Струйный насос
Владельцы патента RU 2246642:
Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к струйным насосам и эжекторам. Струйный насос содержит сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор, при этом сопло рабочего потока имеет внутреннюю поверхность, представляющую собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника на выходе со стороной (где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника), для возникновения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами
Технический результат - повышение КПД струйного насоса за счет многократного увеличения площади спутного подсасываемого потока, при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока, путем увеличения зоны смешения - турбулентного пограничного слоя. 4 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к струйным насосам и эжекторам.
В струйном насосе, называемом динамическим насосом трения, энергия от одного потока к другому передается силами, действующими на поверхность рабочей струи.
Физические процессы смешения рабочего и пассивного потоков в струйном насосе на начальном участке подобны процессам распространения затопленной турбулентной струи в неограниченном объеме. На границах затопленной струи образуется обширная зона смешения - турбулентный пограничный слой. Вследствие вовлечения частиц жидкости в пограничный слой, растекание струи в камере смешения будет происходить не в толще неподвижной жидкости, а в спутном подсасываемом потоке. Сложение вихревого и поступательного движения жидкостей создает, согласно теореме Кутта - Жуковского, подъемную силу, поперечную по отношению к направлению поступательного движения. При этом происходит перемешивание рабочего и пассивного потоков.
Известна конструкция водоструйного насоса с кольцевой удлиненной камерой смешения, диффузором, патрубком пассивного потока и несколькими соплами рабочего потока, расположенными по окружности на равном расстоянии друг от друга (АС СССР 684162, кл. F 04 F 5/02. Опубл. 1979. Б.И. №33).
При такой конструкции обеспечивается большая поверхность соприкосновения рабочего и пассивного потоков, но отдельные сопла небольшого размера имеют склонность к засорению, что в совокупности с высокой технологической сложностью позиционирования большого количества сопел небольшого диаметра может приводить к неравномерности распределения рабочего потока по сечению камеры смешения, излишней местной турбулентности потока, появлению вибраций, шумов и снижению КПД струйного насоса.
Существует также конструкция водоструйного насоса состоящего из входного колена с поворотной лопаткой, используемого для формирования рабочего потока от входной трубы до сопла; пятиструйного сопла рабочего потока с диаметром струй на выходе 27,69 мм; пяти обтекаемых котировочных стоек для центровки сопла и входного устройства, камеры смешения, патрубка пассивного потока и диффузора (Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов 1979, т.101 №1, с.214-221). Такая комбинация элементов позволяет создать струйный насос, который хорошо работает в реакторных условиях.
Однако при такой конструкции увеличиваются потери на всасывание, а высокая турбулентность рабочего потока увеличивает коэффициент неравномерности эпюры скоростей в камере смешения, что в конечном итоге снижает КПД струйного насоса.
Есть сопло, содержащее профилированный корпус с установленным соосно корпусу на стержне профилированным центральным телом и образованием кольцевого конфузорно-диффузорного канала. С целью повышения КПД путем регулирования геометрии проточной части сопла оно снабжено торцовыми профилированными втулками, одна из которых установлена на конце стержня с возможностью осевого перемещения, другая - неподвижно на другом конце стержня со стороны выхода сопла, а центральное тело размещено на стержне между втулками и выполнено из упругопластичного материала с пористой наружной поверхностью (Патент Франции №1489966, кл. F 04 F 5/46. Опубл. 1966. Б.И. №11).
Существует также двухфазное жидкостное сопло струйного аппарата (АС СССР №1038620, кл. F 04 F 5/46, 1982, Б.И. №10). Оно содержит конфузорный и диффузорный участки. На входе в диффузорный участок установлена парогенерирующая решетка, состоящая из профилированных элементов, которые установлены на осях вращения, закрепленных на боковых поверхностях диффузорного участка и смещенных вверх по потоку относительно их центра давления.
Однако данные критерии обоих конструкций обеспечивают недостаточно высокий КПД.
Известна конструкция струйного насоса, содержащего восьмисекционное сопло рабочего потока, камеру смешения, патрубок пассивного потока и диффузор (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969, с.514-515).
Использование секционированного сопла рабочего потока позволяет существенно сократить потребную длину камеры смешения, что уменьшает габариты и массу струйного насоса, однако эмпирический метод выбора количества секций и их конфигурации не позволяет получить высокие значения КПД струйного насоса, в особенности при использовании его для перекачивания однофазных и разнофазных сред.
