КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ Российский патент 2009 года по МПК F24J3/00 F04D29/22 

Предлагаемое изобретение относится к области гидронасосов или других устройств, содержащих в качестве основного рабочего элемента центробежное колесо. Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к энергоустановкам вихревого типа, преобразующим механическим способом с помощью центробежного колеса энергию электрического тока в тепловую энергию жидкости.

Ближайшим техническим решением (по колесу центробежному) из всех аналогов является энергоустановка под названием «Насос - теплогенератор» (RU 2160417 С2, Петраков А.Д. и др., 10.12.2000 г.), содержащая полый корпус с входным и выходным патрубками для подвода нагреваемой и отвода нагретой жидкости соответственно и расположенный внутри корпуса вал с ротором в виде колеса центробежного двухпоточной конструкции, с отверстиями по периферии, а также статор с отверстиями, установленный вокруг ротора коаксиально.

Рассматривая колесо центробежное указанной энергоустановки в качестве прототипа, отметим ряд недостатков, присущих ему.

1. Сложная составная конструкция колеса центробежного (далее по тексту - колеса) в изготовлении как по отдельности (крыльчатка и наружное кольцо с отверстиями), так и целиком (при изготовлении колеса литьем).

2. Периферийная часть колеса массивна и тяжела по сравнению с крыльчаткой, что обуславливает ограничение скорости вращения колеса по прочности конструкции в целом.

3. Большие радиальные нагрузки на подшипники вала из-за большой массы и требуемой скорости вращения колеса (не менее 3000 об/мин).

4. Трудность обеспечения взаимной центровки элементов конструкции в корпусе, выполняющемся литьем.

5. Статор вообще не имеет крепления в корпусе (повис в воздухе ?!).

6. Характер течения жидкости в самом колесе центробежном прерывистый, пульсирующий, нестационарный.

7. Характер течения жидкости после выхода ее из колеса центробежного прерывистый, нестационарный.

8. Принципиальная работоспособность данной конструкции сомнительна.

Приведенные недостатки по их актуальности условно можно разделить на три группы.

Первая группа - недостатки по пунктам 1, 2, 3, 4, 5.

Вторая группа - недостатки по пунктам 6, 7.

Третья группа - недостаток по пункту 8.

Первая группа недостатков по пп.1-5 критична, но не принципиальна, так как, во-первых, эти недостатки имеют конструкторский характер, а устранение этих недостатков не приведет к значимому повышению характеристик этой конструкции, во-вторых, к физическим процессам, протекающим в колесе центробежном, имеют косвенное, малозначимое отношение.

Вторая группа - недостатки по п.6 и 7 имеют самое прямое отношение к процессам, определяющим эффективность работы как колеса центробежного, так и энергоустановки в целом, а потому она более принципиальна для рассмотрения. Замечание по пункту 6.

Прерывистый, пульсирующий нестационарный характер течения жидкости в каналах колеса центробежного, во-первых, приводит к возрастанию потерь на трение, а во-вторых, что более важно, к существенной потере полного давления в потоке жидкости, которое уже не восполнить за счет центробежных сил. Потери полного давления жидкости в каналах колеса не позволяют получить эффективного преобразования энергии вращения колеса центробежного в мощный кинетический импульс струй жидкости на выходе из каналов, что отрицательно скажется на эффективности преобразования кинетического импульса струй жидкости в тепловую энергию жидкости.

Здесь даже не рассматривается негативное влияние еще и частотного воздействия на поток жидкости, выходящей из каналов колеса. Что имеется в виду? При достаточно большой частоте пульсации в каналах, что имеет место согласно логике функционирования по описанию патента, нелепой получается ситуация, когда струям жидкости уже нужно выходить из канала с большой скоростью, а они в этот момент времени еще или не успели разогнаться после резкой предыдущей остановки, или уже резко тормозятся согласно фазе процесса вращения колеса центробежного относительно статора. Нужен мощный кинетический импульс струй жидкости на выходе их из колеса, а его нет, значит, нет и тепловой энергии от кинетического удара. Замечание по пункту 7.

