ВОДОПОДЪЁМНИК-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПОРА

Предлагаемая полезная модель относится к водоподъемным устройствам, использующим потенциальную энергию воды, и может быть использована в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю без использования электрической энергии и энергии сгорания топлива.
Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами (RU 82798 U1, МПК F04F 7/02, опубл. 17.12.2009).
Недостатком аналога является низкий коэффициент полезного действия при необходимости получения высокой степени преобразования (значительного увеличения) выходного напора по отношению к входному, а также повышенный шум при работе.
Известен гидравлический двигатель-насос, содержащий питательную емкость для воды, питательный трубопровод, впускной и выпускной каналы, рабочую камеру. Рабочая камера образована в поршне, имеет всасывающий и напорный клапаны, неподвижный напорный трубопровод. Этот трубопровод расположен соосно внутри рабочей камеры и снабжен упомянутым напорным клапаном. Между напорным трубопроводом и рабочей камерой установлено уплотнение, тяги, выпускной трубопровод, привод в виде сосуда. Сосуд частично заполнен водой, установлен в корпусе, снабжен золотниково-пружинным механизмом. Этот механизм включает золотник, регулировочные колпачки и фиксирующие пружины с шариками. Шарики размещены в кольцевых канавках стержня золотника. Гидравлический двигатель-насос включает в себя два насоса однократного действия, пружинно-клапанный механизм, тяги. В этих насосах напорные трубопроводы соединены параллельно, питательный и выпускной трубопроводы являются общими, а в соединении трубопроводов с впускными и выпускными каналами установлены перекидные клапаны. Стержень золотника в нижней части оборудован зубчатой рейкой, находящейся в сочленении с зубчатым сектором и рычагом перемещения тяг.(RU 2486375 C2, МПК F04F 7/02, опубл. 27.06.2013).
Недостатком данного аналога является очень низкая степень преобразования (незначительное увеличение) входного напора и большая материалоемкость.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является насосная установка, состоящая непосредственно из самого насоса, приводного вала и приводного двигателя, работающего на электрической энергии или на энергии сгораемого топлива (Кривченко Г.И. Гидравлические машины, Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., с. 6, рис. В1(б).
Недостатком прототипа является необходимость наличия электроэнергии для приводного электродвигателя или топлива для двигателя внутреннего сгорания, что приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания, а также наличие дополнительных эксплуатационных затрат на покупку электроэнергии или топлива.
Задачей полезной модели является снижение эксплуатационных затрат, сохранение (или увеличение) высокого коэффициента полезного действия при больших преобразованиях напора.
Технический результат обеспечивается тем, что водоподъемник-преобразователь напора содержит сборно-питательный и нагнетательный резервуары, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, насос с приводом, но в отличие от прототипа, он дополнительно снабжен подающим резервуаром с подающим трубопроводом, в качестве привода насоса использована быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединенная подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами, гидротурбина и насос установлены на одном валу или на двух параллельных, при этом валы соединены через механическую передачу, обеспечивающую им одинаковую частоту вращения.
Известен общий принцип работы насосной установки (Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., с. 9, рис. В-1(б), с. 180, рис. 9-1). На вал насоса передается механическая мощность с вала приводного двигателя, в качестве источника энергии для которого выступает электрическая энергия, или энергия сгорания топлива, или ручная энергия, а также другие виды энергии. В насосе происходит передача механической мощности вращающегося рабочего колеса насоса частицам жидкости, в результате чего жидкость приобретает дополнительную механическую энергию, называемую гидравлической и определяемой напором (давлением), расходом и удельным весом жидкости. Через всасывающий трубопровод жидкость из сборно-питательного резервуара поступает в насос, из которого под избыточным давлением по нагнетательному трубопроводу поступает потребителю. Насосы и гидротурбины по используемому принципу действия разделяются на динамические и объемные гидравлические машины. Лопастные гидромашины являются подклассом динамических.
Быстроходность гидравлической машины определяется коэффициентом быстроходности и особенностями строения рабочего колеса. (Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., стр. 79-80 и стр. 201-204) Быстроходной по отношению к насосу является гидротурбина, имеющая коэффициент быстроходности выше чем у насоса, то есть при той же мощности и частоте вращения, что и насос, имеет напор ниже, чем у насоса, а расход выше.
В предлагаемой полезной модели частота вращения гидротурбины и насоса равны, выходная мощность гидротурбины и входная мощность насоса равны, но выходная мощность гидротурбины получена малым напором и большим расходом на гидротурбине, а входная мощность насоса идет на создание большого напора и малого расхода. Таким образом, за счет преобразования быстроходной гидротурбиной большой кинетической энергии (большого расхода) и малой потенциальной энергией (малого напора) воды из подающего резервуара в механическую энергию вращения вала гидротурбины, которая передается на вал насоса практически без потерь и позволяет получать на выходе насоса за счет перераспределения в нем потенциальной и кинетической энергий полученной от гидротурбины механической энергии вращения вала значительное увеличение напора при меньшем чем у гидротурбины расходе.
