RU2037671C1

RU2037671C1 - Pump installation

Info

Publication number: RU2037671C1
Authority: RU
Inventors: Сергей Борисович Матвеев
Original assignee: Сергей Борисович Матвеев
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: pump engineering. SUBSTANCE: working member having the inlet and outlet is mounted for permitting rotation about horizontal axis. The member is made of a sheet material secured to the rigid frame and rolled into a spiral to provide a spaced relation between turns. The end faces of the turns are tightly interconnected by way of side walls. The port, which is defined at the periphery of the spiral by the side walls and surfaces of the last and last but one turns of the spiral, serves as the inlet of the member. The blades are mounted on the outside surface of the member. The pipe with the ports is symmetrically mounted inside the member. The hydraulic assembly constructed as a turbine is housed in the pipe. The electric generator is mounted on the same shaft as the turbine and separates the pipe into two parts. The ends of the pipe form the outlet. The parts of the pipe are in communication with the inner space of the member through the ports, the one of the parts being connected directly and the other one through the turbine. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению и гидроэнергетике и может найти применение для перекачивания жидких и газообразных сред и их смесей, а также для выработки электроэнергии преобразованием энергии потока воды. The invention relates to pump engineering and hydropower and can find application for pumping liquid and gaseous media and their mixtures, as well as for generating electricity by converting the energy of a water stream.

Известен насос-компрессор, содержащий установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган в виде винтовых спиральных трубок, имеющих входные и выходные отверстия, всасывающие и нагнетательные трубопроводы для жидкости и газа и сепаратор (см.патент Великобритании N 1427723, кл. F 04 D 31/00, 1976). A pump compressor is known which comprises a working element mounted in a housing rotatably around a horizontal axis in the form of helical spiral tubes having inlet and outlet openings, suction and discharge pipelines for liquid and gas and a separator (see British Patent No. 1427723, class F 04 D 31/00, 1976).

Недостаток известного насоса-компрессора заключается в низком напоре, создаваемом им, а также в ограниченных функциональных возможностях, так как он не вырабатывает электроэнергию. A disadvantage of the known pump compressor lies in the low pressure created by it, as well as in limited functionality, since it does not generate electricity.

Известен насос-компрессор, содержащий установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входным и выходными патрубками (см. а.с. СССР N 1430611, кл. F 04 D 31/00, 1987). A pump compressor is known that comprises a working body mounted rotatably about a horizontal axis with inlet and outlet nozzles (see AS USSR N 1430611, class F 04 D 31/00, 1987).

Недостаток известного насоса-компрессора заключается в ограниченных функциональных возможностях, так как он не вырабатывает электроэнергию. A disadvantage of the known compressor pump is its limited functionality, since it does not generate electricity.

Наиболее близким к изобретению является насосная установка, содержащая установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входом и выходом (см. а.с. СССР N 114484, кл. F 04 F 7/00, 1957). Closest to the invention is a pumping unit containing a working body mounted with the possibility of rotation around a horizontal axis with inlet and outlet (see AS USSR N 114484, class F 04 F 7/00, 1957).

Недостаток известной насосной установки заключается в том, что она обладает ограниченными функциональными возможностями, так как предназначен только для перекачивания жидкости и не позволяет вырабатывать электрическую энергию преобразованием энергии потока реки. A disadvantage of the known pump installation is that it has limited functional capabilities, as it is intended only for pumping liquid and does not allow the generation of electrical energy by converting the energy of a river stream.

Цель изобретения заключается в создании насосной установки, которая обеспечивала бы не только перекачивание жидкости и газа, но и выработку электроэнергии преобразованием энергии потока реки. The purpose of the invention is to create a pumping unit, which would provide not only the pumping of liquid and gas, but also the generation of electricity by converting the energy of the river flow.