Наиболее близким по техническому результату к заявленному техническому решению является струйный насос, содержащий сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор (Патент РФ №2180410, кл. F 04 F 5/46, 2000, Б.И. №7). Сопло рабочего потока выполнено в виде профилированного канала, конфигурация которого представляет собой симметрично расположенные относительно оси сопла, постепенно расширяющиеся и углубляющиеся канавки, которые на выходном срезе сопла имеют форму лепестка или фигурной равнобокой трапеции с соотношением высоты профиля и шага на срезе сопла не более единицы. Сопряжение элементов профиля выполнено по дуге окружности, радиус которой не более половины шага. В результате КПД струйного насоса повышается, но недостаточно.
Задачей данного изобретения является создание конструкции струйного насоса для перекачивания однофазных и разнофазных сред с одним соплом рабочего потока, позволяющим повысить КПД струйного насоса, как у многосопловых струйных насосов.
Технический результат - повышение КПД струйного насоса за счет многократного увеличения площади спутного подсасываемого потока, при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока, путем увеличения зоны смешения - турбулентного пограничного слоя.
Указанный технический результат достигается тем, что в струйном насосе, содержащем сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор, сопло рабочего потока имеет внутреннюю поверхность, представляющую собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника на выходе со стороной (где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника), для возникновения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
.
Впервые предлагается для получения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
выполнить сопло рабочего потока с внутренней поверхностью, представляющей собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника на выходе со стороной 
(где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника). Это позволит увеличить зону смешения - турбулентный пограничный слой.
Эффект инверсии вызывает "рассечение" сплошной струи на четыре потока. В угловых областях равностороннего треугольника образуются вихревые потоки, которые вытекают в виде турбулентных искривленных струй радиусом 
, которые аппроксимируются кривыми с уравнениями y=k·arctg(x) (x - продольная координата).
Вокруг точки пересечения высот сечения в виде равностороннего треугольника на выходе сопла рабочего потока формируется ламинарное течение круглой струи с радиусом 
. На расстоянии от среза сопла большем, чем сторона сечения в виде равностороннего треугольника на выходе сопла рабочего потока, обычно находится зона перестроения течения, в которой ламинарная круглая струя рассекается тремя турбулентными искривленными струями с радиусами 
. Далее вниз по потоку характер течения периодически повторяется. При этом существенно увеличивается площадь спутного подсасываемого потока.
Выбор длины стороны сечения в виде равностороннего треугольника на выходе 
(где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника) и получение инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
позволяют увеличить зону смешения - турбулентный пограничный слой при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока, в 2,33 раза в сравнении с зоной смешения круглой струи:
- для среза сопла треугольной формы 
(где Sб.тр – площадь зоны смешения для среза сопла треугольной формы, R - радиус круглого среза сопла идентичной площади);
- для среза сопла круглой формы Sб.к=2πRх (где Sб.к - площадь зоны смешения для среза сопла круглой формы);
- отношение площадей зон смешения составляет 
.
Увеличение длины стороны сечения в виде равностороннего треугольника на выходе сопла рабочего потока приводит к росту расхода жидкости, уменьшение - к снижению расхода. Выбор радиуса круглой струи ламинарного течения 
и радиуса турбулентных струй в областях при вершинах треугольника 
приводит к увеличению зоны смешения в 2,33 раза, отклонение от данных значений приводит к уменьшению зоны смешения - турбулентного пограничного слоя.
Таким образом, увеличение зоны смешения - турбулентного пограничного слоя при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока позволяет увеличить КПД струйного насоса.
Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определением из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям “новизна” по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “изобретательский уровень” по действующему законодательству.
На фиг.1 показана принципиальная схема струйного насоса.
На фиг.2 представлена форма выходного сечения сопла (на срезе).
На фиг.3 изображена схема, показывающая "рассечение" круглой струи за счет эффекта инверсии.
На фиг.4 изображен процесс перемешивания рабочего и пассивного потоков в приемной камере.
Напорный трубопровод 1 (фиг.1) соединен со струйным насосом, содержащим сопло 2 рабочего потока, которое соединено с приемной камерой 3. Сопло 2 рабочего потока имеет внутреннюю поверхность, представляющую собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника 4 на выходе (фиг.2) со стороной 
(где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника) (фиг.3), для возникновения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
.
Для получения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
сопло рабочего потока выполнено с внутренней поверхностью, представляющей собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника 4 на выходе (фиг.2) со стороной 
(где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника) (фиг.3). Это позволит увеличить зону смешения - турбулентный пограничный слой.
