Электрогидропульсор вихревой - RU2644794C2

Чертежи

Описание

Предлагаемое изобретение относится к области гидромашиностроения в части возобновляемых источников энергии и может найти применение в системах и установках водоснабжения, орошения, осушки, увеличения напора на микро- и мини ГЭС, накопления воды в судовых шлюзах и т.д.

В настоящем изобретении усовершенствуются известные конструкции гидропульсоров, содержащие подвод, направляющий аппарат, турбинное рабочее колесо, напорный отвод, отводящую трубу, а также радиальные и осевую опоры на валу рабочего колеса (см., например, Конради Ф.В. «Гидропульсор», Ташкент, 1939 г., а также гидропульсоры по авторским свидетельствам и патентам СССР класса 59 с, №24710, №65722, №18057, №79816, патентам РФ №2457367, №2539225, №2539242 и устройства с использованием электрогидравлического эффекта Юткина, а.с. №62683, №72308, №73453, №792003, №1733710 А, патент РФ №2517893, №2207230 и др.).

Также известна конструкция гидропульсора содержащая подвод, направляющий аппарат с лопатками, образующими центростремительные сливные каналы, с размещенными над этими каналами лопатками, образующими центростремительные напорные каналы, и установленное на валу рабочее колесо с лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в диффузор отсасывающей трубы, и с размещенными в подводе на уровне напорных каналов направляющего аппарата и в лопатках направляющего аппарата, образующих напорные каналы, системами изолированных электродов с положительной напряженностью электрогидравлических разрядно-импульсных устройств, соединенных вращающимися переключателями с низкооборотным высоковольтным генератором на валу гидропульсора, а отрицательные электроды в виде металлических лопастей-ребер в напорных каналах рабочего колеса гидропульсора соединены с заземлением (см. патент РФ на изобретение №2543903).

Указанная конструкция гидропульсора может быть принята за базовый объект.

Недостатками конструкции указанного базового объекта являются:

1) Невозможность изменять выходные параметры в одинаковых по конструктивному исполнению форм и размеров гидропульсорах.

2) Сложность изготовления систем изолированных электродов с положительной напряженностью электрогидравлического разрядно-импульсного устройства в спиральном подводе и в лопатках направляющего аппарата гидропульсора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предусматривает устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение повышенных выходных параметров за счет изменения подачи и напора жидкости на выходе гидропульсора, при упрощении его конструкции.

Решение задачи достигается за счет того, что в гидропульсоре, содержащем подвод, направляющий аппарат с лопатками, образующими центростремительные сливные каналы, размещенными над этими каналами лопатками, образующими центростремительные напорные каналы и установленное на валу рабочее колесо с лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в отсасывающую трубу, а над напорными каналами рабочего колеса размещен конус, в котором выполнены каналы, выходящие в отводящий диффузор:

- диффузор выполнен в виде спирали с выходным конусом, переходящим в цилиндрическую трубу, в котором установлено коническое сопло, образующее совместно с выходным конусом спирали и цилиндрической трубой конструкцию водоструйного насоса, а внутри конического сопла размещен изолированный электрод с положительной напряженностью электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, соединенный вращающимся переключателем с низкооборотным высоковольтным генератором, причем генератор и переключатель установлены на общем валу гидропульсора, а изолированный отрицательный электрод установлен в цилиндрической трубе-камере смешения потока водоструйного насоса и соединен с заземлением;

- в центростремительных напорных каналах рабочего колеса размещены спиральные завихрители потока.

В известных конструкциях гидропульсоров вращающееся радиально-осевое турбинное рабочее колесо направляет поступающую в него жидкость то в сливную, то в напорную полости за счет того, что радиально-осевые центростремительные каналы колеса открыты попеременно то вниз, то вверх. При открытии каналов вниз жидкость при свободном сливе на нижний уровень достигает некоторой максимальной скорости, при которой вращающееся рабочее колесо, повернувшись на определенный угол, закрывает сливные каналы и открывает обращенные вверх напорные каналы.