Цель достигается тем, что насосная установка, содержащая установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси рабочий орган с входом и выходом, рабочий орган выполнен из листового материала, закрепленного на жестком каркасе и свернутого по спирали с зазором между витками, которые герметично соединены по торцам боковыми стенками, при этом входом рабочего органа является окно, образованное на периферии спирали боковыми стенками и поверхностями последнего и предпоследнего витков спирали, установка снабжена лопастями, установленными на наружной поверхности рабочего органа, трубой с окнами, осесимметрично установленной в рабочем органе, размещенным в трубе гидроагрегатом, выполненным в виде турбины, и электрогенератором, установленным на одном валу с турбиной и разделяющим трубу на два участка, концами трубы образован выход, при этом участки трубы сообщены через окна с внутренней полостью рабочего органа, один непосредственно, а другой через турбину. Кроме того, она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы за турбиной. Кроме того, она снабжена заглушкой, установленной на конце трубы, противоположном выходу из турбины. Кроме того, она снабжена дополнительными турбиной и электрогенератором, установленными на одном валу и размещенными во втором участке трубы, при этом последний сообщен с внутренней полостью рабочего органа через турбину. Кроме того, она снабжена направляющими аппаратами, жестко закрепленными на внутренней поверхности участка трубы, соединенного с установленным с возможностью вращения относительно рабочего органа статором электрогенератора. The goal is achieved by the fact that the pump installation, which includes a working body with an inlet and an outlet mounted with the possibility of rotation around a horizontal axis, the working body is made of sheet material mounted on a rigid frame and coiled in a spiral with a gap between the turns, which are hermetically connected at the ends by the side walls wherein the input of the working body is a window formed on the periphery of the spiral by the side walls and surfaces of the last and penultimate turns of the spiral, the installation is equipped with blades, the installation mounted on the outer surface of the working body, a pipe with windows axisymmetrically installed in the working body, placed in the pipe by a hydraulic unit made in the form of a turbine, and an electric generator installed on one shaft with a turbine and dividing the pipe into two sections, the pipe ends with an outlet, while sections of the pipe communicated through windows with an internal cavity of the working body, one directly and the other through the turbine. In addition, it is equipped with a plug installed at the end of the pipe behind the turbine. In addition, it is equipped with a plug mounted on the end of the pipe, opposite the outlet of the turbine. In addition, it is equipped with an additional turbine and an electric generator mounted on one shaft and placed in the second pipe section, the latter being in communication with the internal cavity of the working body through the turbine. In addition, it is equipped with guiding devices that are rigidly fixed on the inner surface of the pipe section connected to the stator of the electric generator mounted rotatably relative to the working element.

На фиг. 1 изображена насосная установка, общий вид; на фиг.2 насосная установка с одной турбиной, продольный разрез; на фиг.3 то же, продольный разрез с двумя турбинами, работающими в режиме электрогенератора; на фиг.4 установка с вращающимся относительно рабочего органа статором электрогенератора, продольный разрез; на фиг.5 разрез А-А на фиг.2. In FIG. 1 shows a pump installation, general view; figure 2 pump installation with one turbine, a longitudinal section; figure 3 the same, a longitudinal section with two turbines operating in the mode of an electric generator; figure 4 installation with a rotating relative to the working body of the stator of the generator, a longitudinal section; figure 5 section aa in figure 2.

Насосная установка содержит рабочий орган 1, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, выполненный в виде свернутого по спирали плоского листового материала 2, закрепленного на жестком каркасе (не чертеже условно не показан), витки которого размещены с зазором между собой, образуя спиралевидный канал. При этом к торцам витков органа 1 герметично прикреплены стенки 3. Рабочий орган 1 содержит входное окно 4, образованное на его периферии поверхностями последнего и предпоследнего витков и боковыми стенками 3. К наружной поверхности рабочего органа 1 вдоль его цилиндрической поверхности прикреплены жестко лопасти 5, образуя лопастное колесо. В рабочем органе 1 осесимметрично установлена труба 6, при этом орган 1 установлен, например, в герметичных подшипниковых узлах 7. Концы трубы 6 установлены в опорах 8, подвешенных на тягах 9, длина которых обеспечивает заданную глубину погружения рабочего органа 1 в реке, концы трубы являются выходными патрубками 10 и 11 насоса. Внутри трубы 6 размещен гидроагрегат, содержащий турбину 12, на одном валу 13 с которой размещен ротор 14 электрогенератора 15, статор 16 которого соединен с трубой 6. Свободный конец вала 13 установлен в пилонах 17 (узлы съема электричества с электрогенератора на чертеже условно не показаны, не показаны также узлы уплотнения подвижных соединений). С обеих сторон генератора 15 в трубе 6 выполнены окна 18 и 19, при этом окна 18 сообщают внутреннюю полость рабочего органа 1 с входом турбины 12 и далее с выходным патрубком 10, а окна 19 с выходным патрубком 11. Перед турбиной 12 напротив окон 18 установлен завихритель 20. The pump installation includes a working body 1 mounted rotatably around a horizontal axis, made in the form of a spiral sheet flat material 2, mounted on a rigid frame (not shown conditionally not shown in the drawing), the turns of which are placed with a gap between each other, forming a spiral channel. At the same time, the walls 3 are hermetically attached to the ends of the turns of the organ 1. The working body 1 contains an input window 4 formed on its periphery by the surfaces of the last and penultimate turns and side walls 3. To the outer surface of the working body 1, rigidly attached blades 5 are formed, forming impeller. In the working body 1, the pipe 6 is axisymmetrically installed, while the body 1 is installed, for example, in sealed bearing units 7. The ends of the pipe 6 are mounted in supports 8 suspended on rods 9, the length of which provides a given immersion depth of the working body 1 in the river, the ends of the pipe are the outlet pipes 10 and 11 of the pump. Inside the pipe 6 there is a hydraulic unit containing a turbine 12, on one shaft 13 with which the rotor 14 of the electric generator 15 is placed, the stator 16 of which is connected to the pipe 6. The free end of the shaft 13 is installed in the pylons 17 (the nodes for removing electricity from the electric generator are not shown conventionally in the drawing, also not shown nodes seal the movable joints). On both sides of the generator 15, windows 18 and 19 are made in the pipe 6, while the windows 18 communicate the internal cavity of the working body 1 with the inlet of the turbine 12 and then with the outlet pipe 10, and the windows 19 with the outlet pipe 11. In front of the turbine 12 opposite the windows 18 is installed swirler 20.

