СТРУЙНЫЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04F5/14 

Предлагаемое изобретение относится к насосам необъемного вытеснения, используемым для нагнетания жидких сред и осуществления циркуляции теплоносителя в замкнутых контурах, например в системах теплоснабжения или ядерных энергетических установках.

Известны и повсеместно применяются в различных областях техники и народного хозяйства центробежные, осевые и вихревые насосы, содержащие рабочее колесо с лопатками, приводимое во вращение электроприводом. В указанных насосах жидкость, взаимодействуя с рабочими лопатками, приобретает дополнительную энергию и, тормозясь в диффузоре, направляется в систему потребления. Однако в некоторых системах потребляемые электрические мощности весьма высоки. Кроме того, в аварийных ситуациях, связанных с прекращением подачи электропитания, подача жидкости прекращается, что в некоторых системах, например в ядерных энергетических установках, чревато тяжелыми последствиями. Конструктивно подобные насосы достаточно сложны и требуют значительных затрат на изготовление, обслуживание и ремонт.

Существуют и широко используются для нагнетания жидких сред струйные насосы (см. , например, Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970; патент РФ N 2027920, кл. 6 F 04 F 5/24; заявка РФ N 93028711/29 от 24.05.93, кл. 6 F 04 F 5/14 и др.). Общей чертой всех указанных конструкций является наличие сопла (или нескольких) для подвода активной среды (чаще всего пара), устройства для подвода пассивной среды - приемной камеры, камеры смешения сред конической формы с цилиндрическим участком и диффузора. Пароструйные насосы (инжекторы) обычно имеют паровое сверхзвуковое сопло (так называемое сопло Лаваля). Работа струйных насосов осуществляется следующим образом: активная среда разгоняется в паровом сопле, в связи с чем на выходе сопла возникает разрежение и происходит подсос жидкой среды, активная и пассивная среда смешиваются в камере смешения, происходит теплообмен между жидкой и паровой фазами, вызывающий конденсацию пара. Коническая форма камеры смешения и интенсивная конденсация вызывают дальнейший разгон смеси и падение давления в камере смешения, что обеспечивает дальнейшее падение давления и увеличение скорости жидкой фазы. В камере смешения происходит полная конденсация паровой фазы, выравнивание температур потоков активной и пассивной среды, после чего в диффузоре происходит торможение потока и возникает избыточный напор, позволяющий подавать смесь потребителю.

Указанные насосы просты по конструкции, дешевы и требуют минимальных затрат на обслуживание и ремонт. Однако данные устройства работают в узком диапазоне рабочих параметров, требуют использования специальных устройств для своего запуска - разгрузочного (вестового) клапана, даже при установке в замкнутом контуре, обеспечивающего первоначальный перепад давлений на устройстве, и создают низкий напор, что не позволяет использовать их при работе в замкнутых контурах.

Из известных конструкций наиболее близким к предложенному изобретению является конструкция, описанная в патенте РФ N 2016261, кл. F 04 F 5/02. Данное устройство содержит камеру смешения, коаксиально ей расположенные сопла для подвода газообразной и жидкой сред, причем камера смешения выполнена конической, сужающейся по ходу среды формы, и камеру расширения, которая сообщена с горловиной диффузора и снабжена выпускным патрубком с разгрузочным клапаном, а выходное сечение камеры смешения выполнено в виде диафрагмы. Работа данного устройства аналогична изложенной выше работе струйных насосов.

По сравнению с другими аналогами конструкция данного струйного аппарата позволяет создавать более высокий напор смеси на выходе из диффузора за счет более глубокого расширения и облегчает запуск аппарата в случае срыва его работы за счет установки разгрузочного клапана со средством регулировки давления его открытия.

Однако такое устройство работоспособно при давлениях 1 - 1,2 МПа (10 - 12 кг/см²), что недостаточно для его использования во многих системах, и развиваемого им напора не хватает для работы в замкнутых контурах. Кроме того, для обеспечения стабильного запуска и работы требуется специальное устройство - разгрузочный клапан, предусматривающий сброс части смеси за пределы контура, что в некоторых случаях, например в ядерных энергетических установках, неприемлемо. Кроме того, наличие диафрагмы на выходе из камеры смешения увеличивает необратимые потери.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение работы струйного насоса в диапазоне параметров, используемых в энергетических установках, обеспечение надежного запуска его на различных режимах без применения специальных устройств и повышение напора струйного насоса.

