РЕГУЛИРУЕМЫЙ ГИДРОПУЛЬСОР
REGULATED HYDRAULIC PULSER

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 миниГЭС, 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, Г. Лоренц и Э. Прегер «Таран и гидропульсор», «Издание кассы взаимопомощи студентов Политехнического института Императора Петра Великого. Петроград 1915», а также гидропульсоры по авторским свидетельствам и патентам СССР класса 59с, 17 № 24710, № 65722, № 18057, № 79816 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 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 над напорными каналами, радиальными лопастями центробежной напорной насосной ступени колеса (см. патент на изобретение № 2457367 от 06.07.2010 г.).
Указанная конструкция гидропульсора может быть принята за базовый объект.
Недостатками конструкции указанного базового объекта являются:
1) Недостижимость или неопределенность желаемых выходных параметров гидропульсора (подаваемых напора и расхода), особенно при ограниченной малой высоте подпора водяного столба на входе в гидропульсор, т.к. при этом может не хватать мощности двух центростремительных гидротурбинных ступеней радиально-осевого рабочего колеса для обеспечения надежной работы его центробежной насосной ступени и импульсной подачи жидкости в колесо.
2) Невозможность регулировать по расходу потоки в сливных и напорных каналах гидротурбинных ступеней рабочего колеса гидропульсора, что, соответственно, не дает возможности регулировать выходные параметры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предусматривает устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение расчетных выходных параметров и возможности регулирования подачи и напора жидкости на выходе гидропульсора.
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 рабочее колесо с лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в отсасывающую трубу, с размещенными над напорными каналами радиальными лопастями центробежной напорной насосной ступени колеса, при этом
- выходные диаметры лопастей колеса центробежной насосной ступени выполнены меньшими по сравнению с наружными диаметрами лопастей рабочего колеса центростремительной гидротурбинной ступени;
- в отсасывающей трубе сливной гидротурбинной ступени рабочего колеса выполнены верхний и нижний диффузоры, образующие кольцевой эжектор, гидравлически соединенный с верхним бьефом водозабора гидропульсора;
- на выходе нижнего диффузора отсасывающей трубы гидротурбинной центростремительной сливной ступени рабочего колеса установлено рабочее колесо пропеллерной гидротурбины;
- в сливных каналах направляющего аппарата выполнены поворотные лопатки;
- в напорных каналах направляющего аппарата размещены эжектирующие сопла и внутренние поверхности напорных каналов конгруэнтно повторяют наружные поверхности сопел с сужением пространства между поверхностями к общему выходу. Указанное устройство конструкции по п 1. формулы изобретения обеспечивает расчетами, изготовлением и установкой в одном и том же гидропульсоре необходимого колеса из ряда рабочих колес центробежной насосной ступени с наружными выходными диаметрами, последовательно уменьшенными (например обточкой) по сравнению с наружными входными диаметрами лопастей сливной и напорной части рабочего колеса центростремительной гидротурбинной ступени, что дает возможность ступенчатого регулирования напора и расхода жидкости на выходе гидроиульсора.
Размещение кольцевого эжектора в отсасывающей трубе сливной гидротурбинной ступени рабочего колеса, образованного верхним и нижним диффузорами и гидравлически связанного с верхним бьефом водозабора, за счет дополнительного регулируемого (например, вентилем в подводящей трубе) расхода воды, сбрасываемого из верхнего бьефа водозабора в эжектор в нижнем диффузоре отсасывающей трубы, приводит к эжекции потока, сливающегося через отсасывающую трубу, создавая регулируемое снижение уровня жидкости в нижнем бьефе около отсасывающей трубы, благодаря чему сливная гидротурбинная ступень работает при несколько повышенном изменяемом напоре, что повышает ее мощность (см., например, Н.М. Щапов. «Турбинное оборудование гидростанций» Госэнергоиздат М-Л, 1961 г., стр. 156-157).