При использовании насосной установки в качестве гидроэлектростанции (см. фиг. 3) (работа только в режиме электрогенератора) для повышения выдаваемой электрической мощности его снабжают второй турбиной 21, устанавливаемой на другом конце вала 13. Окна 19 сообщают в этом случае внутреннюю полость рабочего органа 1 с входом турбины 21 и далее с выходным патрубком 11. Перед турбиной 21 напротив окон 19 установлен завихритель 22, а свободный конец вала 13 установлен в пилонах 23 (узлы съема электроэнергии с электрогенератора и узлы уплотнения подвижных соединений на чертеже условно не показаны). When using the pumping unit as a hydroelectric power station (see Fig. 3) (operation only in the electric generator mode) to increase the output electric power, it is supplied with a second turbine 21 installed on the other end of the shaft 13. Windows 19 in this case communicate the internal cavity of the working body 1 with the turbine inlet 21 and further with the outlet pipe 11. In front of the turbine 21, a swirler 22 is installed opposite the windows 19, and the free end of the shaft 13 is installed in the pylons 23 (units for removing electricity from the generator and units for sealing the movable unions in the drawing are not conventionally shown).

С целью дополнительного увеличения выработки электроэнергии при работе насосной установки в качестве гидроэлектростанции (см.фиг.4) участок 24 трубы 6 со статором 16 электрогенератора установлен с возможностью вращения относительно рабочего органа и выходных патрубков 10 и 11 (узлы уплотнения и съема электроэнергии на чертеже условно не показаны). При этом на упомянутом участке 24 между завихрителями 20 и 22, лопатками 12 и 21 турбин размещены лопатки 25 и 26 направляющего аппарата, которые жестко закреплены на его внутренней поверхности, являясь рабочими лопатками статора 16 электрогенератора. In order to further increase the generation of electricity during operation of the pumping unit as a hydroelectric power station (see Fig. 4), section 24 of the pipe 6 with the stator 16 of the electric generator is installed with the possibility of rotation relative to the working body and output pipes 10 and 11 (the compaction and removal units of electricity in the drawing are conventional not shown). Moreover, on the said section 24 between the swirls 20 and 22, the blades 12 and 21 of the turbines are placed the blades 25 and 26 of the guide apparatus, which are rigidly fixed on its inner surface, being the working blades of the stator 16 of the generator.

Насосная установка работает следующим образом. The pump installation operates as follows.

