Устройство и способ нагнетания давления текучей среды
DEVICE AND METHOD FOR FLUID MEDIUM PRESSURIZATION

Область техники
Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройствам и способам для нагнетания давления текучих сред, и может быть использовано для перекачки жидкостей, а также в конструкциях движителей в судостроении.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество решений, описывающих центробежные насосы для нагнетания давления с использованием лопастей. Однако применение лопастей является основной причиной возникновения кавитационных процессов, которые в свою очередь ограничивают максимальную скорость вращения колеса, вызывают биения и значительные радиальные нагрузки, а также приводят к повышенному износу устройства.
Известны также различные решения, использующие безлопастные дисковые насосы, применяющие принцип поверхностного трения (см., например, патент РФ RU 2285154).
Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является способ и устройство для нагнетания давления текучей среды, раскрытые в патенте Китая на полезную модель CN 2325559, опубл. 23.06.1999. Известное устройство содержит по меньшей мере одно вращающееся рабочее колесо, включающее жестко соединенные передний и задний диски с гладкими внутренними поверхностями, установленные соосно с зазором. Для нагнетания давления текучую среду (жидкость) подают через входное отверстие в упомянутый зазор, при этом за счет центробежных сил среда движется в образованном кольцевом канале и выходит со стороны боковой поверхности рабочего колеса.
Недостатком данного аналога является относительно низкая эффективность, т.к. по мере удаления среды от центра возрастает проходное сечение, вследствие чего ухудшается контакт жидкости со стенками дисков. Кроме того, диски с гладкими поверхностями могут быть использованы только для работы с высоковязкими средами, что ограничивает возможности применения способа.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретений является устранение недостатков известных аналогов.
Технический результат группы изобретений заключается в повышении эффективности и КПД перекачивания среды, равномерности и симметричности износа устройства, снижении общего износа, радиальных биений, шума, осевых нагрузок, уровня кавитации, возможности увеличения частоты вращения, повышении производительности, расширении возможностей по перекачке различных сред, в том числе жидкостей и суспензий с высоким содержанием воздуха, газов, абразивных включений.
Указанный технический результат достигается в устройстве для нагнетания давления текучей среды за счет того, что оно включает по меньшей мере одно выполненное с возможностью вращения безлопастное рабочее колесо, содержащее жестко соединенные задний и передний диски, размещенные соосно с зазором, причем в переднем диске выполнено входное отверстие для текучей среды, а на смежных торцевых поверхностях переднего и заднего дисков выполнены чередующиеся кольцевые выступы, формирующие лабиринтный канал для прохождения текучей среды от упомянутого входного отверстия к выходному отверстию, образованному упомянутым зазором между дисками, при этом указанный лабиринтный канал имеет постоянную площадь проходного сечения.
Указанный технический результат достигается в способе нагнетания давления текучей среды за счет того, что он включает осевую подачу текучей среды в по меньшей мере одно вращающееся безлопастное рабочее колесо с последующим радиальным распределением текучей среды и ее выходом в виде кольцевого потока, при этом используют рабочее колесо, содержащее жестко соединенные задний и передний диски, размещенные соосно с зазором, причем в переднем диске выполнено входное отверстие для текучей среды, а на смежных торцевых поверхностях переднего и заднего дисков выполнены чередующиеся кольцевые выступы, образующие лабиринтный канал для прохождения текучей среды от упомянутого входного отверстия к выходному отверстию, образованному упомянутым зазором между дисками, при этом указанный лабиринтный канал имеет постоянную площадь проходного сечения.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации группы изобретений, согласно которым:
- упомянутые кольцевые выступы имеют щелевые отверстия;
- передний и задний диски соединены посредством шпилек;
- в устройстве дополнительно предусмотрен привод вращения рабочего колеса.
В отличие от наиболее близкого аналога в заявленных способе и устройстве используют диски, имеющие чередующиеся кольцевые выступы, образующие лабиринтный канал для прохождения среды, за счет которого обеспечивается эффективное сцепление жидкости с рабочим колесом. При этом геометрия дисков и выступов обеспечивает неизменность суммарного проходного сечения в каждой точке по ходу движения жидкости от входного отверстия со стороны торца переднего диска до выходного отверстия со стороны боковой поверхности дисков, образованного зазором между ними. Благодаря этому разница между линейными скоростями стенок рабочего колеса и контактирующего с ними объема текучей среды, раскручиваемого в рабочем колесе, стремится к нулю, а разгон среды происходит на всей рабочей поверхности колеса при движении среды от центра к периферии. Таким образом, объем жидкости, проходящей от центра рабочего колеса через лабиринтный канал к периферии за единицу времени, равен объему, проходящему во входном и выходном отверстиях.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан вид спереди и сбоку заявленного устройства;
на фиг. 2 показан частный вариант выполнения переднего диска рабочего колеса; на фиг. 3 показан вариант судоходного гидрореактивного движителя для судов на подводных крыльях и подводных аппаратов с использованием заявленного изобретения.
