянутая часть кромки представляет собой внешние две трети этой кромки.

5. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем по меньшей мере одна лопасть крыльчатки также имеет кромку, заостренную на входной стороне (4).

6. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем несколько лопастей крыльчатки перемешивающего элемента имеют кромки, заостренные на входной и/или на выходной стороне.

7. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем все лопасти крыльчатки перемешивающего элемента имеют кромки, заостренные на входной и/или на выходной стороне.

8. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем заострение на входной и/или на выходной стороне, каждое в отдельности, имеет угол наклона от 5° до 30°.

9. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 8, причем угол наклона составляет от 10° до 15°.

10. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем заострение на входной и/или на выходной стороне имеет постоянный угол во всех лопастях крыльчатки.

11. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем заострение на входной и/или на выходной стороне выполнено путем шлифовки на всасывающей стороне (7) лопастей крыльчатки.

12. Перемешивающий элемент, работающий в осевом направлении, по п. 1, причем одна или более лопастей имеют постоянную толщину вне заостренных мест.

13. Механизм мешалки для перемешивания и/или смешивания, смеситель или мешалка с погружным электродвигателем, с перемешивающим элементом по любому из пп. 1-12.

14. Механизм мешалки по п. 13, выполненный с возможностью смешивания, гомогенизации и сгущения сточных вод или суспензий.

15. Механизм мешалки по п. 14, выполненный с возможностью смешивания, гомогенизации и сгущения коммунальных и/или промышленных сточных вод или суспензий.

16. Способ изготовления осевого перемешивающего элемента по любому из пп. 1-12, содержащий следующие операции, выполняемые в любом порядке:
a) изготавливают, по меньшей мере, одну деталь из металлического листа в форме, пригодной для лопасти, способом вырубки, резки, резки сваркой и/или иным подходящим способом;
b) формуют, штампуют или сжимают эту, по меньшей мере, одну деталь из металлического листа;
c) заостряют эту, по меньшей мере, одну деталь из металлического листа, по меньшей мере, с одной ее стороны, которая запланирована как выходная сторона, причем заострение выполняют только на части этой выходной стороны; и
d) приваривают эту, по меньшей мере, одну деталь из металлического листа к втулке крыльчатки.