RU148066U1 - WATER LIFT-CONVERTER HEAD - Google Patents

Abstract

Водоподъёмник-преобразователь напора, содержащий сборно-питательный и нагнетательный резервуары, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, насос с приводом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен подающим резервуаром с подающим трубопроводом, в качестве привода насоса использована быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединенная подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами, гидротурбина и насос установлены на одном валу или на двух параллельных, при этом валы соединены через механическую передачу, обеспечивающую им одинаковую частоту вращения.A pressure head water riser comprising pre-feed and discharge tanks, a suction and discharge pipelines, a pump with a drive, characterized in that it is additionally equipped with a supply tank with a feed pipe, and a high-speed turbine connected to the pump connected to the pump by a feed pipe is used with supply and collection tanks, the turbine and pump are mounted on one shaft or on two parallel ones, while the shafts are connected through a mechanical transmission, providing them with the same speed.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к водоподъемным устройствам, использующим потенциальную энергию воды, и может быть использована в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю без использования электрической энергии и энергии сгорания топлива.The proposed utility model relates to water-lifting devices using the potential energy of water, and can be used in places where water levels differ, for example, on pond dams to increase the pressure of the dam and supply water to the consumer without the use of electric energy and fuel combustion energy.

Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами (RU 82798 U1, МПК F04F 7/02, опубл. 17.12.2009).Known hydraulic ram containing a lifting stage, including a supply pipe with a shock valve, a pressure cap with inlet and bypass valves (RU 82798 U1, IPC F04F 7/02, publ. 17.12.2009).

Недостатком аналога является низкий коэффициент полезного действия при необходимости получения высокой степени преобразования (значительного увеличения) выходного напора по отношению к входному, а также повышенный шум при работе.The disadvantage of the analogue is the low efficiency when it is necessary to obtain a high degree of conversion (significant increase) of the output pressure with respect to the input, as well as increased noise during operation.

Известен гидравлический двигатель-насос, содержащий питательную емкость для воды, питательный трубопровод, впускной и выпускной каналы, рабочую камеру. Рабочая камера образована в поршне, имеет всасывающий и напорный клапаны, неподвижный напорный трубопровод. Этот трубопровод расположен соосно внутри рабочей камеры и снабжен упомянутым напорным клапаном. Между напорным трубопроводом и рабочей камерой установлено уплотнение, тяги, выпускной трубопровод, привод в виде сосуда. Сосуд частично заполнен водой, установлен в корпусе, снабжен золотниково-пружинным механизмом. Этот механизм включает золотник, регулировочные колпачки и фиксирующие пружины с шариками. Шарики размещены в кольцевых канавках стержня золотника. Гидравлический двигатель-насос включает в себя два насоса однократного действия, пружинно-клапанный механизм, тяги. В этих насосах напорные трубопроводы соединены параллельно, питательный и выпускной трубопроводы являются общими, а в соединении трубопроводов с впускными и выпускными каналами установлены перекидные клапаны. Стержень золотника в нижней части оборудован зубчатой рейкой, находящейся в сочленении с зубчатым сектором и рычагом перемещения тяг.(RU 2486375 C2, МПК F04F 7/02, опубл. 27.06.2013).A known hydraulic motor pump containing a feed tank for water, a feed pipe, inlet and outlet channels, a working chamber. The working chamber is formed in the piston, has a suction and pressure valves, a stationary pressure pipe. This pipe is located coaxially inside the working chamber and is equipped with said pressure valve. Between the pressure pipe and the working chamber there is a seal, traction, exhaust pipe, a drive in the form of a vessel. The vessel is partially filled with water, installed in the housing, equipped with a spool-spring mechanism. This mechanism includes a spool, adjusting caps and fixing springs with balls. Balls are placed in the annular grooves of the valve stem. The hydraulic motor-pump includes two single-acting pumps, a spring-valve mechanism, and traction. In these pumps, pressure pipelines are connected in parallel, supply and exhaust pipelines are common, and flap valves are installed in the piping connection with the inlet and outlet channels. The spool rod in the lower part is equipped with a gear rack located in the joint with the gear sector and the lever for moving the rods. (RU 2486375 C2, IPC F04F 7/02, published on June 27, 2013).

