NO312563B1 - Fremgangsmate for reduksjon av stoy og kavitasjon i en trykkveksler som oker eller reduserer trykket pa fluider ved fortrengningsprinsippet, og en sadan trykkveksler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for reduksjon av støy og kavitasjon i en trykkveksler som øker eller reduserer trykket på fluider ved

fortrengningsprinsippet, hvor trykkveksleren omfatter en rotor med rotorkanaler som løper gjennom rotoren, og rotoren er anordnet i et hus med endedeksler med en høytrykksport, en lavtrykksport og trykkøknings- og trykkreduksjonsområder.

Videre angår oppfinnelsen en trykkveksler omfattende en rotor med rotorkanaler som løper gjennom rotoren, idet rotoren er innrettet til rotasjon i et hus med endedeksler med innerflater, som ligger an mot endene av rotoren, og endedekslene har høytrykksporter og lavtrykksporter og et trykkreduksjonsområde og et trykkøkningsområde som befinner seg mellom høytrykks- og lavtrykksportene.

Det er kjent ulike maskiner bl.a. hydrauliske pumper, hydrauliske ventiler, hydrauliske aktuatorer, hydrauliske motorer og trykkvekslere som beskrevet i norske patenter nr. 161341, 168548, 306272 hvor støynivået blir uakseptabelt dersom maskinene brukes ved for høyt turtall eller trykk. Den sistnevnte maskin har i praksis vist seg å være spesielt utsatt for disse driftsbegrensninger, idet svært begrenset tid er til rådighet for samtidig gjennomføring av to prosesser i samme maskin.

Hensikten med oppfinnelsen er i første rekke å skaffe en forbedret fremgangsmåte og en trykkveksler som er vesentlig mindre beheftet med disse ulemper.

Det særegne ved fremgangsmåten og trykkveksleren ifølge oppfinnelsen fremgår av de i kravene angitte, kjennetegnende trekk.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene som skjematisk viser utførelsesformer for en trykkveksler ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser endelokk av trykkveksleren med porter for høyt og lavt trykk av konvensjonell utførelse. Fig. 2a-2h viser tverrsnitt gjennom en rotorkanal og et endelokk under ulike posisjoner gjennomføring av et komplett hendelsesforløp ved en rotor omdreining. Fig. 3 viser et trykk- og lekkasjediagram for rotorkanalen i trykkvekslerprosessen dersom væsken antas å være ideal uten elastisitet og endelokkene har symmetriske portåpninger. Fig. 4 viser et trykk- og lekkasjediagram for den samme prosess, men med en virkelig, elastisk eller komprimerbar væske. Fig. 5 viser et eksempel på hvordan oppfinnelsen kan utføres i trykkvekslerens endelokk.

Fig. 6 viser en annen utførelse av oppfinnelsen i trykkvekslerens endelokk.

