Результат интеллектуальной деятельности: Насосный гидроагрегат

Изобретение относится к области водных насосов, автономно поднимающих воду из естественных водных потоков (ручьи, реки) на высоту 10-20 метров с производительностью 1-5 м³/с.

Аналогом изобретения является турбоагрегат (см. GB 729097 A, 04.05.1955, F03B 11/06), в котором турбина приводит в действие крыльчатку центробежного насоса через вал. Данное устройство может быть использовано в реактивных двигателях. Недостатком аналога является перегруженность лишними элементами конструкции, которые нерациональны для хозяйственного водоснабжения и приводят к низкому КПД.

Прототипом изобретения является насосный агрегат, состоящий из турбины, которая посредством вала приводит в действие центробежный насос (см. FR 725958 A, 20.05.1932, F03B 17/06). Недостатком прототипа является громоздкость башни для удержания прототипа в водном потоке, сложность ее первоначального монтажа и низкая ее технологическая надежность при работе в условиях ветряной, а тем более щтормовой погоды.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Указанная задача достигается в насосном гидроагрегате, содержащем центробежный насос и пропеллерную гидротурбину, согласно изобретению центробежный насос и пропеллерная гидротурбина смонтированы на общем валу, пропеллерная гидротурбина снабжена водоводом в форме усеченного конуса, состыкованного на меньшем сечении с цилиндром, в котором смонтирована пропеллерная гидротурбина, всасывающий патрубок центробежного насоса обращен к пропеллерной гидротурбине, вал по торцам смонтирован в радиально-упорных подшипниках, гнезда которых радиальными спицами смонтированы на боковой поверхности цилиндра, в плоскости равновесия гидроагрегата к цилиндру снаружи смонтированы втулки, через которые проходят опорные стойки, на которых сверху смонтирован ворот с барабанами для тросов, которыми гидроагрегат подвешен.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

на фиг. 1 изображен аналог, бытовой электронасос;

на фиг. 2 - аналог, агрегат Цезинга;

на фиг. 3 - главный вид изобретения в аксиально-горизонтальном сечении;

на фиг. 4 - вид устройства сзади по ходу водного потока;

на фиг. 5 - график аксиального распределения скоростей водного потока в водоводе.

Обозначения позиций

1 - электродвигатель

2 - центробежный насос

3 - рабочее колесо

4 - входной патрубок

5 - выходной патрубок

6 - первый поршневой насос

7 - второй поршневой насос

8 - водяное колесо

9 - коленчатый вал

10 - накопительная емкость

11 - труба к потребителю воды

12 - водный поток

13 - пропеллерная гидротурбина

14 - центробежный насос

15 - общий вал

16 - радиально-упорные подшипники

17 - цилиндр водовода

18 - усеченный конус водовода

19 - исходный водный поток со скоростью

20 - спицы для крепления радиально-упорных подшипниковых узлов 16

21 - втулки

22 - опорные стойки

23 - грунт

24 - ворот

25 - барабаны для тросов

26 - водоотводящая труба

27 - водозаборный патрубок

28 - уровень водного потока

Изобретение состоит из пропеллерной гидротурбины 13 и центробежного насоса 14, которые смонтированы на общем валу 15, который вращается в двух радиально-упорных подшипниках 16. Конструктивно пропеллерная гидротурбина 13 смонтирована в цилиндре 17, который аксиально состыкован с усеченным конусом 18 и они совместно образуют водовод, принимающий водный поток 19 со скоростью v₁.

Оба подшипника 16 в узлах радиально-упорного типа стыкуются с цилиндром 17 спицами 20.

Цилиндр 17 снаружи диаметрально, в плоскости равновесия устройства снабжен двумя втулками 21 под две опорные стойки 22, которые заглублены в грунт 23, на которых монтируется ворот 24 с барабанами для тросов 25, которыми устройство подвешивается.

Центробежный насос 14 снабжен входным патрубком 26 и водно-отводящей трубой 27. Для работы входной конус 18 опущен под уровень водного потока 28.

Действует изобретение следующим образом.

Набегающий водный поток 19 со скоростью v₁ в усеченном конусе 18 ускоряется до скорости v₂ согласно законам гидродинамики о неразрывности потока при стационарном движении ( см. Фриш С.Э., Тиморева А.В. «Курс общей физики». М., 1957, т. 1, с. 140).

