Свободновихревой насос Шекуна Советский патент 1992 года по МПК F04D7/04 

Изобретение относится к насосострое- нию, в частности к конструкциям насосов, предназначенных для перекачки жидкости с твердыми включениями, и может быть использовано при перекачивании скоплений воды в забоях шахт, осушении строительных котлованов.

Известен свободнових ревой насос преимущественно для перекачки жидкостей с твердыми включениями, содержащий корпус с осевым подводящим патрубком и вихревой камерой, в которой установлены рабочее колесо открытого типа с лопатками и полая профилированная насадка, сообщенная с входным патрубком и имеющая каналы, оси которых ориентированы в направлении вращения рабочего колеса.

В известной конструкции за счет использования профилированной насадки на входе в вихревую камеру предотвращается распространение вихревого шнура как на центральную часть вихревой камеры, так и на полость входного патрубка. Механическая энергия вращения рабочего колеса преобразуется в кинетическую энергию вращения перекачиваемой жидкости только в периферийной области вихревой камеры и закрутке таким образом подвергается меньший объем жидкости. Выигрыш в КПД такой организации потока не смотря на гидравлические потери в коническом насадке позволяет повысить напор в выходном патрубке насоса.

Однако такая конструкция рабочей вихревой камеры ограничивает возможный диапазон получаемого давления - напора перекачиваемой жидкости, так как оптимальный периферийный радиус вихревой камеры в рассматриваемой конструкции имеет вполне определенное значение, а напорная характеристика насоса представляет собой плавно изменяющуюся кривую с относительно малым градиентом напора. Для получения больших значений напора необходимо при сохранении неизменной частоты вращения рабочего колеса существенно увеличивать радиальные-размеры вихревой камеры, т.е. в этом случае для увеличения периферийной окружной скорости закрученной жидкости в вихревой камере необходимо существенно увеличивать периферийный радиус камеры и соответственно нагнетательного патрубка.

Однако в такой конструкции радиально вытянутой вихревой камеры перекачиваемая жидкая среда с твердыми включения в результате закрутки подвергается существенной деформации. Причем степень деформации потока будет тем больше, чем больше радиальная протяженность вихревой камеры, так как турбулентный обмен между частицами жидкости и развитая турбулентность потока будут в этом случае неуклонно возрастать. Диссипация энергии,

отражающая интенсивность деформационного движения жидкой среды, существенно увеличивается, а эффективность преобразования механической энергии в кинетическую энергию перекачиваемой жидкой

0 среды соответственно снижается, что приводит при определенных значениях напора к снижению КПД насоса.

С другой стороны, при сохранении оптимального периферийного радиуса, т.е.

5 при относительно небольшой радиальной протяженности вихревой камеры, для увеличения напора перекачиваемой жидкости необходимо увеличивать частоту вращения рабочего колеса, что в силу указанных ха0 рактеристик и особенностей свободнових- ревого насоса нецелесообразно, так как потребляемая энергия возрастает, а существенного повышения напора получить не удается. Кроме этого, увеличение частоты

5 вращения рабочего колеса приводит к развитию кавитации и срыву работы насоса.

Цель изобретения - повышение КПД и напора за счет повышения эффективности преобразования энергии путем дифферен0 цированного распределения в пределах вихревой камеры перекачиваемой среды, подвергаемой закрутке, и локализации подвода механической энергии от рабочего колеса.

5Поставленная цель достигается тем что

рабочая камера насоса разделена на ряд последовательно сообщающихся вихревых полостей (например, торов), каждая из которых образована конечной фигурой враще0 ния (например, окружностью) с возможностью размещения в пределах каждой вихревой полости лопаток рабочего колеса и/или напорного патрубка, при этом поверхность рабочей камеры, образован5 ная поверхностями последовательно сообщ ающихся полостей,

. 00

имеет вид F К Г RiP(, где К i 1

Q коэффициент, зависящий от геометрической формы последовательно сообщающихся полостей (например, при выполнении полостей в виде торов коэффициент К 4 п 2); Р( - эквис валентный (гидравлический радиус 1-й фигуры вращения (например, радиус окружности i-ro тора): RI - радиус центра тяжести i-й фигуры вращения относительно центральной оси насоса.