Установка на выходе диффузора отсасывающей трубы рабочего колеса, например, пропеллерной (или центробежной) гидротурбины с обеспечением механической связи вала колеса с общим валом гидропульсора позволяет дополнительно использовать регулируемую энергию потока, выходящего из отсасывающей трубы, и повышать мощность привода вращения гидропульсора.
А устройство поворотных лопаток в сливных каналах направляющего аппарата, подобно лопаткам направляющего аппарата гидротурбин, синхронно поворачиваемым общим регулирующим кольцом, (см., например, Н.Н. Ковалев. «Гидротурбины», Л.:Машиностроение, 1971 г., стр. 208, 211 и др.) дает возможность регулировать по расходу поток в сливных каналах рабочего колеса гидропульсора, позволяя при этом перераспределением входных потоков жидкости регулировать по расходу и потоки в напорных центростремительных и центробежных, каналах рабочего колеса, что определяет возможность регулирования выходных параметров гидропульсора.
х
Размещение в напорных каналах направляющего аппарата эжектирующих сопел (например, сопел Лаваля) позволяет преобразовывать давление подводимого к ним потока в скоростной напор и при выполнении поверхностей напорных каналов конгруэнтно наружным поверхностям указанных сопел обеспечивать эжекцию потока из напорных каналов направляющего аппарата в напорные каналы рабочего колеса, повышая при этом выходной напор гидропульсора. Подвод к соплам регулируемого напорного потока может осуществляться отбором от выходной напорной трубы гидропульсора в кольцевую трубу вокруг его корпуса, (например, через 3 - ходовой вентиль), а затем через радиальные патрубки от нее к каждому соплу.
Такое устройство особенно удобно использовать в тех случаях когда гидропульсор на выходе выдает избыток жидкости, а напора ее не хватает для подачи на необходимую высоту.
При этом положительным отличием предлагаемой конструкции гидропульсора от известных конструкций с тем же наружным диаметром (например, направляющего аппарата) является возможность увеличения расхода или напора выходного потока за счет того, что мощность, развиваемая двумя центростремительными ступенями (особенно сливной за счет повышенного расхода жидкости через нее) гидротурбинного привода гидропульсора, превышает мощность потребляемую центробежным насосным колесом, диаметр которого в целях регулирования потока может быть равен или меньше наружного диаметра центростремительных ступеней колеса гидротурбины. Кроме того, дополнительный напор, развиваемый низкооборотным напорным колесом, значительно меньше напора потока, созданного за счет импульсов, приобретенных им в напорных центростремительных каналах гидротурбинного колеса. Указанное увеличение напора подаваемого потока (а следовательно, и высоты его подачи) возрастает с увеличением расхода и напора подаваемой в гидропульсор жидкости, обеспечивающей развиваемую турбинными ступенями рабочего колеса мощность.
Как указано выше, увеличение напора подаваемой гидропульсором жидкости за счет повышения регулируемой мощности гидротурбинного привода гидропульсора может также обеспечиваться эжектированием сливного потока в отсасывающей трубе, установкой рабочего колеса пропеллерной гидротурбинки на выходе отсасывающей трубы, установкой поворотных лопаток в сливных каналах направляющего аппарата гидропульсора и эжектированием потока жидкости с помощью сопел из напорных каналов направляющего аппарата в центростремительные напорные каналы гидротурбинной ступени рабочего колеса гидропульсора.
В известных конструкциях гидропульсоров вращающееся радиально-осевое турбинное рабочее колесо (подобно разгонному и рабочему клапанам гидротаранов) 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.
В предлагаемой конструкции гидропульсора независимо от положения центростремительных напорных каналов при постоянном вращении рабочего колеса радиальные (или осевые) лопасти дополнительно постоянно нагнетают жидкость в напорную линию, повышая ее напор и увеличивая эффективность импульса входящей в напорные каналы жидкости.
Описанные процессы постоянно повторяются, а жидкость в подводящей системе гидропульсора (труба и подвод, например, спиральный) пульсирует между наивысшей и наинизшей скоростями движения без ударов (в отличие от гидротаранов).