В изобретении S₁>S₂, V₂>V₁,

где S₁ - площадь входного сечения конуса 18,

S₂ - площадь выходного сечения конуса 18.

В цилиндре 17 пропеллерная гидротурбина 17 вращается ускоренно передавая вращение через вал 15 рабочему колесу центробежного насоса 14, который всасывает часть водного потока из цилиндра 17 входным патрубком 26 и по водоотводящей трубе 27 подает ее потребителю.

На фиг. 5 представлен график изменения скоростей водного потока при его перемещении вдоль оси водовода. Из графика видно, как поток воды со скорости v₁ ускоряется в усеченном корпусе 18 до скорости v₂, взаимодействуя с гидротурбиной 13, поток замедляется до скорости v₃, а в центробежном насосе 14 снова ускоряется. При совершенном согласовании параметров устройства весь поток воды 19 может подаваться потребителю.

Изменение уровня потока 28 компенсируется воротом 24 и фиксированием его положения. При полном подъеме устройства из водного потока 28 вода потребителю не подается, можно выполнять профилактику или делать ремонт.

Таким образом, изобретение позволяет автономно и экологично подавать воду под давлением в трубопровод потребителя.

Технологически изобретение доступно для изготовления в мастерских с небольшим комплексом оборудования и материалов. Даже при кустарном производстве устройство будет рентабельным.

Гидроэнергетический расчет показывает следующее.

Водный поток массой m, движущейся со скоростью v, обладает мощностью P=mv.

Есть нормативная единица в одну лошадиную силу Масса водного потока, входящего через площадку S в каждую секунду, определяется произведениями

Если ее пронормировать в лошадиных силах или кВт, то получится расчетная мощность предполагаемого изобретения.

Для равнинных рек скорость водного потока равна 1 м/с. В результате расчетов получается таблица (табл. 1):

Анализ табличных данных показывает, что в выбранном диапазоне диаметров водного потока от 0,5 до 4 м мощность надвигающегося водного потока при скорости 1 м/с будет меняться от 0,18 до 12,4 кВт. Следовательно, и проблемы с деталями конструкции устройства будут меняться соответствующим образом. Опытную установку с диаметром 0,5 м будет сделать проще, но она будет наглядной и удобной для проведения исследований с нею.

Подводя общий итог конструкции устройства, следует отметить.

1. Конструкция достаточно жестка для внешних воздействий. Толщина металлического конуса будет зависеть от диаметра входного отверстия. При диаметре 0,5 м достаточен лист толщиной 1 мм.

2. Корпусы центробежного насоса 14 и выходного опорного узла 16 жестко соединены при изготовлении или при монтаже.

3. Спицы 20 прямолинейные, передние тоньше в сечении, а задние увеличены в сечении за счет увеличения их продольного размера. Это нужно, потому что на задний подшипниковый узел 16 налагается все давление водного потока 19 на пропеллерную турбину 13.

4. Стоек 22 для малого устройства P=024 достаточно двух. При увеличении скорости исходного водного потока и диаметра входного отверстия количество стоик 22 следует увеличить до трех или даже до четырех.

5. Гидравлическое сопротивление, создаваемое спицами, не велико.

6. Изобретения рационально и перспективно, поскольку согласно БСЭ КПД устройств таковы:

- гидротурбина 85-98%, т. 6, с. 500;

- центробежный насос 80-90%, т. 17, с. 306;

- электрогенератор 96-97%, т. 6, с. 477.

Технические возможности насосного гидроагрегата можно определить на основе закона сохранения механической энергии (см. Фриш С.Э., Тиморева А.В. «Курс общей физики». М., 1957, т. 1, с. 92-93).

Согласно закону сохранения кинетической энергии кинетическая энергия массы воды m₁ со скоростью v₁, действуя на гидротурбину, поднимает некоторую массу воды m₂ на высоту h, сообщает ей кинетическую энергию m₂gh и они равновелики.

;

Расчетная формула принимает вид

Проведенные расчеты сведены в таблицу (табл. 2):

где Q - производительность насоса, P - давление на выходе из центробежного насоса.

Оценочный расчет сделан в предположении отсутствия потерь на трение. Скорость течения водного потока взята достаточно низкая. С ростом скорости потока возможности насоса возрастают квадратично.