ГИДРОПУЛЬСОР ВИХРЕВОЙ
VORTEX HYDROPULSOR

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 подъема других жидкостей.
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 59 с., 17 №24710, №65722, №18057, №79816, патентам РФ №2539242, №2539225 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 рабочего колеса для обеспечения его надежной работы.
2. Невозможность регулировать потоки в центростремительных 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 ними лопатками, образующими центростремительные напорные каналы, и рабочее колесо с лопастями, образующими центростремительные сливные и напорные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в отсасывающую трубу, и с размещенными над центростремительными напорными каналами рабочего колеса радиальными лопастями центробежной напорной ступени колеса:
- над центростремительными напорными каналами рабочего колеса установлен сужающийся по ходу потока усеченный конус, на боковой поверхности которого выполнены спиральные переменного шага центростремительные каналы, в которых размещены спиральные завихрители потока, причем выход спиральных центростремительных каналов выполнен в диффузор;
- в спиральном подводе перед центростремительными напорными каналами направляющего аппарата установлены направляющие отсекатели потока;
- в центростремительных напорных каналах направляющего аппарата размещены спиральные завихрители потока;
- в отсасывающей трубе сливной гидротурбинной ступени рабочего колеса на его валу установлена втулка с расположенными на ней спиральными лопастями с переменным шагом между ними по высоте втулки.
Указанное устройство конструкции гидропульсора по п. 1 формулы изобретения обеспечивает возможность установки в одном и том же гидропульсоре в центростремительных каналах его усеченного конуса различных по толщине проволоки и шагу витков завихрителей в виде пружин, что изменяет условия завихрения потока, вращающегося вокруг основного потока жидкости в канале, меняя соответственно его параметры на выходе из канала. Кроме того, возможна установка в одном и том же гидропульсоре одинаковых по размерам усеченных конусов с выполненными на их конических поверхностях различными по размерам, форме и шагу центростремительными каналами в виде спиральных пазов переменного (увеличивающегося по ходу потока) шага, закрытых с наружной стороны прилегающей к основному конусу тонкостенной конусной обечайкой. Указанная замена меняет условия вращения основного потока в канале и соответственно его выходные параметры.
В вышеописанных случаях поток жидкости в центростремительном канале с завихрителем, выполненном на вращающемся усеченном конусе, 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 вокруг конуса с переменным, возрастающим в выходу шагом. При указанной организации потока он движется в виде двухпоточной двойной спирали (по форме, аналогичной рогу антилопы), т.е. завихренная пружинным завихрителем периферическая часть потока вращается по центробежному пути вокруг спиралевидного основного потока, проходящего 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 в расширяющийся диффузор. При этом завихритель в канале создает вращающуюся струю, которая благодаря кориолисову ускорению отклоняется на 90 градусов в плоскости вращения усеченной поверхности конуса и движется по касательной к его окружности, создавая дополнительный момент вращения конусу. А в диффузоре 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., с. 204, 356-360, Пирамишвили Ш.А. и др. Вихревой эффект. Изв. РАН, Энергетика, 2000, №5 с. 137-147, Фролов А.В. Энергетика вихревых процессов. Новая энергетика, 2005, 4 (23), с. 41-42, Шаубергер В. Энергия воды, М-Яуза, Эксмо, 2007 г., с. 70, 77, 79, 81, 150, Тарг С.М. 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. Москва 13-14.05.2008 г. ВИЭСХ, 2008 г., с. 276-282, Кащеев В.П. и др. Энергоэффективное вихревое оборудование. Изв. Вузов. Энергетика, 2013, №1 с. 78-87, Материалы из Википедии «Эффект, сила и ускорение Кориолиса», «Центральное ускорение», и др.).
Установка направляющих отсекателей потока в спиральном подводе перед центростремительными напорными каналами направляющего аппарата обеспечивает более равномерное и плавное вхождение потоков жидкости из подвода в эти каналы, повышая гидравлический к.п.д. гидропульсора.
