НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F04F7/00 

Изобретение относится к насосостроению и гидроэнергетике и может найти применение для перекачивания жидких и газообразных сред и их смесей, а также для выработки электроэнергии преобразованием энергии потока воды.

Известен насос-компрессор, содержащий установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган в виде винтовых спиральных трубок, имеющих входные и выходные отверстия, всасывающие и нагнетательные трубопроводы для жидкости и газа и сепаратор (см.патент Великобритании N 1427723, кл. F 04 D 31/00, 1976).

Недостаток известного насоса-компрессора заключается в низком напоре, создаваемом им, а также в ограниченных функциональных возможностях, так как он не вырабатывает электроэнергию.

Известен насос-компрессор, содержащий установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входным и выходными патрубками (см. а.с. СССР N 1430611, кл. F 04 D 31/00, 1987).

Недостаток известного насоса-компрессора заключается в ограниченных функциональных возможностях, так как он не вырабатывает электроэнергию.

Наиболее близким к изобретению является насосная установка, содержащая установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входом и выходом (см. а.с. СССР N 114484, кл. F 04 F 7/00, 1957).

Недостаток известной насосной установки заключается в том, что она обладает ограниченными функциональными возможностями, так как предназначен только для перекачивания жидкости и не позволяет вырабатывать электрическую энергию преобразованием энергии потока реки.

Цель изобретения заключается в создании насосной установки, которая обеспечивала бы не только перекачивание жидкости и газа, но и выработку электроэнергии преобразованием энергии потока реки.

Цель достигается тем, что насосная установка, содержащая установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входом и выходом, рабочий орган выполнен из листового материала, закрепленного на жестком каркасе и свернутого по спирали с зазором между витками, которые герметично соединены по торцам боковыми стенками, при этом входом рабочего органа является окно, образованное на периферии спирали боковыми стенками и поверхностями последнего и предпоследнего витков спирали, установка снабжена лопастями, установленными на наружной поверхности рабочего органа, трубой с окнами, осесимметрично установленной в рабочем органе, размещенным в трубе гидроагрегатом, выполненным в виде турбины, и электрогенератором, установленным на одном валу с турбиной и разделяющим трубу на два участка, концами трубы образован выход, при этом участки трубы сообщены через окна с внутренней полостью рабочего органа, один непосредственно, а другой через турбину. Кроме того, она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы за турбиной. Кроме того, она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы, противоположном выходу из турбины. Кроме того, она снабжена дополнительными турбиной и электрогенератором, установленными на одном валу и размещенными во втором участке трубы, при этом последний сообщен с внутренней полостью рабочего органа через турбину. Кроме того, она снабжена направляющими аппаратами, жестко закрепленными на внутренней поверхности участка трубы, соединенного с установленным с возможностью вращения относительно рабочего органа статором электрогенератора.

На фиг. 1 изображена насосная установка, общий вид; на фиг.2 насосная установка с одной турбиной, продольный разрез; на фиг.3 то же, продольный разрез с двумя турбинами, работающими в режиме электрогенератора; на фиг.4 установка с вращающимся относительно рабочего органа статором электрогенератора, продольный разрез; на фиг.5 разрез А-А на фиг.2.

Насосная установка содержит рабочий орган 1, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, выполненный в виде свернутого по спирали плоского листового материала 2, закрепленного на жестком каркасе (не чертеже условно не показан), витки которого размещены с зазором между собой, образуя спиралевидный канал. При этом к торцам витков органа 1 герметично прикреплены стенки 3. Рабочий орган 1 содержит входное окно 4, образованное на его периферии поверхностями последнего и предпоследнего витков и боковыми стенками 3. К наружной поверхности рабочего органа 1 вдоль его цилиндрической поверхности прикреплены жестко лопасти 5, образуя лопастное колесо. В рабочем органе 1 осесимметрично установлена труба 6, при этом орган 1 установлен, например, в герметичных подшипниковых узлах 7. Концы трубы 6 установлены в опорах 8, подвешенных на тягах 9, длина которых обеспечивает заданную глубину погружения рабочего органа 1 в реке, концы трубы являются выходными патрубками 10 и 11 насоса. Внутри трубы 6 размещен гидроагрегат, содержащий турбину 12, на одном валу 13 с которой размещен ротор 14 электрогенератора 15, статор 16 которого соединен с трубой 6. Свободный конец вала 13 установлен в пилонах 17 (узлы съема электричества с электрогенератора на чертеже условно не показаны, не показаны также узлы уплотнения подвижных соединений). С обеих сторон генератора 15 в трубе 6 выполнены окна 18 и 19, при этом окна 18 сообщают внутреннюю полость рабочего органа 1 с входом турбины 12 и далее с выходным патрубком 10, а окна 19 с выходным патрубком 11. Перед турбиной 12 напротив окон 18 установлен завихритель 20.