F

оо

к Е

i 1

P,R, и F

4 л 2 2 PiRi отражающие суммарную

i 1

площадь поверхности рабочей камеры насоса, которая образована по первой формуле произвольными фигурами вращения вокруг основной оси насоса, а по второй - вращением окружности радиусом Р, получены согласно первой теоремы Гульдина, которая гласит, что площадь поверхности полученной при вращении дуги данной плоской кривой вокруг некоторой оси, лежащей в ее плоскости и не пересекающей ее, равняется произведению длины вращающейся дуги на длину пути, описанного при вращении центром тяжести дуги. При этом входные и/или выходные участки каналов промежуточных полых насадок расположены так, что охватывают периферийную и/или корневую область лопаток рабочего колеса с возможностью смещения предыдущей вихревой полости относительно последующей в направлении центральной оси и с возможностью установки радиальной перегородки в виде бандажа в периферийной открытой части лопаток рабочего колеса и/или периферийной части вихревой полости в районе выходных кромок рабочих лопаток. Такое техническое решение в сравнении в прототипом обладает отличительными признаками, из чего можно сделать вывод, что данное решение имеет и существенные отличия

Сущность изобретения заключается в следующем.

За счет разделения рабочей камеры на ряд последовательно сообщающихся полостей, каждая из которых может быть, например, выполнена в виде тора, образованного внутренней поверхностью корпуса, внешней поверхностью входного и/или промежуточного насадков и внутренней поверхностью рабочего колеса, создаются условия для конкретного распределения по радиусу подводимой энергии к перекачиваемой жидкой среде, подвергаемой закрутке. Жидкость, попадая в первую по радиусу полость, расположенную на минимальном радиусе вращения, и получая со стороны рабочего колеса энергию, приобретает вращательное движение. Посредством каналов промежуточного насадка, жидкость, обладая определенным запасом кинетической энергии, поступает во вторую полость, в которой вращение жидкой среды увеличивается за счет дополнительного подвода энергии со стороны рабочего колеса и кинетическая энергия перекачиваемой жидкой среды возрастает. Сохраняя вращательное движение, энергонасыщенная жидкая среда вновь посредством следующего промежуточного насадка поступает в третью полость, в которой процесс дискретного энергообмена повторяется с последующим поступлением активной жидкой среды в следующую полость и т.д. Из последней поло0 сти высоконапорная жидкость поступает в канал выходного патрубка и удаляется за пределы насоса,

Использование рабочей камеры в виде ряде последовательно в радиальном направ5 лении сообщающихся вихревых полостей- каждой из которых расположенылопатки рабочего колеса, позволяет создать условие получения максимального напора при относительно минимальных потерях энергии, так

0 как в этом случае перекачиваемая жидкая среда с твердыми включениями, подвергаемая закрутке, претерпевает наименьшие деформации, что соответствует минимизации турбулентного обмена и подавлению разви5 той турбулентности потока. Диссипация энергии, отражающая интенсивность деформационного движения жидкой среды, достигает в этом случае минимального значения, а эффективность преобразования ме0 ханической энергии в кинетическую энергию перекачиваемой жидкой среды повышается. Кроме этого, жидкость под дейст- вием центробежных сил из полостей рабочего колеса поступает в промежуточ5 ный насадок и в полость очередной полости вихревой камеры. Такое конструктивное решение также способствует уменьшению турбулизации потока в осевом направлении и препятствует совместно с кольцевой пере0 городкой в виде бандажа у периферии лопаток формированию вихревого шнура или вихревой дорожки. Распределение энергии вращения рабочего колеса преобразуется в кинетическую энергию вращения перекачи5 ваемой жидкой среды в меньшем объеме, так как замена одной, например, цилиндрической рабочей камеры на несколько, например, тороидальных вихревых полостей приводит к уменьшению жидкости, подвер0 гаемой закрутке, так как сечение тора - окружность есть минимальная по объему фигура вращения, из которых можно получить полость рабочей камеры и добиться максимального напора.

5На фиг. 1, 2 и 3 представлены продольные разрезы конструктивных вариантов свободновихревого насоса

На фиг. 1 представлена рабочая камера насоса в виде ряда последовательно в радиальном направлении сообщающихся произвольной формы вихревых полостей; на фиг. 2 - вихревые полости выполнены в виде торов; на фиг. 3 - вихревые полости в виде торов смещены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном плоскости вращения.

