Струйный насос

Полезная модель относится к области струйной техники, в частности, к струйным насосам и может быть использована в системах аварийного и планового расхолаживания первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки для подачи в систему раствора борной воды и охлаждения бассейна выдержки.
Струйные насосы широко распространены во многих областях техники и используются для перекачивания жидкостных сред, в том числе для подачи раствора борной воды в систему аварийного охлаждения активной зоны реактора атомной электростанции. Принципиальными особенностями струйных насосов являются увеличение давления инжектируемой среды без непосредственной затраты механической энергии при исключительной простоте конструкции, а также увеличение расхода при снижении противодавления на выходе из струйного насоса.
Известны струйные насосы, содержащие рабочее сопло, приёмную камеру, цилиндрическую камеру смешения и диффузор. В данных струйных насосах для определения размеров конструктивных элементов использованы зависимости этих размеров от перепада давления между рабочей средой, инжектируемой средой и смешанной средой. Однако, в процессе смешения сред в данном случае имеются большие потери энергии (см. Соколов Е. Н. и др. "Струйные аппараты", М, Энергия, 1970, с.209).
Также известен струйный насос, в котором благодаря выбранным соотношениям площадей минимального сечения цилиндрической камеры смешения и минимального сечения рабочего сопла, отношения расстояния от выходного сечения цилиндрической камеры смешения до выходного сечения рабочего сопла к диаметру минимального сечения цилиндрической камеры смешения потери энергии при смешении сред сведены к минимуму (патент РФ №2103561, F04F 5/02).
Однако, данный струйный насос имеет ограниченный диапазон применения, в частности, он не может использоваться в гидролиниях аварийных систем атомных электростанций.
Известны струйные насосы, предназначенные для систем теплоснабжения и регулирования температуры горячей воды в системах водяного отопления, содержащие корпус с цилиндрической камерой смешения, приёмную камеру, диффузор, рабочее сопло, в котором установлен регулятор расхода рабочей среды в виде дроссельной иглы (патент РФ №2452877, F04F 5/02 и патент РФ №2406883, F04F 5/02).
Наличие регулятора в виде дроссельной иглы усложняет конструкцию струйного насоса, и может привести к тому, что частицы растворенные в рабочей среде осаждаются на элементах регулирующего узла, не защищенных от воздействия рабочей среды, что приводит к дополнительным потерям энергии, а также к ухудшению надёжности струйного насоса, из чего следует ограниченность применения подобных конструкций в аварийных системах атомных электростанций.
Из известных конструкций наиболее близкой к предложенному струйному насосу является струйный насос, описанный в патенте РФ № 55440, F04F 5/02, который был выбран в качестве прототипа. Данный струйный насос содержит корпус с установленным в нём рабочим соплом, цилиндрическую камеру смешения, диффузор, приёмную камеру, в которой установлена крестовина, сцентрированная периферийными участками лопаток по внутренней поверхности корпуса струйного насоса, а наружная поверхность выходного участка рабочего сопла и ответная внутренняя часть поверхности корпуса струйного насоса выполнены нелинейными, выпукло-вогнутыми. Недостатком известного струйного насоса является невысокая производительность. Рекомендуемое в данном струйном насосе отношение расстояния от выходного сечения рабочего сопла до входного сечения диффузора к диаметру минимального сечения цилиндрической камеры смешения, которое определяет длину цилиндрической камеры смешения, при высоких значениях давления на входе в струйный насос не является оптимальным, поскольку при таком отношении длины цилиндрической камеры смешения недостаточно для выравнивания поля скоростей смешанного потока на выходе из цилиндрической камеры смешения до его поступления в диффузор. Неустановившийся профиль скорости в свою очередь увеличивает потери в процессе преобразования кинетической энергии в потенциальную. Кроме того, наличие дополнительных лопаток и вогнуто-выпуклых поверхностей деталей насоса усложняет конструкцию струйного насоса и технологию его изготовления.