Осуществление изобретения
Заявленное устройство для нагнетания давления текучей среды содержит по меньшей мере одно установленное на валу рабочее колесо (1), выполненное с возможностью вращения с использованием привода (не показан).
Рабочее колесо (1) имеет задний (2) и передний (3) диски, установленные соосно с зазором и жестко соединенные, например, посредством шпилек (4). В рамках данной заявки термины «передний» и «задний» используются относительно направления потока текучей среды. Диски предпочтительно имеют плоские торцевые поверхности. В переднем диске (3) со стороны торцевой поверхности выполнено осевое входное отверстие (5) для подачи текучей среды в зазор между дисками (1). На смежных (внутренних) торцевых поверхностях дисков (2) и (3) выполнены чередующиеся кольцевые выступы (6). Соседние кольцевые выступы (6) перекрывают друг друга с образованием в зазоре между дисками лабиринтного канала, для прохождения среды от входного отверстия (5) до выходного отверстия - кольцевой щели, образованной зазором между дисками (2) и (3) на боковой поверхности рабочего колеса (1).
Указанный лабиринтный канал образует кольцевые камеры, соединяемые отверстиями для прохода перекачиваемой текучей среды, размер которых на любом удалении от центра обеспечивает неизменность суммарного проходного сечения каждой камеры рабочего колеса. Выступы (6) выполнены таким образом, что площадь проходного сечения канала при движении среды не изменяется:
вх
1
2
N
S=S=S=…S=const,
вх
1
2
3
N
где S - площадь входного отверстия, S, S, S, … S - площади проходного сечения в разных точках канала при движении среды до выходного отверстия. В частности, постоянство площади сечения обеспечивается уменьшением зазора между дисками (2) и (3) от центра рабочего колеса (1) к его периферии.
Кольцевые выступы могут быть выполнены сплошными или иметь щелевые отверстия в виде прорезей (7) (см. фиг. 2), которые обеспечивают дополнительное сцепление жидкости с рабочим колесом. В случае щелевых отверстий (7) также должно выполняться условие неизменной площади проходного сечения канала.
Высоту кольцевых выступов и их конфигурацию подбирают исходя из режимов работы насоса (или другого устройства для нагнетания давления) и типа применяемой среды.
Заявленный способ нагнетания давления с использованием описанного устройства реализуется следующим образом.
Текучая среда (жидкость, суспензия, жидкостно-газовая среда и т.д.), попадая через входное отверстие (5) внутрь вращающегося рабочего колеса (1), под воздействием центробежных сил попеременно прижимается к кольцевым выступам (6) переднего (3) и заднего (2) дисков, двигается в неизменном объеме к периферии, последовательно поступая в камеры кольцевого лабиринтного канала, и затем выходит со стороны боковой поверхности рабочего колеса (1) в виде кольцевого потока. За счет конфигурации дисков (2), (3) с выступами (6) скорость движения среды равна скорости вращения рабочего колеса (1), что, в свою очередь, обеспечивает ее перекачку без биений и кавитации.
Отсутствие кавитации, уравновешенность рабочего колеса и возможность работы на высоких оборотах дают возможность при неизменной производительности значительно уменьшить толщину рабочего колеса (1), увеличив при необходимости диаметр.
Изобретение может быть использовано, в частности, в конструкциях судовых движителей с низким лобовым сопротивлением. Внешний корпус такого движителя выполняется с возможностью поворота относительно оси рабочего колеса и выполняет функцию рулевого управления. Использование многодвижительной симметричной компоновки позволяет вынести в носовую часть корпуса основные движители. Носовая часть корпуса в этом случае выполняется таким образом, чтобы заборные патрубки находились на месте традиционного форштевня, а реактивные струи выбрасывались вдоль скул как можно ближе к форштевню. В зависимости от скорости хода и внешних факторов (ветер, волнение и т.д.) поворотом выходных патрубков изменяются углы выброса реактивных струй относительно оси движения с целью выбора оптимального режима работы.
При использовании подобной конструкции разряжение создается по ходу судна, а нагнетание позади в отличие от традиционной компоновки, когда корпус судна по ходу движения нагнетает давление (носовой бурун), а между корпусом и винтом создается зона разряжения, из которой вода выталкивается винтами за корму.
Возможная конструкция гидрореактивного движителя для подводных аппаратов и судов на воздушных крыльях с использованием заявленного изобретения показана на фиг. 3. Конструкция движителя включает лобовой обтекатель (8) с входным патрубком (9), рабочее колесо (1) согласно заявленному изобретению, рабочую камеру-гондолу (10) с двигателем (11) и выходным соплом (12). Для преобразования вращательного движения жидкости в поступательное на внутренней поверхности рабочей камеры (10) выполнены криволинейные ребра (13). Ход жидкости в рабочей камере (10) показан короткими стрелками для случая высокой скорости вращения рабочего колеса (1) и длинными - низкой скорости вращения.