Для достижения указанного технического результата в струйном насосе, содержащем устройство для подвода пассивной среды, сопло для подвода активной среды и расположенные соосно с ним сужающуюся по ходу движения потока смеси камеру смешения и диффузор, сопло выполнено сходящимся по ходу движения среды, а камера смешения состоит по меньшей мере из двух конических, последовательно сужающихся участков, выполненных с последовательно уменьшающимся от участка к участку углом конусности, и цилиндрического участка, причем последний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполнен с углом конусности 1 - 4^o, а предпоследний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполнен с углом конусности 10 - 22^o.

Предлагаемая конструкция сопла для подвода активной среды и выполнение камеры смешения не менее чем из двух конических и цилиндрического участков позволяет получить более глубокое расширение потока смеси, обеспечивает дробление потока воды до мелкодисперсного состояния, что, в свою очередь, способствует наилучшему теплообмену между паровой и жидкой фазами, формированию сверхзвукового потока и более полному преобразованию тепловой энергии в механическую. За счет этого на выходе из диффузора обеспечивается избыточный по отношению к давлению активной среды напор, что делает возможным запуск устройства и осуществление циркуляции теплоносителя в замкнутом контуре.

Последний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполняется с углом конусности 1 - 4^o. Это дает возможность обеспечить глубокое расширение предварительно разогнанного потока смеси, дробление жидкой фазы до мелкодисперсного состояния, продлевает и стабилизирует неравновесное состояние, что обеспечивает более полный обмен энергии между фазами и способствует повышению КПД.

Предпоследний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполняется с углом конусности 10 - 22^o, что обеспечивает наиболее оптимальные с точки зрения разгона потока смеси паровой (активной) и жидкостной (пассивной) сред, их эффективное смешение и конденсацию паровой фазы, что приводит к глубокому расширению потока перед поступлением в последний конический участок камеры смешения.

Полезно также цилиндрический участок камеры смешения выполнить с соотношением длины к диаметру 1,3 - 5, что обеспечивает полную стабилизацию потока и сводит к минимуму гидродинамические потери.

Целесообразно диффузор выполнить коническим с углом конусности 1,5 - 6^oC, что является оптимальным с точки зрения повышения давления на выходе из диффузора при минимальных гидродинамических потерях и минимальной длине диффузора.

Диффузор может быть также выполнен по меньшей мере из двух конических, последовательно расширяющихся участков с последовательно увеличивающимся углом конусности, что дает возможность без значительного увеличения длины диффузора значительно уменьшить потери.

Диффузор также может иметь криволинейную образующую с углом наклона касательной к оси диффузора 0 - 45^o, что при незначительном усложнении технологического процесса изготовления позволяет свести гидродинамические потери к минимуму.

На фиг. 1 изображено продольное сечение струйного насоса; на фиг. 2 - другой вариант продольного сечения струйного насоса; на фиг. 3 - вариант продольного сечения диффузора с криволинейной образующей.

Струйный насос (фиг. 1) содержит сопло 1 для подвода активной среды (пара), приемную камеру 2 для подвода пассивной среды (воды), камеру смешения 3 и диффузор 4, расположенный соосно с соплом 1. Сопло 1 выполнено конической, сужающейся по ходу среды, формы. Камера смешения 3 состоит из нескольких конических последовательно сужающихся участков 5,6 (фиг. 1), 5, 6, 7 (фиг. 2), имеющих разные углы конусности, и цилиндрического участка 8. Количество конических участков должно быть, по меньшей мере, два. Для наилучшей организации проходящих в струйном насосе процессов угол конусности α конического участка 6, примыкающего к цилиндрическому участку 8 камеры смешения 3, должен составлять 1 - 4^o (фиг. 1), или конический участок 5, примыкающий к участку 6, должен быть выполнен с углом конусности β , равным 10 - 22^o (фиг. 2). Цилиндрический участок имеет отношение длины L к диаметру d - 1,3 - 5. Диффузор 4 имеет коническую форму (фиг. 1, 3). Для уменьшения потерь в струйном насосе диффузор 4 может быть выполнен с углом конусности γ 1,5 - 6^o (фиг. 1) или иметь по меньшей мере два последовательно расширяющихся участка 9, 10 (фиг. 2) с различными углами конусности γ₁ и γ₂ последовательно увеличивающимися к выходному сечению 11 диффузора 4 1,5 - 6^o γ₁ < γ₂). Для некоторых условий работы диффузор 4 может быть изготовлен по криволинейной образующей с изменяющимся углом наклона касательной к оси диффузора γ 0 - 45^o.

