ТУРБОНАСОС ДЛЯ ДВУХ ТЕКУЧИХ СРЕД
TURBOPUMP FOR TWO FLUIDS

Изобретение относится к турбонасосам, в частности к центробежным турбонасосам для нагнетания двух различных текучих сред в виде газа, пара и/или жидкости. Изобретение может быть использовано для целей дальнейшего использования полученной смеси двух различных текучих сред, например в форме жидкости, которая распылена в воздухе или другом газе, для получения пара из смеси двух различных текучих сред, для отделения дисперсных частиц от газов, воздуха или паров после их смешивания с жидкостью с последующим отделением от последних и т.п.
Из уровня техники широко известны машины необъемного вытеснения в виде различных турбонасосов, использующие в качестве рабочего колеса турбинное дисковое колесо.
Например, известны дисковые насосы, в конструкцию которых входят корпус с подводом текучей среды в центральную область и отводом текучей среды с периферии, а также вал с рабочим колесом, размещенный в корпусе и включающий параллельные диски с входными отверстиями [а.с. SU1139890A, опубл. 15.02.1985; патент US4403911A, опубл. 13.09.1983]. Описанный выше дисковый насос предназначен для перекачки только одной текучей среды.
Турбонасосы, подобные вышеописанным насосам, также часто называют насосами трения или безлопаточными насосами, т.к. для перекачки текучей среды здесь используется сила вязкого трения этой текучей среды в осевых зазорах между дисками.
Такие турбонасосы могут использоваться для смешивания двух различных текучих сред, в частности путем распыления жидкости в газе. Например, известно устройство для распыления жидкости [патент US888091A, опубл. 19.05.1908], в котором жидкость подается в осевом направлении с помощью форсунки во входные отверстия дисков рабочего колеса, под действием центробежной силы жидкость вместе с окружающим воздухом втягивается в осевые зазоры межу вращающимися дисками, расходится к их периферии и распыляется в тангенциальном направлении, выходя через улиткообразный выход. Недостатком такого устройства является необходимость дополнительного устройства для принудительной подачи жидкости.
Известны конструкции, в которых дисковое рабочее колесо включает два диска, в осевом зазоре между которыми дополнительно выполняют радиальные лопатки. Например, такая конструкция использована в известном центробежном насосе, который используется для смешивания двух текучих сред, а именно жидкости и газа для растворения последнего [патент US5385443A, опубл. 31.01.1995]. В этом известном насосе жидкость подается во входное отверстие, выполненное в одном диске рабочего колеса, а газ подается непосредственно в осевой зазор между дисками рабочего колеса через трубку подачи газа, которая проходит через вал рабочего колеса и далее выходит из него перпендикулярно и заканчивается выходным отверстием в осевом зазоре между дисками. Такая конструкция является относительно сложной, т.к. требуется наличие уплотнений на входе трубки подачи газа, т.к. она проходит через вращающийся вал. Кроме того, здесь требуется принудительная подача газа за счет энергии внешнего источника.
Известно использование турбонасосов, подобных вышеописанному, которые используются для мокрой очистки газов, когда газ, подлежащий очистке от дисперсных частиц типа пыли, сначала смешивается с жидкостью, используемой в качестве отделяющего агента, с помощью дискового рабочего колеса, а затем очищенный газ отделяется от жидкости с помощью подходящих средств. Например, известен насос для мокрой очистки запыленного газа от пыли, содержащий центробежное дисковое рабочее колесо с лопатками в осевом зазоре между дисками, которое установлено внутри корпуса, форсунку для подачи чистящей жидкости на наружную поверхность рабочего колеса или ее осевой подачи во входное отверстие в одном из дисков рабочего колеса, патрубок осевой подачи газа во входное отверстие в одном из дисков рабочего колеса и выходной тангенциальный патрубок [патент US4157249A, опубл. 05.06.1979]. В этом насосе требуется принудительная подача чистящей жидкости через форсунку, что определяет его относительную сложность и увеличенные затраты энергии.
