способ снижения кавитации в гидравлических машинах и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ снижения кавитации в гидравлических машинах, включающий предотвращение разрыва потока жидкости от столкновения жидкости с частями гидравлических машин путем формирования управляемого движения потока в приграничных с частями гидравлических машин областях и увеличения его кинетической энергии, для чего потоку придают вращательную компоненту движения по направлению движения рабочего колеса насоса, отличающийся тем, что потоку жидкости придают пластичность путем подачи в поток воздуха, причем воздуха подается 2-5% от объема подаваемой воды.

2. Устройство для снижения кавитации в гидравлических машинах, включающее участок трубопровода гидравлической машины, расположенный перед центробежным насосом и выполненный прямолинейным и суженным, с установленными на его стенках вдоль проточной части с наклоном по потоку профилированными элементами сопротивления, отличающееся тем, что участок сужен эксцентрически при отношении его большего диаметра упомянутого участка к его меньшему диаметру, равным 1,8-1,5, а отношение длины участка к его большему диаметру составляет 1,5-2, при этом участок снабжен цилиндрической камерой разрежения, расположенной перед насосом, и устройством, подводящим воздух в камеру разрежения, а каждый профилированный элемент сопротивления выполнен в форме фрагмента спирали Архимеда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам и устройствам для снижения уровня кавитации в гидравлических машинах, а именно в центробежных насосах. Изобретение также может быть применено в способах и устройствах, использующих контролируемый уровень кавитации для очистки воды и осадков.

Известен способ снижения кавитации в гидравлических машинах, заключающийся в предотвращении разрыва потока от столкновения жидкости с движущейся крыльчаткой насоса за счет уменьшения угла падения движущегося потока на лопасть крыльчатки [см. заявку Японии 2002, 195144, F 03 В 3/02; 3/18; 11/04, опубл. 10.07.2002].

Известен способ снижения кавитации в гидравлических машинах, заключающийся в предотвращении разрыва потока, возникающего от соударения прямого потока воды и обратного перетоков в насосе Френсиса и его кавитационного воздействия на крыльчатку насоса путем формирования их соударения под требуемыми углами [см. патент Японии №4041977, F 03 В 11/04, F 03 В 11/00, опубл. 12.02.1992].

Недостатками приведенных аналогов является низкая степень подавления кавитации, что не позволяет предотвратить вызванную кавитацией эрозию частей машин.

Известен способ снижения кавитации в гидравлических машинах, включающий предотвращения разрыва потока от столкновения жидкости с частями гидравлических машин путем формирования управляемого движения потока в приграничных с частями гидравлических машин областях и увеличения его кинетической энергии [см. патент России №2188965, F 03 В 11/04, опубл. 10.09.2002]. Кавитационную эрозию выпуклой стенки криволинейного колена отсасывающей трубы гидротурбины снижают, уменьшая пульсацию потоков воды в проточной части путем подвода кинетической энергии в прилегающий к выпуклой стенке приграничный слой жидкости и увеличивая сопротивление пульсационным составляющим скорости, направленным вверх по потоку.

Наиболее близким к предлагаемому способу снижения кавитации в гидравлических машинах является способ, включающий предотвращение разрыва потока жидкости с частями гидравлических машин путем формирования управляемого движения потока в приграничных с частями гидравлических машин областях и увеличения его кинетической энергии за счет того, что потоку придают вращательное движение по направлению движения рабочего колеса [см. авторское свидетельство СССР №1290012, F 04 D 9/04, опубл. 15.02.1987].

Однако данный способ не позволяет в необходимой степени предотвратить вызываемую кавитацией эрозию частей машин. Кроме того, при использовании насосов для перекачки обрабатываемой воды при очистке ее биологическими методами, создаваемый при работе насосов уровень кавитации неблагоприятен для используемой полезной микрофлоры и подавляет ее действие. В то же время низкий уровень кавитации является фактором, способствующим более эффективной очистке воды и стоков [см. патент России №1798332, C 02 F 11/00, опубл. 1998, патент России №2146231, С 02 F 3/12, опубл. 2000, И.Пигал «Кавитация». М., «Мир», 1975, с.70). Также известно, что придание пластичности потоку жидкости путем подачи в нее воздуха снижает кавитацию [см. патент Германии №1503273, F 03 B 11/04, опубл. 31.05.1972]. Однако при неконтролируемой подаче воздуха возникают осложнения, связанные с расслоением потока на слои воздуха и воды, что препятствует нормальной работе насоса или же уровень достигаемого снижения кавитации недостаточен.

