НАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
PUMPING UNIT FOR FLUID POWER CONVERSION

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в установках для преобразования энергии гидравлического потока.
Известна установка для использования энергии гидравлического потока, которая содержит корпус, соединенный с береговой опорой при помощи тросового механизма ориентации, установленный на корпусе горизонтальный вал, кинематически связанный с преобразователем энергии, и расположенные по обе стороны от корпуса лопастные колеса, частично погруженные в поток и имеющие вертикальные лопасти. Установка снабжена полой осью, установленной эксцентрично вокруг вала, а каждое колесо имеет два диска, равного диаметра, с консольными горизонтальными вальцами, шарнирно соединенными с лопастями. При этом один диск жестко закреплен на валу, а другой установлен на оси с возможностью вращения и кинематически связан с преобразователем (см. а.с. №1408098, МПК F03B13/12, опуб. 07.07.88).
В данной установке в силу ее конструктивных особенностей коэффициент полезного действия значительно снижается ввиду наличия двух источников потребления энергии:
1) большое число шарнирных сочленений;
2) ввиду тихоходности устройства приходится использовать ускоряющую передачу, что приводит к резкому снижению коэффициента полезного действия механизма.
Известно также устройство для использования энергии текучей среды, содержащее ряды радиально расположенных на различных уровнях емкостей, установленных с возможностью вращения на горизонтальной оси и последовательно сообщенных между собой при помощи диаметрально расположенных каналов, причем емкости с одной стороны ряда имеют всасывающие, а с другой - напорные патрубки. Устройство дополнительно содержит генератор, статор которого закреплен на горизонтальной оси, и турбину, подключенную к напорным патрубкам при помощи соплового аппарата, установленную с возможностью вращения в сторону, противоположную направлению вращения емкостей, и соединенную с ротором генератора (см. а.с. №1462020, МПК F03B 13/12, опубл. 28.02.89).
Недостатком данной конструкции является то, что поток жидкости, проходя по каналам, испытывает значительное сопротивление со стороны стенок, а это способствует уменьшению напора, необходимого для вращения ротора генератора. Этим снижается коэффициент полезного действия установки. Второй недостаток заключается в том, что сопловой аппарат вращается в сторону, противоположную вращению статора, тем самым значительно снижая относительную скорость во взаимном перемещении. Нерациональным является также поднятие устройства над поверхностью раздела жидкость - атмосфера, что приводит к потере кинетической энергии потока.
Известна волновая энергетическая установка, содержащая поплавок и связанный с ним вертикально расположенный трубчатый корпус, погруженный под уровень воды и имеющий внутри сужающийся участок, в котором размещены капсула и гидротурбина, кинематически соединенная с электрогенератором, размещенным внутри капсулы и имеющим ротор и статор с обмотками. Рабочее колесо гидротурбины с каждого торца снабжено направляющим аппаратом, ротор электрогенератора закреплен на внутренней части рабочего колеса и снабжен постоянными магнитами, а статор выполнен из двух частей, размещенных с зазором сверху и снизу от ротора (см. а.с. №1583649, МПК F03B 13/12, опубл. 07.08.90).
Данная конструкция в соответствии с кинематикой привода не способна обеспечить достаточно высокую скорость вращения ротора, что необходимо для появления в обмотках приемлемой для практических целей электродвижущей силы, а это неизбежно приводит к использованию многополюсного тихоходного генератора, который будет иметь высокую стоимость, а также габариты в плоскости, перпендикулярной оси генератора. Последнее обстоятельство является нежелательным, так как увеличивает лобовое сопротивление при движении в среде, снижая коэффициент полезного действия устройства.
Известна насосная установка, выбранная за прототип, содержащая поплавок, корпус с гидротурбиной, насос, расположенный в корпусе на общем валу с рабочим колесом гидротурбины и жестко с ним связанный, и приемный трубопровод, расположенный в корпусе со стороны движения потока и выполненный с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, при этом выходной участок трубопровода присоединен к всасывающему патрубку насоса (см. GB 2340892 А, 01.03.2000, F03B 17/06, 6 листов).
Недостатком данной конструкции также является недостаточно высокие эффективность работы и коэффициент полезного действия установки.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы установки, что повышает коэффициент полезного действия установки в целом и уменьшает расходы на получение единицы конечного продукта в виде технологической воды, потребляемой потребителем.
Результат достигается тем, что насосная установка для преобразования энергии текучей среды, содержащая поплавок, корпус с гидротурбиной, насос, расположенный в корпусе на общем валу с рабочим колесом гидротурбины и жестко с ним связанный, и приемный трубопровод, расположенный в корпусе со стороны движения потока и выполненный с уменьшающимся по потоку поперечным сечением, при этом выходной участок трубопровода присоединен к всасывающему патрубку насоса, согласно изобретению насос выполнен объемным, выходной участок трубопровода выполнен с возможностью направления потока по касательной к внутренней поверхности всасывающей полости насоса в сечении, перпендикулярном его оси, а поплавок выполнен в виде полой пластины, связанной с корпусом посредством кронштейна и установленной на расстоянии от продольной оси корпуса, равном радиусу рабочего колеса гидротурбины, с возможностью углового перемещения относительно оси.
