НАСОС Российский патент 2018 года по МПК F04D11/00 F04D29/18 

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к энергетическим машинам для преобразования механической энергии, получаемой от двигателя, в механическую энергию потока жидкости.

Из научно-технической литературы [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с., стр. 172…254] известны устройства для преобразования механической энергии, получаемой от двигателя, в механическую энергию потока жидкости, например лопастные насосы (далее по тексту - ЛН), проточная часть которых состоит из трех основных элементов: подвода, рабочего колеса (далее по тексту - К_лн) и отвода. К_лн выполнено в виде ротора. С ротором жестко связаны лопасти в форме крыловидного профиля, образующие междулопастные, например, изогнутые каналы, входные отверстия которых выполнены размещенными со стороны оси вращения К_лн, а выходные - по периферии ротора.

Недостатками ЛН являются:

- сложность конструкции и трудоемкость изготовления лопастей К_лн;

- степень расхождения расчетной и опытной характеристик, которая не позволяет использовать расчетную характеристику на практике при определении эксплуатационных свойств проектируемого ЛН, что следует из графиков характеристик, например расчетной Н=f_лн(Q), см. фиг. 1, и опытной Н=f_лно(Q), см. фиг. 2. График Н=f_лн(Q) построен по точкам, которые определены с подстановкой фактических величин параметров электронасоса ГНОМ 16-16 (далее по тексту - БН): b₂=10 мм, R₂=61 мм, σ₂=4 мм, z=7 шт., S₂=3 мм, n=2850 об/мин (наименование и обозначение параметров соответствует принятым [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с., стр. 184…190]) в уравнениях, приведенных [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с., стр. 184, (2.21), (2.22), стр. 185, (2.24), стр. 190, (2.36)]). График Н=f_лно(Q) БН соответствует приведенному [Руководство по эксплуатации 28ТНП.00.000 РЭ, рисунок 2].

Известна конструкция [Сборник задач по машиностроительной гидравлике. Бутаев Д-Г.А., Калмыкова З.А., Подвидз Л.Г., Попов К.Н., Рождественский С.Н., Яншин Б.И. / Под ред. Куколевского И.И. и Подвидз Л.Г., Москва: "Машиностроение", 1972, 472 с., задача V11-21, стр. 166], совпадающая с изобретением по назначению и принципу работы - устройство для заполнения водой паровозного тендера, содержащее устроенный между рельсами лоток с водой, в который опускается труба приемного устройства так, что входное отверстие трубы располагается навстречу потоку.

Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности: подача жидкости осуществляется прерывисто, что обусловлено поступательным движением приемного устройства - паровоза и реальной длиной лотка с водой.

Насос (далее по тексту - ТН), являющийся вариантом применения конструкции [US 2005/0019153 А1, 27.01.2005, фиг. 5-7, абзацы [0025], [0038], всего 13 с.], выбран в качестве прототипа. ТН содержит корпус с проточной частью из подвода, отвода и связанного с двигателем рабочего колеса (далее по тексту - К_тн) с лопастями в форме закрытого изогнутого канала, входное и выходное отверстия которого выполнены размещенными по окружности К_тн. Лопасти имеют сложную конфигурацию: площадь поперечного сечения канала уменьшается от входного отверстия к выходному, которые выполнены размещенными по разные стороны оси вращения К_тн, и входное отверстие более удалено от оси вращения К_тн, чем выходное.

Недостатками ТН являются:

- сложность конструкции и трудоемкость изготовления лопастей К_тн;

- отсутствие выражения взаимосвязи между параметрами ТН и параметрами потока рабочей жидкости для определения расчетной характеристики.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:

- упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления лопастей рабочего колеса;

- снизить расхождение расчетной и опытной характеристик до степени, которая позволяет использовать расчетную характеристику на практике при определении эксплуатационных свойств проектируемого насоса;

- расширить функциональные возможности: обеспечить непрерывную подачу жидкости.