В качестве прототипа выбран один из подобных турбонасосов, используемых для мокрой очистки газов, в виде известного устройства для удаления взвеси из газа [патент EP0096149B1, опубл. 12.21.1983]. Это устройство включает следующие элементы: корпус с рабочей камерой; вал, приводимый во вращение от внешнего привода и входящий в рабочую камеру; рабочее колесо, установленное соосно на валу внутри рабочей камеры и включающее несколько дисков с радиальными лопатками на их периферийной области, которые расположены соосно друг другу с осевым зазором между ними и имеют входные отверстия в центральной области; входной патрубок газа для осевой подачи очищаемого газа в осевые зазоры между дисками через входные отверстия дисков с одной стороны рабочего колеса; входную водяную трубку, проходящую через входной патрубок газа для осевой подачи воды в осевой зазор между дисками через входные отверстия с той же самой стороны рабочего колеса; и выход улиткообразной формы для отвода газа и воды из периферийной области рабочей камеры после их прохождения через осевые зазоры между дисками и последующего отделения очищенного газа от воды. Недостатком этого устройства является необходимость наличия дополнительного устройства для принудительной подачи воды во входную водяную трубку, что усложняет конструкцию и увеличивает затраты энергии.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции турбонасоса с центробежным дисковым рабочим колесом, используемого для нагнетания двух текучих сред одновременно, и, соответственно, снижение стоимости и повышение надежности. Еще одной решаемой технической задачей является снижение энергопотребления и эксплуатационных расходов при использовании такого турбонасоса.
Для решения поставленных технических задач предлагается турбонасос для двух текучих сред, включающий: корпус с рабочей камерой, вал, входящий в рабочую камеру и выполненный с возможностью приведения во вращение от внешнего привода; рабочее колесо, установленное соосно на валу внутри рабочей камеры и включающее по крайней мере первый и второй диски, расположенные соосно друг другу с осевым зазором между ними и имеющие входные отверстия в центральной области; вход первой текучей среды для осевой подачи первой текучей среды в осевой зазор между первым и вторым дисками через входное отверстие первого диска; вход второй текучей среды для осевой подачи второй текучей среды в осевой зазор между первым и вторым дисками через входное отверстие; выход для отвода первой и второй текучей среды из периферийной области рабочей камеры после их прохождения через осевой зазор между первым и вторым дисками. Новым является то, что рабочее колесо дополнительно содержит по крайней мере один промежуточный диск, расположенный соосно первому и второму дискам с осевым зазором между ним и первым и вторым дисками, соответственно, при этом внешний диаметр промежуточного диска выполнен меньше внешнего диаметра первого и второго дисков и больше диаметров внешней окружности входных отверстий первого и второго дисков, промежуточный диск выполнен сплошным, т.е. без входного отверстия, и вход второй текучей среды выполнен с возможностью осевой подачи второй текучей среды через входное отверстие второго диска.
Таким образом, простая конструкция рабочего колеса предлагаемого турбонасоса как бы объединяет в себе три ступени: первая ступень в виде осевого зазора между первым диском и промежуточным диском выполняет функцию втягивания снаружи внутрь рабочего колеса первой текучей среды; вторая ступень в виде осевого зазора между вторым диском и промежуточным диском выполняет функцию втягивания снаружи внутрь рабочего колеса второй текучей среды; и третья ступень в виде осевого зазора между первым и вторым диском за диаметром внешней окружностью промежуточного диска выполняет функцию смешивания первой и второй текучей сред, способствует лучшему втягиванию в рабочее колесо снаружи той из текучей сред, чья кинематическая вязкость и/или плотность является более низкой, и нагнетает смесь текучих сред в направлении к выходу.