Выбор длины стороны 
сечения в виде равностороннего треугольника 4 на выходе (фиг.2) (где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника) и получение инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом (фиг.3) 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
позволяют увеличить зону смешения - турбулентный пограничный слой при неизменной площади выходного поперечного сечения сопла рабочего потока в 2,33 раза в сравнении с зоной смешения круглой струи.
В приемную камеру 3 (фиг.1) пассивный поток 5 подводится посредством патрубка 6 пассивного потока. Приемная камера 3 соединена с входным участком камеры смешения 7 и далее непосредственно с камерой смешения 8. Камера смешения 8 соединена с диффузором 9, который соединен с нагнетательным трубопроводом 10.
Устройство работает следующим образом. По напорному трубопроводу 1 через сопло 2 рабочего потока, имеющего внутреннюю поверхность, представляющую собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника 4 на выходе (фиг.2) со стороной 
(где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника) (фиг.3), в котором возникает инверсия потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
, под давлением выше атмосферного, подводится рабочий поток в виде струи 11 (фиг.1). За счет получения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
многократно увеличивается зона смешения (фиг.3).
Эффект инверсии вызывает "рассечение" сплошной струи 11 (фиг.4) на четыре потока. В угловых областях равностороннего треугольника 4 образуются вихревые потоки, которые вытекают в виде турбулентных искривленных трубок радиусом (фиг.3) 
, которые аппроксимируются кривыми с уравнениями y=k·arctg(x) (x - продольная координата).
Вокруг точки пересечения высот сечения в виде равностороннего треугольника на выходе сопла рабочего потока формируется ламинарное течение круглой струи с радиусом 
. На расстоянии от среза сопла, большем, чем сторона сечения в виде равностороннего треугольника на выходе сопла рабочего потока, обычно находится зона перестроения течения, в которой ламинарная круглая струя рассекается тремя турбулентными искривленными струями с радиусами 
. Далее вниз по потоку характер течения периодически повторяется. При этом существенно увеличивается площадь спутного подсасываемого потока.
Эта струя 11 (фиг.4), двигаясь в приемной камере 3 с большой скоростью, сначала увлекает имеющийся в приемной камере 3 воздух и создает в ней разрежение. Приемная камера 3 соединена с пассивным потоком 5 посредствам патрубка 6 пассивного потока. Вследствие образования в приемной камере 3 разрежения соединенный с ней пассивный поток 5 под влиянием атмосферного давления засасывается в приемную камеру 3.
Перемешивание струи 11 (фиг.1) рабочего потока с пассивным потоком 5 начинается в приемной камере 3, продолжается во входном участке 7 камеры смешения 8, где смешанный поток обладает наибольшей кинетической энергией. Из камеры смешения 8 смешанный поток поступает в диффузор 9, где происходит преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную. В конце диффузора 9, что соответствует началу нагнетательного трубопровода 10, полное давление смешанного потока должно быть достаточным для преодоления геодезической высоты подъема, всех сопротивлений, связанных с его движением по нагнетательному трубопроводу 10 и создания скоростного напора при истечении.
Таким образом, предлагаемый струйный насос для перекачивания однофазных и разнофазных сред имеет КПД такого же порядка, как и многосопловые струйные насосы, сохраняет простоту конструкции, как у струйных насосов с одним соплом, что позволяет обеспечить высокую степень соосности сопла и камеры смешения струйного насоса. Предлагаемая конструкция также позволяет обеспечить снижение нерационально высоких уровней турбулизации рабочего и пассивного потоков, сократить потребную длину камеры смешения, что уменьшает габариты и массу струйного насоса; обеспечить благоприятные условия перемешивания рабочего и пассивного потоков не только за счет турбулентного обмена энергией струй активного и пассивного потоков, но и за счет инверсии струи активного потока.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- предлагаемый струйный насос предназначен для использования на различные нужды в цехах ТЭС, как вспомогательное оборудование на предприятиях и в агропромышленном комплексе, как агрегат транспортных средств;
- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителя технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям “промышленная применимость” по действующему законодательству.
Струйный насос, содержащий сопло рабочего потока, патрубок пассивного потока, камеру смешения и диффузор, отличающийся тем, что сопло рабочего потока имеет внутреннюю поверхность, представляющую собой переход от круглого сечения на входе в сечение в виде равностороннего треугольника на выходе со стороной 
где а - длина стороны треугольника, R - радиус круглого сопла, площадь сечения которого равна площади рассматриваемого треугольника, для возникновения инверсии потока при формировании ламинарного течения круглой струи с радиусом 
и турбулентных струй в областях при вершинах треугольника с радиусами 
