КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

К заявке № 2008127142/06
Колесо центробежное энергоустановки
Полезная модель относится к области гидронасосов или других устройств, содержащих в качестве основного рабочего элемента центробежное колесо. Более конкретно, предлагаемая полезная модель относится к энергоустановкам вихревого типа, преобразующим механическим способом, с помощью центробежного колеса энергию электрического тока в тепловую энергию жидкости.
Такие энергоустановки применяются в закрытых автономных системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения объектов, в том числе на транспорте, а так же в технологических процессах нагрева жидкости и воздуха.
Известен ряд энергоустановок с колесом центробежным для преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости: RU 2094711, RU 2160417 С2, RU 2197688, RU 2201562, RU 2258875, RU 2257514, RU 2270965, и другие.
Наиболее близким к полезной модели является колесо центробежное, выполненное двухпоточным, в виде диска, в котором выполнено центральное отверстие для вала, радиальные каналы с конфузорами на выходе, чередующимися с лопатками, расположенными по периметру колеса, и двухсторонний осевой вход в радиальные каналы (RU 2006142667 А1, Исаев С.К., Исаев П.С., опубл. 27.05.2008, представленное на фиг.1-2).
Это колесо центробежное было разработано и изготовлено авторами с целью повышения эффективности процесса нагрева жидкости до температуры 90-95°С.
Проведенные испытания этого колеса в специальной экспериментальной стендовой энергоустановке вихревого типа показали, по сравнению с колесами аналогами, достаточно высокую эффективность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости. Значения теплового коэффициента полезного действия в зависимости от частоты вращения колеса составили 0.93-0.95
Это колесо достаточно эффективно работает в энергоустановке с невысокими скоростями вращения, примерно до 750 до 1500 об/мин. Попытки интенсифицировать этим колесом процесс нагрева жидкости до парообразования, за счет дальнейшего увеличения скорости его вращения, выявили два существенных недостатка данного колеса центробежного.
Первый недостаток обусловлен наличием лопаток, создающих вместе с корпусом колеса и конфузорами дополнительное внешнее гидродинамическое сопротивление вращению колеса центробежного.
Второй недостаток обусловлен гидродинамическим проточным трактом колеса центробежного, выполненным двухпоточным, с двухсторонним осевым входом в радиальные каналы.
Принимая колесо центробежное по RU 2006142667 А1 в качестве прототипа, рассмотрим эти недостатки на примере конкретных исследований работы данного колеса, проведенных авторами данной Заявки на экспериментальной стендовой энергоустановке вихревого типа.
Анализ различных режимов работы колеса-прототипа показал, что нагрев жидкости в энергоустановке происходит вследствие воздействия на жидкость трех факторов.
Фактор первый - механическое трение жидкости, находящейся в энергоустановке: между слоями жидкости, при ее интенсивном перемешивании внутри корпуса, а также трение о стенки корпуса, и о вращающееся колесо с конфузорами и лопатками.
Фактор второй - кинетический удар струй жидкости, выходящих из каналов колеса через конфузоры о специально спрофилированную стенку статора. Фактор третий - кавитационные процессы в жидкости, обусловленные механическим и гидродинамическим воздействием на жидкость лопаток колеса и статора одновременно.
Основные вклады в процесс нагрева жидкости дают второй и третий факторы, и обусловлены эти два вклада процессами, происходящими внутри колеса и снаружи.
Первый фактор в незначительной степени зависит от гидродинамических процессов внутри колеса, и его положительный вклад в преобразование энергии очень мал, не более 1%. Этим можно было бы пренебречь, но результаты испытаний колеса по RU 2006142667 А1 позволили посмотреть на этот фактор совсем иначе.
Очевидно, что имеющиеся в конструкции этого колеса радиально расположенные лопатки, окруженные жидкостью, с увеличением скорости его вращения создают существенное гидродинамическое сопротивление. На практике это проявляется следующим образом.
