МАГНИТОГИДРОПУЛЬСОР
MAGNETIC HYDRAULIC PULSER

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 миниГЭС, накопления воды в судовых шлюзах и т.д.
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, Ф.В. Конради «Гидропульсор» Ташкент 1939 г., а также гидропульсоры по авторским свидетельствам и патентам СССР класса 59 с, 17 №24710, №65722, №18057, №79816 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 установленное на валу 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 радиально-осевого рабочего колеса для обеспечения надежной работы его центробежной насосной ступени и импульсной подачи жидкости в колесо.
2) Невозможность изменять выходные параметры в одинаковых по конструктивному исполнению форм и размеров гидропульсорах.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предусматривает устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение повышенных выходных параметров и возможности изменения 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 этими каналами лопатками, образующими центростремительные напорные каналы, и установленное на валу рабочее колесо с лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в диффузор отсасывающей трубы с размещенными над напорными каналами радиальными лопастями центробежной напорной насосной ступени колеса:
- в лопатках направляющего аппарата размещены электромагниты, обмотки которых соединены через коммутатор реверса тока с источником тока, установленным на общем валу низкооборотным генератором, содержащим датчик положения ротора, а в лопастях, образующих сливные и напорные каналы рабочего колеса, установлены постоянные магниты;
- установленные в лопастях рабочего колеса постоянные магниты закреплены на осях с возможностью поворотов вокруг них.
Указанное устройство конструкции за счет силового взаимодействия (притяжения и отталкивания) электромагнитов (ЭМ), размещенных в лопатках направляющего аппарата (НА), с постоянными магнитами (ПМ), размещенными в лопастях рабочего колеса (РК), обеспечивает увеличение вращающего момента на РК, а следовательно, и увеличение выходных параметров (напора и подачи) магнитогидропульсора. Преобразование энергии электромагнитных и магнитных полей ЭМ И ПМ в механическую энергию вращения колеса магнитогидропульсора обеспечивается созданием неоднородности магнитных полей и коммутации их во времени и пространстве за счет использования датчиков положения ротора (лопастей РК).
Сила притяжения магнита зависит от величины его магнитного потока, который определяется конструктивно качеством его магнитной цепи и количеством витков обмотки индуктивности, а также величиной тока, проходящего через обмотки ЭМ.
Изменение выходных параметров в магнитопульсорах, конструктивно выполненных по форме и размерам одинаковыми, может быть осуществлено изменением параметров входящих в них конструктивных элементов:
- применением улучшенных ферромагнитных сталей (с содержанием неодима, бора, вольфрама и т.д.) для сердечников обмоток ЭМ, расположенных в лопатках НА, и уменьшением воздушных участков между ЭМ и ПМ для увеличения магнитной проницаемости цепи и, следовательно, уменьшения магнитного сопротивления;
- увеличением числа витков обмотки электромагнитов на той же длине вторым или даже третьим рядом, т.к. чем больше число витков обмотки, тем больше при данном токе создается вокруг этой обмотки магнитное поле, т.к оно слагается из магнитных полей каждого витка;
- применением источников тока (например, батарей) с повышенным напряжением для увеличения силы тока в обмотках ЭМ, что обеспечит увеличение силы притяжения (отталкивания) ЭМ и их магнитодвижущей силы (равной произведению силы тока на число витков обмотки).
При этом при вращении РК внутри НА сила взаимного сдвига ЭМ И ПМ, исходно соединенных разноименными полюсами между собой, во много раз меньше силы, необходимой для отрыва этих магнитов друг от друга по прямой линии.
Кроме того, вместо обычных ЭМ для увеличения сил взаимного притяжения и отталкивания ЭМ И ПМ возможно применение поляризованных электромагнитов (комбинация ЭМ и ПМ с полюсными надставками с обмотками).
А плавное регулирование магнитодвижущих сил ЭМ в лопатках НА, а следовательно, и регулирование гидравлических параметров на выходе магнитогидропульсора возможно изменением силы тока в обмотках ЭМ регулирующим его устройством.
При размещении в лопатках НА, например, двух электромагнитов, для исключения их взаимодействия, между ними устанавливается магнитный экран.
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 радиально-осевые 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 каналов и открытия сливных каналов.
Описанные процессы постоянно повторяются, а жидкость в подводящей системе гидропульсора (труба и подвод, например, спиральный) пульсирует между наивысшей и наинизшей скоростями движения без ударов (в отличие от гидротаранов).
При этом существенным положительным отличием предлагаемой конструкции магнитогидропульсора является увеличение напорности подаваемого потребителю потока жидкости (при тех же диаметрах известных конструкций) за счет усиленного вращающего момента, прилагаемого к РК, образованного сложением гидравлических сил на лопастях двух центростремительных турбинных ступеней РК и магнитодвижущих сил между ЭМ в лопатках НА и ПМ в лопастях РК.