Figur 1 viser samtlige prinsipielle elementer i et symmetrisk endelokk som har en høytrykksport 1 og en lavtrykksport 2. Selv om portenes vinkelutstrekning er identiske på tegningen, er dette ikke noe krav og kan i kombinasjon med ulike antall kanaler i rotoren være fordelaktig. Endelokket har to tetningssoner, hvor den ene er en trykkavlastningssone 3 og en trykksettingssone 4 mellom høytrykks siden og lavtrykkssiden. Med basis i at rotorens kanaler dreier seg med urviserne, så vil samtlige rotorkanaler passere fra høytrykksporten 1 over trykkavlastningssonen 3 til lavtrykksporten 2 og over til trykksettingssonen 4 for å igjen ta posisjon i høytrykksporten 1. Videre har trykkavlastningssonen 3 en tilløpskant 5 og en utløpskant 6 og tilsvarende har trykksettingssonen 4 en tilløpskant 7 og en utløpskant 8. Vinkelutstrekningen av tetningssonene 3,4 vil som minimum inkludere en komplett rotorkanal og dens radielle veggelementer. Dersom tetningssonene har større vinkelutstrekning, vil tetningssonene ha en tilleggssone. Trykkavlastningssonen 3 har en slik tilleggssone som er markert med en brutt linje 9, mens trykksettingssonen 4 har et tilvarende areal markert med en brutt linje 10. Figurene 2 a-d viser syklusen for hver rotorkanal 11 med en følgende kanalvegg 12 og en førende kanalvegg 13 mens den passerer fra høytrykksporten til lavtrykksporten. Startposisjon 2a er når forkanten av følgende kanalvegg 12 når innløpskanalen 5 i trykkavlastningssonen 3 og kanaltrykket P2a tilsvarer trykket i HP i høytrykksonen. I denne posisjon er lekkasjestrømmene maksimale, og Ql over den førende kanalvegg 13 er utsatt for maksimal strømningsmotstand og trykkdifferanse HP-LP. Etterhvert som rotorkanal ens følgende vegg 12 inntar trykkavlastningssonen 3, avtar lekkasjestrømmene og Q2 er utsatt for en tiltagende strømningsmotstand inntil rotorkanalen når posisjon 2b, hvorved begge lekkasjestrømmene er gjenstand for lik strømningsmotstand og der kanaltrykket P2b tilsvarer halve trykkforskjellen mellom portåpningene. Det er gitt at begge lekkasjestrømmene er like store til enhver tid, idet strømningsmediet er idéelt og verken akkumulerer eller frigir strømningsmedium under dette hendelsesforløpet. Denne tilstand forblir uendret inntil rotorkanalen når den neste posisjon 2c hvor forkanten av den førende kanal veggen 13 samsvarer med utløp skanten 6. Dette er begynnelsen på en tilstand som fører til gradvis avtagende trykk i rotorkanalen, økende lekkasjestrøm samt avtagende strømningsmotstand for lekkasjestrømmen Ql inntil kanalen kommer i åpen forbindelse med lavtrykksporten i posisjon 2d. Figurene 2e-h viser syklusen for hver rotorkanal mens den beveger seg fra lavtrykksporten til høytrykksporten. Startposisjonen 2e er når forkanten av rotorkanal ens følgende vegg 12 samsvarer med trykksettingssonens inløpskant 7 og kanalen har trykket P2e tilsvarende trykket i lavtrykksporten. I denne posisjon er lekkasjestrømmen Q3 over den førende kanalvegg 13 utsatt for maksimal strømningsmotstand og trykkdifferanse HP - LP. Mens rotorkanalens følgende vegg 12 inntar trykkavlastningssonen, blir lekkasjestrømmen Q4 utsatt for en tiltagende strømningsmotstand inntil kanalen når posisjon 2f, hvor begge lekkasjestrømmer har lik strømningsmotstand og rotorkanalen har et trykk P2f som tilsvarer halvparten av trykkforskjellen mellom portene (HP-LP)/2. Denne tilstand forblir uendret inntil rotorkanalen når den neste posisjon 2g hvor forkanten av førende kanalvegg 13 samsvarer med utløpskanten 8. Dette markerer starten på en tilstand hvor trykket gradvis øker i rotorkanalen og økende lekkasjestrømmer Q4, Q3 inntil kanalen er i åpen forbindelse med høytrykksporten i posisjonen 2h. Fig. 3 viser et idéelt trykkdiagram for rotorkanalen under et komplett hendelsesforløp som vist på fig. 2 a - h, basert på en rotor med symmetrisk motstående kanaler og symmetriske portåpninger med lik vinkelutstrekning. Diagrammet viser forløpet av to kanaler som er plassert 180 grader fra hverandre mens den ene kanal trykksettes og den andre samtidig trykkavlastes. Det viser også den relative størrelse på lekkasjestrømmene i de forskjellige posisjoner basert på et idéelt ikke komprimerbart strømningsmedium. Under slike forusetninger vil en lekkasjestrøm Q etablere likevekt i spalteklaringen mellom rotorkanalens og endelokkets endeflater og være proporsjonal med