Благодаря приобретенному импульсу жидкость устремляется через напорные каналы в нагнетательную линию, поднимая вверх находящуюся в ней жидкость. Вследствие произведенной работы поднятия и потери энергии давление в подводе понижается, вода приходит в состояние покоя и потекла бы из напорной полости обратно, если бы в это время за счет поворота рабочего колеса не произошло закрытия напорных каналов и открытия сливных каналов.

Описанные процессы постоянно повторяются, а жидкость в подводящей системе гидропульсора (труба и подвод, например, спиральный) пульсирует слабоударно между наивысшей и наинизшей скоростями движения.

В предлагаемой конструкции к изменению потока то в сливную, то в напорную полости центростремительным рабочим колесом известных конструкций гидропульсоров осуществляется вихревое движение жидкости в напорных каналах рабочего колеса гидропульсора, обеспечивающее ускорение ее движения при пульсациях жидкости между низшей и наивысшей скоростями движения, что создает условия для более эффективной работы гидропульсора за счет усиления ударных волн слабой интенсивности.

Указанное вихревое движение обеспечивается установкой в центростремительных напорных каналах рабочего колеса гидропульсора завихрителей потока в виде конических (или цилиндрических) пружин, создающих условия завихрения жидкости вокруг основного потока жидкости в каналах.

При этом поток жидкости в центростремительном напорном канале с завихрителем течет аналогично потоку, текущему в закрученной вокруг себя трубе (за счет прижатого к стенкам канала пружинного завихрителя, образующего внутри канала витки, подобные виткам в закрученной вокруг продольной оси трубы), которая дополнительно закручена криволинейныйм напорным каналом. При указанной организации потока он движется в виде двухпоточной двойной спирали, т.е. завихренная пружинным завихрителем периферическая часть потока вращается по центробежному пути вокруг спиралевидного основного потока, проходящему по центростремительному пути во вращающемся центростремительном канале, обеспечивая ускорение протекания основного потока, т.к. закручивание потока в вихре заставляет часть тепла, являющегося частью внутренней энергии системы, преобразовываться в кинетическую энергию поступательного движения потока вдоль оси вихря и при этом условии вектор скорости приобретаемого поступательного движения оказывается перпендикулярным к вектору мгновенной тангенциальной скорости вращательного движения частиц жидкости в потоке и не меняет величины последней, что обеспечивает соблюдение закона сохранения момента количества движения потока. А ускорение движения основного потока в свою очередь вызывает рост сил всасывания жидкости на выходе потока из центростремительных каналов во внутренне кольцевое пространство напорной части рабочего колеса, где обеспечивается уже центробежное движение потока.

В циклоидальном движении центростремительные и центробежные силы движения работают одновременно, при этом движущаяся жидкость с возрастающей скоростью засасывается изнутри по направлению к периферии и при этом импульс сил всасывания превосходит по своему влиянию давление напора на входе в каналы, что приводит к росту напора и расхода гидропульсора на выходе (см., например, Лойцянский Л.Г. «Механика жидкости и газа». – М.: Наука, 1970 г., стр. 204, 356-360, Пирамишвили Ш.А. и др., «Вихревой эффект» Изв. РАН, Энергетика, 2000, №5, стр. 137-147, Фролов А.В. «Энергетика вихревых процессов». Новая энергетика, 2005, №4 (23), стр. 41-42, Шаубергер В. «Энергия воды» М-Яуза, Эксмо,. 2007 г., стр. 70, 77, 79, 81, 150, Тарг СМ. «Краткий курс теоретической механики». - М.: Высшая школа, 1995 г., с. 156, Сорокодум Е.Д. «Вихре-колебательные технологии» Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» Тр. 6-й Международной научно-технической конференции. – М.: 13-14.05.2008 г. ВИЭСХ, 2008 г., стр. 276-282, Кащеев В.П. и др. «Энергоэффективное вихревое оборудование» Изв. Вузов. Энергетика, 2013, №1, стр. 78-87, Материалы из Википедии «Эффект, сила и ускорение Кориолиса», «Центральное ускорение», и др.)