При включении электродвигателя энергоустановки, колесо, полностью погруженное в жидкость, начинает вращаться. Возникающее при этом большое внешнее гидродинамическое сопротивление, обусловленное в первую очередь лопатками колеса, приводит к резкому и значительному нарастанию тока на обмотках электродвигателя, в несколько раз большему допустимого. Электродвигатель начинает сильно нагреваться и отключается автоматикой управления по причине перегрева, так и не выйдя на требуемый режим работы. В таком случае колесо приходится разгонять, начиная с небольших, примерно 1000-1500 оборотов в минуту, постепенно наращивая их до необходимого значения, или использовать электродвигатель с большим запасом, в разы, по мощности, что также сопряжено с неоправданным увеличением затрат энергии.
Кроме преодоления гидродинамического сопротивления лопаток, существенная доля энергии электродвигателя расходуется на преодоление сил трения корпуса колеса и конфузоров с жидкостью, поступающей в энергоустановку и находящейся вокруг колеса, а также на сопутствующую, ничем неоправданную раскрутку этой «присоединенной массы» жидкости внутри корпуса энергоустановки.
Учитывая, что энергоустановка такого типа, как правило, постоянно не работает, а включается и выключается в сканирующем режиме, отслеживая температуру подогреваемой жидкости, то становится очевидным, что все затраты энергии на преодоление сопротивления жидкости, находящейся в энергоустановке вокруг колеса существенно снижают ее эффективность, и лопатки колеса центробежного в этом доминируют.
С другой стороны, эти лопатки выполняют крайне важную функцию для второго и третьего факторов:
- создают локальное разрежение в зоне выхода струй жидкости из конфузоров, что устраняет противодавление окружающей среды, обеспечивая тем самым сохранение кинетического импульса струй до момента встречи их со стенкой статора;
- освобождают поверхность стенки статора в зоне удара струй жидкости, от жидкости, уже находящейся в корпусе энергоустановки, что делает удар струй жидкости более упругим и эффективным, а не погашенным в толще слоя вращающейся массы жидкости;
- создают в совокупности со статором, выполненным специальным образом, высокочастотную гидродинамическую пульсацию, гидроудары в жидкости.
Обобщая последнее, можно сказать, что лопатки колеса в совокупности со статором, создают в процессе вращения колеса в корпусе энергоустановки особую, локальную «активную рабочую зону», и имеют исключительно важное значение для реализации второго и третьего факторов, определяющих эффективность процесса преобразования энергии, и вместе с тем, существенно ухудшают гидродинамические характеристики колеса и энергоустановки в целом.
Выход очевиден - жидкость, поступающая в энергоустановку вихревого типа не должна попадать в корпус и заполнять его. Проходя только по гидродинамическому проточному тракту внутри центробежного колеса, и выходя из него через конфузоры, после удара о стенку статора, не скапливаясь вокруг колеса, и не создавая дополнительное внешнее гидродинамическое сопротивление колесу, жидкость должна вся отводиться из корпуса.
Так, из практики эксперимента возникла концепция, определяющая условия работы колеса центробежного. Концепция - «сухое колесо».
Попытки промоделировать работу рассматриваемого колеса по концепции «сухое колесо» на экспериментальной стендовой энергоустановке выявили его второй конструктивный недостаток, заключающийся в выполнении его гидродинамического проточного тракта двухпоточным, с двухсторонним осевым входом в радиальные каналы.
В процессе испытаний этого колеса было обнаружено следующее. При частоте вращения 2000 об/мин, и более процесс нагрева жидкости становился настолько интенсивным, что с первых секунд работы энергоустановки, вокруг колеса образовывался паровой пузырь, который быстро попадал в гидродинамический проточный тракт колеса, создавая в нем паровую пробку, что приводило к нарушению режима работы и колеса, и энергоустановки.
Известно, что с воздушными пробками борются с помощью продувки или прокачки гидромагистралей установки непосредственно перед ее запуском. С паровой пробкой бороться значительно сложнее, а если она образовалась в гидродинамическом тракте колеса в процессе его работы, то и бесполезно. Образуется она в процессе работы установки в зависимости от интенсивности работы колеса, непредсказуема по времени и месту возникновения, и месту «базирования». Сложность конфигурации проточного тракта всей энергоустановки, включая и колесо центробежное, не позволяет эффективно решать проблему паровой пробки с помощью клапанов и компенсаторов давления.
Практика разработки колеса центробежного для интенсивного преобразования энергии показывает, что решение этой проблемы должно быть комплексным, как по конструкции колеса, так и по условиям его функционирования.
