НАСОСНО-СТРУЙНЫЙ АППАРАТ
PUMP-JET UNIT

Изобретение относится к области насосостроения, компрессоростроения и вакуумных устройств и может быть использовано в качестве вакуум-насоса или компрессора.
Известна струйная насосно-компрессорная установка, содержащая вал, корпус с внутренней рабочей камерой и размещенным в ней лопастным колесом, тангенциально установленное сопло, диффузор, соединенный с тангенциальным выходом рабочей камеры, и всасывающий патрубок, установленный соосно с лопастным колесом (авт.св. №1733714, МКИ F04F 5/54, оп. 15.05.1992).
Недостатком аналога является относительно невысокий коэффициент полезного действия.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является струйная насосно-компрессорная установка, содержащая вал, корпус с внутренней рабочей камерой и размещенным в ней лопастным колесом, тангенциально установленное сопло, диффузор, соединенный с тангенциальным выходом рабочей камеры, и всасывающий патрубок, установленный соосно с лопастным колесом. Рабочая камера имеет дополнительную секцию в виде патрубка, установленного между диффузором и тангенциальным выходом из рабочей камеры (пат. РФ №2163984, МКИ F04F 5/54, оп. 10.03.2001).
Недостатками прототипа являются: невысокий КПД, необходимость замены сопла для регулирования расхода жидкости, что приводит к необходимости остановки работы насосно-компрессорной установки, и увеличенные габариты конструкции ввиду того, что дополнительная секция в виде патрубка и диффузор вынесены снаружи.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение КПД, увеличение длительности работы аппарата и уменьшение ее габаритов.
Указанная задача решается насосно-струйным аппаратом, содержащим вал, корпус с внутренней рабочей камерой и размещенным в ней колесом, всасывающий патрубок, установленный соосно с колесом, тангенциальный патрубок рабочей жидкости и диффузор, в котором, согласно изобретению, колесо имеет радиальные каналы, по меньшей мере два, и размещено внутри кольцевого смесительного блока, установленного в рабочей камере, в котором выполнены камеры смешения, по меньшей мере две, причем выходы радиальных каналов колеса сообщены с входами камер смешения посредством кольцевого зазора между колесом и кольцевым смесительным блоком, при этом диффузор выполнен в форме спирали, охватывающей кольцевой смесительный блок и объединяющей выходы камер смешения, а тангенциальный патрубок рабочей жидкости установлен на стороне всасывания колеса перед уплотнением вала.
Радиальные каналы колеса могут быть выполнены цилиндрической формы или с сужением на выходе или частично открытыми.
Также радиальные каналы колеса могут быть выполнены частично открытыми цилиндрической формы с сужением на выходе.
Целесообразно камеры смешения в кольцевом смесительном блоке выполнить таким образом, чтобы угол между осями камер смешения и радиусами, пересекающими оси камер на внутренней окружности кольцевого смесительного блока, был равен углу, образованному между результирующим вектором скорости рабочей жидкости и осью радиального канала колеса.
Камеры смешения могут быть выполнены с внутренней конусностью на входе.
Плоскость расположения осей камер смешения может быть смещена относительно плоскости расположения осей радиальных каналов колеса.
Размещение колеса с каналами внутри смесительного блока таким образом, что выходы каналов сообщены с входами в камеры смешения, способствует подаче рабочей жидкости импульсами и уменьшению обратных перетоков, что предопределяет длительную и стабильную работу насосно-струйного аппарата.
Определенное количество каналов колеса, равно как и камер смешения, позволяет задавать определенный расход рабочей жидкости и, соответственно, производительность аппарата.
Выполнение частично открытых радиальных каналов колеса цилиндрической формы с сужением на выходе позволяет получить дополнительный прирост скоростного напора рабочей жидкости на выходе из колеса, что способствует повышению КПД.
Выполнение диффузора в форме спирали, охватывающей кольцевой смесительный блок и объединяющей выходы камер смешения, позволяет уменьшить габариты и сделать его более компактным.
Смещение плоскости расположения осей камер смешения относительно плоскости расположения осей радиальных каналов колеса позволяет обеспечить полное перекрытие сечений камер смешения и избежать обратных перетоков газожидкостной смеси.
Сопоставительный анализ с прототипом выявил наличие новой формы колеса (с радиальными каналами), новую форму узла смешения (в виде кольцевого смесительного блока с камерами смешения цилиндрической формы), а также их взаимное расположение (колесо внутри кольцевого смесительного блока) и наличие связей между радиальными каналами колеса и камерами смешения (посредством кольцевого зазора между колесом и смесительным блоком), поэтому можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Поиск по отличительным признакам выявил изобретение по авт. св. №620674 (оп. 25.08.78, МКИ2 F04D 29/18), в котором заявлено центробежное колесо с радиальными каналами цилиндрической формы, выполненными частично открытыми по образующим на одной из боковых сторон колеса, что вызывает образование дополнительного вихревого движения жидкости и способствует повышению напора и КПД.