Поток речной воды вращает лопастное колесо с рабочим органом 1 относительно трубы 6. Рабочий орган 1, вращаясь, захватывает за один оборот окном 4 порцию жидкости и газа. За второй оборот рабочего органа 1 жидкость и газ попадают из первого витка во второй и т.д. до заполнения всех витков спиралевидного канала. Поскольку объемы витков от периферии к оси рабочего органа 1 уменьшаются, то жидкость (при отсутствии сопротивления на выходе насоса) будет свободно переливаться из предыдущих витков в последующие до тех пор, пока вода не разместится на одном уровне в каждом витке (как в сообщающихся сосудах). За один полный оборот рабочего органа 1 каждая точка спирали последовательно находится в среднем, верхнем, среднем и нижнем положениях. В результате этого за каждый оборот в виток поступает порция газа и воды. Вращение рабочего органа 1 заставляет воду, находящуюся в нижней части витков под действием сил гравитации, перемещаться к центру спирали, перемещая одновременно и порции газа, заключенного между порциями воды. Перекачиваемые порции газа при сопротивлении на выходе из насоса, сжимаются по мере движения вдоль спирального канала от входа к выходу, а вода в витках все сильнее отклоняется от равновесного положения. В витках, расположенных ближе к выходу, уровень воды достигает своего предельного отклонения раньше, избыток воды или газа, возникший при этом в каком-либо витке, устраняется самоперетеканием (возвращением) в предыдущий виток спиралевидного канала рабочего органа, что создает и в нем предельное положение уровней воды. Такое положение уровней в витках является оптимальным, так как при этом достигается максимальное повышение давления в витке за счет максимальной разности высот столбцов воды в витках. Вследствие такой самонастройки насосная установка обеспечивает заданный расход в рабочем интервале давлений с максимальной эффективностью, т.е. во внутренней полости рабочего органа создается максимальное давление воды и газа. Газ и жидкость через окна 18 в трубе 6 поступают на вход турбины 12, а через выходной патрубок 10 на слив и к потребителю через окна 19 и выходной патрубок 11. При этом газ и вода под давлением проходят завихритель 20, который выполняет функцию смесителя. Смеситель необходим для создания среды с равномерной плотностью и для равномерной подачи ее на лопатки турбины, где срабатывает перепад давления, под действием которого приводится во вращение вал 13 с ротором 14 электрогенератора 15. С щеток электрогенератора 15 снимается электроэнергия и поступает потребителю. Таким образом энергия потока реки преобразуется рабочим органом 1 в давление рабочего тела (воды и газа) и затем в электроэнергию. Для обеспечения только перекачивания воды и газа на выходной патрубок 10 надевают заглушку и вся энергия давления воды и газа преобразуется в напор, увеличивая высоту подъема воды. Для обеспечения только выработки электроэнергии на выходной патрубок 11 ставят заглушку и весь перепад давления воды и газа срабатывает на турбине 12, увеличивая выдаваемую электрогенератором 15 электрическую мощность. The stream of river water rotates the impeller with the working body 1 relative to the pipe 6. The working body 1, rotating, captures a portion of liquid and gas in one revolution by the window 4. During the second revolution of the working body 1, liquid and gas fall from the first turn into the second, etc. to fill all the turns of the spiral channel. Since the volumes of the turns from the periphery to the axis of the working body 1 are reduced, the liquid (in the absence of resistance at the pump outlet) will freely overflow from the previous turns to the next until the water is placed at the same level in each turn (as in communicating vessels) . For one full revolution of the working body 1, each point of the spiral is sequentially located in the middle, upper, middle and lower positions. As a result of this, for each revolution a portion of gas and water enters the coil. The rotation of the working body 1 causes the water located in the lower part of the turns under the action of gravity to move to the center of the spiral, moving at the same time portions of gas enclosed between portions of water. The portions of gas being pumped, with resistance at the outlet of the pump, are compressed as they move along the spiral channel from inlet to outlet, and the water in the turns deviates more and more from the equilibrium position. In the coils located closer to the exit, the water level reaches its maximum deviation earlier, the excess of water or gas that has arisen in this case in any coil is eliminated by self-flowing (returning) to the previous coil of the spiral channel of the working body, which creates an extreme position in it water levels. This position of the levels in the turns is optimal, since this achieves the maximum increase in pressure in the turn due to the maximum difference in the heights of the water columns in the turns. Due to this self-adjustment, the pump unit provides a predetermined flow rate in the operating pressure range with maximum efficiency, i.e. in the internal cavity of the working body creates the maximum pressure of water and gas. Gas and liquid through the windows 18 in the pipe 6 enter the inlet of the turbine 12, and through the outlet pipe 10 to the drain and to the consumer through the windows 19 and the outlet pipe 11. At the same time, gas and water under pressure pass through the swirl 20, which acts as a mixer. The mixer is necessary to create a medium with a uniform density and to uniformly supply it to the turbine blades, where a pressure drop is triggered, under the influence of which the shaft 13 is rotated with the rotor 14 of the electric generator 15. Electricity is removed from the brushes of the electric generator 15 and supplied to the consumer. Thus, the energy of the river flow is converted by the working body 1 into the pressure of the working fluid (water and gas) and then into electricity. To ensure only the pumping of water and gas, a plug is put on the outlet pipe 10 and all the energy of the pressure of the water and gas is converted into pressure, increasing the height of the water. To ensure only the generation of electricity, a plug is placed on the outlet pipe 11 and the entire pressure drop of water and gas is triggered on the turbine 12, increasing the electric power supplied by the electric generator 15.