Для получения высокой интенсивности преобразования энергии при высоких скоростях вращения колеса центробежного, оно должно быть выполнено однопоточным, с гидродинамическим проточным трактом, имеющим односторонний осевой вход, единый для всех радиальных каналов колеса. Единый осевой вход позволяет обеспечить его достаточно герметичное, бесконтактное соединение с входным патрубком энергоустановки посредством уплотнения лабиринтного типа.
Такое соединение, с одной стороны, достаточно эффективно препятствует попаданию жидкости из входной магистрали энергоустановки на внешнюю сторону вращающегося колеса с лопатками и на статор, а с другой стороны, достаточно эффективно препятствуют проникновению давления насыщенных паров жидкости из корпуса энергоустановки в гидродинамический проточный тракт колеса центробежного, и образованию в нем паровой пробки. При этом, колесо работает в корпусе, не заполненном жидкостью, то есть, по концепции «сухое колесо», что позволит существенно уменьшить затраты энергии электродвигателя из-за отсутствия внешнего гидродинамического сопротивления, оказываемого колесу «присоединенной массой» жидкости.
Замена уплотнения лабиринтного типа на сальниковое не целесообразна, так как сальниковое уплотнение контактное и имеет ограниченный ресурс со всеми последствиями.
Испытывая колесо центробежное, доработанное с учетом вышеприведенных замечаний и требований, удалось реализовать режим его работы по концепции «сухое колесо», который показал, что преобразование энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости происходит с максимально высокой интенсивностью и эффективностью, если колесо снаружи не соприкасается с жидкостью. Жидкость проходила только по гидродинамическому проточному тракту внутри колеса, через односторонний осевой вход, каналы с конфузорами, а затем в виде смеси жидкости и пара в гидросистему энергоустановки, не касаясь колеса. В этом случае, даже на относительно небольших оборотах вращения колеса, чуть более 2000 об/мин., было получено преобразование жидкости в пар за один ее проход через радиальные каналы колеса.
Технический результат от использования предложенной конструкции колеса центробежного энергоустановки состоит в существенном повышении интенсификации процесса нагрева жидкости за счет повышения силы гидравлического удара и гидродинамической кавитации жидкости при увеличении скорости вращения колеса до 2000-3000 об/мин, и более, а также в уменьшении затрат энергии для вращения колеса за счет устранения действующего на колесо внешнего гидродинамического сопротивления жидкости.
Указанный технический результат достигается выполнением колеса центробежного однопоточным, с односторонним осевым входом, единым для всех радиальных каналов, а также выполнением вокруг осевого входа чередующихся между собой концентрических выступов и углублений, образующих уплотнение лабиринтного типа для бесконтактного соединения осевого входа колеса с корпусом энергоустановки.
Выполнение одностороннего осевого входа, бесконтактно соединенного посредством уплотнения лабиринтного типа с корпусом энергоустановки позволяет обеспечить:
- расход всей жидкости только, и сразу во все каналы колеса, обуславливая равномерность их загрузки жидкостью и равномерность их функционирования;
- не заполнение корпуса энергоустановки жидкостью вокруг колеса и статора, обуславливая вращение колеса центробежного без внешнего гидродинамического сопротивления;
- достаточно надежную защиту гидродинамического проточного тракта колеса от паровых пузырей и пробок, обуславливая стабильный, управляемый, расчетный режим его работы с высокой интенсивностью и эффективностью преобразования энергии при больших скоростях вращения.
Конструкция предлагаемого колеса центробежного энергоустановки поясняется графическими материалами, на которых изображены:
На фиг.1 колесо центробежное энергоустановки по RU 2006142667 А1, прототип.
На фиг.2 - продольное сечение фиг.1.
На фиг.3 - предлагаемое колесо центробежное со стороны осевого входа в аксонометрии;
На фиг.4 - то же, с обратной стороны;
На фиг.5 - вид на колесо центробежное со стороны осевого входа;
На фиг.6 - сечение А-А на фиг.5;
На фиг.7 - колесо центробежное в аксонометрии с разрезом по каналам.