Корпус насосной установки, имеющий обтекаемую форму, снабжен отверстием в носовой части, через которое вода под действием гидродинамического давления посредством конического трубопровода поступает к всасывающей полости объемного насоса.
Большее основание конуса трубопровода ориентировано в сторону отверстия корпуса, а основание с меньшим диаметром контактирует с всасывающим патрубком насоса. Конструкция заборного устройства создает условия для увеличения скорости движения жидкости и тем самым увеличения гидродинамической составляющей общего давления среды. Таким образом, вода, поступающая во всасывающую полость насоса, является не только инертным телом, но и способна совершать работу, вращая ротор за счет запасенной кинетической энергии.
Наличие поплавка, прикрепленного к корпусу посредством кронштейна на расстоянии от продольной оси установки, равном радиусу рабочего колеса, и ориентированного в продольной вертикальной плоскости под острым углом к оси, позволяет поддерживать установку в верхних слоях текучей среды, где скорость потока является наибольшей, а это является решающим фактором в повышении мощности, которая находится из зависимости:
,
где ρ - плотность потока;
F - эффективная площадь рабочего колеса;
V - скорость потока.
Наличие замкнутой полости в поплавке позволяет поддерживать ее в плавающем состоянии, что значительно облегчает пусконаладочные и ремонтные работы, а также предотвращает опускание на дно в случае непредвиденного падения скорости потока и неспособности поддерживать корпус за счет динамических сил.
Наличие троса, связывающего корпус с анкером и установленного таким образом, чтобы линия его действия проходила через центр тяжести насосной установки, позволяет ликвидировать реактивный момент, который способен отклонить ось корпуса от горизонтали, что снизит эффективность рабочего колеса.
На фиг.1 показан общий вид насосной установки в рабочем положении; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.
Насосная установка состоит из цилиндрического полого корпуса 1, носовая часть которого выполнена обтекаемой формы и имеет отверстие. В хвостовой части корпуса с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с продольной осью корпуса, закреплено рабочее колесо 2. К ступице 3 рабочего колеса соосно ему и корпусу жестко прикреплен хвостовик 4 обтекаемой формы. В полости корпуса размещен объемный насос 5, ротор 6 которого установлен соосно со ступицей рабочего колеса и имеет с ней жесткую связь. Всасывающий патрубок 7 объемного насоса одним торцом контактирует с его корпусом, а вторым с приемным коническим трубопроводом 8. Конический трубопровод большим своим основанием выходит в отверстие корпуса насосной установки. Объемный насос состоит из корпуса 9, внутренняя полость которого представляет собой цилиндр, ротора 6 с прорезанными в нем радиальными пазами, где размещены пластины 10, прижимаемые к внутренней поверхности пружинами 11. Ось ротора смещена относительно оси внутренней полости на величину эксцентриситета е. Корпус насоса имеет отверстие А, связанное с коническим трубопроводом, и отверстие Б, связанное через напорный трубопровод с потребителем.
К корпусу насосной установки жестко прикреплен кронштейн 12, на котором установлен поплавок 13 с возможностью поворота вокруг оси 14 и фиксатор 15. Со стороны, противоположной расположению кронштейна на корпусе, размещена петля 16, посредством которой через канат 17 насосная установка связана с анкером 18.
Насосная установка работает следующим образом. При помещении в водную среду поплавок 13, имеющий внутреннюю герметичную полость, ориентируется по поверхности раздела, поддерживая установку в плавающем состоянии. Для обеспечения этого условия объем полости должен быть не менее
,
где G - вес установки;
γ - удельный вес воды.
Для предотвращения крена в продольной плоскости центр водоизмещения крыла должен находиться на одной вертикали с центром тяжести установки. Так как водная среда является динамической и имеет определенную скорость в горизонтальном направлении, а поэтому создает лобовое давление на элементы, корпус соединяется канатом 17 посредством петли 16 с анкером 18, при этом последний внедрен в материал дна водоема. Длина каната, а, следовательно, и угол α между его направлением и водной поверхностью подбираются таким образом, чтобы не появлялся реактивный момент, действующий в продольной вертикальной плоскости и вызывающий нежелательный крен установки. Для соблюдения этого условия сумма моментов равнодействующей силы от действия водной среды на поплавок и силы реакции со стороны каната относительно центра тяжести установки должна равняться нулю. Также повышение эффективности работы установки достигается определением высоты кронштейна 12. Этот параметр подбирается таким образом, чтобы лопасти рабочего колеса в верхнем секторе располагались как можно ближе к водной поверхности, т.к. именно здесь скорость потока будет максимальной.
При вращении рабочего колеса под действием энергии движущейся водной среды на его валу создается крутящий момент, который передается на ротор 6 объемного насоса 5, приводя его во вращательное движение. Водная среда попадает в отверстие носовой части корпуса и проходит по коническому трубопроводу 8, который сдавливает поток, уменьшая его сечение, и, соответственно, увеличивает его скорость, а вместе с этим увеличивает динамическую составляющую давления. Вращение ротора, приводимого в действие от энергии рабочего колеса и, частично, от действия поступающего потока, создает поток высокого давления, который затем поступает к потребителю.