Рабочее колесо содержит два или более промежуточных диска, расположенных с осевым зазором между, при этом один из промежуточных дисков выполнен сплошным, а другие промежуточные диски или диск имеет внешний диаметр меньше внешнего диаметра первого и второго дисков и больше диаметров внешней окружности входных отверстий первого и второго дисков и имеет входное отверстие в его центральной области.
Здесь форма входного отверстия в первом и втором дисках, а также в промежуточном диске может быть выбрана из группы: центральное круглое отверстие; кольцевая щель, соосная рабочему колесу; множество отверстий, расположенных с равным угловым шагом, окружность центров которых соосна соответствующему рабочему колесу. Внешние диаметры промежуточных дисков выполнены одинаковыми.
Осевой зазор между первым и вторым дисками может быть выполнен сужающимся в радиальном направлении к периферии рабочего колеса по крайней мере начиная с диаметра, равного внешнему диаметру промежуточного диска. В этом случае, первый и/или второй диск могут иметь тарельчатую форму. Промежуточный диск также может иметь тарельчатую форму.
Также осевой зазор между первым и вторым дисками может быть выполнен сначала сужающимся в радиальном направлении по крайней мере начиная с диаметра, равного внешнему диаметру промежуточного диска, а затем расширяющимся к периферии рабочего колеса.
В частном случае, при использовании заявляемого турбонасоса в качестве устройства для мокрой очистки газа, конструкция имеет следующие особенности: вал выполнен вертикальным; рабочая камера выполнена в виде в форме ступенчатого цилиндра с вертикальной осью, соосной валу, и имеет верхнюю ступень и нижнюю ступень; рабочее колесо размещено в нижней ступени рабочей камеры; диаметр нижней ступени рабочей камеры выполнен больше диаметра верхней ступени рабочей камеры; диаметр верхней ступени рабочей камеры выполнен меньше внешнего диаметра первого и второго дисков и больше внешней окружности входного отверстия первого диска; первый диск расположен ниже второго диска; вход первой текучей среды представляет собой вход для жидкости, расположенный в нижней ступени рабочей камеры и выполненный в виде осевого патрубка, верхний конец которого соединен с входным отверстием первого диска, а нижний конец которого соединен с источником жидкости; вход второй текучей среды представляет собой вход для газа, расположенный в верхней части рабочей камеры и сообщающийся со входным отверстием второго диска; выход для отвода первой и второй текучей среды включает выход для жидкости и выход для газа, причем выход для жидкости расположен в нижней части нижней ступени рабочей камеры, а выход для газа расположен в верхней части верхней ступени рабочей камеры. В этом частном случае, верхняя часть верхней ступени рабочей камеры выполнена открытой и выполняет функции входа для газа и выхода для газа.
Также, в другом частном случае, выход для отвода первой и второй текучей среды может быть выполнен тангенциальным, например, улиткообразным.
Далее варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно на примерах со ссылками на приложенные чертежи, на которых представлено:
фиг. 1 - вид в продольном разрезе турбонасоса, используемого в качестве устройства для мокрой очистки газа от примесей по первому примеру осуществления изобретения;
фиг. 2 - вид в продольном разрезе турбонасоса, используемого в качестве устройства для мокрой очистки газа от примесей по второму примеру осуществления изобретения;
фиг. 3 - вид в продольном разрезе турбонасоса, используемого для нагнетания двух текучих сред для различных прикладных целей по третьему примеру осуществления изобретения; и
фиг. 4 - вид в поперечном разрезе турбонасоса, показанного на фиг. 3.
Пример 1
Как показано на фиг. 1, турбонасос, используемый в качестве устройства для мокрой очистки газа от примесей по первому примеру осуществления настоящего изобретения, включает корпус 4 с рабочей камерой 9. Рабочая камера 9 выполнена в форме вертикального ступенчатого цилиндра, открытого сверху и закрытого снизу, а нижняя ступень рабочей камеры 9 имеет диаметр больше, чем диаметр верхней ступени рабочей камеры 9, за счет выполнения на внутренней стенке рабочей камеры кольцевого выступа 10.