Denne formel kan brukes til å etablere en kvantitativ analyse av lekkasjestrømmene som vist i diagrammet. Dette viser entydig og klart at trykket i rotorkanalen gravis faller til halvparten av trykkforskjellen mellom høytrykksporten og lavtrykksporten når bakkanten av den følgende kanalvegg 12 passerer innløpskanten 5 av trykkavlastningssonen 3. Lekkasjestrømmene Ql, Q2 blir også redusert gradvis til halvparten så snart rotorkanalens radielle veggelementer 12, 13 er fullstendig innenfor trykkavlastningssonen 3. Den motstående rotorkanal beveger seg fra lavtrykksporten og til høytrykksporten og undergår derfor et omvendt hendelsesforløp av førstnevnte rotorkanal og trykket økes gravis inntil trykket når halvparten tilsvarende førstnevnte rotorkanal. Lekkasjestrømmene Q3, Q4 har i begynnelsen maksimal verdi og avtar gradvis til halvparten straks bakkanten av den følgende kanalveggen 12 passerer innløpskanten 7 av trykksettingssonen 4. Mens den førende kanalvegg 13 passerer utløpskanten 8, øker trykket til fullt høytrykk, og lekkasjestrømmene Q3, Q4 øker til det dobbelte.

Figur 4 viser et trykkdiagram for trykkvekslerprosessen når kompressibelt strømningsmedium, f.eks. vann anvendes. Den vesentligste forskjell er at rotorkanalen fra høytrykksiden transporterer et komprimert strømningsmedium som har et ekstra volum og må ledes ut før kanalen er i åpen forbindelse med lavtrykksporten, hvilket krever at lekkasjestrømmene Ql og Q2 er ulike. Trykket synker svært lite i rotorkanalen grunnet det ekstra volum som er innestengt og gradvis utledes, hvilket etablerer en vedvarende høy lekkasjestrøm Ql og en raskt avtagende lekkasjestrøm Q2 som etterfyller rotorkanalen idet trykkdifferansen bare gradvis øker over kanalens følgende vegg 12. Strømningsmotstanden øker raskt og dette medfører at Q2 når et svært lavt minimun såsnart rotorkanalens veggelementer 12,13 er innenfor trykksettingssonen 4 og bare gradvis øker deretter inntil samme maksimum som i det ideale forløp. Rotorkanalens førende vegg 13 er konstant utsatt for høy trykkforskjell og når dens forkant passerer utløpskanten 6 i trykkavlastningssonen, innledes et hendelsesforløp hvor trykket bare gradvis senkes og lekkasjestrømmen Ql tiltar raskt idet strømningsmotstanden avtar betydelig. Herunder er det stor risiko for at kavitasjon og et uakseptabelt støynivå etableres.

Under trykksetting er hendelsesforløpet tildels omvendt og annerledes. Her blir strømningsmediet i utgangspunktet utsatt for en lekkasjestrøm Q3 fra høytrykksiden noe som ikke umiddelbart medfører rask trykkøking i kanalen fordi en del av volumet blir absorbert ved kompresjon og dermed blir trykkurven LP - HP som illustrert i diagrammet. Dette medfører også at lekkasjestrømmen Q4 ikke når samme volum, men forblir vesentlig mindre enn Q3 inntil rotorkanalen tilnærmet når høytrykksiden, hvor en relativt høy trykkforskjell i kombinasjon med sterkt avtagende strømningsmotstand medfører en kraftig økning i lekkasjestrømmen Q4. Her må det tilføyes at rotasjonshastigheten av rotoren medfører en forsterkning av hendelsesforløpet, idet lekkasjestrømmene Ql, Q2 som har samme løperetning som kanalen, ved trykkavlastning gis høyere volumstrømmer, mens lekkasjestrømmene Q3, Q4 som løper i motsatt retning av rotorkanalen under trykksetting reduseres. Dette samsvarer med erfaringer fra drift hvor kavitasjonsskader kun er synlige i trykkavlastningssonen 3.