Учитывая, что характер течения жидкости в статоре полностью аналогичен ее течению в колесе центробежном, то очевидно, что потери полного давления в жидкости, проходящей через отверстия статора, увеличатся еще. Учитывая, что жидкость при выходе из отверстий статора попадает в корпус, уже заполненный вращающейся массой жидкости, то ни о каком кавитационном нагреве жидкости в «насосе-теплогенераторе»-прототипе говорить не приходится. Этой физики здесь нет.

Конечно, недостатки прототипа по пунктам 6 и 7 существенно снижают эффективность работы этой конструкции, но корректно ли говорить об эффективности, если учитывать недостаток, оговоренный в пункте 8, к анализу которого обратимся чуть позже.

С 2006 г. авторами данной заявки был проведен и ведется в настоящее время большой объем исследовательских, опытно-конструкторских работ перспективных энергоустановок различного типа, в том числе и вихревого. В различных псевдонаучных источниках (включая Интернет-информацию) имеется достаточно много спекуляций по вопросу небывалой эффективности энергоустановок вихревого типа для подогрева жидкости (у некоторых авторов кпд такой установки достигал 172%, у других еще выше - 400%). Понятно, что это блеф, но он же и пробудил интерес определить на практике, каким должно быть колесо центробежное для получения максимальной эффективности энергоустановки вихревого типа? С этой целью была создана типовая стендовая энергоустановка вихревого типа, на которой проверялись различные концепции колес центробежных.

Одним из промежуточных результатов работы на стендовой энергоустановке было создание «колеса центробежного энергоустановки», представляемого в данной Заявке (фото и чертеж, Фиг.2), показавшего на испытаниях достаточно высокую эффективность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости даже при относительно невысоких оборотах вращения колеса. Исследования данного колеса проводились с частотами вращения электродвигателя - 750 об/мин, 1000 об/мин, 1500 об/мин, 3000 об/мин, 4200 об/мин и более, при этом даже на первых испытаниях были получены значения теплового кпд (в зависимости от частоты вращения) в диапазоне 0.88-0.93, которые удалось затем довести до 0.93-0.95, и в этом плане ресурс еще есть.

Для сравнения следует отметить, что энергоустановки такого типа других авторов работают, как правило, на частотах вращения электродвигателя не ниже 3000 об/мин и со значительно меньшими значениями коэффициента эффективности преобразования энергии.

Частота вращения электродвигателя 3000 об/мин (или 50 Гц) энергоустановок вихревого типа аналогов и прототипа обусловлена необходимостью и не случайна. Это максимальные рабочие обороты типовых серийных (неспециальных) асинхронных электродвигателей, широко используемых в энергоустановках вихревого типа. Из всего номенклатурного ряда электродвигателей (750 об/мин, 1000 об/мин, 1500 об/мин, 3000 об/мин) авторы своих проектов энергоустановок используют электродвигатели больших мощностей (55 кВт, 75 кВт и более) и именно с частотой вращения вала 3000 об/мин. При этом горят подшипники у энергоустановки и электродвигателя, энергоустановка «хорошо шумит», но это для изобретателей не столь важно. Важно, что хоть как-то, но жидкость нагревается. При меньших оборотах колеса тепла трением воды не получить, это понятно всем.

Теперь, не забывая про цифру 3000 об/мин, давайте вернемся назад к прототипу, его основному недостатку по пункту 8.

Согласно описанию энергоустановки-прототипа и представленным в нем рисункам (Фиг.1-4 в описании прототипа) в кольце ротора выполнено 12 каналов, вращающихся с частотой порядка 3000 об/мин (или 50 Гц) относительно 12 отверстий статора. В результате время между совмещениями канала ротора и отверстия статора составит 0.001667 секунды, тогда время, отводимое авторами этого патента на перестройку потока жидкости с учетом его запирания (т.е. - остановки потока) при несовпадении каналов ротора и отверстий статора и с учетом его течения (т.е. - ускорения) при совпадении отверстий ротора и статора, уменьшается вдвое, до значения 0.000833 секунды!

