NO152797B - Fermenteringsprosess og fermenteringsapparat - Google Patents

Description

Skruepumpe.

Nærværende oppfinnelse angår skrue-pumper av den art som er forsynt med en enkelt rotor som samvirker med en fast stator.

En kjent pumpe av denne art er den såkalte Moineau-pumpen, se f. eks. U.S. patent nr. 1 892 217, hvor en rotor med en utvendig enkel skruegjenge (d.v.s. en gjen-

ge med en eneste såkalt inngang) er roter-

bar under samtidig eksenteratevegelse i et fast statorhus, som har en innvendig, med rotorskruen samvirkende dobbel skruegjenge (d.v.s. en gjenge med to innganger)

hvis stigning er dobbelt så stor som rotor-gjengens. Statorhusgjengen er utført av elastisk materiale, vanligvis gummi, og mellom de to pumpeelementene avskilles lukkede lommer, som kontinuerlig og uten pulsasjoner mates aksialt gjennom pum-

pen.

Kjente pumper av denne art har den mangel at de er dyre og besværlige å tilvirke p.g.a. skrueelementenes intrikate form. Hvis man legger et snitt vinkelrett på aksen gjennom statoren til en Moineau-pumpe, får man overalt et pumpehuspro-

fil i form av en oval bestående av to mot hverandre vendte halvsirkler, hvis ender er forbundet ved rette, parallelle linjer. Pum-pehusets indre mantelflate fremkommer således ved at en slik oval forflyttes langs en akse under samtidig dreining. En oval av denne type har imidlertid en matema-

tisk tungvint form, og det er vanskelig å fremstille et pumpehus med denne gjenge-profil, som også vil oppvise temmelig kvas-

se og tynne gjengetopper, som utsettes for en ganske kraftig slitasje. Et tilsvarende snitt gjennom rotoren gir på den annen side en meget enkel figur, nemlig en sir-

kel, men hvis man betenker at det er tale om en skrue som overalt skal oppvise en slik for et skrueformet legeme uvanlig tverrsnittsprofil, vil man innse at rotorens fremstilling krever spesielle forholdsregler og spesialkonstruert maskinutstyr, se f. eks. fransk patent nr. 846 489.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaf-

fe en pumpe av den angjeldende alminne-

lige type, hvis geometriske form helt kan føres tilbake til eller genereres av den rette linje, ellipsen og den sylindriske skruelinje. Oppfinnelsens kjerne kan sies å ligge deri

at den konvensjonelle Moineau-pumpenc statorhusprofil, altså de to halvsirkler for-

enet med rette, parallelle linjer, er erstat-

tet med den matematisk lett definerbarc ellipse, hvilket har medført langtgåendc konsekvenser, både med hensyn til forenk-

let tilvirkning, sikrere funksjon og øket levetid.

Oppfinnelsen angår således en skruepumpe med et hus som har et innløp og el utløp, en stator med en innvendig dobbe" skruegjenge fast anbragt i huset mellom dettes inn- og utløp, samt en rotor med er utvendig enkel skruegjenge, hvis stignin;;

er halvparten av stator gjengenes, idet roto-

ren er lagret for rotasjon i statoren unde~' samvirkning med dennes skruegjenge, sli at det mellom statoren og rotoren avskille:: lukkede lommer, som suksessivt og konti-

nuerlig forflyttes i aksial retning mellom inn- og utløpet, og i hvilke lommer det pumpede medium transporteres, idet rotoren utfører en bundet planetbevegelse i statoren, d.v.s. dens bevegelse er sammensatt av en rotasjon omkring egen akse og en med samme vinkelhastighet, men til motsatt retning foregående eksenterbevegelse omkring statorens akse, idet skruepumpen ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at statorens indre mantelflate genereres av en ellipse, som forskyves langsetter en på ellipsens plan vinkelrett og gjennom ellipsens midtpunkt passerende akse under samtidig kontinuerlig dreining omkring denne akse, idet forskyvningen er direkte proporsjonal med dreiningen.