При использовании насосной установки в качестве гидроэлектростанции (см. фиг. 3) (работа только в режиме электрогенератора) для повышения выдаваемой электрической мощности его снабжают второй турбиной 21, устанавливаемой на другом конце вала 13. Окна 19 сообщают в этом случае внутреннюю полость рабочего органа 1 с входом турбины 21 и далее с выходным патрубком 11. Перед турбиной 21 напротив окон 19 установлен завихритель 22, а свободный конец вала 13 установлен в пилонах 23 (узлы съема электроэнергии с электрогенератора и узлы уплотнения подвижных соединений на чертеже условно не показаны).

С целью дополнительного увеличения выработки электроэнергии при работе насосной установки в качестве гидроэлектростанции (см.фиг.4) участок 24 трубы 6 со статором 16 электрогенератора установлен с возможностью вращения относительно рабочего органа и выходных патрубков 10 и 11 (узлы уплотнения и съема электроэнергии на чертеже условно не показаны). При этом на упомянутом участке 24 между завихрителями 20 и 22, лопатками 12 и 21 турбин размещены лопатки 25 и 26 направляющего аппарата, которые жестко закреплены на его внутренней поверхности, являясь рабочими лопатками статора 16 электрогенератора.

Насосная установка работает следующим образом.

Поток речной воды вращает лопастное колесо с рабочим органом 1 относительно трубы 6. Рабочий орган 1, вращаясь, захватывает за один оборот окном 4 порцию жидкости и газа. За второй оборот рабочего органа 1 жидкость и газ попадают из первого витка во второй и т.д. до заполнения всех витков спиралевидного канала. Поскольку объемы витков от периферии к оси рабочего органа 1 уменьшаются, то жидкость (при отсутствии сопротивления на выходе насоса) будет свободно переливаться из предыдущих витков в последующие до тех пор, пока вода не разместится на одном уровне в каждом витке (как в сообщающихся сосудах). За один полный оборот рабочего органа 1 каждая точка спирали последовательно находится в среднем, верхнем, среднем и нижнем положениях. В результате этого за каждый оборот в виток поступает порция газа и воды. Вращение рабочего органа 1 заставляет воду, находящуюся в нижней части витков под действием сил гравитации, перемещаться к центру спирали, перемещая одновременно и порции газа, заключенного между порциями воды. Перекачиваемые порции газа при сопротивлении на выходе из насоса, сжимаются по мере движения вдоль спирального канала от входа к выходу, а вода в витках все сильнее отклоняется от равновесного положения. В витках, расположенных ближе к выходу, уровень воды достигает своего предельного отклонения раньше, избыток воды или газа, возникший при этом в каком-либо витке, устраняется самоперетеканием (возвращением) в предыдущий виток спиралевидного канала рабочего органа, что создает и в нем предельное положение уровней воды. Такое положение уровней в витках является оптимальным, так как при этом достигается максимальное повышение давления в витке за счет максимальной разности высот столбцов воды в витках. Вследствие такой самонастройки насосная установка обеспечивает заданный расход в рабочем интервале давлений с максимальной эффективностью, т.е. во внутренней полости рабочего органа создается максимальное давление воды и газа. Газ и жидкость через окна 18 в трубе 6 поступают на вход турбины 12, а через выходной патрубок 10 на слив и к потребителю через окна 19 и выходной патрубок 11. При этом газ и вода под давлением проходят завихритель 20, который выполняет функцию смесителя. Смеситель необходим для создания среды с равномерной плотностью и для равномерной подачи ее на лопатки турбины, где срабатывает перепад давления, под действием которого приводится во вращение вал 13 с ротором 14 электрогенератора 15. С щеток электрогенератора 15 снимается электроэнергия и поступает потребителю. Таким образом энергия потока реки преобразуется рабочим органом 1 в давление рабочего тела (воды и газа) и затем в электроэнергию. Для обеспечения только перекачивания воды и газа на выходной патрубок 10 надевают заглушку и вся энергия давления воды и газа преобразуется в напор, увеличивая высоту подъема воды. Для обеспечения только выработки электроэнергии на выходной патрубок 11 ставят заглушку и весь перепад давления воды и газа срабатывает на турбине 12, увеличивая выдаваемую электрогенератором 15 электрическую мощность.