Использование предлагаемой конструкции гидропульсоров с регулируемыми параметрами напора и расхода на выходе повышает надежность работы и увеличивает высоту подачи нагнетаемой жидкости и, соответственно, КПД при тех же параметрах подаваемой жидкости что и в известных конструкциях тех же габаритов.
По литературным данным использования гидропульсоров их КПД достигает 70%, а высота подачи жидкости до 100 м.
Таким образом, заявленная конструкция гидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями.
Данные, подтверждающие достоверность достижения решения указанной задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, Г. Лоренц и Э. Прегер. «Таран и гидропульсор», В.Н. Ростовцев. «Утилизация малых падений вод». Издание А.Ф. Девриена, Петроград, 1916 г., Ф.В. Конради. «Гидропульсор», Ташкент, 1939 г. и др.)
Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции гидропульсора на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.
На чертеже фиг. 1 изображен вертикальный разрез гидропульсора:
й
1 верхний ряд (сечение I-I) - спиральный отвод гидропульсора и в центре крышки спирального отвода верхняя радиальная и осевая опоры скольжения;
й
2 сверху ряд (сечение II-II) - напорные центробежные каналы рабочего колеса и корпус спирального подвода;
й
3 сверху ряд (сечение III-III) - спиральный подвод, напорные каналы направляющего аппарата (н.а.), напорные центростремительные каналы рабочего колеса (р.к.);
й
4 сверху ряд (сечение IV-IV) - спиральный подвод, лопатки н.а. и лопасти р.к., а в центре нижняя радиальная опора скольжения;
й
5 сверху ряд (сечение V-V) - спиральный подвод напорной жидкости к эжекторному устройству в диффузоре отсасывающей трубы;
нижний ряд (сечение VI-VI) - пропеллерное колесо гидротурбины в диффузоре отсасывающей трубы.
На чертеже фиг. 2 изображены:
- разрез (А-А справа) по напорным центробежным каналам насосной ступени р.к. (правая верхняя четверть фиг. 2) и по напорным центростремительным каналам гидротурбинной ступени р.к. (правая нижняя четверть фиг. 2).
- разрез (Б-Б слева) по сливным центростремительны каналам гидротурбинной ступени р.к.
На чертежах фиг. 3 (вертикальный разрез) и фиг. 4 (горизонтальный разрез) изображен сливной канал н.а. с установленной в нем поворотной лопаткой, разворот которой обеспечивается общим регулирующим кольцом.
На чертежах фиг. 5 (вертикальный разрез) и фиг. 6 (горизонтальный разрез) изображен напорный канал н.а. с установленным в нем соплом для напорной жидкости от выхода гидропульсора.
Данный гидропульсор 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 1на опоре 7;
- рабочее колесо 8 с ведущим диском 9 и выполненными на нем нижними основными лопастями 10, образующими центростремительные гидротурбинные сливные каналы 11, с расположенными в них дополнительными лопастями 12 и верхними основными лопастями 13, образующими центростремительные гидротурбинные напорные каналы 14, с расположенными в них дополнительными лопастями 15. В лопастях 10 и 13 выполнены замкнутые каналы 16, вогнутые стенки 17 которых образуют дополнительные лопасти. На закрывающей сверху рабочее колесо перегородке 18 снизу выполнены центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20;
- напорный отвод 21 (например, спиральный) выполнен в одном корпусе с подводом 1;
- вал 22 рабочего колеса 8 установлен в антифрикционных радиальных опорах скольжения 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25. Радиальные и осевая опоры скольжения смазываются перекачиваемой жидкостью.
- отсасывающая труба 26 для слива жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 состоит из верхнего диффузора 27 и нижнего диффузора 28, которые совместно образуют кольцевое цилиндрическое эжектирующее сопло 29. На верхнем диффузоре 27 расположен спиральный подвод 30 напорной жидкости с верхнего бьефа водозабора гидропульсора для эжекции ее в нижний диффузор 28. Внутри нижнего диффузора 28 на общем валу 22 гидропульсора расположено рабочее колесо 31 пропеллерной гидротурбины;
- в сливных каналах 4 направляющего аппарата 2 установлены поворотные лопатки 32, которые могут синхронно разворачиваться общим поворотным регулирующим кольцом 33 при помощи тяг 34.