Oppfinnelsen er anskueliggjort på ved-føyede tegninger og skal forklares nær-mere under henvisning til disse. Fig. 1 er et vertikalt lengdesnitt gjennom en skruepumpe ifølge oppfinnelsen, hvor pumpens alminnelige oppbygging er vist skjematisk; Fig. 2 er et lengdesnitt gjennom en del av pumpens stator og viser dennes indre mantelflate; Fig. 3 er et sideriss av en del av pumpens rotor og viser dennes ytre mantelflate; Fig. 4 er et lengdesnitt, svarende til fig. 2, gjennom pumpens stator, men med tilsvarende del av pumperotoren på plass; Fig. 5 viser en av de lukkede lommer som dannes mellom pumpens stator og rotor og som suksessivt mates frem i aksi-alretningen under rotorens rotasjon; Fig. 6 viser hvordan statorens indre mantelflate kan genereres av en enkel skruelinje, som utfører en planetbevegelse; Fig. 7 viser en del av rotoren med et koordinatsystem inntegnet for bestemmelse av rotorens ytre mantelflate; Fig. 8 er et snitt etter linjen VIII-VIII i fig. 7; Fig. 9 illustrerer skjematisk en måte å fremstille rotoren; Fig. 10 illustrerer skjematisk en annen måte å fremstille rotoren.

Den i fig. 1 viste skruepumpe omfatter en rotor 10, som er roterbart anordnet i en stator 12. Denne er vanligvis utført av gummi 14 eller et annet elastisk materiale understøttet av en omsluttende ytre hylse. Ettersom rotoren beveger seg eksentrisk i statoren 12, må den tilsluttes til sin fast lagrede drivaksel 18 over en passende form av kardangkopling, eksempelvis slik at den utføres hul og i sitt indre opptar en kort pendelaksel 20, som i sin ene ende er til-sluttet til drivakselen 18 ved hjelp av en kardangkant 22 og i sin annen ende til rotoren ved hjelp av en andre kardangkant 24, idet sistnevnte tilslutning selvsagt må være tett utad.

Statoren 12 er innesluttet i et ytre hus 26, som på hensiktsmessig måte er utfor-met med utløp 28 og innløp 30. I prinsippet kan strømningen gjennom pumpen skje i hvilken som helst retning, alt ettersom rotoren roterer til den ene eller annen retning, men i praksis legger man helst trykk-siden på pumpens pakningsboksside for å unngå vakuum her. Drivakselen 18 er på kjent måte lagret i et utbygg 32 av huset 26, som også opptar pakningsboks 34 og andre tetningsorganer.

Så langt er den viste pumpe av kon-vensjonell type, og det fremholdes at skrue-pumpens ytre oppbygning og konstruksjon ikke utgjør noen del av oppfinnelsen.

Med' henvisning til fig. 2—5 skal den nye pumpes pumpevirkning forklares. I fig.

2 vises en del av statoren 12 og umiddelbart

under, i fig. 3, den tilsvarende del av rotoren 10, i det denne for tydelighets skyld er dreiet så at dens profil blir liggende likt med statorprofilen. Statorens stigning er betegnet med s, hvorfor rotorens blir s/2. I figurene er medtatt tre gjengeomganger av rotoren og et og et halvt av statoren. For beskrivelsesøyemedet er de viste rotor-og statormantler oppdelt i seks deler av-grenset av syv stasjoner 1—7 ifølge figurene. I fig. 4 er rotoren bragt på plass i statoren. Rent geometrisk må da følgende vilkår være oppfylt: 1) Rotorens gjengetopp, d.v.s. skruelinjen r—r, må overalt ha kontakt med statorens innside, uavhengig av rotorens stilling. 2) Statorhusets gjengetopper g—g og h—h, må overalt nå inn til kontakt med rotoren. Herved er å merke at det ikke er den eksakte topp g—g eller h—h som har kontakt med rotorens mantelflate, idet den virkelige kontaktlinje slingrer seg ved siden av topplinjen og krysser denne. For beskrivelsens formål betraktes imidlertid for enkelhets skyld statormantelens topp-linjer, d.v.s. de to skruelinjer g—g og h—h som forbinder de statorpunkter som ligger nærmest aksen, som kontaktlinjer.

Det vil lett innses at ettersom rotorens stigning bare er halvparten av statorens, må kontaktlinjen r—r skjære de to andre kontaktlinjer g—g og h—h, og i vir-keligheten dannes det mellom linjene lukkede lommer, som under rotorens rotasjon suksessivt mates frem i aksial retning.