Размещение в центростремительных напорных дугообразно-спиральных каналах направляющего аппарата спиральных в виде конических пружин завихрителей обеспечивает движение жидкости также в двухпоточной спирально-завихренной форме, ведущей к ускорению потока на входе в центростремительные напорные каналы гидротурбинной ступени рабочего колеса и повышению скорости и объема течения через них, что увеличивает мощность ступени.
Установка на валу гидропульсора в области отсасывающей трубы сливной гидротурбинной ступени рабочего колеса втулки с расположенными на ней спиральными лопастями под постоянными или равномерно уменьшающимися шагами (увеличивающимися углами установки) обеспечивает закручивание стекающей из сливных каналов колеса жидкости вокруг оси вращения. А вследствие того, что в вихре возрастает не только тангенциальная, но и осевая скорость потока и, кроме того, в ускоряемом потоке воды происходит ее самопроизвольное охлаждение с превращением части тепловой энергии воды в кинетическую энергию потока (теплоемкость воды очень высока и по расчетам ученых при охлаждении 1-го литра воды, примерно на 1°С, он может ускоряться в движении на 0,9 м/с), то на спиральные лопатки гидротурбины давит не только гидростатическая сила столба воды, но и сила инерции массы, движущейся с ускорением воды. И с учетом того, что кинетическая энергия потока является квадратичной функцией от его скорости, то при этом повышается напор, расход и к.п.д. сливных гидротурбинных центростремительной и осевой ступеней. Кроме того, с ростом скорости потока увеличивается переход скоростного напора в динамическое разрежение, повышая отсасывающее действие трубы, и всасывание формирует силовой импульс, превосходящий по своему влиянию давление напора на входе (см., например, Н.М. Щапов. Турбинное оборудование гидростанций.  М.-Л., Госэнергоиздат, 1961 г., с. 92, 156 и Л.П. Фоминский. Начала теории движения во времени, гл. 6.4 Энергия вращения. Популярное изложение, Черкассы, 1995 г.).
При этом положительным отличием предлагаемой конструкции гидропульсора от известных конструкций с тем же наружным диаметром, например направляющего аппарата, является возможность ступенчатого регулирования и увеличения параметров выходного потока за счет изменения геометрии каналов на сменяемых конусах и завихрителей в них. Увеличение напора подаваемой гидропульсором жидкости за счет повышения мощности гидротурбинной сливной ступени привода гидропульсора обеспечивается также увеличением действия отсасывающей трубы с расположенными в ней спиральными лопастями на валу на сливной поток.
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 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 напорных каналов и открытия сливных каналов.
В предлагаемой конструкции дополнительно к изменению потока то в сливную, то в напорную полости центростремительным рабочим колесом известных конструкций гидропульсоров осуществляется вихревое движение жидкости в каналах гидропульсора, обеспечивающее ускорение ее движение при пульсациях жидкости между низшей и наивысшей скоростями движения, что создает условия для более эффективной работы гидропульсора за счет усиления ударных волн слабой интенсивности.
Таким образом, заявленная конструкция вихревого гидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями.
Данные, подтверждающие достоверность достижения решения указанной задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, Ростовцев В.Н. Утилизация малых падений вод. Изд. Девриена А.Ф. Петроград, 1916 г., Конради Ф.В. Гидропульсор. Ташкент, 1939 г., Чистопольский С.Д. Гидравлические тараны. М., Онти Гл. ред. Энергетич. Лит-ры, 1936 г., Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т. 6. Гидродинамика. М., Наука. Физмат, 1988 г., с. 460, Жмудь А.Е. Гидравлический удар в гидротурбинных установках, Долинский А.А. Использование принципа дискретно-импульсного ввода энергии для создания эффективных энергосберегающих технологий. Инженерно-физический журнал, 1996 г., Фоминский Л.П. Энергия вращения, 2000 г., Родионов Б.Н. и др. Вихревая энергетика. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2001 г. №3 (26) и др.).
Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции гидропульсора на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 изображен вертикальный разрез вихревого гидропульсора.
На фиг. 2 изображены:
- верхняя правая четверть фиг. 2 - разрез Α-A по конусу с выполненными на нем спиральными центростремительными каналами, в которых размещены спиральные завихрители потока;
- нижняя правая четверть фиг. 2 - разрез Б-Б (от периферии к центру) по спиральному подводу, с установленными в нем направляющими отсекателями потока, по верхним напорным центростремительным каналам направляющего аппарата, с установленными в них завихрителями потока и его лопатками, по верхним напорным центростремительным каналам и лопастям рабочего колеса и по конусу с выполненными на нем спиральными центростремительными каналами, в которых размещены спиральные завихрители потока;
- нижняя левая часть фиг. 2 - разрез В-В (от периферии к центру) по спиральному подводу, по нижним сливным центростремительным каналам и лопаткам направляющего канала, по нижним сливным центростремительным каналам и лопастям рабочего колеса, входу в отсасывающую трубу и втулке на валу, с расположенными на ней спиральными лопастями;
- верхняя левая часть фиг. 2 - разрез Г-Г по отсасывающей трубе и расположенной в ней втулке со спиральными лопастями.
Данный гидропульсор включает в себя:
- подвод 1 (например, спиральный) с расположенными в его верхней части (в зоне напорных каналов направляющего аппарата) направляющими отсекателями 2 потока;
- направляющий аппарат 3 с верхними лопатками 4, образующими дугообразные центростремительные напорные каналы 5, с установленными в них завихрителями 6, и нижними лопатками 7, образующими центростремительные сливные каналы 8. Направляющий аппарат 3 установлен внутри спирального подвода 1 на опоре 9.
- рабочее колесо 10 с нижним ведущим диском 11, в котом выполнены нижние лопасти 12, образующие центростремительные гидротурбинные сливные каналы 13, и с верхним ведомым диском 14, в котором выполнены верхние лопасти 15, образующие центростремительные напорные каналы 16;
- усеченный конус 17, на боковой поверхности которого выполнены центростремительные каналы 18 в виде спиральных пазов с увеличивающимся к верхнему основанию конуса шагом, в которых размещены завихрители 19 потока в виде цилиндрических пружин, а сами каналы снаружи закрыты конической тонкостенной обечайкой 20. Вращающийся конус 17 вместе с обечайкой 20 размещен внутри корпуса 21, который конгруэнтно повторяет наружные поверхности напорных каналов 5 и лопаток 4 направляющего аппарата 3, рабочего колеса 10 и обечайки 20;
- диффузор 22, в который осуществлен выход жидкости из каналов 18 конуса 17;
- отводящий конус 23;
- вал 24 гидропульсора установлен в антифрикционных радиальных опорах скольжения 25 и опирается пятой 26 на осевую опору скольжения 27. Для восприятия знакопеременных осевых гидравлических сил установлен контрподпятник 28 с пятой 29. Радиальные и осевые опоры скольжения смазываются перекачиваемой жидкостью. Верхние опоры скольжения 25 и 27 установлены в корпусе 30, закрепленном в диффузоре 22, а нижние опоры скольжения 25 и 28 установлены в неподвижной втулке 31, закрепленной посредством цилиндрических штифтов 32 на опоре 9.
- отсасывающая труба 33 для слива жидкости из сливных каналов 13 рабочего колеса 10 состоит из диффузора 34, фланца 35 и обтекателя 36, при помощи которого труба крепится к опоре 9;
- втулка 37 с закрепленными на ней осевыми спиральными, уменьшающемуся по ходу потока шага лопастями 38.
При работе гидропульсора жидкость с верхнего бьефа (водозабора) бассейна подается под напором по трубе в подвод 1, из которого попадает в центростремительные сливные каналы 8, а по направляющим отсекателям потока 2, организующим равномерное попадание жидкости по расположенным по окружности каналам, - в напорные каналы 5 направляющего аппарата 3.