Для несжимаемой жидкости, каковой принято считать воду в практике конструирования, время на перестройку потока жидкости (так называемое «время установления течения жидкости») при изменении воздействия только по величине (не учитывая еще и по направлению!) составляет на полтора-два порядка больше, чем приведенные 0.000833 секунды!

В данной конструкции характер воздействия на объект (жидкость) не адекватен, не соответствует свойствам объекта воздействия, нет обратных связей. Поэтому ни о каких кинетических струях жидкости через ротор и статор, пульсациях, кавитациях и высокочастотных резонансных автоколебаниях жидкости в конструкции прототипа сказать нельзя. Ничего этого в данной конструкции нет и быть не может.

Предлагаемое авторами колесо центробежное энергоустановки для преобразования электрической энергии в тепловую имеет цель исключить недостатки аналогов и прототипа, тем самым повысить эффективность его работы и, как следствие, повысить эффективность работы энергоустановки.

Цель достигается выполнением корпуса колеса центробежного с радиальными каналами, имеющими конфузоры на выходе, с профильными элементами, расположенными на выходе радиальных каналов с диффузорами, чередующимися с диффузорами и радиально отходящими от периферии корпуса колеса в виде лопаток центробежного насоса, почти вплотную подходящих к выходным сечениям конфузоров, а своими концами - к внутренней стороне статора, расположенного вокруг колеса центробежного коаксиально.

Очевидно, что профильные элементы, выполненные радиально отходящими от периферии корпуса колеса в виде лопаток центробежного насоса, создают колесу центробежному дополнительное гидродинамическое сопротивление жидкости, находящейся вокруг колеса, но, во-первых, оно возникает только в первый момент включения электродвигателя и существенно снижается сразу при выходе колеса на требуемый режим вращения, а во-вторых, эти профильные элементы в виде лопаток центробежного насоса выполняют крайне важные функции:

- создают локальное (по кругу своего вращения) разрежение в зоне выхода струй жидкости из конфузоров, что устраняет противодавление окружающей среды, обеспечивая тем самым сохранение кинетического импульса струй от момента выхода из конфузоров до момента удара струй со статором;

- освобождают поверхность статора в зоне удара струй от жидкости, уже находящейся в корпусе энергоустановки, что делает удар струй жидкости более упругим и эффективным (а не погашенным в толще слоя вращающейся массы жидкости);

- создают в совокупности со статором высокочастотную гидродинамическую пульсацию (гидроудары) в жидкости;

- в виде лопаток центробежного насоса фактически выполняют эту функцию в энергоустановке вихревого типа.

Сущность изобретения заключается в том, что каналы колеса центробежного, не запирающиеся статором в процессе разгона жидкости в них, обеспечивают конфузорами, выполненными на выходе из каналов колеса, максимальную скорость струй жидкости на выходе из них, при этом чередующиеся с конфузорами профильные элементы, выполненные радиально отходящими от периферии колеса в виде лопаток центробежного насоса, создают условия максимального сохранения кинетического импульса струй жидкости на всем пути их движения от выходных сечений конфузоров колеса центробежного до момента их столкновения со статором, расположенным вокруг колеса центробежного коаксиально, что обеспечивает максимально эффективное преобразование кинетической энергии струй жидкости в их тепловую энергию, при этом профильные элементы, выполненные радиально отходящими от периферии колеса в виде лопаток центробежного насоса, в совокупности со статором, примыкающим к ним, осуществляют при своем вращении механическое и гидродинамическое воздействие на жидкость (высокочастотные пульсации - гидроудары с частотой в сотни - тысячи Герц), находящуюся вокруг колеса центробежного и статора, обуславливая процесс кавитации в этой жидкости и, как следствие, повышение температуры нагрева жидкости. При этом также профильные элементы, выполненные радиально отходящими от периферии колеса в виде лопаток центробежного насоса, фактически выполняют эту функцию в энергоустановке вихревого типа.

