Ponieważ przez kanały międzyłopatkowe wirników pomp krętnych odśrodkowych muszą bez przeszkód przemieszczać się ciała stałe (często o znacznej wielkości), cechą charakterystyczną wirników są względnie duże szerokości b2 kanałów między łopatkowych na ich wypływie (w stosunku do średnicy zewnętrznej d2). O ile w przypadku wirników pomp przeznaczonych do cieczy czystych lub zawierających drobne zanieczyszczenia stosunek b2/d2 < 0,06 (0,07) to w przypadku wirników pomp odśrodkowych do hydrotransportu z reguły b2/d2 ≈ (0,08) – 0,10 – 0,13 – (0,15) i dlatego też wirniki te są często wykonywane o stałej szerokości (szerokość kanału na wlocie b1 ≈ b2). Z reguły też liczba łopatek jest niska (z = 3-5), co umożliwia zachowanie dostatecznie obszernych przekrojów na dopływie do kanałów międzyłopatkowych. 

Obecność ciał stałych w wodzie wpływa na parametry hydrauliczne pomp, powodując obniżenie uzyskiwanej użytecznej wysokości podnoszenia (w stosunku do wody) oraz zmniejszenie sprawności pomp. Jest ono powodowane niemożnością przekazywania cieczy energii kinetycznej przez przetłaczane ciała stałe (z wyjątkiem ciał o granulacji poniżej 0,1 mm), co przede wszystkim miałoby miejsce już poza wirnikiem w elementach odprowadzających ciecz (kanałach zbiorczych).

Obecność ciał stałych w istotny sposób zmienia na niekorzyść warunki dopływu cieczy do kanałów międzyłopatkowych wirnika (rys. 1). Ciała stałe dopływają do kanałów międzyłopatkowych wirnika zwykle przez osiowo usytuowany króciec ssawny (najczęściej o stałym przekroju), a następnie już w obrębie wirnika przez swobodną przestrzeń, w której następuje dość nagła zmiana kierunku przepływu z osiowego na promieniowy. W tej przestrzeni w zasadzie nie występuje jeszcze zawirowanie wstępne cieczy powodowane oddziaływaniem łopatek wirnika, względnie jest ono słabo rozwinięte. Zmiana kierunku przepływu cieczy powoduje (zgodnie z zasadą zachowania stałości krętu) zróżnicowanie prędkości cieczy, która przy powierzchni tarczy zewnętrznej jest większa, zaś przy powierzchni tarczy wewnętrznej mniejsza. Różnice prędkości cieczy wywołują natomiast zmiany ciśnienia w cieczy, które przy powierzchni tarczy zewnętrznej jest mniejsze, zaś przy powierzchni tarczy wewnętrznej jest większe. Ponieważ w tym obszarze następuje zmiana kierunku przepływu cieczy i porusza się ona po torach będących łukami zbliżonymi kształtem do części okręgu, zatem na unoszone przez ciecz ciała stałe działają siły odśrodkowe (w kierunku powierzchni tarczy tylnej), które powodują ich przemieszczanie się i specyficzne „zagęszczanie” mieszaniny w pobliżu powierzchni tarczy tylnej, a sprzyja temu też bezwładność ciał stałych dopływających do wirnika w kierunku osiowym.

Dodatkowo sytuację komplikuje jeszcze zjawisko zróżnicowania zagęszczenia mieszaniny w rurociągu doprowadzającym i króćcu ssawnym pompy, gdyż poniżej osi rurociągu mieszanina jest nieco bardziej zagęszczona, a także występujące różnice między prędkościami cieczy i ciał stałych. Różnice te wpływają na powstawanie siły działającej na ciała stałe, która powoduje ich przemieszczanie się. Występowanie tych zjawisk jest zwykle niedocenianą przyczyną pogorszenia się zdolności ssawnych pompy odśrodkowej do hydrotransportu w warunkach pompowania mieszaniny (często radykalnego), mimo że zdolność ssania pompy w warunkach pompowania wody może nie budzić zastrzeżeń. Ich występowanie przesądza często o konieczności stosowania napływu geometrycznego mieszaniny do pompy w układach hydrotransportu ciał stałych. Dlatego też wirniki pomp odśrodkowych do hydrotransportu powinny osiągać w warunkach przetłaczania hydromieszanin możliwie dobre zdolności ssawne. Usytuowanie ciał stałych w przekroju merydionalnym wirnika odśrodkowego przedstawiono poglądowo na rysunku 1.

Innym istotnym skutkiem występowania obecności ciał stałych w mieszaninie jest powodowane przez nie erozyjne niszczenie (wytarcia) powierzchni elementów wewnętrznych układu przepływowego pompy, a głównie wirników i kanałów zbiorczych. W szczególności w przypadku wirników pomp odśrodkowych zużycie zależy od wielu czynników wzajemnie nakładających się na siebie [1, 2]. O miejscach występowania i intensywności zużycia (wytarć) decydują przede wszystkim takie czynniki, jak: rodzaj, kształt, gęstość i granulacja ciał stałych, udział ciał stałych w mieszaninie, prędkość obrotowa wirnika, ale też względna wydajność pompy (w stosunku do optymalnej), a także cechy geometryczne wirnika (liczba i kształt łopatek). 

Przed rokiem 1970 Emile Egger opracował wirnik odśrodkowy „eżektorowy” [3] przedstawiony na rys. 2, stosowany często w pompach do transportu pulpy celulozowej charakteryzującej się znaczącą obecnością gazu, co w przypadku stosowania wirników odśrodkowych o typowym ukształtowaniu prowadziło do bardzo dużych spadków wysokości podnoszenia i sprawności pompy. W latach 1975-1977 w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej pod kierunkiem dr. inż. J. Grychowskiego zostały wykonane i były badane doświadczalne wirniki eżektorowe, z zamiarem weryfikowania ich przydatności do przetłaczania mieszanin wodno-gazowych. Jednak prace te zostały przerwane, a wyniki pomiarów nie były nigdy upublicznione i są niedostępne; natomiast zachowały się niektóre wykonane wirniki.  

Wydaje się, że wirniki podobnego typu mogłyby zostać z korzystnym skutkiem wykorzystywane w pompach do przetłaczania mieszanin ciał stałych z wodą. Zdecydowano więc wykorzystać zachowane wirniki i po zamontowaniu w odpowiednio dostosowanej pompie doświadczalnej były one badane w warunkach przetłaczania wody, pod kątem celowości ich stosowania w pompach do hydromieszanin [4].

Przewidywane parametry pomp z wirnikami o zwiększonej szerokości wypływu

Profil wirnika odśrodkowego „eżektorowego” w przekroju merydionalnym ma kształt trapezu. Tarcze boczne wirnika odchylają się na zewnątrz, symetrycznie względem osi środkowej, wskutek czego kanał międzyłopatkowy rozszerza się sukcesywnie i osiąga największą szerokość na wypływie (b2). Jest ona znacząco większa od szerokości kanału na jego dopływie (b1). W rezultacie takiego ukształtowania wirnika, w kanałach międzyłopatkowych należy się spodziewać bardzo szybkiego zmniejszania się prędkości względnej cieczy i stosownego przyrostu ciśnienia.

Cały artykuł został opublikowany w nr 1/2018 magazynu Pompy, Pompownie.