В рабочую камеру 9 сверху входит вал 7, который соосен рабочей камере 9, приводимый во вращение от внешнего привода (не показан). Вертикальная ось вращения вала 7 совпадает с вертикальной осью рабочей камеры 9.
На нижнем конце вала 7, соосно ему, закреплено рабочее колесо, состоящее из первого диска 1, второго диска 2 и промежуточного диска 3, расположенных с осевыми зазорами между ними соответственно. В примере 1 все диски 1-3 выполнены гладкими, а первый и второй диски 1 и 2 выполнены плоскими, т.е. лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси вала 7. Внешние диаметры первого диска 1 и второго диска 2 выполнены равными, а внешний диаметр промежуточного диска 3 составляет около половины внешнего диаметра первого и второго дисков 1 и 2. Рабочее колесо установлено с радиальным зазором относительно цилиндрической внутренней стенки рабочей камеры 9 и с осевым зазором относительно внутренней стенки кольцевого выступа 10. Диски 1-3 рабочего колеса жестко соединены с валом 7 и/или друг с другом с помощью подходящих соединительных элементов, обеспечивающих достаточную жесткость рабочего колеса и хорошо известных из уровня техники.
В центре первого диска 1 выполнено круглое входное отверстие, диаметр которого выполнен меньше, чем внешний диаметр промежуточного диска 3, оборудованное входом для жидкости, выполненным в виде патрубка 5, нижний конец которого погружен в резервуар с жидкостью 8. Резервуар с жидкостью 8 выполнен с возможностью поддержания постоянного уровня жидкости с помощью подпитки жидкости от внешнего источника, например, за счет возврата жидкости, использованной для очистки газа после ее фильтрации (не показано). Поверхность промежуточного диска 3, обращенная ко второму диску 2, выполнена плоской, а поверхность, обращенная к первому диску 1, имеет конусообразный обтекатель в центре. Внешние диаметры первого диска 1 и второго диска 2 выполнены равными, а внешний диаметр промежуточного диска 3 составляет примерно половину диаметра этих дисков.
В центральной области второго диска 2 выполнено его входное отверстие 6 в виде кольцевой щели, соосной второму диску 2 и предназначенной для входа в рабочее колесо загрязненного газа через верхнюю открытую часть верхней ступени рабочей камеры 9. Внешний диаметр кольцевой щели выполнен меньше, чем внешний диаметр промежуточного диска 3.
Турбонасос по примеру 1 работает следующим образом.
Вал 7 с рабочим колесом приводят во вращение с помощью внешнего привода. Первоначально, жидкость из резервуара с жидкостью 8 может быть принудительно подана внутрь рабочего колеса через патрубок 5 с помощью подходящих средств, по крайней мере так, чтобы заполнить осевой зазор между первым диском 1 и промежуточным диском 3. Далее, принудительная подача жидкости из резервуара с жидкостью 8 в рабочее колесо через патрубок 5 не требуется.
При вращении рабочего колеса за счет центробежной силы в осевых зазорах между дисками 1-3 создается разрежение, градиент которого направлен радиально наружу рабочего колеса.
В частности, жидкость из резервуара с жидкостью 8 за счет разрежения в осевом зазоре между первым диском 1 и промежуточным диском 3 и далее в осевом зазоре между первым и вторым дисками 1 и 2 рабочего колеса сначала втягивается в осевой зазор между первым диском 1 и промежуточным диском 3 через патрубок 5 и поступает в осевой зазор между первым и вторым дисками 1 и 2, двигаясь к их периферии.