Сущность изобретения: преобразование энергии в насосе (далее по тексту - РН) происходит при взаимодействии жидкости и лопастей рабочего колеса (далее по тексту - К_РН) аналогично приведенному [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с, §1.18. "Примеры использования уравнения Бернулли в технике", пример 4. Трубка полного напора (или трубка Пито), стр. 61]. К_РН выполнено в виде диска, который установлен в корпусе РН с разделением последнего на подвод и отвод. С диском жестко связаны лопасти в форме закрытого изогнутого канала. Входные и выходные отверстия каналов выполнены размещенными по периферии диска по разные его стороны и обращенными, соответственно, в направлении вращения К_РН и против. При движении входных отверстий лопастей навстречу жидкости создается скоростной напор, под действием которого в проточной части РН возникает поток жидкости.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации и использовании РН в качестве товарного продукта, является:

- упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления лопастей рабочего колеса;

- снижение расхождения расчетной и опытной характеристик до степени, которая позволяет использовать расчетную характеристику на практике при определении эксплуатационных свойств проектируемого насоса;

- расширение функциональные возможностей: обеспечение непрерывной подачи жидкости.

Технический результат достигается тем, что насос, содержащий корпус с проточной частью из подвода, отвода и связанного с двигателем рабочего колеса с лопастями в форме закрытого изогнутого канала, входное и выходное отверстия которого расположены по окружности рабочего колеса, отличается тем, что К_рн выполнено в виде диска, установленного в корпусе с разделением последнего на подвод и отвод, а входные и выходные отверстия каналов выполнены размещенными по периферии диска по разные его стороны и обращенными, соответственно, в направлении вращения К_рн и против.

Общие сведения

Существенное различие в характеристиках, соответственно, и эксплуатационных свойствах ЛН и РН определяется принципиальным различием в особенностях рабочих процессов, происходящих в ЛН и РН.

В ЛН энергию передает К_лн, при вращении которого жидкость перетекает из подвода в отвод непрерывным потоком по каналам между радиально расположенными лопастями К_лн, имеющими крыловидный профиль, под действием подъемной силы, которая возникает при движении лопасти в жидкости [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с., стр. 174].

В РН энергию передает К_рн, при вращении которого жидкость перетекает из подвода в отвод непрерывным потоком по лопастям К_рн, имеющим форму закрытого изогнутого канала, под действием скоростного напора, возникающего при движении входных отверстий лопастей навстречу жидкости.

Описание устройства и работы

На фиг. 3 изображена конструктивная схема насосного агрегата, состоящего из двигателя 1 (например, электродвигателя) и РН, корпус 2 которого разделен на подвод и отвод диском 5 К_рн. С диском 5 жестко соединены лопасти 6 в форме закрытого изогнутого канала, имеющего, например, круглое поперечное сечение. Входные и выходные отверстия каналов выполнены размещенными по периферии диска 5 по разные его стороны и обращенными, соответственно, в направлении вращения К_рн и против. Диск 5 жестко соединен с валом двигателя 1.

РН работает следующим образом.

После пуска двигателя входные отверстия лопастей 6 К_рн, приводимого во вращение моментом двигателя М_д с числом оборотов n_д, движутся навстречу жидкости и возникает скоростной напор Н. Под действием Н поток жидкости с расходом Q проходит из подвода 3 по каналам лопастей 6, разделяясь на потоки с расходом Q_pн, в отвод 4. При этом:

z - количество лопастей.

При установившемся режиме работы РН на жидкость, текущую по лопасти в форме закрытого изогнутого канала, действуют сила тяжести, центробежная сила и сила динамического взаимодействия с внутренними стенками лопастей, существование которой научно доказано [Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. / Под редакцией Башты Т.М., Москва: "Машиностроение", 1970, 504 с., §1.47. "Силы действия потока на стенки канала", стр. 167, пример 15, стр. 168]. Учитывая практическое n_д К_рн, силой тяжести можно пренебречь по сравнению с центробежной силой и силой динамического взаимодействия.

При конструкции лопасти, например, в форме сдвоенного отвода, т.е. два отвода каждый с углом поворота 90° последовательно жестко соединены так, что общий угол поворота равен нулю, силы центробежная и динамического взаимодействия уравновешиваются вследствие симметричности конструкции. Мощность двигателя 1 расходуется на создание Н и теряется на гидравлические потери при течении жидкости по лопастям К_рн.