Для использования насосной установки в качестве только гидроэлектростанции на свободном конце вала 13 с другой стороны электрогенератора 15 устанавливают вторую турбину 21, а напротив окон 19 перед ней устанавливают такой же завихритель 22, что и перед первой турбиной 12, для смещения воды и газа с целью выравнивания плотности рабочего тела турбины 21. Это позволяет компенсировать осевые силы, действующие в узлах установки турбин 12 и 21 электрогенератора 15, и увеличить выдаваемую электрическую мощность за счет уменьшения гидравлических потерь. To use the pump unit as a hydroelectric power station, a second turbine 21 is installed on the free end of the shaft 13 on the other side of the electric generator 15, and the same swirl 22 is installed in front of the windows 19 in front of the first turbine 12 to displace water and gas for alignment the density of the working fluid of the turbine 21. This allows you to compensate for the axial forces acting in the installation nodes of the turbines 12 and 21 of the electric generator 15, and to increase the generated electric power by reducing hydraulic losses.

Установка статора 16 электрогенератора 15 с возможностью вращения относительно как рабочего органа 1 насоса, так и ротора 14 в подшипниковом узле (см.фиг.4) и за счет жесткого прикрепления на внутренней поверхности участка 24 трубы 6, между рабочими лопатками турбины 12 и 21 и завихрителями 20 и 22 потока, лопаток направляющего аппарата 25 и 26, выполняющих функции рабочих лопаток, обеспечит независимое вращение статора 16 при проходе под давлением рабочего тела (воды, воздуха) по тракту турбоагрегата, что позволяет максимально повысить выработку электроэнергии за счет оптимальной работы насоса и генератора. Installing the stator 16 of the electric generator 15 with the possibility of rotation relative to both the working body 1 of the pump and the rotor 14 in the bearing assembly (see figure 4) and due to the rigid attachment on the inner surface of the section 24 of the pipe 6, between the working blades of the turbine 12 and 21 and swirls 20 and 22 of the flow, vanes of the guide vane 25 and 26, acting as working blades, will provide independent rotation of the stator 16 when passing under pressure of the working fluid (water, air) along the path of the turbine unit, which allows to maximize the production of electric energy due to the optimal operation of the pump and generator.

Использование насосной установки в качестве гидроэлектростанции значительно расширяет ее возможности, что особенно важно для снабжения электроэнергией в труднодоступных местах, необжитых районах. Using a pumping unit as a hydroelectric power station significantly expands its capabilities, which is especially important for supplying electricity in hard-to-reach places, uninhabited areas.

Claims

1. A PUMPING UNIT containing a working body mounted with the possibility of rotation around a horizontal axis with an inlet and an outlet, characterized in that the working body is made of sheet material mounted on a rigid frame and coiled in a spiral with a gap between the turns, which are hermetically connected at the ends by side walls, with the input of the working body is a window formed on the periphery of the spiral by the side walls and surfaces of the last and penultimate turns of the spiral, the installation is equipped with blades, on the outer surface of the working body, a pipe with windows axisymmetrically installed in the working body, placed in the pipe by a hydraulic unit made in the form of a turbine, and an electric generator installed on one shaft with the turbine and dividing the pipe into two sections, the pipe ends with an outlet, while sections of the pipe communicated through windows with an internal cavity of the working body, one directly and the other through the turbine.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a plug mounted on the end of the pipe behind the turbine.

3. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a plug mounted on the end of the pipe, opposite the outlet of the turbine.

4. The installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional turbine and an electric generator mounted on one shaft and placed in the second pipe section, the latter communicating with the internal cavity of the working body through the turbine.

5. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with guiding devices, rigidly fixed on the inner surface of the pipe section connected to the stator of the electric generator mounted rotatably relative to the working body.