Известно устройство для снижения кавитации в гидравлических машинах, в котором насос содержит улиткообразный кожух, формирующий полость, направляющую поток воды высокого давления на крыльчатку для взаимодействия с ней под необходимым углом [см. заявку Японии 2002, 195144, F 03 В 3/02; 3/18; 11/04, опубл. 10.07.2002].

Известно устройство для снижения кавитации, которое содержит кольцеобразную отклоняющую стенку перед местом выхода переточной воды к прямому потоку в насосе Френсиса [см. патент Японии №4041977, F 03 В 11/04, 11/00, опубл. 12.02.1992].

Известно устройство для снижения кавитации в гидравлических машинах [см. патент России №2188965, F 03 В 11/04, опубл. 10.09.2002], включающее ряд профилированных пристенных лопаток, установленных по потоку, и трубопроводы, перепускающие жидкость из межлопаточной приграничной зоны высокого давления у вогнутой стенки в приграничную к выпуклой стенке межлопаточную зону пониженного давления. При этом лопатки и трубопроводы установлены в криволинейном колене отсасывающей трубы гидротурбины.

Недостатком устройства является низкая степень снижения кавитации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, включающее участок трубопровода гидравлической машины, расположенный перед центробежным насосом и выполненный прямолинейным и суженным, с установленными на его стенках вдоль проточной части с наклоном по потоку профилированными элементами сопротивления [см. авторское свидетельство СССР №1290012, F 04 D 9/04, опубл. 15.02.1987].

Однако известное устройство не обеспечивает достаточный уровень снижения кавитации.

Задачей предлагаемой группы изобретений, которые образуют единый изобретательный замысел, является снижение кавитации за счет оптимизации количества подаваемого в поток воздуха до числа кавитации 0,01-0,05 и ниже, т.е. до уровня, полезного при очистке воды, без расслоения потока и нарушения работы насоса, и предотвратить разрушение машин, вызываемое кавитацией.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение кавитации до чисел кавитации 0,01-0,05 и ниже.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в известном способе снижения кавитации в гидравлических машинах, включающем предотвращение разрыва потока от столкновения жидкости с частями гидравлических машин путем формирования управляемого движения потока в приграничных с частями гидравлических машин областях и увеличения его кинетической энергии, для чего потоку придают вращательную компоненту по направлению движения рабочего колеса насоса, согласно изобретению потоку жидкости придают пластичность путем подачи в поток воздуха, причем воздуха подается 2-5% от объема подаваемой воды.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в известном устройстве, включающем участок трубопровода гидравлической машины, расположенный перед центробежным насосом и выполненный прямолинейным и суженным, с установленными на его стенках с наклоном по потоку профильтрованными элементами сопротивления, согласно изобретению участок трубы сужен эксцентрически при соотношении большего диаметра упомянутого участка к его меньшему диаметру 1,8-1,5, а соотношение длины участка к большему диаметру составляет 1,5-2, при этом участок снабжен цилиндрической камерой разрежения, расположенной перед насосом, и устройством, подводящим воздух в камеру разрежения, а каждый профилированный элемент сопротивления выполнен в форме фрагмента спирали Архимеда.

Способ осуществляют следующим образом

Предотвращают разрыв потока жидкости от столкновения жидкости с частями гидравлических машин путем формирования управляемого движения потока приграничных с частями гидравлических машин областях и увеличении его кинетической энергии, для чего потоку придают вращательное движение по направлению вращения рабочего колеса, и дополнительно, согласно изобретению потоку жидкости придают пластичность путем подачи в поток воды воздуха в количестве 2-5% от объема подаваемой воды. В результате воздействия на поток, он движется по спиралевидной траектории ускоренно, и вместо того, чтобы «рубиться» лопастями рабочего колеса, как бы «ввинчивается» в гидравлическую машину. Подаваемый в указанных количествах воздух способствует тому, что среда как бы растягивается, и число кавитации может быть снижено до 0,001-0,005.

При подаче воздуха менее 2% от объема подаваемой воды уровень кавитации не снижается до требуемых величин чисел кавитации. При большей, чем 5% подачей воздуха, работа насоса нарушается из-за расслоения потока жидкости на воду и воздух, и число кавитации вновь увеличивается из-за возникающих вибраций.

Пример

При подаче потока жидкости в рабочую полость гидравлической машины со скоростью 1 м/с и количестве подаваемого воздуха 2%, число кавитации снижается с 6 единиц до 0,001. Это объясняется тем, что скорость потока жидкости увеличивается до 16 м/сек. За счет увеличивающегося объема водовоздушной смеси и приобретения качества пластичности исключается возможность разрыва потока жидкости и создания при этом кавитационных каверн. Это способствует увеличению срока службы насоса до 30 лет.