Установкой внутри конического сопла, размещенного в выходном конусе спиралевидного диффузора, изолированного электрода с положительной напряженностью, а в выходной цилиндрической трубе изолированного, соединенного с заземлением, отрицательного электрода электрогидравлического разрядно-импульсного устройства обеспечивается повышение выходных гидравлических параметров, т.к. предлагаемая конструкция электрогидропульсора, кроме гидромеханического воздействия на его рабочее колесо, использует электрогидравлический эффект (эффект Юткина) - способ прямого преобразования электрической энергии в механическую с высоким КПД посредством осуществления внутри объема жидкости специально сформированных импульсных высоковольтных электрических разрядов в течение короткого времени, вокруг зон образования которых возникают высокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу. Микроскопический канал, по которому проходит искровой разряд, имеет очень большую плотность энергии с возможностью ее выделения в заданном направлении. Мгновенно выделяемая мощность достигает колоссальных величин, при этом вода, окружающая искру, оказавшись в зоне мощного выталкивающего действия, быстро разлетается в стороны, создавая в зоне сжатия первый гидравлический удар. Образуется пустота - полость, которая сразу заполняется водой, получается еще один мощный гидравлический удар - кавитационный. Высокие гидравлические давления по мере удаления от разряда быстро уменьшаются (примерно пропорционально квадрату расстояния от него). Таким образом, электрическая энергия за счет создаваемых электрогидравлическим разрядно-импульсным устройством высоких импульсных гидравлических давлений, обеспечиваемых высоковольтными электрическими импульсами с крутым передним фронтом напряжения, прикладываемых к разрядному промежутку в жидкости, без всяких промежуточных звеньев переходит в механическую энергию. В указанном устройстве предполагается относительно медленный заряд входящих в него накопительных конденсаторов от источника питания высокого напряжения (например, вентильного реактивного низкооборотного генератора), а затем при замыкании цепи разрядных элементов устройства происходит быстрый разряд конденсаторов на разрядные промежутки между электродами в жидкости (чем меньше длительность переднего фронта импульса, тем больше импульсивный ток и пиковая мощность импульса). Пробивное напряжение на зазоре между электродами в жидкости зависит от свойств жидкости, формы и конструкции электродов и полярности напряжения на электроде с более высокой напряженностью. Для технической воды при использовании острого электрода положительной полярности и увеличенной активной поверхностью отрицательного электрода пробивная напряженность составляет около 1 кВ/см².

Для увеличения пробивной напряженности (энергия импульса), крутизны фронта импульса тока и длины искры применяются схемы с использованием нескольких конденсаторов, соединенных параллельно до заряда напряжения источника тока, а затем с переключением коммутирующим устройством на последовательное соединение. Выходное напряжение на нагрузке при этом увеличивается пропорционально количеству соединенных конденсаторов.

Повышение напряжения вызывает рост КПД и приводит к возрастанию «жесткости» электрогидравлического удара, а, например, применение увеличенной емкости приводит к его смягчению, делая его более длительным. Мягкий режим характеризуется меньшими давлениями при значительном увеличении доли энергии, уходящей с волной запаздывающего потока, и уменьшением доли энергии, обусловленной фронтом ударной волны.

При устройстве на тонком оголенном проводнике рабочего положительного электрода тонкой металлической пластины, совпадающей своей плоскостью с направлением проводника, причем его конец выступает за край пластины, за счет проявления действия импульсного конденсатора, образованного пластиной и вторым (отрицательным) проводником, происходит трансформация крутизны фронта длительного первичного импульса с преобразованием его в короткий крутой фронт вторичного рабочего импульса, и разряд становится длиннее.

При этом общий электрический КПД электрогидравлической установки повышается.

