ГИДРОПУЛЬСОР
HYDRAULIC PULSATOR

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 мини-ГЭС, 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, Г.Лоренц и Э. Прегер «Таран и гидропульсор», «Издание кассы взаимопомощи студентов Политехнического института Императора Петра Великого. Петроград 1915», а также гидропульсоры по авторским свидетельствам и патентам СССР класса 59 с., 17 №24710, №65722, №18057, №79816 и др.).
Конструкция гидропульсора по авторскому свидетельству №24710 может быть принята за базовый объект.
Недостатками конструкции указанного базового объекта являются:
1) наличие системы сложных и ненадежных в работе клапанов с пружинами, оказывающих большое гидравлическое сопротивление напорному потоку и, соответственно, снижающих величину развиваемого гидропульсором напора;
2) наличие воздушного клапана, необходимого для обеспечения более равномерного истечения пульсирующего потока напорной линии и обеспечения работы установки.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предусматривает устранение указанных недостатков, т.е. упрощение конструкции гидропульсора и повышение его надежности (за счет отказа от применения клапанов и воздушных колпаков) и увеличение развиваемого гидропульсором напора перекачиваемого потока.
Решение задачи достигается за счет того, что в гидропульсоре, содержащем подвод, направляющий аппарат с лопатками, рабочее колесо с лопастями, напорный отвод, отводящую трубу и радиальные и осевую опоры на валу рабочего колеса, согласно изобретению лопатки и, соответственно, каналы направляющего аппарата выполнены во взаимно смещенных секторах так, что над образованными лопатками сливными каналами размещены лопатки, образующие напорные каналы, а рабочее колесо выполнено с основными и дополнительными лопастями, образующими сливные и напорные каналы колеса, которые выполнены в смещенных по высоте секторах.
Кроме того, в напорной полости рабочего колеса над центростремительными каналами выполнены радиальные или осевые лопасти, выполняющие роль насосной ступени.
При этом выполненные на разных сторонах ведущего обода рабочего колеса смещенными по высоте секторы сливных и напорных каналов рабочего колеса при его поворотах совпадают по высоте и в плане с соответствующими выполненными взаимно смещенными в плане и по высоте секторами сливных и напорных каналов направляющего аппарата гидропульсора.
Неподвижные толстые лопатки направляющего аппарата служат не только для направления по образованным ими каналам потоков жидкости под определенным углом на лопасти турбинного рабочего колеса, но и для попеременного открытия и закрытия сливных и напорных каналов указанного колеса (подобно разгонному и рабочему клапанам гидротаранов), заменяя клапаны в известных конструкциях гидропульсоров.
При этом существенным положительным отличием предлагаемой конструкции гидропульсора является увеличение напорности подаваемого потребителю потока жидкости (при тех же диаметрах известных конструкций) за счет вращения центробежной насосной ступени двумя центростремительными турбинными ступенями (особенно сливной - за счет повышенного расхода жидкости) радиально-осевого турбинного рабочего колеса. Указанное увеличение напора подаваемого потока (а следовательно, и высоты его подачи) возрастает с увеличением расхода и напора подаваемой в гидропульсор жидкости, обеспечивающей развиваемую турбинными ступенями рабочего колеса мощность.
В известных конструкциях гидропульсоров вращающееся радиально-осевое турбинное рабочее колесо (подобно разгонному и рабочему клапанам гидротаранов) 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 закрытие напорных каналов и открытие сливных каналов.
В предлагаемой конструкции гидропульсора независимо от положения центростремительных напорных каналов при постоянном вращении рабочего колеса радиальные (или осевые) лопасти дополнительно постоянно нагнетают жидкость в напорную линию, повышая ее напор и увеличивая эффективность импульса входящей в напорные каналы жидкости.
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).
Использование предлагаемой конструкции гидропульсоров упрощает их конструкцию, повышает надежность работы и увеличивает высоту подачи нагнетаемой жидкости и, соответственно, КПД при тех же параметрах подаваемой жидкости, что и в известных конструкциях тех же габаритов.
По литературным данным использования гидропульсоров их КПД достигает 70%, а высота подачи жидкости до 100 м.
Таким образом, заявленная конструкция гидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями.
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, и др.).
Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции гидропульсора на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 изображен вертикальный разрез гидропульсора слева от оси - по напорным каналам направляющего аппарата (н.а) и рабочего колеса (р.к), а справа - по сливным каналам н.а и р.к при совпадениях соответствующих каналов, а на фиг.2 - его 3-ступенчатый горизонтальный разрез (по напорным центробежным каналам р.к - правая половина от оси окружностей на фиг.2, по напорным центростремительным каналам н.а и р.к - левая нижняя четверть фиг.2, и по центростремительным сливным каналам н.а и р.к - левая верхняя четверть фиг.2).
На фиг.3 изображен вертикальный разрез гидропульсора с осевыми лопастями в напорной области.
Данный гидропульсор включает в себя:
- подвод 1 (например, спиральный), направляющий аппарат 2 с выполненными взаимно смещенными по высоте и в плане толстыми лопатками, нижние из которых лопатки 3 образуют сливные каналы 4, и размещенными над этими сливными каналами толстыми лопатками 5, образующими напорные каналы 6 (причем лопатки 3 и 5, а следовательно, и соответствующие им сливные 4 и напорные 6 каналы взаимно смещены в разные секторы направляющего аппарата);
- вращающееся рабочее колесо 7 с турбинными основными толстыми нижними лопастями 8 и дополнительными лопастями 9 и 10, образующими сливные каналы 11 потока, и размещенными на ведущем ободе рабочего колеса гидротурбины, сверху над указанными лопастями турбинными основными толстыми лопастями 12 и дополнительными лопастями 14, между которыми образуются напорные центростремительные каналы 15, а в лопастях 12 выполнены замкнутые каналы 16, образующие дополнительные лопасти 13. Причем турбинные основные 8 и 12 и дополнительные 10 и 14 лопасти и соответствующие им сливные каналы 11 и напорные каналы 15 при смещении рабочего колеса на ширину его основной толстой лопасти по высоте и в плане совпадают с соответствующими им лопатками 3 и 5 и расположенными между ними секторами сливных 4 и напорных 6 каналов направляющего аппарата.
На закрывающей сверху напорные каналы перегородке 17 снизу выполнены центробежные насосные лопасти 18, между которыми образуются каналы 19 диагонального рабочего колеса насоса. В замкнутых каналах 16 для слива из них части напорной жидкости в разделяющем сливные и напорные каналы ведущем ободе рабочего колеса выполнены отверстия 20;
- напорный отвод 21 (например, спиральный) выполнен в одном корпусе с подводом 1;
- для слива жидкости выполнена отводящая отсасывающая труба 22;
- вал 23 рабочего колеса 7 установлен в антифрикционных радиальных опорах скольжения 24 и опирается пятой 25 на осевую опору 26. Радиальные и осевая опоры смазываются перекачиваемой жидкостью.
На фиг.3 изображен вертикальный разрез гидропульсора, отличающийся от приведенного на фиг.1 и фиг.2 только тем, что в напорной области выполнены вместо центробежных лопастей 18 осевые лопасти 27, образующие осевой насос (шнек).
При работе гидропульсора жидкость из бассейна под небольшим напором (0,5-1 м и выше) 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 расположенных в нижней части гидропульсора сливных каналов неподвижного направляющего аппарата 2 жидкость поступает во вращающееся рабочее колесо 7 на его расположенные внизу основные лопасти 8 и дополнительные лопасти 9 и 10 (приводя во вращение рабочее колесо) и по образованным этими лопастями сливным каналам 11 выходит через отводящую отсасывающую трубу 22 в нижний бьеф реки, канала и т.п.
В этом положении рабочего колеса 7 расположенные над образующими сливные каналы 11 его напорные центростремительные каналы 15 перекрыты на входе толстыми верхними лопатками 5 направляющего аппарата 2.
При повороте рабочего колеса 7 его расположенные внизу сливные каналы 11 перекрываются толстыми лопатками 3 направляющего аппарата 2 и открываются расположенные выше напорные центростремительные каналы 6 и 15. При этом жидкость из напорных каналов 6 направляющего аппарата 2 попадает на основные лопасти 12 и дополнительные лопасти 13 и 14, также приводя во вращение рабочее колесо.
Через напорные центростремительные каналы 15 жидкость поступает в кольцевую (коническую) полость вокруг вала 23 рабочего колеса 7, откуда поступает на центробежные (или осевые 27 на фиг.3) лопасти 18 и по образованным ими каналам 19 диагонального рабочего колеса с повышенным напором попадает в спиральный отвод 21.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидропульсора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при изготовлении и внедрении возобновляемых гидравлических источников энергии, т.к. способствует решению важной задачи энергосбережения.