В колесе предлагаемого насосно-струйного аппарата также выполнены частично открытые радиальные каналы цилиндрической формы, однако они сужены на выходе и образуют с неподвижной внутренней стенкой корпуса сопла, выходы которых сообщены с входами в камеры смешения, расположенные в смесительном блоке, посредством кольцевого зазора между колесом и кольцевым смесительным блоком. Указанная совокупность признаков позволяет получить новый технический результат, заключающийся в том, что рабочая жидкость, выходящая из колеса, имеет дозвуковую или сверхзвуковую скорость истечения, которая без трансформации в давление непосредственно идет на захват и повышение давления инжектируемой среды в камерах смешения, что способствует повышению КПД.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и фиг.2.). На фиг.1 показан общий вид, на фиг.2 - разрез по А-А.
Насосно-струйный аппарат содержит двигатель 1, вал 2, корпус 3 с внутренней рабочей камерой 4 и размещенным в ней колесом 5, всасывающий патрубок 6 для инжектируемой среды, который установлен соосно с колесом 5. На внутренней поверхности колеса 5 выполнены шестнадцать частично открытых цилиндрических радиальных каналов 7 с сужением на выходе путем установки втулок 8. Колесо 5 размещено внутри кольцевого смесительного блока 9, содержащего шестнадцать камер смешения 10 цилиндрической формы с внутренней конусностью на входе. При этом колесо 5 размещено в кольцевом смесительном блоке таким образом, что выходы каналов 7 сообщены с входами камер смешения 10 с помощью кольцевого зазора 11 между колесом и кольцевым смесительным блоком. Угол между осями камер смешения 10 и радиусами, пересекающими оси камер на внутренней окружности смесительного блока 9, равен углу, образованному между результирующим вектором скорости рабочего потока и осью канала колеса 5 и составляет 137 градусов, плоскость расположения осей камер смешения 10 совпадает с плоскостью расположения осей каналов колеса 5. С внешней стороны кольцевого смесительного блока 9 расположен диффузор 12, выполненный в виде спирали (улиты), охватывающей кольцевой смесительный блок 9 и объединяющей выходы камер смешения 10. Патрубок 13 с тангенциальным вводом рабочей жидкости установлен перед уплотнением 14 вала 2 на стороне всасывания колеса 5.
Насосно-струйный аппарат работает следующим образом. Рабочая жидкость, например вода или дизельное топливо, подается в патрубок 13 с тангенциальным вводом, установленный перед уплотнением 14 вала 2, на прием колеса 5. В колесе 5, радиальные каналы 7 которого выполнены частично открытыми цилиндрической формы с сужением на выходе путем установки втулок 8, при силовом воздействии на рабочую жидкость увеличивается только динамическая составляющая давления в потоке рабочей жидкости, а также происходит закручивание потока рабочей жидкости при взаимодействии со стенкой рабочей камеры 4 и поверхностью каналов 7 колеса 5. Рабочая жидкость подается таким образом, чтобы ее направление совпадало с направлением закручивания рабочей жидкости в колесе 5.
Выходящая из колеса 5 закрученная рабочая жидкость с дозвуковой или сверхзвуковой скоростью, в зависимости от требуемой производительности, попадает в кольцевой зазор 11 (приемную камеру), где за счет высокой скорости потока, завихрения, максимально возможного перекрытия поперечного сечения камер смешения 10 и создаваемого разрежения в кольцевом зазоре 11 происходит увлечение инжектируемой среды в камеры смешения 10. Подача рабочей жидкости в камеры смешения 10 осуществляется импульсно, при этом число каналов и число оборотов колеса 5 определяет частоту пульсаций. В камерах смешения 10 происходит интенсивное перемешивание рабочей жидкости с инжектируемой средой и частичное торможение потока газожидкостной смеси, сопровождаемое повышением давления. Смешанный поток из камер смешения 10 поступает в один общий диффузор 12, выполненный в виде спирали (улиты), что уменьшает габариты конструкции, где происходит дальнейшее перемешивание и повышение давления газожидкостной смеси при уменьшении скорости течения смеси.
Изменением числа оборотов или диаметра колеса 5, числа или размеров каналов 7 рабочего колеса 5 или при их совместном применении производится регулирование расхода рабочей жидкости и, соответственно, производительности насосно-струйного аппарата без необходимости его остановки, что увеличивает длительность работы аппарата.
С целью полного перекрытия сечения камер смешения 10 и предотвращения обратных перетоков газожидкостной смеси возможно смещение плоскости расположения осей камер смешения 10 относительно плоскости расположения осей радиальных каналов 7 колеса 5.
Таким образом предлагаемое изобретение благодаря особенностям конструкции основных узлов позволяет, по сравнению с прототипом, повысить КПД и увеличить длительность работы. Кроме того, предлагаемый аппарат имеет малые габариты, компактен и может быть использован в любой технологической схеме при создании вакуума или повышении давления газа.