Для питания индуктивных обмоток ЭМ могут применяться батареи, аккумуляторы или низкооборотные слаботочные генераторы тока (например, 15÷100 об/мин, 10-20 вольт), установленные на валу магнитогидропульсора. В этом случае могут использоваться, например, бесконтактные генераторы постоянного тока (ротор в виде постоянного магнита) с датчиком положения ротора (например, индуктивным), выполненным в одном корпусе с генератором (или отдельно на общем валу) и предназначенным для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках. Подобные коммутаторы реверса направления тока в обмотках ЭМ устанавливаются на валу магнитогидропульсора и при использовании батарей постоянного тока.
При этом мощность, отбираемая генератором с вала магнитогидропульсора, намного меньше мощности, создаваемой магнитодвижущей силой между ЭМ в лопатках НА и ПМ в лопастях вращающегося РК.
Для увеличения магнитной проницаемости цепи ЭМ-ПМ между ними в местах их расположения в лопатках НА и в лопастях РК устанавливаются тонкие перегородки из немагнитных материалов (нержавеющие стали, титан и т.д.).
В случае изготовления лопаток НА и лопастей РК полностью из немагнитных материалов (например, композитов, стеклопластиков и т.п.) необходимость выполнения отдельно указанных перегородок отпадает.
Кроме того, для лучшего взаимодействия ЭМ и ПМ при вращении РК в его лопастях ПМ устанавливаются на осях с возможностью поворачиваться своими полюсами навстречу (или противоположно) разноименным (одноименным) полюсам ЭМ.
Для увеличения развиваемых магнитогидропульсором напора и подачи жидкости возможно выполнение дополнительного центростремительного напорного ряда лопаток НА с электромагнитами и соответствующего ряда лопастей РК с постоянными магнитами, взаимодействие магнитных полей которых будет усиливать вращающий момент РК.
Использование предлагаемой конструкции магнитогидропульсоров с увеличенными параметрами напора и расхода на выходе повышает надежность работы и увеличивает КПД при тех же параметрах подаваемой жидкости, что и в известных конструкциях гидропульсоров тех же габаритов.
Таким образом, заявленная конструкция магнитогидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями гидропульсоров.
Данные, подтверждающие достоверность достижения решения указанной задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, Г. Лоренц и Э. Прегер «Таран и гидропульсор», В.Н. Ростовцев «Утилизация малых падений вод» Издание А.Ф. Девриена Петроград 1916 г., Ф.В. Конради «Гидропульсор» Ташкент 1939 г. Дудышев В.Д. «Явление прямого преобразования энергии магнитных полей постоянных магнитов в иные виды энергий» Новая энергетика 3/2004 г, Каулин В.Д. и др. «Вентильные электродвигатели малой мощности» Л. Энергоиздат 1988 г.и др.).
Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции гидропульсора на фиг. 1-7.
На чертеже фиг. 1 изображен вертикальный разрез магнитогидропульсора. На чертеже фиг. 2 изображены:
- разрез (А-А справа) по напорным центробежным каналам насосной ступени РК (правая верхняя четверть фиг. 2) и по напорным центростремительным каналам гидротурбинной ступени РК (правая нижняя четверть фиг. 2).
- разрез по сливным центростремительным каналам гидротурбинной ступени РК (Б-Б слева) - левая половина фиг. 2.
На чертежах фиг. 3 (вертикальный разрез) и фиг. 4 (горизонтальный разрез) изображены верхние лопатки направляющего аппарата с размещенными в них электромагнитами и верхние лопасти центростремительной ступени рабочего колеса с установленными в них подвижными постоянными магнитами.
На чертежах фиг. 5 (вертикальный разрез) и фиг. 6 (горизонтальный разрез) изображены нижние лопатки направляющего аппарата с размещенными в них электромагнитами и нижние лопасти центростремительной ступени рабочего колеса с установленными в них подвижными постоянными магнитами.
На чертеже фиг. 7 изображена циклограмма чередования магнитных полюсов электромагнитов статора (направляющего аппарата) и постоянных магнитов ротора (рабочего колеса) в зазоре между ними за 1 оборот верхней лопасти рабочего колеса. Данный магнитогидропульсор включает в себя:
- подвод 1 (например, спиральный);
- направляющий аппарат 2 с лопатками 3, образующими центростремительные сливные каналы 4, размещенными над этими каналами 4 лопатками 5, образующими центростремительные напорные каналы 6. Направляющий аппарат 2 установлен в спиральном подводе 1 на опоре 7;
- рабочее колесо 8 с ведущим диском 9 и выполненными на нем нижними основными лопастями 10, образующими центростремительные гидротурбинные сливные каналы 11, с расположенными в них дополнительными лопастями 12 и верхними основными лопастями 13, образующими центростремительные гидротурбинные напорные каналы 14, с расположенными в них дополнительными лопастями 15. В лопастях 10 и 13 размещены постоянные магниты 16 на осях 17 с возможностью поворотов вокруг них. На закрывающей сверху рабочее колесо перегородке 18 снизу выполнены центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20;
- напорный отвод 21 (например, спиральный) выполнен в одном корпусе с подводом 1;
- вал 22 рабочего колеса установлен в антифрикционных опорах 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25. Радиальные и осевая опоры скольжения смазываются перекачиваемой жидкостью;
- отсасывающая труба 26 для слива жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 укреплена на опоре 7;
- в лопатках 3 и 5 направляющего аппарата 2 установлены электромагниты 27, разделенные магнитными экранами 28;
- между электромагнитами 27 в лопатках 3 и 5 и постоянными магнитами 16 в лопастях 10 и13 выполнены тонкие перегородки 29 и 30 из немагнитных материалов;
- на общем валу магнитогидропульсора установлен низкооборотный генератор тока 31, содержащий датчик положения ротора и соединенный с коммутатором реверса тока 32 в обмотки электромагнитов 27.