Figur 5 viser et eksempel på utførelse av oppfinnelsen anvendt på endelokk av en trykkveksler. Den foreslåtte utførelse består i det vesentligste av ulike måter å unngå de høye maksimale verdier for lekkasjestrømmene Ql og Q4, som antas å være årsaken til det høye strøynivå og kavitasjonsskader som oppstår ved høyere trykk og gjennomstrømning i maskinen. Ifølge denne oppfinnelse vil én måte være å utstyre minst ett endelokk med en forbindelseskanal 14, som muliggjør overføring av et strømningsmedium fra motstående kanaler 15, 16 mens begge kanaler har veggelementer 12, 13 innenfor trykkavlastningssonen 3 og trykksettingssonen, slik at hendelsesforløpet blir tilnærmet i samsvar med det idéelle trykkdiagram. Selv om hver kanal er i åpen kommunikasjon med forbindelseskanalen 14 når den befinner seg i trykkavlastning eller trykksetting, så er det samtidig forbindelse kun i et kort øyeblikk som tillater trykkutjevning og overføring av strømningsmedium. Dette skjer når den følgende vegg i kanalen 16 i det vesentligste har passert innløpskanalen 5 og umiddelbart etter at den følgende vegg i kanalen 15 har passert innløpskanten 7 eller så snart begge kanaler samtidig er i tettende inngrep med trykkavlastningssonen 3 og trykksettingssonen 4. Denne samtidige forbindelse via forbindelseskanalen 14 avbrytes like før den førende veggen i kanal 15 tiltrer høytrykksporten eller den førende vegg i kanalen 16 tiltrer lavtrykksporten.

Det er også tenkelig at denne oppfinnelse kan utføres ved at de motsvarende prosesser, henholdsvis trykkavlastning og trykksetting separeres ved at minst ett endelokk utstyres med uavhengige forbindelseskanaler 17, 18 med lav strømningsmotstand som hver for seg leder til høytrykksport eller lavtrykksport og medfører kraftig økning av inn- eller utstrømming i kanalene under ovennevnte tilstand. Dette kan for eksempel skje ved lange kanaler utformet med relativ kort tetningsvegg i endelokkene som muliggjør høye lekkasjestrømmer, men uten å risikere kavitasjon i spalteklaringen ved utløp til lavtrykksport. I tillegg er det også mulig å bruke dyser alene eller i serie som forbindelse mellom kanalene og portåpningene. En slik separering av prosessene kan tillate yterligere reduksjon av støynivået idet det vil bli mulig å innføre en faseforskyvning som kan redusere resonans av samtlige motstående hendelser som vist i trykkdiagrammene i figurene 3 og 4. Oppfinnelsen kan også kombineres med ulike antall rotorkanaler, ulike kanalstørrelser, flere kanaler samtidig i trykkavlastning og trykksetting og asymmetriske portåpninger av ulik vinkelutstrekning for å optimalisere effekten av denne oppfinnelse.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for reduksjon av støy og kavitasjon i en trykkveksler som øker eller reduserer trykket på fluider ved fortrengningsprinsippet, hvor trykkveksleren omfatter en rotor med rotorkanaler (15,16) som løper gjennom rotoren, og rotoren er anordnet i et hus med endedeksler med en høytrykksport (HP), en lavtrykksport (LP) og trykkøknings- og trykkreduksjonsområder (3 respektive 4), karakterisert ved at innløps- og utløpsfluidstrømmen i rotorkanalene (15,16) økes vesentlig når rotorkanalene befinner seg i trykkreduksjonsområdet (3) eller trykkøkningsområdet (4) mellom høytrykksporten (HP) og lavtrykksporten (LP) hvorved trykkforskjellen mellom rotorkanalene og portene, og kavitasjon og støy i trykkveksleren reduseres.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det trekk at innløps- og utløpsfluidstrømmen i rotorkanalene økes vesentlig, omfatter at det formidles en fluidstrøm direkte mellom motstående rotorkanaler (15,16) mens rotorkanalene samtidig er i trykkreduksjonsområdet (3) og trykkøkningsområdet (4) hvorved det fås en trykkbalanse mellom de motstående rotorkanaler.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det trekk at det formidles en fluidstrøm omfatter at det dannes en forbindelseskanal (14) i en innerflate av minst ett endedeksel, og at forbindelseskanalen i endedekselet anbringes på en slik måte at det fås en direkte kommunikasjon mellom motstående rotorkanaler (15,16) mens rotorkanalene samtidig er i trykkreduksjonsområdet (3) og trykkøkningsområdet (4).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det formidles en fluidstrøm mellom en første rotorkanal (15) og høytrykksporten (HP) mens rotorkanalen (15) befinner seg i trykkøkningsområdet (4), og at det formidles en fluidstrøm mellom en annen rotorkanal (16) og lavtrykksporten (LP) mens rotorkanalen (16) befinner seg i trykkreduksjonsområdet (15).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det trekk at det formidles en fluidstrøm mellom rotorkanalen (15) og høytrykksporten (HP) omfatter at det dannes en forbindelseskanal (18) i innerflaten av minst ett endedeksel, og at forbindelseskanalen (18) anbringes slik at den løper fra trykkøkningsområdet (4) til et sted meget nær høytrykksporten (HP), og at det trekk at det formidles en fluidstrøm mellom rotorkanalen (16) og lavtrykksporten (LP) omfatter at det dannes en forbindelseskanal (17) i en innerflate av minst ett endedeksel, og at forbindelseskanalen (17) anbringes slik at den løper mellom trykkreduksjonsområdet (3) og et sted meget nær lavtrykksporten (LP).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at forbindelseskanal ene (17,18) gis stor lengde nær lavtrykks- og høytrykksportene (LP respektive HP) og anbringes i innerflaten av endedekslene på en slik måte at det fås et lite tetningsoverflateareal mellom forbindelseskanalene (17,18) og høy- og lavtrykksportene (HP,LP), hvorved det således blir tillatt store lekkasjestrømmer.