Свободновихревой насос содержит корпус 1 с осевым входным патрубком 2 и рабочей камерой, образованной рядом вихревых полостей 3, и установленное в корпусе 1 рабочее колесо 4 с лопатками 5. На входе в рабочую камеру расположена входная насадка 6. Последовательно расположенные вихревые полости 3 сообщены между собой посредством, например, промежуточной насадки 8 с возможностью охвата периферийной области лопаток 5 рабочего колеса, которые с торцовой стороны связаны кольцевой перегородкой 10 в виде бандажной ленты или в виде отсекателя потока при установке кольцевой перегородки 10 на поверхности тора. Выходной патрубок 11 сообщен с вихревой полостью 3 с возможностью охвата периферийной области лопаток 5 рабочего колеса 4. Рабочее колеса 4 консольно установлено на валу 12. Насос работает следующим образом, В результате разрежения, создаваемого развитым полем центробежных сил, обус- ловленных интенсивной закруткой жидкости лопатками 5 рабочего колеса 4 в вихревых полостях 3, поток жидкости с твердыми включениями проходит через входной патрубок 2 и входной насадок 6. Увлекаемый вихревым течением в полость 3, поток после интенсивной закрутки отбрасывается через канал насадка 8 в следующую вихревую полость 3, расположенную на большем радиусе относительно предыдущей полости. Получая дополнительную энергию со стороны очередной группы лопаток 5 рабочего колеса 4, поток с увеличенной интенсивностью закрутки вновь отбрасывается через канал насадки 8 в очередную вихревую полость 3 и процесс преобразования энергии продолжается. Количество вихревых полостей 3. образующих рабочую камеру, может быть ограничено, например, заданной величиной напора, который должен обеспечивать Свободновихревой насос. Установленная на лопатках кольцевая перегородка 10 в виде бандажной ленты предотвращает выброс энергонасыщенной жидкости из каналов рабочего колеса 4 в вихревую полость 3, что снижает турбулентность закрученного потока в осевом направлении и предотвращает формирование вихревого шнура в полости 3, Кольцевая перегородка 10 может быть установлена и на внутренней периферийной поверхности

вихревой полости 3. Открытые каналы рабочего колеса 4 у периферии и/или у корня лопаток 5 вызывают при вращении рабочего колеса 4 выброс и подвод жидкости или в

канал насадки 8, или в каналы рабочего колеса, усиливающие стабилизацию вращения потока в вихревой полости 3.

Для повышения эффективности использования энергонасыщенной под действием

центробежных сил жидкости, выбрасываемой из каналов рабочего колеса 4. вихревые полости 3 могут быть размещены в корпусе 1 с некоторым смещением по оси насоса. Использование предлагаемого свободновихревого насоса позволяет по сравнению с существующими конструкциями повысить эффективность достижения максимального напора.

Формула изобретения

1.Свободновихревой насос, содержащий корпус с осевым подводящим патрубком и вихревой камерой, в которой установлено рабочее колесо открытого типа

с лопатками, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и напора путем повышения эффективности преобразования энергии за счет дифференцированного распределения в пределах вихревой камеры перекачиваемой среды, подвергаемой закрутке, и локализации подвода механической энергии от рабочего колеса, вихревая камера разделена на ряд последовательно сообщенных вихревых полостей и лопатки

рабочего колеса размещены в каждой полости.

2.Насос по п. 1,отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним насадком с выполненными в нем перепускными каналами, оси которых ориентированы в направлении вращения колеса, и смежные вихревые полости разделены посредством насадка, при этом поверхности корпуса, рабочего колеса и насадка, обращенные к вихревой полости, плавно сопряжены между собой с приданием вихревой полости торообразной формы.

3.Насос по пп. 1 и 2,о тличэющийся тем, что он снабжен радиальными перегородками, установленными на выходных кромках лопаток и/или на поверхностях вихревых полостей в зоне выходных кромок.

4.Насос по п. 2, отличающийся тем, что входные и/или выходные участки

5 части лопаток рабочего колеса выполнены открытыми в радиальном направлении и охвачены поверхностью по меньшей мере одного насадка, имеющего в зоне охвата перепускные каналы.

5. Насос поп. 1,отличающийся тем, что вихревые полости смещены одна

относительно другой в направлении, перпендикулярном плоскости вращения.

Использование: перекачивание скоплений воды в забоях шахт, осушение строительных котлованов. Сущность изобретения: в вихревой камере корпуса 1 с осевым патрубком 2 установлено рабочее колесо 4 открытого типа с лопатками 5. Камера разделена на ряд последовательно сообщенных вихревых полостей (П) 3. Лопатки 5 размещены в каждой П 3. В насадке 6 выполнены перепускные каналы, оси которых ориентированы в направлении вращения колеса 4. Смежные П 3 разделены насадком 6. Поверхности корпуса 1, колеса 4 и насадка 6, обращенные к П 3, плавно сопряжены между собой с приданием П 3 торообразной формы. Радиальные перегородки 10 установлены на выходных кромках лопаток 5. 4 з.п, ф-лы, 3 ил, Ј VJ VI О VI Ю О

Фи-г.2

//