- в напорных каналах 6 направляющего аппарата 2 размещены эжектирующие сопла 34.
При работе гидропульсора жидкость с верхнего бьефа (водозабора) бассейна под напором подается по трубе в подвод 1, из которого попадает в направляющий аппарат 2 и проходит между его лопатками 3 в сливные каналы 4, а между лопатками 5 в напорные каналы 6.
Из сливных каналов 4 неподвижного направляющего аппарата 2 жидкость поступает на лопасти 10 и 12 гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, приводя его во вращение, затем проходит через его сливные каналы 11 в отсасывающую трубу 26.
В этом положении рабочего колеса 8, расположенные над сливными каналами 4 его напорные центростремительные каналы 14 перекрыты на входе толстыми неподвижными верхними лопатками 5 направляющего аппарата 2,
При повороте рабочего колеса 8 на ширину его основной лопасти,  расположенные внизу сливные каналы 11 перекрываются на входе толстыми неподвижными нижними лопатками 3 направляющего аппарата 2 и открываются его расположенные выше напорные центростремительные каналы 14, после чего жидкость из напорных каналов 6 направляющего аппарата 2 попадает на лопасти 13 и 15 еще одной гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, также приводя его во вращение, а затем проходит в центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20.
Вогнутые (по ходу вращения) стенки 17 замкнутых каналов 16, выполненных в лопастях 10 и 13, служат дополнительными лопастями гидротурбинных ступеней рабочего колеса 8.
После центробежной насосной ступени рабочего колеса 8 жидкость попадает в спиральный напорный отвод 21 и затем в напорную трубу.
Рабочее колесо 8 установлено на валу 22, который вращается в антифрикционных радиальных опорах скольжения 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25, которые смазываются перекачиваемой жидкостью.
В отсасывающей трубе 26, предназначенной для слива жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 в нижний бьеф, сливаемая жидкость эжектируется дополнительно подаваемой жидкостью с верхнего бьефа через спиральный подвод 30 и через кольцевое эжектирующее сопло 29, образованное верхним диффузором 27 и нижним диффузором 28 отсасывающей трубы. При работе кольцевого эжектора в сливаемой жидкости обеспечивается увеличение напора этой жидкости на входе в гидротурбинную сливную ступень рабочего колеса, повышая его гидравлическую мощность.
Рабочее колесо 31 пропеллерной гидротурбины, расположенное в нижнем диффузоре 28 отсасывающей трубы 26 на общем валу 22 гидропульсора за счет развиваемого, благодаря закрученному гидротурбинной ступенью и эжектором сливному потоку, вращающего момента повышает мощность рабочего колеса гидропульсора а, следовательно, и развиваемый им напор подаваемой жидкости.
Установленные в сливных каналах 4 направляющего аппарата 2 поворотные лопатки 32 обеспечивают регулирование по расходу потока в сливных каналах 11 рабочего колеса 8, позволяя при этом перераспределением входных потоков жидкости в направляющем аппарате 2 регулировать и потоки в напорных центростремительных каналах 14 и далее в напорных центробежных каналах 19 рабочего колеса, что дает возможность регулировать выходные параметры гидропульсора.
Синхронный разворот лопаток 32 обеспечивается общим регулирующим кольцом 33 при его повороте.
Установленные в напорных каналах 6 направляющего аппарата 2 сопла 34, позволяющие преобразовывать давление подводимого к ним потока в скоростной напор при выполнении поверхностей напорных каналов конгруэнтно наружным поверхностям сопел с сужением пространства между поверхностями к общему выходу, позволяют обеспечивать эжекцию потока, входящего из напорных каналов 6 направляющего аппарата 2 в напорные каналы 14 рабочего колеса 8, повышая при этом выходной напор гидропульсора.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидропульсора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при внедрении возобновляемых гидравлических источников энергии, способствуя решению задач энергосбережения.