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является обеспечение бескавитационной работы струйного насоса, в результате которой обеспечивается необходимый расход смешанной среды (более 615 м3/ч), подаваемой в систему аварийного охлаждения активной зоны реактора атомной электростанции, при работе этой системы в режимах планового и аварийного расхолаживания (при снижении противодавления на выходе из струйного насоса до 1,44 МПа и ниже) в диапазоне температур перекачиваемой среды от 20°С до 90°С.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что струйный насос, состоящий из рабочего сопла, приёмной камеры, цилиндрической камеры смешения и диффузора, проектируется таким образом, чтобы отношение диаметра цилиндрической камеры смешения к диаметру рабочего сопла находилось в диапазоне от 2,5 до 2,7, отношение диаметра цилиндрической камеры смешения к длине цилиндрической камеры смешения было в диапазоне от 0,15 до 0,12, отношение диаметра цилиндрической камеры смешения к длине конфузорного участка на входе в камеру смешения было в диапазоне от 0,37 до 0,25, отношение диаметра цилиндрической камеры смешения к длине диффузора было в диапазоне от 0,063 до 0,060, угол раскрытия диффузора составлял 5° и угол сужения рабочего сопла был равен 14°. Кроме того, поскольку расположение рабочего сопла относительно входа в камеру смешения значительно влияет на процесс перемешивания рабочей и инжектируемой жидкости, оптимальное значение отношения диаметра минимального сечения цилиндрической камеры смешения к расстоянию от выходного сечения рабочего сопла до входного сечения в конфузорный участок цилиндрической камеры смешения, исходя из которого можно определить положение рабочего сопла относительно цилиндрической камеры смешения, должно быть в диапазоне от 3 до 3,2.
Указанные соотношения геометрических параметров позволяют повысить кавитационные качества и увеличить располагаемый расход струйного насоса придерживаясь технологичных форм элементов конструкции. При рабочем давлении Pр на входе в рабочее сопло, равном 6,78 МПа, расходе рабочей среды Qр, равном 280 м3/ч и противодавлении на выходе из струйного насоса Pc, равном 1,44 МПа, данный струйный насос может обеспечить расход смешанной среды Qc на выходе более чем 615 м3/ч (см. таблицу 1).
Таблица 1. Результаты расчёта
Работа на холодной воде (Tводы = 20 °C)
Pc, МПа
1,58
1,48
1,46
1,44
Qc, м3/ч
536,3
604,1
616,3
631,5
Работа на горячей воде (Tводы = 90 °C)
Pc, МПа
1,58
1,48
1,46
1,44
Qc, м3/ч
536,3
604,1
616,3
624,3
Указанный технический результат достигается путем определения оптимального отношения диаметра цилиндрической камеры смешения d3 к диаметру рабочего сопла d1 , значение которого находится в диапазоне от 2,5 до 2,7, и определения основных геометрических размеров струйного насоса в зависимости от этого отношения: длина цилиндрической камеры смешения из отношения d3/lкс, значение которого находится в диапазоне от 0,15 до 0,12, длина конфузорного участка на входе в цилиндрическую камеру смешения из отношения d3/lк, значение которого находится в диапазоне от 0,37 до 0,25, длина диффузора из отношения d3/lд, значение которого находится в диапазоне от 0,063 до 0,060, расстояние от выходного сечения рабочего сопла до входа в конфузорный участок на входе в цилиндрическую камеру смешения из отношения d3/lск, значение которого находится в диапазоне от 3 до 3,2, а также определением оптимального угла раскрытия диффузора β_д, составляющего 5°, и угла сужения рабочего сопла β_с, равного 14°.
На прилагаемом к описанию чертеже представлена проточная часть струйного насоса, состоящая из рабочего сопла 1, приёмной камеры 2, цилиндрической камеры смешения 4 и диффузора 4.
Работа струйного насоса осуществляется следующим образом: потоки рабочей и инжектируемой сред через рабочее сопло 1 и приёмную камеру 2 соответственно поступают в камеру смешения 3, где происходит выравнивание скоростей, сопровождающееся повышением давления. Из камеры смешения поток поступает в диффузор 4, где происходит дальнейший рост давления. Давление смешанного потока на выходе из диффузора выше давления инжектируемого потока, поступающего в приёмную камеру.
Данный насос обеспечивает надёжную работу систем расхолаживания и охлаждения при работе в плановых и аварийных режимах – при давлении на входе более 6,78 МПа и до 1,44 МПа на выходе.