7. Trykkveksler omfattende en rotor med rotorkanaler (15,16) som løper gjennom rotoren, idet rotoren er innrettet til rotasjon i et hus med endedeksler med innerflater, som ligger an mot endene av rotoren, og endedekslene har høytrykksporter (HP) og lavtrykksporter (LP) og et trykkreduksjonsområde (3) og et trykkøkningsområde (4) som befinner seg mellom høytrykks- og lavtrykksportene, karakterisert ved at minst ett endedeksel har forbindelseskanaler (14,17,18), som er tildannet i dets innerflate, idet forbindelseskanalene hovedsakelig bevirker en økning av innløps- og utløpsfluidstrømmen i rotorkanalene (15,16) når rotorkanalene befinner seg i trykkreduksjonsområdet (3) eller trykkøkningsområdet (4) , hvorved kavitasjon og støy i trykkveksleren blir redusert.

8. Trykkveksler ifølge krav 7, karakterisert ved at en forbindelseskanal (14) i minst ett endedeksel er innrettet til å skaffe en direkte fluidkommunikasjon mellom motsatte rotorkanaler (15,16) mens rotorkanalene er samtidig i trykkreduksjonsområdet (3) og trykkøkningsområdet (4), hvorved det blir skaffet en fluidstrøm og trykkbalanse mellom rotorkanalene.

9., Trykkveksler ifølge krav 7, karakterisert ved at separate forbindelseskanaler (17,18) som har liten fluidstrømningsmotstand, er tildannet i minst ett endedeksel for å tillate en fluidstrøm mellom høytrykksporten (HP) og en første rotorkanal (15) og mellom lavtrykksporten (LP) og en annen rotorkanal (16) når rotorkanalene befinner seg i trykkøkningsområdet (4) respektive trykkreduksjonsområdet (3), hvorved det blir tillatt endringer i trykkøkningen og trykkreduksjonen i rotorkanalene.

10. Trykkveksler ifølge krav 7 og 9, karakterisert ved at forbindelseskanalene (17,18) har en stor lengde og er anbrakt nær lavtrykksporten (LP) respektive høytrykksporten (HP), slik at det blir skaffet et lite tetningsoverflateareal mellom forbindelseskanalene og høytrykks- og lavtrykksportene, og det blir tillatt styrte lekkasjestrømmer mellom forbindelseskanalene og portene.

11. trykkveksler ifølge krav 10, karakterisert ved at høytrykksporten (hp) og lavtrykksporten (lp) er sektorformede åpninger i endedeksel et, og forbindelseskanalene (17,19) har et halvsirkelformet parti nær lavtrykksporten (lp) respektive høytrykksporten (hp), og et annet parti, som befinner seg i endedekselet for kommunikasjon med rotorkanalene (16 respektive 15), hvorved det blir tillatt styrte lekkasjestrømmer mellom rotorkanalene og portene.