На чертеже показано устройство для снижения кавитации.

Устройство для снижения кавитации в гидравлических машинах представляет собой прямолинейный эксцентрически суженый до диаметра d участок 1 длиной L трубопровода 2 диаметра Д, установленный перед центробежным насосом 3. Участок 1 снабжен цилиндрической камерой 4 разрежения, установленной непосредственно перед рабочим колесом (не показано) насоса 3, и устройством 6 для подачи воздуха, например, трубку Пито, выход которой установлен в камере 4 разрежения. На внутренних стенках участка 1 установлены элементы сопротивления в виде фрагментов 5 спирали Архимеда.

Количество фрагментов 5 спирали Архимеда, установленных на стенках, зависит от объема подаваемой воды и, следовательно, от диаметра трубопровода, и должно быть не менее двух. Соотношение большего диаметра Д участка 1 к его меньшему диаметру d равно 1,8-1,5, а соотношение длины L участка 1 к большему диаметру Д составляет 1,5-2. В этом случае достигается уровень кавитации 0,01-0,05.

Устройство работает следующим образом. Подаваемая в трубопровод 2 вода, попадая в суживающийся участок 1, приобретает ускорение, кроме того, установленные на внутренних стенках суживающегося участка 1 элементы сопротивления в виде фрагментов 5 спирали Архимеда придают потоку жидкости вращательную компоненту движения. Закручиваемая рабочим колесом насоса 3 вода как бы ввинчивается в межлопаточное пространство рабочего колеса насоса 3 максимально за счет подобранных геометрических соотношений размеров суживающегося участка 1, приспосабливаясь к движению рабочего колеса. В приграничных с лопастями областях поток движется со скоростью и по направлению движения рабочего колеса насоса 3, обтекая его. Тем самым предотвращаются разрывы потока жидкости от столкновения жидкости с лопастями рабочего колеса насоса 3, и кавитация снижается. При подаче воздуха в камеру 4 разрежения от устройства 6 плотные потоки оттесняют водовоздушную смесь к периферии и снижают кавитационное воздействие на лопасти рабочего колеса насоса 3. Установка фрагментов 5 спирали Архимеда в суживающемся эксцентрически участке 1 трубы с указанным соотношением диаметров d, Д участка 1 и его длины L позволяет придать водному потоку наряду с поступательным движением вращательную компоненту движения по направлению вращения рабочего колеса насоса 3 без снижения скорости потока. Этим самым предотвращается разрыв потока жидкости от столкновения с лопастями рабочего колеса. Сужение участка 1 трубы придает потоку ускорение, тем самым увеличивается кинетическая энергия потока. Указанные факторы предотвращают разрыв потока от столкновения жидкости с частями гидравлических машин, а именно с лопастями центробежных насосов. Наличие камеры 4 разрежения с устройством 6 ввода воздуха в поток позволяет создавать пластичную среду, состоящую из водовоздушной смеси, которая «не рубится» лопастями рабочего колеса, а обтекает его. Эксцентрическое сужение участка 1 трубопровода 2 позволяет при введении воздуха в поток избежать скапливания воздуха в верхней части участка 1, что могло бы привести к снижению скорости потока и полному «запиранию» участка 1. Устройство позволяет уменьшить число кавитации до 0,001-0,005 и кавитационный износ частей машин.

Пример выполнения устройства

Для перекачивания жидкости в количестве 150 м³/час применяется устройство с участком 1 в виде эксцентрически суженного конуса из соображений предотвращения скопления воздуха в его верхней части. Входной диаметр Д равен 230 мм, выходной - d равен 115 мм. Длина конической части L составляет 414 мм. Общая длина устройства составляет 439 мм. Длина камеры 4 разрежения составляет 25 мм. Фрагменты 5 закручивающейся спирали имеют переменный наклон по отношению оси всасывающего патрубка насоса 3. Начальная часть спирали, которая составляет до 10% длины конуса, параллельна его оси, затем по принципу Архимедовой спирали плавно закручивается в сторону движения рабочего колеса. Длина и количество фрагментов 5 спирали рассчитываются исходя из коэффициента дискретности Kq спирали. Для снижения числа кавитации до 0,001 устройство содержит трубку Пито, через которую в зону разрежения подается воздух. Закручивающийся поток оттесняет водовоздушную смесь к периферии, где создается пластичная среда, предотвращающая разрывы потока от столкновения с рабочим колесом и явления кавитации.