В положении рабочего колеса 10, когда его верхние лопасти 15, выполненные в ведомом диске 14, перекрывают выходы напорных каналов 5 направляющего аппарата 3, открыты выходы центростремительных сливных каналов 8, образованных лопатками 7 направляющего аппарата 3, в центростремительные сливные каналы 13, образованные лопастями 12 на ведущем диске 11 рабочего колеса 10. Протекающая по сливным каналам 13 жидкость за счет воздействия на лопасти 12 приводит во вращение центростремительную сливную гидротурбинную ступень рабочего колеса 10 гидропульсора.
Из сливных каналов 13 жидкость попадает в отсасывающую трубу 33, внутри диффузора 34 которой протекает по осевым спиральным лопастям 38, закрепленным на втулке 37, расположенной на валу 24 гидропульсора.
Т.к. на спиральные лопасти 38 давит не только гидростатическая сила столба жидкости, но и сила инерции массы, движущейся с ускорением вращающейся воды, то при этом повышается вращающий момент на лопастях 38 и за счет создаваемого скоростным потоком динамического разрежения повышается отсасывающее действие трубы 33, увеличивающее мощность гидротурбинной сливной ступени рабочего колеса 10 гидропульсора.
При повороте рабочего колеса 10 его нижние лопасти 12, выполненные в нижнем ведущем диске 11, перекрывают выходы нижних сливных каналов 8, образованные лопатками 7 направляющего аппарата 3. Вследствие резкого перекрытия сливных каналов 8 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 16 рабочего колеса 10, повышая давление движущейся в них жидкости. При полном открытии напорных каналов 16, образованных лопастями 15 рабочего колеса 10, они совпадают с напорными каналами 5, образованными лопатками 4 направляющего аппарата 3, и жидкость по каналам 5, через расположенные в них завихрители 6 в виде конусных спиралей, обеспечивающих движение жидкости в двухпоточной спирально-завихренной форме, с ускорением поступает в центростремительные напорные каналы 16 рабочего колеса 10, попутно создавая за счет воздействия на лопасти 15 вращающий момент на рабочем колесе 10.
Из вращающихся напорных каналов 16 жидкость поступает в кольцевое пространство вокруг нижнего основания усеченного конуса 17, а затем частично проходит по зазору между обечайкой 20 конуса 17 и внутренней поверхностью конусной части корпуса 21, а основная часть жидкости поступает во вращающиеся центростремительные каналы 18, в виде спиральных пазов, в которых размещены спиральные завихрители 19 потока в виде цилиндрических пружин и закрытых с внешней стороны прилегающей к конусу 17 обечайкой 20.
При движении потоков по спиральным центростремительным каналам 18, выпрямляющимся по ходу потока к вертикальной оси за счет увеличивающегося их шага по направлению к верхнему основанию усеченного конуса 17, завихрения их в каналах 18 вокруг собственной оси спиральными завихрителями 19 и вращения каналов 18 вокруг вертикальной оси конуса, протекающая жидкость приобретает сложное движение в центростремительной спирально-завихренной форме, обеспечивая ускорение протекания основных потоков, что в свою очередь вызывает рост сил всасывания на выходе из каналов 18 в диффузор 22, обеспечивающий цикл центробежного ускорения жидкости при отводе ее в конус 23. За счет возрастания скорости движения жидкости к выходу возрастающий импульс сил всасывания превосходит по своему влиянию давление напора на входе в гидропульсор, что приводит к росту напора и расхода жидкости на его выходе, обеспечивая конструкцию более высокими параметрами.
Антифрикционные радиальные опоры скольжения 25, осевая опора скольжения 27 с пятой 26 и опора (контрподпятник) 28 с пятой 29, в которых установлен вал 24, смазываются проходящей через гидропульсор жидкостью.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидропульсора 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.