Использование в качестве привода насоса быстроходной гидротурбины по отношению к насосу, не применялось для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов.
Для установки гидротурбины в качестве привода насоса устройство дополнительно снабжено подающим резервуаром с подающим трубопроводом. Быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединена подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами для подачи воды в сборно-питательный резервуар. При установке гидротурбины на одном валу с насосом в случае легкого конструктивного их совмещения (равенство диаметров валов, доступность соединительной муфты, одинаковость конструкции соединения) обеспечивается одинаковая скорость их вращения. При невозможности соединения на одном валу гидротурбины и насоса их соединяют на параллельно расположенных валах через механическую передачу, обеспечивающую одинаковую скорость вращения валов гидротурбины и насоса.
В качестве механической передачи при параллельном расположении валов гидротурбины и насоса применена, например, ременная передача, возможно также применение цепной, шестеренной или любой другой механической передачи, обеспечивающей одинаковую частоту вращения вала гидротурбины и насоса.
На фиг. 1 представлена схема полезной модели с параллельно установленными валами насоса и гидротурбины, соединенными ременной передачей.
На фиг. 2 представлена схема полезной модели с насосом и гидротурбиной, установленными на одном валу.
Водоподъемник-преобразователь (Фиг. 1, 2) содержит: подающий резервуар 1 (образованный плотиной), подающую трубу 2 с задвижкой 3, гидротурбину 4, выходной вал которой через ремень 5 (Фиг. 1) или муфту 5 (Фиг. 2) соединен с входным валом насоса 7. Сброс воды гидротурбиной 4 происходит в сборно-питательный резервуар 6 и всасывание воды насосом 7 происходит также из резервуара 6. Гидротурбина 4 и насос 7 установлены на станине 12, на выходе насос соединен с нагнетательным трубопроводом 10 с вентилем 9, а через трубопровод 10 с нагнетательным резервуаром 11.
Водоподъемник-преобразователь работает следующим образом.
Первоначально установка запускается на холостом ходу в зависимости от типа насоса - лопастной или объемный. Для этого обеспечивают минимальную нагрузку на насос, а значит и на гидротурбину.
В случае использования лопастного насоса, его по правилу запуска лопастного насоса заполняют водой, закрывается пусковой вентиль 14 пускового трубопровода 13 и нагнетательный вентиль 9; в случае использования насоса объемного типа закрывают вентиль 9, а вентиль 14 открывают.
Оператор открывает задвижку 3. Вода под действием низкого напора H устремляется с большим расходом Q из подающего резервуара 1 по подающему трубопроводу 2 в гидротурбину 4, вращает рабочий орган гидротурбины, разгоняет его до максимальной частоты холостого хода и сбрасывается на выходе гидротурбины 4 в сборно-питательный резервуар 6. Выходной вал гидротурбины 4 через ременную передачу 5 (Фиг. 1) или муфту 5 (Фиг. 2) передает вращение валу насоса 7, а через него рабочему колесу насоса 7, который, вращаясь, захватывает и всасывает сброшенную гидротурбиной воду из сборно-питательного резервуара 6.
Далее выводят установку на рабочий режим одним из двух вариантов: в случае использования лопастного насоса открывают нагнетательный вентиль 9; в случае использования насоса объемного типа открывают нагнетательный вентиль 9, а пусковой вентиль 14 закрывают.
В результате нагрузка на гидротурбину возрастает, частота вращения снижается до номинальной, установка выходит на рабочий режим работы и насос подает меньший (по сравнению с расходом гидротурбины 4) расход воды q под большим (по сравнению с напором гидротурбины) напором h по нагнетательному трубопроводу 10 через открытый вентиль 9 в нагрузочный резервуар 11.
η
η
N
Вm
N
Вm
N
Вm
η
н
m
вх
m
н
3
3
Например, для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов, а именно для подъема воды с помощью полезной модели на высоту h=30м, выбран центробежный насос марки 6К-8и6КМ-6, у которого КПД =0,8, в качестве привода насоса применена осевая лопастная турбина ПЛК10, КПД турбины при этом =0,95, частота вращения турбины 1450 об/мин, напор на входе в турбину Н=3м, расход Q=0,28 м/с, мощность на входе турбины =1000*9,8*0,28*3=8232(), мощность на выходе из турбины =8232*0,95=7820(), соответственно, мощность насоса =7820*0,8=6250(). Расход такого насоса q=0,021 м/с. В данном случае КПД установки составляет =6250/8232=0,76.
Полезная модель позволяет повышать исходный напор с высоким коэффициентом преобразования, при этом поддерживается хороший коэффициент полезного действия использования сбрасываемого через плотину водного потока (0.7-0.75) за счет прямого использования гидротурбины как привода к насосу, минуя промежуточную стадию генерации электроэнергии. Соответственно, экономятся средства на генератор к гидротурбине и электродвигатель к насосу. Это позволяет эффективно использовать водоподъемник-преобразователь напора в местах с отсутствием электроэнергии, снижает эксплуатационные расходы на электроэнергию или топливо, оставляя процесс подачи воды потребителю экологически чистым.