Детали электрогидропульсора, в которых расположены электроды электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, могут быть выполнены из различных диэлектрических материалов, например из полиуретана, стеклопластиков, стеклотекстолитов, армированных пластиков, полимерных композитов и т.д. Так, например, полиуретаны марок ЛУР 90 обладают малым удельным весом (порядка 1,2 г/см³), отличными диэлектрическими свойствами, высокой коррозийной стойкостью, высокими механическими свойствами при температурах от -50°С до +110°С, большой ударной вязкостью и хорошим внешним видом при любой окраске.

Данные, подтверждающие достоверность достижения решения указанной задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, Юткин Л.А. «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». - Л.: Машиностроение, 1986 г., Дудышев В.Д. «Новый метод преобразования энергии электрогидравлического удара - эффект Юткина в тепло и иные виды энергии». Новая энергетика, 1/2005 г., ГТ-Электрофизика «ЭГЭ-Юткина. Применение высоковольтных источников питания», г. Липецк и др.).

При этом положительным отличием предлагаемой конструкции гидропульсора от известных конструкций с тем же наружным диаметром, например, направляющего аппарата, является возможность регулирования и увеличения параметров выходного потока, т.к. указанное устройство конструкции вихревого электрогидропульсора обеспечивает возможность установки в одном и том же гидропульсоре в центростремительных напорных каналах его рабочего колеса различных по толщине проволоки и шагу витков завихрителей в виде пружин, что изменяет условия завихрения потока, вращающегося вокруг основного потока в канале, меняя соответственно его параметры на выходе из канала.

Кроме того, преобразованная из электрической в механическую энергия гидравлическими ударами продвигает жидкость из конического сопла в цилиндрическую трубу, усиливая при этом гидравлический импульс в движущейся жидкости, а следовательно, повышая напор и подачу электрогидропульсора.

Выполнение выхода спирального диффузора в виде конуса, в котором установлено коническое сопло, и установкой после конуса цилиндрической трубы образует конструкцию водоструйного насоса.

В коническом сопле жидкость приобретает большую скорость, кинетическая энергия ее возрастает, а давление при этом снижается и уже во всасывающей камере возникает вакуум, под действием которого жидкость из выходного конуса спирального диффузора поступает в камеру смешения, где за счет перемешивания потоков жидкости из сопла и выходного конуса, жидкость из сопла отдает часть энергии жидкости, поступающей из выходного конуса и общая энергия смешанного потока возрастает (см. например, Соколов Е.Я. Зингер Н.М. «Струйные аппараты». – М.: 1970, стр 22, 162, Лямцев Б.Ф. «Гидроструйные насосы и установки». - Л.: Машиностроение, 1988 г.).

Непрерывное чередование гидравлических сил напорным потоком и слабыми гидравлическими ударами на лопасти рабочего колеса, напорное воздействие жидкости в коническом сопле за счет гидравлических ударов от искровых разрядов и увеличение напора потока в камере смешения водоструйного насоса обеспечивают увеличение вращающего момента на рабочем колесе и увеличивают напор и расход потока жидкости на выходе из вихревого электрогидропульсора.

Изменение выходных параметров в электрогидропульсорах может быть осуществлено изменением параметров входящих в них конструктивных элементов спиральных завихрителей в напорных каналах рабочего колеса, разрядно-импульсного устройства, изменением амплитуды тока импульса, длительностью и крутизной фронта импульса и напряжения разряда и деталей водоструйного насоса.

Использование предлагаемой конструкции вихревых электрогидропульсоров с увеличенными параметрами напора и расхода на выходе повышает надежность работы и увеличивает КПД при тех же параметрах подаваемой жидкости и тех же габаритах, что и в известных конструкциях гидропульсоров.

Таким образом, заявленная конструкция вихревого электрогидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями гидропульсоров.

Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции вихревого электрогидропульсора на фиг. 1, 2, 3 и схеме фиг. 4.

На фиг. 1 изображен вертикальный разрез вихревого электрогидропульсора.