Dette forhold er vist i fig. 5, som viser en slik lomme som strekker seg over tre av rotorens og et og et halvt av statorens gjengeomganger. Lommen begynner ved stasjon 1, der rotorens gjengetopp r—r skjærer en statorgjengetopp g—g (strek-prikk-linje), og utvider seg senere mellom nevnte kontaktlinjer frem til mellom sta-sjonene 3 og 5. Her skjer en ny skjæring mellom rotor- og statortoppene, og lommen innesluttes i fortsettelsen mellom den andre statortopp h—h (prikket linje) og rotortoppen r—r, fast på dennes andre side, og smalner av frem mot stasjon 7. Tre slike, innbyrdes aksialt forskutte lommer fremkommer, og av ovenstående fremgår at systemet rotor-stator må ha en aksial lengde overstigende 1,5 s.

Av de ovennevnte tetningslinjer, på den ene side g—g og h—h samt på den annen side r—r, er den sistnevnte av spe-siell interesse. Stadig tetning langs rotor-gjengenes topp ifølge vilkåret 1) oppfylles ifølge oppfinnelsen på følgende måte: Statorens indre mantelflate eller skrueflate genereres av en ellipse med aksene 2a og 2b, hvilken ellipse forskyves langsetter en på ellipsens plan vinkelrett gjennom ellipsens midtpunkt passerende akse under samtidig kontinuerlig dreining omkring denne akse, idet forskyvningen er direkte proporsjonal med dreiningen. Skrueflatens tidligere nevnte stigning s svarer således til ellipsens aksiale forskyv-ning etter en og en halv omgangs dreining. Statorens geometriske form blir således bestemt av størrelsene a, b og s. Disse er inntegnet i fig. 2 og 4.

Hvis nå rotoren legges inn i statoren ifølge fig. 4 og det forutsettes at dens gjengetopp dels består av en enkel, sylindrisk skruelinje med den konstante stigning s/2, dels overalt har kontakt med statoren, fremgår det av fig. 4 at skruelinjens diameter må være = a + b; se målangivelsene ved stasjon 5 og 6. Videre vil rotoren ligge eksentrisk i forhold til statoren, og det vil lett innses at eksentrisiteten e må være = a b (se f. eks. stasjon 3 og 5, fig. 4:

skruens radius minus ellipsens halve lilleakse b, blir avstanden mellom I statorens og rotorens akser,

Hvis nå rotoren fortsettes i rotasjon til samme hold, hvorved driften skjer så som antydet i fig. 1, vil dens sentrum vandre rundt i statoren til motsatt hold, i prinsippet en vanlig planetbevegelse, hvorved rotoren fullbyrder en omgang omkring sin egen akse samtidig som denne går rundt en sirkelbane med radius e.

Ifølge oppfinnelsen inntreffer nå det uventede at hvilken stilling rotoren enn inntar i statoren vil dens gjengetopp all-tid ha kontakt med eller tangere statorens innside. Dette gjelder eksakt og ikke bare tilnærmelsesvis.

For å bevise dette oppstilles først det almene uttrykk for statorens mantelflate såsom denne som nevnt genereres av en ellipse med aksene 2a og 2b. For den matematiske beskrivelse legges koordinatak-sene på den naturligste måte, f. eks. med x- og y-aksene i utgangsstedet langs ellipsens store- resp. lilleakse med z-aksen vinkelrett derpå, dvs. langs statorens akse, se fig. 4, der systemet er lagt ved stasjon 2. I utgangsstillingen blir ellipsens likning i parameterform:

Etterat ellipsen har rotert vinkelen v får et vilkårlig punkt (x, y, z) koordinatene:

Dette system av likninger definerer den av ellipsen genererte flate, dvs. statorhusets skrueflate.

Det skal nå vises at eksakt samme flate genereres av en sylindrisk skruelinje med diameter a + b og stigning s/2 (hvilken skruelinje således svarer til rotorgjenge-toppen), som roterer omkring sin egen akse samtidig som denne beveger seg til motsatt hold langs en sirkel med diameter 2e = a—b. Herved er rotasjonen bundet, dvs. hvis rotoren dreier seg en viss vinkel omkring sin egen akse, beveger denne samme vinkel seg langs eksentersirkelen (føl-ger av den rotasjonsfaste kardangkopling mellom drivakselen og rotoren).