Для использования насосной установки в качестве только гидроэлектростанции на свободном конце вала 13 с другой стороны электрогенератора 15 устанавливают вторую турбину 21, а напротив окон 19 перед ней устанавливают такой же завихритель 22, что и перед первой турбиной 12, для смещения воды и газа с целью выравнивания плотности рабочего тела турбины 21. Это позволяет компенсировать осевые силы, действующие в узлах установки турбин 12 и 21 электрогенератора 15, и увеличить выдаваемую электрическую мощность за счет уменьшения гидравлических потерь.

Установка статора 16 электрогенератора 15 с возможностью вращения относительно как рабочего органа 1 насоса, так и ротора 14 в подшипниковом узле (см.фиг.4) и за счет жесткого прикрепления на внутренней поверхности участка 24 трубы 6, между рабочими лопатками турбины 12 и 21 и завихрителями 20 и 22 потока, лопаток направляющего аппарата 25 и 26, выполняющих функции рабочих лопаток, обеспечит независимое вращение статора 16 при проходе под давлением рабочего тела (воды, воздуха) по тракту турбоагрегата, что позволяет максимально повысить выработку электроэнергии за счет оптимальной работы насоса и генератора.

Использование насосной установки в качестве гидроэлектростанции значительно расширяет ее возможности, что особенно важно для снабжения электроэнергией в труднодоступных местах, необжитых районах.

Использование: для выработки электроэнергии преобразованием энергии потока воды. Сущность изобретения: рабочий орган с входом и выходом установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Орган выполнен из листового материала, закрепленного на жестком каркасе и свернутого по спирали с зазором между витками. Витки герметично соединены по торцам боковыми стенками. Входом органа является окно, образованное на периферии спирали боковыми стенками и поверхностями последнего и предпоследнего витков спирали. Лопасти установлены на наружной поверхности органа. Труба с окнами симметрично установлена в органе. В трубе размещен гидроагрегат, выполненный в виде турбины. Электрогенератор установлен на одном валу с турбиной и разделяет трубу на два участка. Концами трубы образован выход. Участки трубы сообщены через окна с внутренней полостью органа, один - непосредственно, другой - через турбину. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. НАСОСНАЯ УСТАНОВКА, содержащая установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входом и выходом, отличающаяся тем, что рабочий орган выполнен из листового материала, закрепленного на жестком каркасе и свернутого по спирали с зазором между витками, которые герметично соединены по торцам боковыми стенками, при этом входом рабочего органа является окно, образованное на периферии спирали боковыми стенками и поверхностями последнего и предпоследнего витков спирали, установка снабжена лопастями, установленными на наружной поверхности рабочего органа, трубой с окнами, осесимметрично установленной в рабочем органе, размещенным в трубе гидроагрегатом, выполненным в виде турбины, и электрогенератором, установленным на одном валу с турбиной и разделяющим трубу на два участка, концами трубы образован выход, при этом участки трубы сообщены через окна с внутренней полостью рабочего органа, один непосредственно, а другой через турбину. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы за турбиной. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы, противоположном выходу из турбины. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными турбиной и электрогенератором, установленными на одном валу и размещенными во втором участке трубы, при этом последний сообщен с внутренней полостью рабочего органа через турбину. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена направляющими аппаратами, жестко закрепленными на внутренней поверхности участка трубы, соединенного с установленным с возможностью вращения относительно рабочего органа статором электрогенератора.