Одновременно, за счет разрежения внутри рабочего колеса, в частности за счет разрежения в осевом зазоре между вторым диском 2 и промежуточным диском 3 и далее в осевом зазоре между первым и вторым дисками 1 и 2, загрязненный газ, подлежащий очистке, втягивается из верхней открытой части верхней ступени рабочей камеры 9 через входное отверстие 6 в осевой зазор между вторым диском 2 и промежуточным диском 3 и поступает в осевой зазор между первым и вторым дисками 1 и 2, двигаясь к их периферии, где смешивается с загрязненным газом с образованием газожидкостной смеси, в которой загрязнения переходят в жидкую фазу, очищая тем самым газ от дисперсных частиц и других загрязнений. Газожидкостная смесь, выходящая из рабочего колеса в тангенциальном направлении, попадает на внутреннюю стенку нижней ступени рабочей камеры 9, при этом жидкая фаза с загрязнениями стекает вниз по внутренней стенке рабочей камеры 9 в ее нижнюю часть, откуда выводится наружу для очистки, а очищенный газ поступает через осевой зазор между вторым колесом 2 и кольцевым выступом 10 в верхнюю ступень рабочей камеры 9 и поднимается вдоль ее внутренней стенки вверх, выходя в атмосферу. Кольцевой выступ 10, позволяющий очищенному газу проходить в верхнюю ступень рабочей камеры 9, одновременно препятствует проходу в этом направлении жидкости с загрязнениями.
Подпитка жидкостью резервуара с жидкостью 8 может быть осуществлена за счет возврата после очистки конденсированной жидкости.
В качестве жидкости здесь может использоваться вода или любой подходящий жидкий моющий абсорбирующий состав.
При высоких скоростях вращения рабочего колеса, жидкость может превращаться в осевом зазоре между первым и вторым дисками 1 и 2 в пар с образованием парогазовой смеси, что улучшает степень поглощения загрязнений жидкой фазой. Парогазовая смесь конденсируется на внутренней стенке нижней ступени рабочей камеры 9, поэтому далее процесс отделения жидкой фазы с загрязнениями от очищенного газа является таким же, как описано выше.
Пример 2
Конструкция и принцип работы турбонасоса для двух текучих сред по примеру 2 подобны описанным в примере 1 с некоторыми отличиями, приведенными ниже.
Второй диск 2 имеет тарельчатую форму, т.е. выполнен коническим, где угол наклона образующей конуса к плоскости, перпендикулярной оси вала, является острым. Вход для газа 6 второго диска 2 выполнен в виде центрального круглого отверстия, через которое по центру проходит вал 7. Поверхность промежуточного диска 3, обращенная ко второму диску 2, также выполнена конической под тем же углом наклона образующей конуса к плоскости, перпендикулярной оси вала, что и у второго диска 2. Благодаря этому, величина осевого зазора между вторым диском 2 и промежуточным диском 3 в этом примере является постоянной. И, наоборот, осевой зазор между первым и вторым дисками 1 и 2 является сужающимся в радиальном направлении под острым углом.
В общем случае, все вышеописанные зазоры между дисками 1-3 могут быть как постоянными, так и сужающимися или расширяющимися в зависимости от целевого назначения и требуемых характеристик турбонасоса.
При определении величины осевых зазоров могут использоваться следующие соотношения.
Осевой зазор между первым диском 1 и промежуточным диском 3 может подбираться таким образом, чтобы площадь образующегося кольцевого сечения этого осевого зазора увеличивалась с увеличением радиуса и отвечала условию:
2
R·h>d/2, где R - текущий радиус осевого зазора, h - осевой зазор, d - диаметр центрального входного отверстия первого диска 1 (здесь также и диаметр патрубка 5).
Осевой зазор между первым и вторым дисками 1 и 2 может подбираться таким образом, чтобы площадь образующегося кольцевого сечения этого осевого зазора увеличивалась с увеличением радиуса и отвечала условию:
2
2
R·h>(D+d)/2, где R - текущий радиус осевого зазора, h - осевой зазор, d - диаметр центрального входного отверстия первого диска 1 (здесь также и диаметр патрубка 5), D - диаметр центрального входного отверстия второго диска 2.