Skruelinjen plaseres i samme koordinatsystem som statormantelen, hvorved dens akse skjærer x-y-planet (stasjon 2, fig. 4) i punktet A0 med koordinatene a-b

( 2, 0, 0). I denne utgangsstilling blir skruelinjens formel i parameterform:

Etter en rotasjon av vinkelen v fåes:

Dette formelsystem definerer den av

skruelinjen genererte flate.

For å sammenlikne formelsystemene II og IV gjøres følgende substitusjoner i system IV:

Det fremgår at parametersambandet er slik at overgangen ikke på noen måte forandrer flatens utseende. Man får:

Dette siste formelsystem VI stemmer helt overens med system II. De to flater er således identiske, og herav følger at rotoren under sin bevegelse i statoren stadig tetter mot denne langs sin gjengetopp r — r.

I fig. 6 er vist hvordan skruelinjen r — r genererer den ovennevnte mantelflate. Linjens stilling er inntegnet for hver 40. grad av dreiningen, og herved fremkommer den genererte flate, hvilken såsom ovenfor bevist er den samme som frembrin-ges av en fremskrudd ellipse.

Betreffende de to øvrige tetningslinjer g — g og h — h mellom statoren og rotoren blir som tidligere antydet forhol-dene her mere kompliserte, og noen ana-lyse av disse linjers virkelige strekning skal ikke foretaes. Det gjelder imidlertid å fastslå rotorens mantelflate i området mellom rotorgjengetoppene. Av fig. 4 fremgår umiddelbart at denne flates minste radius (se f. eks. stasjon 3) må være:.

ettersom statorens gjengetopp må tangere rotoren i dennes gjengebunn, der rotorens akse ligger nærmest statorgjengetoppen, hvilket tydelig fremgår av fig. 4. Det har vist seg at rotorskruens mantelflate med bibeholdt full tetning kan utformes på flere måt3r, forutsatt at de angitte grunnvilkår

oppfylles (dvs. gjengetoppen skal ha en diameter på a + b og en stigning på s/2

og gjengebunnens radius være lik 3tø a <3>b ). I fig. 7 og 8 vises prinsippielt

2

en måte å generere skruens mantelflate, hvilket uten vanskelighet og på en økono-misk måte kan omsettes i praksis for mas-seproduksjon av rotorene.

Man går ut fra den tidligere definerte rotorgjengetopp r — r, dvs. en sylindrisk skruelinje med stigning s/2 og diameter a + b. To punkter n, n på nærliggende omganger av skruelinjen forbindes med hverandre, hvorved punktenes relative stilling velges slik at linjen n — n tangerer en med skruelinjen koaksial sylinder med diameter 3b—a, se fig. 8, så at tange-ringspunktet representerer et punkt på ro-torgjengebunnen. Hvis nå denne linje får

gli med sine ender langs skruelinjen, altså

hele tiden tangerende den nevnte sylinder, genereres den skrueflate som egner seg ut-merket for oppfinnelsesøyemedet, dvs. som mantelflate for pumperotoren. Det gitte vilkår oppfylles også av en linje m — m, se fig. 5, som genererer en flate som også kan benyttes.

For oppstilling av skrueflatens formel velges som før et koordinatsystem x, y, z, idet z-aksen i dette tilfelle faller sammen med skruelinjens akse. Skruelinjens formel blir da i parameterform (jfr. formel

III):

der u er en parameter representerende den vinkel som skruelinjens radius fra en utgangsstilling dreier seg omkring z-aksen. Det antas at parameterverdien u = v gir punktet T i fig. 8, dvs. et punkt på skruelinjen rett bakom skjæringspunktet mellom n — n og m — mi fig. 7. For å få punktene n, n og m, m gis parameteren verdien v ± a, der a er en vinkel i andre (punktene m, m) eller tredje vinkelkvadrant (punktene n, n), ettersom vinkelav-standen mellom T og et av punktene m, m ligger mellom 90 og 180°, mens denne av-stand mellom T og et av punktene n, n ligger mellom 180 og 270°. Hvis nå de resp. punkter m, m og n, n sammenbindes, og hvis (x, y, z) er et punkt på den ene linje som deler denne linje i forholdet X : (1 - X), der 0 fg X <; 1 (dette vilkår bestemmer at linjene ikke kan fortsette utenfor resp. punkter m og n) så blir:

Dette er den søkte flates formel med v og X som parametrer (a gjenstår å bestemme). Formelen kan imidlertid forenk-les atskillig gjennom parameterveksling.

i Først innføres parameteren p med va-riasjonsområdet -1 < p < 1 ved at X settes

Tilslutt erstattes p med t, hvorved t settes = p . tga . t's variasjonsområde blir således —tga <J t rg tga. Man får sam-menfatningsvis:

Tilslutt gjenstår det å bestemme a. Dens verdi fås av vilkåret at skrueflaten, eller den genererende linje m — m eller n — n tangerer den innskrevne sylinder med diameter 3b—a, dvs. a bestemmes av verdien på rotorskruegj engens bunnradius. For et punkt på linjene m — m og n — n gjelder generelt følgende samband mellom dets x- og y-koordinater, se fig. 8: Nå er rinin = y2 (3b — a) ifølge forut-setningene, altså:

Men når r er minimum, deles strek-ningene m — m og n — n midt itu, og således er X = V2- Av formel IX fåes da:

Legg merke til at a ligger i andre eller tredje vinkelkvadrant, derav minustegnet.

Av formel XIII og XV fåes altså: Således gis a av vilkåret I

Den matematiske beskrivelse av rotor-

skruens mantelflate blir således følgende:

der t og v er parametrer, hvorav t har va-riasjonsområdet -tga <j t <^ tga.

Såsom fremholdt innledningsvis er en

av fordelene med skruepumpen ifølge opp-

finnelsen at den er enkel å lage. Statoren tilvirkes ved at det fremstilles en kjerne,

hvis utside stemmer overens med statorens indre mantelflate. Denne kjerne støpes se-

nere av i gummi, og når gummien er herd-

net skrues kjernen ut. Kjernen anvendes således som et verktøy, ved hjelp av hvil-

ket det kan fremstilles et antall statorer.

Ved tilvirkningen av kjernen utnyttes det

tidligere analyserte forhold at statorens indre mantelflate og således også kjernens utside kan genereres av en enkel skruelinje som beveger seg under en samtidig eksenterbevegelse. Fig. 6 gir en antydning om hvordan denne kjernetilvirkning kan skje.

Et emne anbringes i en kombinert lengde-

og rundmatningsanordning og mates på

en slik måte at et skjærende verktøy i for-

hold til emnet hele tiden følger den enkle skruelinje r — r, hvilket ikke byr på noen vanskeligheter å få istand. Hvis nå det skjærende verktøy gjentatte ganger får gjennomløpe sin bane r — r, hvorunder emnet fra gang til gang forskyves noe et-

ter bestemte regler, vil skjæreverktøyet etter en tid ha arbeidet frem et emne med den søkte profil, hvilket fremgår av fig. 6,

hvis de tett liggende skruelinjer r — r an-

tas å være de innbyrdes like men på en viss måte forskjøvne bearbeidelsesspor et-

ter nevnte verktøy.

Av enda større betydning er det at ro-

toren til skruepumpen ifølge oppfinnelsen er mulig å tilvirke hurtig og med enkle

midler, i motsetning til rotorene ved tidli-

gere kjente pumper av Moineau-typen. Fig.

7 gir en antydning om en metode for til-

virkning av rotoren: Et emne anbringes i en kombinert lengde- og rundmatningsan-

ordning av omtrent samme type som ten-

kes anvendt for fremstilling av statorem-

nene, og bearbeides i en kipp eller høvel,

hvorved det frem- og tilbakegående skjæ-

restål beveger seg langs en bane som fal-

ler sammen med linjen m — m eller n— n,

mens emnet suksessivt skrues frem av mat-ningsanordningen.