Работа струйного насоса осуществляется следующим образом. Пар, поступающий в сопло 1, разгоняется за счет уменьшения проходного сечения сопла, причем на выходе из сопла 1 скорость пара не достигает скорости звука и имеет место разрежение по отношению к давлению пара на входе. Пар увлекает воду из приемной камеры 2 для воды в камеру смешения 3, где смешивается с ней, и за счет сужения проходного сечения камеры смешения 3 происходит разгон смеси. Паровая фаза, отдавая тепло воде, охлаждается, частично конденсируется, и за счет уменьшения объемного паросодержания в камере смешения 3 происходит дальнейшее падение давления, при этом вода дробится до мелкодисперсного состояния, что улучшает условия теплообмена, способствует дальнейшей конденсации паровой фазы и, как следствие, более глубокому падению давления.

Уменьшение угла конусности камеры смешения 3 обеспечивает наиболее глубокое расширение потока, ставшего, вследствие разгона и снижения местной скорости звука, сверхзвуковым и, следовательно, более полное преобразование тепловой энергии в механическую (потенциальной энергии пара в кинетическую энергию смеси) в скачке уплотнения и конденсации. Дальнейшее торможение потока и рост статического давления происходит в диффузоре.

Струйный насос обеспечивает устойчивую работу в диапазоне параметров - давлений, температур и отношений расхода воды к расходу рабочего пара, используемых в энергетических установках, легкий запуск без применения специальных устройств, в том числе - без разгрузочного клапана. В замкнутом контуре запуск насоса происходит на естественной циркуляции.

Регулирование подачи смеси осуществляется изменением параметров сред на входе в аппарат и (или) перемещением парового сопла относительно камеры смешения.

Струйный насос предназначен для нагнетания жидких сред. Сопло выполнено сужающимся по ходу движения среды. Камера смешения состоит из двух конических, последовательно сужающихся участков с последовательно уменьшающимися от участка к участку углом конусности и цилиндрического участка. Последний по ходу движения среды конический участок выполнен с углом конусности 1 - 4^o. Предпоследний по ходу движения среды конический участок выполнен с углом конусности 10 - 22^o. Выполнение струйного насоса как описано выше обеспечивает его надежный запуск и повышение его напора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Струйный насос, содержащий устройство для подвода пассивной среды, сопло для подвода активной среды, расположенные соосно с ним камеру смешения и диффузор, отличающийся тем, что сопло выполнено сужающимся по ходу движения среды, а камера смешения состоит по меньшей мере из двух конических, последовательно сужающихся участков, выполненных с последовательно уменьшающимся от участка к участку углом конусности, и цилиндрического участка, причем последний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполнен с углом конусности 1 - 4^o, а предпоследний по ходу движения среды конический участок камеры смешения выполнен с углом конусности 10 - 22^o. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический участок камеры смешения выполнен с отношением длины к диаметру 1,3 - 5. 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что диффузор выполнен коническим с углом конусности 1,5 - 6^o. 4. Насос по п.1, отличающийся тем, что диффузор выполнен по меньшей мере из двух конических, последовательно расширяющихся участков с последовательно увеличивающимся от участка к участку углом конусности. 5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что диффузор имеет криволинейную образующую с углом наклона касательной к оси диффузора 0 - 45^o.