На фиг. 2 изображены ступенчатые горизонтальные разрезы:

- левая половина фиг. 2 - разрез от периферии к центру по спиральному подводу, лопаткам и напорным каналам направляющего аппарата, лопастям и напорным каналам рабочего колеса с находящимися в них спиральными завихрителями, по конусу и по валу;

- правая половина фиг. 2 - разрез от центра к периферии по валу, опоре нижнего подшипника, отсасывающей трубе, лопастям и каналам сливной гидротурбинной части рабочего колеса, лопаткам и сливным каналам направляющего аппарата и по спиральному подводу.

На фиг. 3 изображен горизонтальный разрез по спиральному отводящему диффузору, выходному конусу, коническому соплу и цилиндрической трубе с установленными в последних электродами электрогидравлического разрядно-импульсного устройства.

На фиг. 4 изображена электрическая схема срабатывания систем электродов электрогидропульсора.

Данный вихревой электрогидропульсор включает в себя:

- подвод 1 (например, спиральный);

- направляющий аппарат 2 с лопатками 3, образующими центростремительные сливные каналы 4, размещенными над этими каналами 4 лопатками 5, образующими центростремительные напорные каналы 6. Направляющий аппарат 2 установлен в спиральном подводе 1 на опоре 7;

- рабочее колесо 8 с нижним ведущим диском 9 и выполненными на нем нижними лопастями 10, образующими центростремительные гидротурбинные сливные каналы 11 и с верхним ведомым диском 12, на котором выполнены верхние лопасти 13, образующие центростремительные напорные каналы 14, в которых размещены спиральные завихрители потока 15;

- усеченный конус 16, на боковой поверхности которого выполнены центростремительные каналы 17 в виде спиральных пазов, в которых размещены завихрители 18 потока в виде цилиндрических пружин, а сами каналы снаружи закрыты конической тонкостенной обечайкой 19;

- корпус 20, который внутренней поверхностью конгруэнтно повторяет наружные поверхности лопаток 5 направляющего аппарата 2, лопастей 13 напорной части рабочего колеса 8 и обечайки 19;

- отводящий диффузор 21, выполненный в виде спирали с выходным конусом 22, переходящим в цилиндрическую трубу 23;

- коническое сопло 24, установленное в выходном конусе 22 и образующие совместно с выходным конусом 22 и цилиндрической трубой (камерой смешения) 23 конструкцию водоструйного насоса;

- изолированный электрод 25 с положительной напряженностью электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, размещенный внутри конического сопла 24;

- изолированный отрицательный электрод 26 устройства, установленный в цилиндрической трубе 23;

- отводящий напорный диффузор 27;

- вал 28 гидропульсора установлен в антифрикционных радиальных опорах скольжения 29 и опирается пятой 30 на осевую опору скольжения 31. Для восприятия знакопеременных осевых гидравлических сил установлен контрподпятник 32 с пятой 33. Радиальные и осевые опоры скольжения смазываются перекачиваемой жидкостью. Верхние опоры скольжения 29 и 31 установлены в корпусе 34, закрепленном в корпусе 20, а нижние опоры скольжения 29 и 32 установлены в неподвижной втулке 35, закрепленной посредством цилиндрических штифтов 36 на опоре 7;

- отсасывающая труба 37 для жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 состоит из диффузора 38, фланца 39 и обтекателя 40, при помощи которого труба крепится к опоре 7;

- втулка 41 на валу 28 с закрепленными на ней осевыми спиральными лопастями 42;

на общем валу 28 электрогидропульсора на стойке 43 установлены низкооборотный высоковольтный генератор напряжения 44, переключатель 45 системы электродов;

- в электрическую схему управления работой электрогидропульсора входят также полупроводники 46, конденсатор 47 и система заземления 48.

При работе вихревого электрогидропульсора жидкость с верхнего бьефа (водозабора) бассейна под напором подается по трубе в подвод 1, из которого попадает в центростремительные сливные каналы 4 и в напорные каналы 6 направляющего аппарата 2.