С учетом изложенного и уравнения Бернулли применительно к относительному движению жидкости по лопасти [Сборник задач по машиностроительной гидравлике. Бутаев Д-Г.А., Калмыкова З.А., Подвидз Л.Г., Попов К.Н., Рождественский С.Н., Яншин Б.И. / Под ред. Куколевского И.И. и Подвидз Л.Г., Москва: "Машиностроение", 1972, 472 с., задача V11-21, стр. 166] имеем:

V - средняя линейная скорость движения входного отверстия навстречу жидкости по сечению канала:

R - расстояние от центра окружности входного отверстия канала до оси вращения К_рн;

g - ускорение свободного падения;

ξ - суммарный коэффициент потерь при движении жидкости в канале;

w - средняя скорость движения жидкости по сечению канала:

F - площадь сечения канала.

Характерные особенности параметров и характеристик

Характерные особенности параметров и характеристик РН определяет их взаимосвязь. Связь между параметрами РН осуществляется через параметры потока рабочей жидкости.

При определении взаимосвязи приняты допущения:

- движение жидкости в проточной части РН имеет турбулентный режим;

- механические, объемные потери и дисковое трение пренебрежимо малы;

- гидравлические потери в каналах К_рн не зависят от скорости вращения К_рн.

Из (2) определяем Н:

Подставим в (5) выражения (3), (4), (1) и, опуская промежуточные преобразования, получаем расчетную характеристику Н=f_рн(Q):

Возможность достижения заявленного технического результата

Для проверки возможности достижения заявленного технического результата изготовлен и испытан РН (см. фиг. 4). РН изготовлен (см. фиг. 5) на основе БН [Руководство по эксплуатации 28ТНП.00.000 РЭ, рис. 1 и рис. 3] с использованием корпуса БН (см. фиг. 5 - поз. 8) без изменений, в котором диафрагма (см. фиг. 5 - поз. 3) и рабочее колесо (см. фиг. 5 - поз. 6) заменены на К_рн. Примеры: конструкции К_рн, см. фиг. 6, и изготовления К_рн, см. фиг. 7.

Применение изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата:

- упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления лопастей рабочего колеса наглядно представлены на фиг. 8 (слева - диафрагма и рабочее колесо БН, справа - К_рн);

- расхождение расчетной и опытной характеристик снижено до степени, которая позволяет использовать Н=f_рн(Q) на практике при определении эксплуатационных свойств проектируемого РН, что следует из графиков характеристик, например: Н=f_рн(Q), см. фиг. 9, и опытной Н=f_рно(Q), см. фиг. 10. График Н=f_рн(Q) построен по (6) с подстановкой фактических величин параметров РН: n_д=2850 об/мин, R=49,5 мм, F=240 мм², z=4 шт. и принятом ξ=2. График Н=f_рно(Q) построен по точкам, которые определены с использованием известного метода: заполнение мерной емкости рабочей жидкостью (водой) посредством РН с контролем времени наполнения при различных Н;

- расширение функциональных возможностей: обеспечение непрерывной подачи жидкости следует из вышеприведенного описания устройства и работы РН.

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к насосам. Преобразование энергии в насосе происходит при взаимодействии жидкости и лопастей рабочего колеса в форме закрытого изогнутого канала. Рабочее колесо выполнено в виде диска, который установлен в корпусе насоса с разделением последнего на подвод и отвод. С диском жестко связаны лопасти, входные и выходные отверстия которых выполнены размещенными по периферии диска по разные его стороны и обращенными, соответственно, в направлении вращения рабочего колеса и против. При движении входных отверстий лопастей навстречу жидкости создается скоростной напор, под действием которого в проточной части насоса возникает поток жидкости. Изобретение направлено на упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления лопастей рабочего колеса, использование расчетной характеристики на практике при определении эксплуатационных свойств проектируемого насоса и обеспечение непрерывной подачи жидкости. 10 ил.

Насос, содержащий корпус с проточной частью из подвода, отвода и связанного с двигателем рабочего колеса с лопастями в форме закрытого изогнутого канала, входное и выходное отверстия которого расположены по окружности рабочего колеса, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде диска, установленного в корпусе с разделением последнего на подвод и отвод, а входные и выходные отверстия каналов выполнены размещенными по периферии диска по разные его стороны и обращенными, соответственно, в направлении вращения колеса и против.