En enda bedre og raskere måte er il-

lustrert i fig. 9. Et emne er oppsatt i en lengde- og rundmatningsanordning og be-

arbeides av en roterende pinnefres 36, mens emnet 34 samtidig dreies og forskyves, idet lengdematningen er s/2 pr. omgang. Her-

ved er det å merke at den skrueflate som fåes ikke matematisk eksakt stemmer over-

ens med den ovenfor definerte, selv om den ligger meget nær opptil denne. I praksis fåes fullgod tetning mellom statorens gjen-

getopper og det umiddelbart inntil disse liggende område og den på denne måte fremstilte flate.

I fig. 10 illustreres skjematisk en yt-

terligere måte å tilvirke rotoren, hvilken ligger nær opptil den i fig. 9 viste. I dette tilfelle er pinnefresen erstattet med en van-

lig fres eller valsefres 38 med større dia-

meter, idet fresen er slik innstilt at den danner en vinkel med emnets akse lik skruens stigningsvinkel. Også i dette til-

felle er selvsagt lengdematningen s/2 pr.

omgang.

Ved praktiske prøver har pumpen iføl-

ge oppfinnelsen vist seg å fungere spesielt godt, og stator-rotor-systemet oppviser en bemerkelsesverdig liten slitasje, selv etter meget lange driftsperioder. Trykk på 7—8

kp/cm2 bygges meget raskt opp i pumpen og viser ingen tendens til å synke med tiden.

Claims (5)

1. Skruepumpe omfattende et hus med et innløp og et utløp, en stator med en inn-

vendig dobbel skruegjenge fast anbragt i huset mellom inn- og utløpet, samt en rotor med en utvendig enkel skruegjenge, hvis stigning er halvparten av statorgj engens, idet rotoren er lagret for rotasjon i statoren under samvirkning med dennes skruegjenge, så at det mellom statoren og rotoren avskilles lukkede lommer, som suksessivt og kontinuerlig forflyttes i aksial retning mellom inn- og utløpet, og i hvilke lommer det pumpede medium transporteres, idet rotoren utfører en bundet planetbevegelse i statoren, dvs. dens bevegelse er sammensatt av en rotasjon omkring egen akse og en med samme vinkelhastighet, men til motsatt retning foregående eksenterbevegelse omkring statorens akse, karakterisertvedat statorens indre mantelflate genereres av en ellipse, som forskyves langsetter en på ellipsens plan vinkelrett og gjennom ellipsens midtpunkt passerende akse under samtidig kontinuerlig dreining omkring denne akse, idet forskyvningen er direkte proporsjonal med dreiningen.

2. Skruepumpe ifølge påstand 1, hvor statorgj engens stigning er s og dens ellip-tiske tverrsnitt har storakse 2a og lilleakse 2b, karakterisert ved at statorens indre mantelflate analytisk beskrives av følgende formelsystem, som refererer seg til et rettvinklet koordinatsystem (x, y, z) plasert med z-aksen fallende sammen med statorens lengdeakse og med x-og y-aksene vinkelrett derpå: der t og v er to parametre.

3. Skruepumpe ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at rotorens gjengetopp følger en enkel skruelinje med en diameter lik middelverdien av det ellip- tiske stator-tverrsnittets store- og lilleakse, mens rotorens gjengebunn tangerer en med rotoren koaksial sylinder med en diameter lik en og en halv ganger nevnte lilleakse minus halve storeaksen, d.v.s. de resp. diametre er med de angitte betegnel-ser henholdsvis lik a + b og 3b a.

4. Skruepumpe ifølge påstand 3, karakterisert ved at rotorens mantelflate genereres av en rett linje, som for-ener to punkter på nærliggende omganger av skruelinjen, hvilke punkter er slik be-liggende at den rette linje tangerer den nevnte sylinder, idet mantelflaten genereres av linjen når denne med sine ende-punkter glir langs skruelinjen.

5. Skruepumpe ifølge påstand 4, karakterisert ved at rotorens ytre mantelflate analytisk beskrives av følgende formelsystem, som refererer seg til et rettvinklet koordinatsystem (x,y,z) plasert slik at z-aksen faller sammen med rotorens lengdeakse og med x- og y-aksene vinkelrett derpå: der t og v er parametre, hvorav t har varia-sjonsområdet: -^tgct <: t <^j tga.