В положении рабочего колеса 8, когда его верхние лопасти 13, выполненные в ведомом диске 12, перекрывают выходы напорных каналов 6 направляющего аппарата 2, открыты выходы центростремительных сливных каналов 4, образованных лопатками 3 направляющего аппарата 2, в центростремительные сливные каналы 11, образованные лопастями 10 на ведущем диске 9 рабочего колеса 8. Протекающая по сливным каналам 11 жидкость за счет воздействия на лопасти 10 приводит во вращение центростремительную сливную гидротурбинную ступень рабочего колеса 8 гидропульсора.

Из сливных каналов 11 жидкость попадает в отсасывающую трубу 37, внутри диффузора 38 которой протекает по осевым спиральным лопастям 42, закрепленным на втулке 41, расположенной на валу 28 гидропульсора.

При повороте рабочего колеса 8 его нижние лопасти 10, выполненные в нижнем ведущем диске 9, перекрывают выходы нижних сливных каналов 4, образованных лопатками 3 направляющего аппарата 2. Вследствие резкого перекрытия сливных каналов 4 за счет быстрого изменения скорости сливного потока происходит скачок давления - гидравлический удар и фронт ударной волны при изменении направления своего движения проходит в открывающиеся входы напорных каналов 14 рабочего колеса 8, повышая давление движущейся в них жидкости. При полном открытии напорных каналов 14, образованных лопастями 13 рабочего колеса 8, они полностью совпадают с напорными каналами 6, образованными лопатками 5 направляющего аппарата 2 и жидкость по каналам 6, поступает во вращающиеся центростремительные напорные каналы 14 рабочего колеса 8, попутно создавая за счет воздействия на лопасти 13 вращающий момент на рабочем колесе и за счет расположенных в каналах 14 спиральных завихрителей 15 потока обеспечивается движение жидкости в двухпоточной спирально-завихренной форме с ускорением.

Из вращающихся напорных каналов 14 жидкость поступает в кольцевое пространство вокруг нижнего основания усеченного конуса 16, а затем частично проходит по зазору между обечайкой 19 конуса 16 и внутренней поверхностью конусной части корпуса 20; а основная часть жидкости поступает во вращающиеся центростремительные каналы 17 в конусе 16, выход жидкости из которых обеспечивается в отводящий спиралевидный диффузор 21 с выходным конусом 22.

Антифрикционные радиальные опоры скольжения 29, осевая опора скольжения 31 с пятой 30 и опора (контрподпятник) 32 с пятой 33, в которых установлен вал 28, смазываются проходящей через гидропульсор жидкостью.

Таким образом, предлагаемая конструкция вихревого электрогидропульсора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при внедрении возобновляемых гидравлических источников энергии, способствуя энергосбережению при решении задач подъема жидкостей без применения приводных двигателей.

Реферат

Изобретение относится к области гидромашиностроения. Гидропульсор содержит подвод 1, направляющий аппарат 2 с лопатками, образующими центростремительные сливные каналы 4, размещенными над каналами 4 лопатками, образующими центростремительные напорные каналы 6, с завихрителями потока 15 в них и установленное на валу 28 рабочее колесо 8 с лопастями 10, образующими сливные каналы, и лопастями, образующими напорные центростремительные каналы 14. Выход сливных каналов выполнен в диффузор отсасывающей трубы 37. Над каналами 14 размещен усеченный конус 16, на боковой поверхности которого выполнены спиральные каналы 17, выходящие в отводящий диффузор 21, заканчивающийся конусом 22, переходящим в трубу 23, а затем в напорный выходной диффузор 27. В конусе 22 установлено сопло 24, образующее с конусом 22 и трубой 23 конструкцию водоструйного насоса. Внутри сопла 24 установлен изолированный электрод 25, соединенный вращающимся переключателем 45 с генератором 44. Электрод 26 установлен в трубе 23 и соединен с заземлением. Напорные части аппарата 2, колеса 8, конус 16 и опоры скольжения 29 установлены в корпусе 20, соединенном на входе с подводом 1, а на выходе с диффузором 21. Изобретение направлено на увеличение и регулирование напора и подачи на его выходе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула