RU2040707C1

RU2040707C1 - Submersible staring pump

Info

Publication number: RU2040707C1
Authority: RU
Inventors: Г.Д. Шекун
Original assignee: Комсомольский-на-Амуре политехнический институт
Priority date: 1990-12-13
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1995-07-25

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: shaft with impeller is located in vortex chamber of housing. Mounted on side of pump inlet coaxially to its housing is attachment whose chamber is brought in communication with surrounding medium. Arranged in attachment is hydraulic swirl mixer with nozzles connected to high-pressure liquid source and located in center and over periphery of chamber of attachment which is brought in communication with surrounding medium through tangential opening made in attachment and located on side of running of external flow of liquid. Attachment is provided with additional tangential openings spread in height on side of running of external flow. Attachment is provided with screen in area where opening is made. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к конструкциям погружных насосных агрегатов, предназначенных для размыва и перекачивания песка и/или сыпучих материалов со дна рек или морских течений. The invention relates to hydraulic engineering, in particular to the designs of submersible pumping units designed for erosion and pumping of sand and / or bulk materials from the bottom of rivers or sea currents.

Известен погружной насос, содержащий корпус с вихревой камерой, напорным патрубком и перфорированной обечайкой, вал с рабочим колесом, расположенные в вихревой камере, установленный со стороны входа насоса коаксиально корпусу насадок, полость которого сообщена с окружающей средой, и размещенную в насадке гидровихревую мешалку с соплами, подключенными к источнику жидкости высокого давления и расположенными в центре и по периферии полости насадка. A submersible pump is known, comprising a housing with a vortex chamber, a pressure pipe and a perforated shell, a shaft with an impeller located in the vortex chamber, mounted on the pump inlet side coaxially with the nozzle body, the cavity of which is in communication with the environment, and a hydro-vortex mixer with nozzles located in the nozzle connected to a source of high pressure fluid and located in the center and around the periphery of the nozzle cavity.

Установленные в центре и по периферии полости насадка сопла, подключенные к источнику жидкости высокого давления, в пределах внутреннего пространства насадка и рабочей полости насоса свободновихревого типа образуют направленный вверх высокоактивный закрученный поток, размывающий песок и/или сыпучие материалы на дне водоемов и транспортирующий воднопесчаную смесь в напорную магистраль. Под воздействием жидкости, вытекающей из профилированных каналов насадка за счет разряжения, создаваемого насосом, закрученный поток в полости насадка приобретает форму высокоактивного вихревого шнура с поступательно-вращательным движением вверх водно-песчаной смеси. Installed in the center and around the periphery of the cavity of the nozzle nozzle, connected to a source of high-pressure fluid, within the inner space of the nozzle and the working cavity of a free-vortex pump form a highly active swirling flow directed upward, eroding sand and / or bulk materials at the bottom of reservoirs and transporting the water-sand mixture to pressure line. Under the influence of a fluid flowing from the shaped channels of the nozzle due to the vacuum created by the pump, the swirling flow in the cavity of the nozzle takes the form of a highly active vortex cord with a translational-rotational upward movement of the water-sand mixture.

Однако рассматриваемая конструкция погружного насоса не рассчитана на использование энергии внешнего потока жидкости, набегающего на перфорированный насадок. Поддержание высокоактивного вихря в полости насадка, а также поступательное вверх движение водно-песчаной смеси требует повышения мощности насоса. However, the design of the submersible pump under consideration is not designed to use the energy of an external fluid flow incident on a perforated nozzle. The maintenance of a highly active vortex in the nozzle cavity, as well as the progressive upward movement of the water-sand mixture, require an increase in pump power.

Цель изобретения повышение экономичности насоса за счет снижения затрат на перекачивание размытого грунта при установке насоса в потоке жидкости. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the pump by reducing the cost of pumping washed out soil when installing the pump in a fluid stream.

Сущность предлагаемого насоса состоит в эффективном использовании энергии водного потока, например течения реки и энергии, подводимой к гидровихревой мешалке и свободно-вихревому насосу, путем организации вихревого гидравлического размыва песка, подачи водно-песчаной смеси за счет образования в полости насадка развитого вихревого шнура, который подает водно-песчаную смесь к всасывающему патрубку насоса с последующим перекачиванием гидросмеси с минимальным абразивным износом рабочего колеса насоса. The essence of the proposed pump consists in the efficient use of the energy of a water stream, for example, the flow of a river and the energy supplied to a hydro-vortex mixer and a free-vortex pump, by organizing a vortex hydraulic erosion of sand, supplying a water-sand mixture due to the formation of a developed vortex cord in the nozzle cavity, which feeds the water-sand mixture to the suction pipe of the pump, followed by pumping the hydraulic mixture with minimal abrasive wear of the impeller of the pump.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
использование тангенциального проема, размещенного со стороны набегания внешнего потока жидкости;
применение дополнительных тангенциальных проемов, разнесенных по высоте насадка со стороны набегания внешнего потока жидкости;
использование экрана, установленного с внешней стороны насадка в зоне выполнения проема.Distinctive features of the proposed technical solution are:
the use of a tangential opening located on the side of the ramp of the external fluid flow;
the use of additional tangential openings spaced apart by the height of the nozzle from the side of the ramp of the external fluid flow;
the use of a screen mounted on the outside of the nozzle in the opening area of the opening.

Анализ научно-технических и патентных источников позволяет сделать вывод о том, что не известно техническое решение, применяемое в погружных насосах с указанными отличительными признаками, что говорит о соответствии предлагаемого изобретения критерию "существенные отличия". Analysis of scientific, technical and patent sources allows us to conclude that the technical solution used in submersible pumps with the indicated distinguishing features is not known, which indicates the compliance of the invention with the criterion of "significant differences".

Цель предлагаемого изобретения достигается тем, что в пределах внутреннего пространства насадка за счет энергии высоконапорной жидкости гидромешалки и энергии внешнего потока жидкости (речного или морского течения) формируется гидравлический вихревой шнур, транспортирующий воднопесчаную смесь в полость свободновихревого насоса. Интенсивность и устойчивость гидровихревого шнура повышается по мере продвижения гидросмеси к полости вихревой камеры насоса, т.е. снизу вверх во внутреннем пространстве насадка. В этом случае благодаря дополнительной подпитке вихреобразования энергией со стороны тангенциально расположенного проема или проемов, вращение гидровихревого шнура по всей его протяженности осуществляется по закону постоянства циркуляции. Принцип постоянства циркуляции в сочетании, например, с конической формой насадка позволяет увеличить скорость закрученного потока гидросмеси пропорционально уменьшению радиуса вихря и, следовательно, увеличить градиент давления по высоте насадка, а также повысить устойчивость и интенсивность вихревого поля, что способствует с минимальными затратами энергии размывать донный грунт и транспортировать воднопесчаную смесь в напорную магистраль. The aim of the invention is achieved in that within the internal space of the nozzle due to the energy of a high-pressure fluid mixer and the energy of the external fluid flow (river or sea flow), a hydraulic vortex cord is formed, transporting the water-sand mixture to the cavity of the free-vortex pump. The intensity and stability of the vortex cord increases as the slurry moves toward the cavity of the vortex chamber of the pump, i.e. from the bottom up in the inner space of the nozzle. In this case, due to the additional recharge of vortex formation by energy from the side of the tangentially located opening or openings, the rotation of the hydro-vortex cord along its entire length is carried out according to the law of constancy of circulation. The principle of constant circulation in combination, for example, with a conical shape of the nozzle allows to increase the speed of the swirling flow of the slurry in proportion to the decrease in the radius of the vortex and, therefore, to increase the pressure gradient along the height of the nozzle, and also to increase the stability and intensity of the vortex field, which helps to erode the bottom soil and transport the water-sand mixture to the pressure line.

Таким образом, в пределах внутреннего пространства насадка формируется направленный вверх высокоактивный закрученный поток гидросмеси, размывающий грунт на дне водоема и транспортирующий гидросмесь в напорную магистраль с использованием энергии внешнего набегающего потока, например, естественного течения реки. Thus, within the inner space of the nozzle, a highly active swirling slurry flow is formed, eroding the soil at the bottom of the reservoir and transporting the slurry to the pressure line using the energy of an external incoming flow, for example, the natural flow of the river.

В процессе работы погружной насос опускается на дно, например реки и разворачивается таким образом, чтобы ориентация тангенциально расположенного проема или проемов насадка была соосна с направлением течения внешнего потока (например реки). Грунт в пределах полости насадка размывается высоконапорной жидкостью гидровихревой мешалки. Относительная величина поступающей для размыва высоконапорной жидкости по объему в сравнении с объемным расходом жидкости без твердых частиц, проходящей через насос, намного меньше 70% В то же время максимальная объемная концентрация твердых частиц при перекачивании не превышает 30% Таким образом, основную часть жидкости насос получает из области вне насадка за счет набегания внешнего потока на насадок. Проходя через тангенциальный проем или проемы, кинетическая энергия внешнего потока жидкости способствует интенсификации вращения гидровихревого шнура в полости насадка. Жидкость, попавшая в полость насадка из внешнего потока, увеличивает объем гидросмеси, поступающей в полость насоса и затем в напорную магистраль. During operation, the submersible pump sinks to the bottom, for example of a river, and turns so that the orientation of the tangentially located opening or openings of the nozzle is aligned with the direction of flow of the external flow (for example, river). Soil within the cavity of the nozzle is eroded by a high-pressure liquid of a vortex mixer. The relative amount of high-pressure fluid entering for erosion in volume compared to the volumetric flow rate of liquid without solid particles passing through the pump is much less than 70%. At the same time, the maximum volumetric concentration of solid particles during pumping does not exceed 30%. Thus, the pump receives the bulk of the liquid from the area outside the nozzle due to the external flow of the nozzles. Passing through a tangential aperture or openings, the kinetic energy of the external fluid flow contributes to the intensification of the rotation of the vortex cord in the cavity of the nozzle. The liquid entering the nozzle cavity from the external flow increases the volume of the slurry entering the pump cavity and then into the pressure line.

Таким образом, поступление требуемой жидкости с сохранением объемной концентрации твердых частиц вызывает необходимость использования тангенциального проема или проемов в боковой стенке насадка. Применение тангенциальных проемов разнесенных по высоте насадка позволяет регулировать использование энергии набегающего внешнего потока для интенсификации вихревого шнура по высоте насадка. Образованный в этом случае высокоактивный вихревой шнур размывает и захватывает гидросмесь с придонного пространства и подымает ее вверх в рабочую полость свободновихревого насоса. Эффективность подъема гидросмеси возрастает за счет увеличения скорости вращения вихревого потока по мере приближения его к полости насоса. В этом случае градиент давления увеличивается и создает подпор перед вихревой камерой насоса, что способствует уменьшению подводимой энергии к насосу и увеличивает экономичность насоса при перекачивании гидросмеси. Thus, the flow of the desired fluid while maintaining the volume concentration of solid particles necessitates the use of a tangential opening or openings in the side wall of the nozzle. The use of tangential openings of a nozzle spaced apart in height makes it possible to regulate the use of the energy of the incident external flow to intensify the vortex cord along the nozzle height. The highly active vortex cord formed in this case blurs and captures the hydraulic mixture from the near-bottom space and lifts it up into the working cavity of the free-vortex pump. The efficiency of lifting the slurry increases due to an increase in the rotation speed of the vortex flow as it approaches the pump cavity. In this case, the pressure gradient increases and creates a backwater in front of the vortex chamber of the pump, which helps to reduce the supplied energy to the pump and increases the efficiency of the pump when pumping the hydraulic mixture.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез предлагаемого погружного насоса, на фиг.2 сечение А-А на фиг.1. Figure 1 schematically shows a longitudinal section of the proposed submersible pump, figure 2 section aa in figure 1.

Вращение вала отсутствует. No shaft rotation.

Погружной насос содержит свободновихревой насос 1, гидровихревую мешалку 2 и насадку 3. В состав насоса 1 входит корпус 6, рабочее колесо 4, насаженное на вал 7, перфорированная обечайка 8 с отверстиями 9 и напорный патрубок 5. Мешалка 2 снабжена гидравлическими соплами 10, установленными в полой державке 12 и в нижней части насадка 3. Державка 12, расположенная по оси насадка 3, крепится к обечайке 8 насоса 1. Гидравлические сопла 10 посредством коллектора 14 соединены с высоконапорной магистралью 11. В стенке насадка 3 предусмотрен тангенциально расположенный проем 13 или проемы, разнесенные по высоте насадка со стороны набегания внешнего потока жидкости (речного или морского течений), которые снабжены с наружной стороны экраном 15. The submersible pump contains a free-vortex pump 1, a hydro-vortex mixer 2 and a nozzle 3. The pump 1 includes a housing 6, an impeller 4, mounted on a shaft 7, a perforated shell 8 with holes 9 and a discharge pipe 5. The mixer 2 is equipped with hydraulic nozzles 10 installed in the hollow holder 12 and in the lower part of the nozzle 3. The holder 12, located along the axis of the nozzle 3, is attached to the shell 8 of the pump 1. The hydraulic nozzles 10 are connected via a manifold 14 to the high-pressure line 11. The nozzle 3 is tangentially located in the wall enny aperture or apertures 13 spaced in height from the nozzle ramp external fluid flow (river or sea currents) which are provided on the outer side screen 15.

Насос работает следующим образом. The pump operates as follows.

При вращении вала 7 и подаче высоконапорной жидкости по подводящей магистрали 11 к соплам 10 гидровихревой мешалки 2 в полости насадка 3 в околодонном пространстве образуется гидравлический вихрь, размывающий донный грунт. Струйное течение с закруткой относительно вертикальной оси приводит к появлению поперечных и продольных градиентов давления, а при отсутствии насадка к образованию более широкой струи с меньшей скоростью, чем без закрутки. Наличие же насадка между мешалкой и свободновихревым насосом в силу законов сплошности потока и постоянства циркуляции позволяет сохранить или увеличить скорость закрученного потока и уменьшить радиус вихря и, как следствие, увеличить скорость вихревого поля, которая способствует стабилизации вихревого шнура и повышению эффективности подъема с околодонного пространства размытого грунта, так как с увеличением скорости давление во вращающемся потоке падает и возникающий градиент давления способствует подъему твердых частиц в полость насоса. When the shaft 7 is rotated and a high-pressure fluid is supplied through the supply line 11 to the nozzles 10 of the vortex mixer 2, a hydraulic vortex is formed in the cavity of the nozzle 3 in the near-bottom space, which erodes the bottom soil. The jet flow with a swirl relative to the vertical axis leads to the appearance of transverse and longitudinal pressure gradients, and in the absence of a nozzle to the formation of a wider jet with a lower speed than without twist. The presence of a nozzle between the mixer and the free-vortex pump, by virtue of the laws of continuity of flow and constancy of circulation, allows one to maintain or increase the speed of the swirling flow and reduce the radius of the vortex and, as a result, increase the speed of the vortex field, which helps to stabilize the vortex cord and increase the efficiency of lifting from the near-blurred space soil, since with increasing speed, the pressure in the rotating stream decreases and the resulting pressure gradient contributes to the lifting of solid particles into the cavity pump.

Для уменьшения энергозатрат, а также для поддержания необходимой концентрации перекачиваемой гидросмеси к закрученному в полости насадка 3 потоку через тангенциальный проем или разнесенные по высоте проемы 13 подводится энергонасыщенная жидкость из внешнего потока (речного или морского течений). Несмотря на то, что осевая и тангенциальная составляющие скорости в создаваемом мешалкой вихре превышают проекции скорости набегающего через тангенциальный проем жидкости, абсолютная скорость течения в вихре как векторная сумма названных скоростей возрастает. To reduce energy consumption, as well as to maintain the necessary concentration of the pumped hydraulic mixture, a saturated liquid from an external stream (river or sea currents) is supplied to the flow swirling in the nozzle 3 through a tangential opening or openings spaced apart in height 13. Despite the fact that the axial and tangential components of the velocity in the vortex created by the mixer exceed the projection of the velocity of the fluid flowing through the tangential opening, the absolute velocity of the flow in the vortex as a vector sum of the named velocities increases.

Насадок с тангенциальным проемом или проемами представляет, таким образом, энергоаккумулятор, позволяющий для предварительно закрученного потока гидросмеси концентрировать энергию внешнего потока (речного или морского течений) с малой плотностью кинетической энергии на большей площади в поток меньшей площади, занимаемой вихрем в полости насадка, но с большей плотностью кинетической энергии. Thus, a nozzle with a tangential aperture or apertures is an energy accumulator that allows for a previously swirled slurry stream to concentrate the energy of an external stream (river or sea currents) with a low kinetic energy density over a larger area into a stream of a smaller area occupied by the vortex in the nozzle cavity, but with higher density of kinetic energy.

В результате взаимодействия гидравлического вихря мешалки 2 в полости насадка 3, внешнего потока жидкости (речного или морского течений), поступающего через тангенциальный проем 13, и восходящего потока гидросмеси во внутренней полости насадка 3 возникает вихревое ядро. Образующийся высокоактивный вихревой шнур захватывает водно-песчаную смесь из придонного пространства и подымает ее, где через перфорированную обечайку 9 смесь поступает в рабочую камеру свободновихревого насоса 1 и, получив там дополнительную энергию, нагнетается в канал напорного патрубка 5 и удаляется за пределы погружного насоса. Размеры твердых включений перекачиваемых сыпучих материалов ограничены размерами отверстий 9 перфорированной обечайки 8 свободновихревого насоса 1. As a result of the interaction of the hydraulic vortex of the mixer 2 in the cavity of the nozzle 3, the external fluid flow (river or sea currents) entering through the tangential aperture 13, and the upward flow of the slurry in the internal cavity of the nozzle 3, a vortex core appears. The resulting highly active vortex cord captures the water-sand mixture from the bottom space and lifts it, where through the perforated shell 9 the mixture enters the working chamber of the free-vortex pump 1 and, having received additional energy there, is pumped into the channel of the discharge pipe 5 and removed outside the submersible pump. The dimensions of the solid inclusions of the pumped bulk materials are limited by the size of the holes 9 of the perforated shell 8 of the free-vortex pump 1.

Интенсивность вихревого ядра при заданной частоте вращения рабочего колеса насоса 1 регулируется напором и расходом высоконапорной жидкости с ориентацией сопел 10 и скоростью течения внешнего потока жидкости через тангенциальный проем 13 насадка 3. Эффективность размыва сыпучих материалов и/или песка в придонном пространстве определяется энергетическими характеристиками вихря и повышается за счет исключения диссипации энергии вихря в окружающую среду, вследствие ограничения области размыва полостью насадка 3. The intensity of the vortex core at a given rotational speed of the impeller of the pump 1 is regulated by the pressure and flow rate of the high-pressure fluid with the orientation of the nozzles 10 and the flow rate of the external fluid flow through the tangential opening 13 of the nozzle 3. The washing efficiency of bulk materials and / or sand in the near-bottom space is determined by the energy characteristics of the vortex and increases due to the exclusion of the energy dissipation of the vortex into the environment, due to the restriction of the erosion region by the nozzle cavity 3.

Claims

1. SUBMERSIBLE SAND PUMP, comprising a casing with a vortex chamber, a pressure port and a perforated shell, a shaft with an impeller located in the vortex chamber, mounted on the pump inlet side coaxially with the nozzle casing, the cavity of which is in communication with the environment, and a hydro-vortex mixer placed in the nozzle with nozzles connected to a source of high pressure liquid and located in the center and around the periphery of the cavity nozzle, characterized in that, in order to increase efficiency by reducing the cost of pumping Contents diffuse soil when installing the pump in fluid flow communication with the cavity of the nozzle environment executed by a tangential nozzle openings disposed on the part of the ramp of the external fluid.

2. The pump according to claim 1, characterized in that the nozzle has additional tangential openings spaced along the height of the nozzle from the side of the ramp of the external fluid flow.

3. The pump according to claim 1, characterized in that the nozzles on the outside in the execution area of the opening is provided with a screen.