Изготовление предлагаемой энергоустановки - теплогенератора вихревого типа не представляет сложности для обычного машиностроительного предприятия, так как не требует специальных материалов, технологий и оборудования, требуется только нормальная квалификация специалистов.

На чертеже представлено предлагаемое колесо центробежное энергоустановки вихревого типа.

Колесо центробежное, выполненное в виде диска, содержит корпус 1, в центре которого имеется отверстие 2 для вала и осевой вход 3 в радиальные каналы 4, в выходном сечении которых находятся конфузоры 5, разделенные между собой профильными элементами 6, выполненными на выходе из радиальных каналов радиально отходящими от периферии колеса в виде лопаток центробежного насоса.

Функционирование колеса центробежного энергоустановки вихревого типа происходит следующим образом.

Корпус 1 колеса центробежного через отверстие 2 жестко закреплен на валу электродвигателя и целиком находится в корпусе энергоустановки, заполненной жидкостью. При этом осевой вход 3 и радиальные каналы 4 с конфузорами 5 заполнены окружающей колесо жидкостью.

При включении электродвигателя энергоустановки корпус 1 колеса центробежного начинает вращаться с большой скоростью. Масса жидкости, попадая через осевой вход 3 в каналы 4 с конфузорами 5, всю саккумулированную в каналах 4 потенциальную энергию силы давления преобразует в кинетическую энергию струй жидкости, с большой скоростью вытекающих из колеса центробежного через конфузоры 5. При этом профильные элементы 6, чередующиеся по периметру колеса с конфузорами 5, выполненные радиально отходящими своими концами от периферии корпуса 1 колеса и выполненные в виде лопаток центробежного насоса, близко подходящие (не касаясь!) своими концами к статору, при вращении колеса с большой скоростью, полностью находящегося в жидкости, создают вокруг конфузоров 5 локальное (по кругу своего вращения) разрежение в зоне выхода струй жидкости из конфузоров. Это позволяет струям жидкости, вылетающим с большой скоростью из конфузоров 5, беспрепятственно и без потери импульса скорости (энергии) долететь до статора и осуществить с максимальной эффективностью преобразование кинетической энергии струй жидкости в тепловую энергию этой жидкости.

При этом вращающиеся с большой скоростью профильные элементы 6 осуществляют совместно со статором, имеющим отверстия, механическое и гидродинамическое воздействие на жидкость (высокочастотные пульсации - гидроудары с частотой в сотни - тысячи Герц), находящуюся вокруг колеса центробежного, обуславливая процесс кавитации в этой жидкости и, как следствие, повышение температуры нагрева жидкости.

Профильные элементы 6, расположенные между конфузорами 5 на торцевой поверхности корпуса 1 колеса и выполненные в виде лопаток центробежного насоса, осуществляют также и дополнительную функцию, а именно в виде лопаток центробежного насоса обеспечивают циркуляцию жидкости в корпусе энергоустановки и в ее гидросистеме.

Изобретение относится к энергоустановкам, преобразующим с помощью центробежного колеса электрическую энергию в тепловую. Колесо выполнено в виде диска, представляющего из себя корпус с центральным отверстием для вала и входом в радиально расположенные каналы с конфузорами на выходе. Корпус выполнен с профильными элементами, расположенными на выходе из радиальных каналов, радиально отходящими от периферии корпуса, чередующимися с конфузорами и выполненными в виде лопаток. Изобретение направлено на повышение эффективности энергоустановки. 1 ил.

Колесо центробежное энергоустановки, выполненное в виде диска, содержащего корпус с центральным отверстием для вала и входом в радиально расположенные каналы с конфузорами на выходе, отличающееся тем, что корпус выполнен с профильными элементами, расположенными на выходе из радиальных каналов, радиально отходящими от периферии корпуса, чередующимися с конфузорами и выполненными в виде лопаток.