СТРУЙНЫЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04F5/46 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к струйным насосам, компрессорам и эжекторам.

В струйном насосе, называемом динамическим насосом трения, энергия от одного потока к другому передается силами, действующими на поверхности рабочей струи.

Физические процессы смешения рабочего и пассивного потоков в струйном насосе на начальном участке подобны процессам распространения затопленной турбулентной струи в неограниченном объеме. На границах затопленной струи образуется обширная зона смешения - турбулентный пограничный слой. Вследствие вовлечения частиц жидкости в пограничный слой, растекание струи в камере смешения будет происходить не в толще неподвижной жидкости, а в спутном подсасываемом потоке. Сложение вихревого и поступательного движения жидкостей создает, согласно теореме Кутта-Жуковского, подъемную силу, поперечную по отношению к направлению поступательного движения. При этом происходит перемешивание рабочего и пассивного потоков.

Известна конструкция водоструйного насоса с кольцевой удлиненной камерой смешения, диффузором, патрубком пассивного потока и несколькими соплами рабочего потока, расположенными по окружности на равном расстоянии друг от друга (АС. СССР 684162, кл. F 04 F 5/02, опубл. 1979, БИ N 33). При такой конструкции обеспечивается большая поверхность соприкосновения рабочего и пассивного потоков, но отдельные сопла небольшого размера имеют склонность к засорению, что в совокупности с высокой технологической сложностью позиционирования большого количества сопел небольшого диаметра может приводить к неравномерности распределения рабочего потока по сечению камеры смешения, излишней местной турбулентности потока, появлению вибраций, шумов и снижению КПД струйного насоса.

Существует также конструкция водоструйного насоса, состоящего из входного колена с поворотной лопаткой, используемого для формирования рабочего потока от входной трубы до сопла; пятиструйного сопла рабочего потока с диаметром струй на выходе 27,69 мм; пяти обтекаемых юстировочных стоек для центровки сопла и входного устройства, камеры смешения, патрубка пассивного потока и диффузора (Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов 1979, т. 101, N 1, с. 214-221). Такая комбинация элементов позволяет создать струйный насос, который хорошо работает в реакторных условиях. Однако при такой конструкции увеличиваются потери на всасывание, а высокая турбулентность рабочего потока увеличивает коэффициент неравномерности эпюры скоростей в камере смешения, что в конечном итоге снижает КПД струйного насоса.

Наиболее близким по техническому результату к заявленному техническому решению является струйный насос, содержащий восьмисекционное сопло рабочего потока, камеру смешения, патрубок пассивного потока и диффузор (Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М: "Наука", 1969, с. 514-515). Использование секционированного сопла рабочего потока позволяет существенно сократить потребную длину камеры смешения, что уменьшает габариты и массу струйного насоса, однако эмпирический метод выбора количества секций и их конфигурации не позволяет получить высокие значения КПД струйного насоса, в особенности при использовании его для перекачивания однофазных и разнофазных сред.

Задачей данного изобретения является создание конструкции струйного насоса для перекачивания однофазных и разнофазных сред с одним соплом рабочего потока, позволяющим повысить КПД, как у многосопловых струйных насосов.

Технический результат - повышение КПД струйного насоса за счет многократного увеличения площади спутного подсасываемого потока, при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока, путем увеличения зоны смешения - турбулентного пограничного слоя, а также при этом сохранение простоты конструкции, как у струйных насосов с одним соплом рабочего потока, за счет применения сопла рабочего потока, имеющего профилированную проточную часть.

Указанный технический результат достигается тем, что в струйном насосе, содержащем сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор, сопло рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки, которые на выходном срезе сопла имеют форму лепестка или фигурной равнобокой трапеции с соотношением высоты профиля и шага на срезе сопла не более единицы, а сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус которой не более половины шага.

Выполнение сопла рабочего потока в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки, которые на выходном срезе сопла имеют форму лепестка или фигурной равнобокой трапеции, позволяет увеличить зону смешения - турбулентный пограничный слой. За счет этого многократно увеличивается площадь спутного подсасываемого потока при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока. Соотношение высоты профиля и шага на срезе сопла не более единицы выбрано для того, чтобы уменьшить сопротивление в сопле рабочего потока. Соотношение высоты профиля и шага на срезе сопла рабочего потока более единицы приводит к загромождению ядра и дросселированию рабочего потока.

Сопряжение элементов профиля, выполненное по дуге окружности, радиус которой не более половины шага, выбрано для уменьшения сопротивлений в местах сопряжения, а также устранения "вторичной завихренности" (Л. Прандтль. Гидроаэромеханика. М: "Иностранная литература", 1949, с 181-186). Если же сопряжение выполнено по прямым, то увеличивается сопротивление в угловой зоне сопряжения. Если радиус дуги окружности, по которому выбирается сопряжение элементов профиля, более половины шага, то существенно уменьшается зона смешения - турбулентный пограничный слой.

Таким образом, увеличение зоны смешения - турбулентного пограничного слоя рабочего и пассивного потоков при неизменной площади выходного сечения сопла рабочего потока позволит увеличить КПД струйного насоса.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлена конструкция струйного насоса; на фиг. 2, 3 и 4 - конструкция сопла рабочего потока; на фиг. 5 изображен процесс перемешивания рабочего и пассивного потоков в приемной камере.

Напорный трубопровод 1 (фиг. 1) соединен со струйным насосом, содержащим сопло 2 рабочего потока. Сопло 2 рабочего потока соединено с приемной камерой 3. Сопло 2 рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла 2, постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки 4 (фиг. 2), которые на выходном срезе сопла 2 имеют форму лепестка 5 (фиг. 3) или фигурной равнобокой трапеции 6 (фиг. 4) с соотношением высоты профиля h (фиг. 3, 4) и шага b на срезе сопла 2 не более единицы, а сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус r которой не более половины шага b.

Кромку сопла 2 рабочего потока рекомендуется выполнять как можно тоньше, для того чтобы исключить наличие застойных зон (фиг. 5) в месте, где выходной срез сопла контактирует с пассивным потоком. Поэтому наружный профиль сопла 2 имеет коническую форму с продольными постепенно углубляющимися и расширяющимися в направлении движения рабочего потока канавками 7 (фиг. 2, 3, 4), такими, чтобы на срезе сопла 2 они симметрично повторяли профилированную проточную часть сопла 2 рабочего потока.

В приемную камеру 3 (фиг. 1) пассивный поток 8 подводится посредством патрубка 9 пассивного потока. Приемная камера 3 соединена с входным участком камеры смешения 10 и далее непосредственно с камерой смешения 11. Камера смешения 11 соединена с диффузором 12, а диффузор 12 - с нагнетательным трубопроводом 13.

Устройство работает следующим образом. По напорному трубопроводу 1 через сопло 2 рабочего потока, выполненное в виде профилированного канала, под давлением выше атмосферного подводится рабочий поток в виде струи 14 (фиг. 1). Эта струя 14, двигаясь в приемной камере 3 с большой скоростью, сначала увлекает имеющийся в приемной камере 3 воздух и создает в ней разрежение. Приемная камера 3 соединена с пассивным потоком 8 посредством патрубка 9 пассивного потока. Вследствие образования в приемной камере 3 разрежения, соединенный с ней пассивный поток 8, под влиянием атмосферного давления, засасывается в приемную камеру 3.

Сопло 2 рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла 2 постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки 4 (фиг. 2), которые на выходном срезе сопла 2 имеют форму лепестка 5 (фиг. 3) или фигурной равнобокой трапеции 6 (фиг. 4) с соотношением высоты профиля h (фиг. 3, 4) и шага b на срезе сопла 2 не более единицы, а сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус r которой не более половины шага b. За счет этих канавок 4 (фиг. 2) многократно увеличивается зона смешения - турбулентный пограничный слой, при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока.

Перемешивание струи 14 (фиг. 1) рабочего потока с пассивным потоком 8 начинается в приемной камере 3, продолжается во входном участке камеры смешения 11, где смешанный поток обладает наибольшей кинетической энергией. Из камеры смешения 11 смешанный поток поступает в диффузор 12, где происходит преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную. В конце диффузора 12, что соответствует началу нагнетательного трубопровода 13, полное давление смешанного потока должно быть достаточным для преодоления геодезической высоты подъема, всех сопротивлений, связанных с его движением по нагнетательному трубопроводу 13 и создания скоростного напора при истечении в атмосферу.

Таким образом, предлагаемый струйный насос для перекачивания однофазных и разнофазных сред имеет КПД такого же порядка, как и многосопловые струйные насосы, сохраняет простоту конструкции, как у струйных насосов с одним соплом, что позволяет обеспечить высокую степень соосности сопла и камеры смешения струйного насоса. Предлагаемая конструкция также позволяет обеспечить снижение нерационально высоких уровней турбулизации рабочего и пассивного потоков, сократить потребную длину камеры смешения, что уменьшает габариты и массу струйного насоса, обеспечить благоприятные условия перемешивания рабочего и пассивного потоков.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
предлагаемый струйный насос предназначен для использования на различные нужды в цехах ТЭС, как вспомогательное оборудование на предприятиях и в агропромышленном комплексе, как агрегат транспортных средств;
для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к струйным аппаратам. Сопло рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла, постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки, которые на выходном срезе сопла имеют форму лепестка или фигурной равнобокой трапеции с соотношением высоты профиля и шага на срезе сопла не более единицы. Сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус которой не более половины шага. В результате повышается КПД струйного насоса. 5 ил.

Струйный насос, содержащий сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор, отличающийся тем, что сопло рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки, которые на выходном срезе сопла имеют форму лепестка или фигурной равнобокой трапеции с соотношением высоты профиля и шага на срезе сопла не более единицы, а сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус которой не более половины шага.