Пример 3
Конструкция и принцип работы турбонасоса для двух текучих сред по примеру 3 подобны описанным в примерах 1 и 2 с рядом существенных отличий, приведенных ниже.
Вал 7 и рабочая камера 9 корпуса 4 этого турбонасоса имеют горизонтальную ось, при этом рабочая камера имеет простую цилиндрическую форму, т.е. без разделения на ступени разных диаметров. Кроме того, корпус 4 оснащен тангенциальным выходом 13.
Помимо первого и второго дисков 1 и промежуточного диска 3, имеются два дополнительных промежуточных диска 11, установленных между первым диском 1 и промежуточным диском 3, а также между вторым диском 2 и промежуточным диском 3 соответственно. В отличие от промежуточного диска 3, выполненного сплошным, дополнительные промежуточные диски 11 имеют центральные входные отверстия. Все промежуточные диски 3 и 11 имеют одинаковый внешний диаметр.
Здесь осевые зазоры между первым диском 1 и смежным с ним дополнительным промежуточным диском 11, а также между этим дополнительным промежуточным диском 11 и промежуточным диском 3 являются одинаковыми и зависят, в частности, от свойств первой текучей среды, поступающей в рабочее колесо через входное отверстие первого диска 1. Соответственно, осевые зазоры между вторым диском 2 и смежным с ним дополнительным промежуточным диском 11, а также между этим дополнительным промежуточным диском 11 и промежуточным диском 3 являются одинаковыми и зависят, в частности, от свойств второй текучей среды, поступающей в рабочее колесо через входное отверстие второго диска 1.
Дополнительно, осевой зазор между первым и вторым дисками 1 и 2 сначала несколько сужается в радиальном направлении начиная с диаметра, равного внешнему диаметру промежуточных дисков 3 и 11, а затем расширяется в направлении к периферии, напоминая в поперечном сечении форму сопла Лаваля. Кроме того, в осевом зазоре между первым и вторым дисками 1 и 2 на их периферии выполнены радиальные рабочие лопатки 12. Такая конструкция рабочего колеса может способствовать его более эффективной работе.
В этом примере 3 входное отверстие первого диска 1 предназначено для подачи внутрь рабочего колеса первой рабочей среды, а входное отверстие второго диска 2 предназначено для подачи внутрь рабочего колеса второй рабочей среды. В качестве первой и второй рабочей среды могут использоваться любые текучие среды в зависимости от назначения устройства, в частности газ, пар, жидкость или их комбинация. Турбонасос по примеру 3 может быть использован для различных целей, например при использовании в качестве первой рабочей среды воздуха, а в качестве второй рабочей среды - воды, могут быть реализованы функции, например, увлажнения или очистки воздуха.
В отличие от примеров 1 и 2 при работе турбонасоса по примеру 3 каждая рабочая среда втягивается в рабочее колесо через два осевых зазора: первая рабочая среда втягивается через осевой зазор между первым диском 1 и соседним с ним дополнительным промежуточным диском 11 и через осевой зазор между этим дополнительным промежуточным диском 11 и промежуточным диском 3; и, соответственно, вторая рабочая среда втягивается через осевой зазор между вторым диском 2 и соседним с ним дополнительным промежуточным диском 11 и через осевой зазор между этим дополнительным промежуточным диском 11 и промежуточным диском 3.
Дополнительно, при работе турбонасоса по примеру 3 выход смеси первой среды и второй среды осуществляется из рабочей камеры 9 в тангенциальном направлении через тангенциальный выход 13.
Следует понимать, что приведенные выше примеры использованы только для целей иллюстрации возможности осуществления настоящего изобретения и ряда его преимуществ и эти примеры не ограничивают объем правовой охраны, представленный в формуле изобретения, при этом специалист в этой области относительно просто способен осуществить и другие варианты изобретения без отхода от сущности изобретения в рамках объема правовой охраны.