При работе гидропульсора жидкость с верхнего бьефа (водозабора) бассейна под напором подается по трубе в подвод 1, из которого попадает в направляющий аппарат 2 и проходит между его лопатками 3 в сливные каналы 4, а между лопатками 5 в напорные каналы 6.
Из сливных каналов 4 неподвижного направляющего аппарата 2 жидкость поступает на лопасти 10 и 12 гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, приводя его во вращение, затем проходит через его сливные каналы 11 в отсасывающую трубу 26.
В этом положении рабочего колеса 8 расположенные над сливными каналами 4 его напорные центростремительные каналы 14 перекрыты на входе неподвижными верхними лопатками 5 направляющего аппарата 2.
При повороте рабочего колеса 8 на ширину его основной лопасти расположенные внизу сливные каналы 11 перекрываются на входе неподвижными нижними лопатками 3 направляющего аппарата 2 и открываются его расположенные выше напорные центростремительные каналы 14, после чего жидкость из напорных каналов 6 направляющего аппарата 2 попадает на лопасти 13 и 15 еще одной гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, также приводя его во вращение, а затем проходит в центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20.
В указанном положении рабочего колеса (открыты верхние напорные центростремительные каналы 14) установленные в верхних лопатках 5 направляющего аппарата 2 электромагниты 27 вследствие определенного направления тока в этот момент в своих обмотках (что достигается за счет переключения коммутатора реверса тока от датчиков положения ротора) взаимодействуют своим электромагнитным полем с магнитным полем постоянных магнитов 16, установленных в лопастях 13.
При этом всегда направленные вперед по ходу вращения южные полюса S постоянных магнитов 16 притягиваются северными полюсами N электромагнитов 27, поворачиваясь вокруг своих осей 17 к ним и создавая направленные по ходу вращения на осях 17 силы, дополнительно к гидравлическим силам на лопастях, направленных также по ходу вращения, и образуя усиленный вращающий момент на рабочем колесе магнитогидропульсора. В момент совпадения разноименных магнитных полюсов в зазоре между электромагнитами статора - направляющего аппарата 2 и постоянными магнитами ротора - рабочего колеса 8 изменяется направление тока в обмотках электромагнитов и магнитные полюса в этом зазоре становятся одноименными, в результате чего силами магнитного отталкивания ротор получает опять момент по ходу его вращения. Зоны моментов переключения направления токов обмотках («мертвых» точек) массивный ротор проходит без скачков момента по инерции и под действием гидравлических сил на лопасти рабочего колеса.
В моменты изменения направления тока в обмотках электромагнитов 27 постоянные магниты 16 за счет совместного взаимодействия их магнитных полей поворачиваются вокруг своих осей 17 так, что их магнитные полюса становятся взаимно одноименными или разноименными с полюсами электромагнитов в зазоре между ними.
Причем при изменении скорости вращения рабочего колеса 8 автоматически изменяется и частота реверсов электрического тока в обмотках электромагнитов благодаря наличию в этой электромеханической системе связи через коммутатор и датчик положения ротора.
Непрерывное чередование сил притяжения-отталкивания полюсов электромагнитов и постоянных магнитов на разных участках траектории полного оборота рабочего колеса обеспечивает усиленный, дополнительно к гидравлическому, вращающий момент на роторе и, соответственно, повышенные гидравлические параметры на выходе магнитогидропульсора.
После центробежной насосной ступени рабочего колеса 8 жидкость попадает в спиральный напорный отвод 21 и затем в напорную трубу.
Рабочее колесо 8 установлено на валу 22, который вращается в антифрикционных радиальных опорах скольжения 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25, смазывающиеся перекачиваемой жидкостью.
Слив жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 происходит через отсасывающую трубу 26.
Таким образом, предлагаемая конструкция магнитогидропульсора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при внедрении возобновляемых гидравлических источников энергии, способствуя решению задач энергосбережения.