Колесо центробежное выполнено однопоточным в виде диска-корпуса 1, в центре которого, с одной стороны выполнен осевой вход 2 и расположенные вокруг него, чередующиеся между собой концентрические выступы и углубления, образующие уплотнение 3 лабиринтного типа, а также выполнены радиальные каналы 4 с конфузорами 5, чередующимися с лопатками 6. С обратной стороны колеса выполнено глухое днище 7 с муфтой 8, имеющей отверстие 9 для вала.
Функционирование колеса центробежного энергоустановки происходит следующим образом.
Колесо центробежное с помощью отверстия 9 жестко закреплено на валу и целиком находится в корпусе энергоустановки, не заполненной жидкостью. При этом осевой вход 2, бесконтактно соединен посредством уплотнения 3 лабиринтного типа с входным патрубком энергоустановки.
При включении электродвигателя энергоустановки колесо начинает вращаться на валу с большой скоростью, при этом, из входного патрубка жидкость начинает поступать только в его гидродинамический проточный тракт через осевой вход 2 с уплотнением 3 в радиальные каналы 4 с конфузорами 5. Проходя по каналам 4, масса жидкости всю аккомулированную под действием центробежных сил потенциальную энергию силы давления преобразует с помощью конфузоров 5 в кинетическую энергию струй жидкости. Лопатки 6, чередующиеся с конфузорами 5, примыкающие бесконтактно своими концами к статору энергоустановки, расположенному вокруг колеса коаксиально, создают между конфузорами 5 и статором, по кругу своего вращения, зону разрежения, позволяющую струям жидкости, выходящим с большой скоростью из конфузоров 5, беспрепятственно, без потери импульса скорости долететь до статора энергоустановки и с максимальной эффективностью осуществить преобразование кинетической энергии струй жидкости в тепловую энергию этой жидкости.
При этом, вращающиеся с большой скоростью лопатки 6, в совокупности со статором, осуществляют механическое и гидродинамическое воздействие на жидкость, вышедшую из каналов колеса, обуславливая процесс кавитации в этой массе жидкости, доводя ее до парообразного состояния.
В процессе вращения колеса центробежного бесконтактное уплотнение 3 лабиринтного типа выполняет две функции.
С одной стороны, внутренней, оно не позволяет жидкости, поступающей из входного патрубка энергоустановки в гидродинамический проточный тракт колеса, попасть на внешнюю поверхность его корпуса 1 с конфузорами 5 и лопатками 6, и создать, тем самым, значительное гидродинамическое сопротивление вращению колеса центробежного, а с другой стороны, не позволяет проникнуть давлению насыщенных паров жидкости из корпуса энергоустановки в гидродинамический проточный тракт колеса центробежного, и образовать в нем паровую пробку.
Через конфузоры 5 радиальных каналов 4 паровому пузырю из корпуса энергоустановки так же не проникнуть в гидродинамический проточный тракт колеса центробежного, из-за наличия в радиальных каналах 4 жидкости с высоким давлением.
Такая надежная защита однопоточного гидродинамического проточного тракта колеса с односторонним осевым входом, выполненным с возможностью герметичного надежного бесконтактного соединения с корпусом энергоустановки посредством уплотнения лабиринтного типа, позволяет колесу центробежному работать в энергоустановке в большом диапазоне частот вращения и без гидродинамического сопротивления жидкости на корпусе и лопатках, что обеспечивает существенную интенсификацию процесса преобразования энергии, до парообразования, с высокой эффективностью и при значительном уменьшении энергозатрат электропривода колеса центробежного.
Применение предложенной конструкции колеса центробежного обеспечивает максимально высокую, с парообразованием, интенсивность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости при скоростях вращения колеса центробежного более 1500 об/мин., с уменьшением требуемой мощности электродвигателя по отношению к прототипу в 2.5-3 раза.
Интенсивность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости предлагаемым колесом центробежным такова, что при оборотах вращения 750-1500 об/мин, оно работает в режиме теплогенератора, при оборотах вращения более 1500 об/мин, оно работает в режиме парогенератора.
Изготовление предлагаемого колеса центробежного не представляет сложности для обычного машиностроительного предприятия, так как не требует специальных материалов, технологий и оборудования, требуется только нормальная квалификация специалистов.