Недостатком данного аналога является очень низкая степень преобразования (незначительное увеличение) входного напора и большая материалоемкость.The disadvantage of this analogue is the very low degree of conversion (a slight increase) in the input pressure and high material consumption.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является насосная установка, состоящая непосредственно из самого насоса, приводного вала и приводного двигателя, работающего на электрической энергии или на энергии сгораемого топлива (Кривченко Г.И. Гидравлические машины, Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., с. 6, рис. В1(б).The closest technical solution, taken as a prototype, is a pumping unit, consisting directly of the pump itself, the drive shaft and the drive engine running on electric energy or on the energy of combustible fuel (G.I. Krivchenko Hydraulic machines, Turbines and pumps. Moscow, Energia , 1978, p. 6, Fig. B1 (b).

Недостатком прототипа является необходимость наличия электроэнергии для приводного электродвигателя или топлива для двигателя внутреннего сгорания, что приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания, а также наличие дополнительных эксплуатационных затрат на покупку электроэнергии или топлива.The disadvantage of the prototype is the need for electricity for a drive electric motor or fuel for an internal combustion engine, which leads to environmental pollution by combustion products, as well as the presence of additional operating costs for the purchase of electricity or fuel.

Задачей полезной модели является снижение эксплуатационных затрат, сохранение (или увеличение) высокого коэффициента полезного действия при больших преобразованиях напора.The objective of the utility model is to reduce operating costs, maintain (or increase) a high efficiency with large pressure transformations.

Технический результат обеспечивается тем, что водоподъемник-преобразователь напора содержит сборно-питательный и нагнетательный резервуары, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, насос с приводом, но в отличие от прототипа, он дополнительно снабжен подающим резервуаром с подающим трубопроводом, в качестве привода насоса использована быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединенная подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами, гидротурбина и насос установлены на одном валу или на двух параллельных, при этом валы соединены через механическую передачу, обеспечивающую им одинаковую частоту вращения.The technical result is ensured by the fact that the pressure head riser-converter contains prefabricated feed and discharge tanks, suction and discharge pipelines, a pump with a drive, but unlike the prototype, it is additionally equipped with a supply tank with a feed pipe, high-speed relative to a hydroturbine connected to the pump by a supply pipe with a feed and collecting feed tanks, a hydraulic turbine and a pump are installed on one shaft or on two parallel ny, while the shafts are connected through a mechanical transmission, providing them with the same speed.

Известен общий принцип работы насосной установки (Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., с. 9, рис. В-1(б), с. 180, рис. 9-1). На вал насоса передается механическая мощность с вала приводного двигателя, в качестве источника энергии для которого выступает электрическая энергия, или энергия сгорания топлива, или ручная энергия, а также другие виды энергии. В насосе происходит передача механической мощности вращающегося рабочего колеса насоса частицам жидкости, в результате чего жидкость приобретает дополнительную механическую энергию, называемую гидравлической и определяемой напором (давлением), расходом и удельным весом жидкости. Через всасывающий трубопровод жидкость из сборно-питательного резервуара поступает в насос, из которого под избыточным давлением по нагнетательному трубопроводу поступает потребителю. Насосы и гидротурбины по используемому принципу действия разделяются на динамические и объемные гидравлические машины. Лопастные гидромашины являются подклассом динамических.The general principle of operation of a pumping unit is known (G.I. Krivchenko. Hydraulic machines. Turbines and pumps. Moscow, Energia, 1978, p. 9, fig. B-1 (b), p. 180, fig. 9-1) . Mechanical power is transmitted to the pump shaft from the shaft of the drive motor, for which electric energy, or fuel combustion energy, or manual energy, as well as other types of energy, acts as a source of energy. In the pump, the mechanical power of the rotating impeller of the pump is transferred to the fluid particles, as a result of which the fluid acquires additional mechanical energy, called hydraulic and determined by pressure (pressure), flow rate and specific gravity of the fluid. Through the suction pipe, liquid from the collection-feed tank enters the pump, from which it flows to the consumer under overpressure through the discharge pipe. Pumps and hydraulic turbines according to the principle of action used are divided into dynamic and volumetric hydraulic machines. Paddle hydraulic machines are a subclass of dynamic.

Быстроходность гидравлической машины определяется коэффициентом быстроходности и особенностями строения рабочего колеса. (Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы. Москва, Энегрия, 1978 г., стр. 79-80 и стр. 201-204) Быстроходной по отношению к насосу является гидротурбина, имеющая коэффициент быстроходности выше чем у насоса, то есть при той же мощности и частоте вращения, что и насос, имеет напор ниже, чем у насоса, а расход выше.The speed of the hydraulic machine is determined by the speed coefficient and the structural features of the impeller. (Krivchenko GI Hydraulic machines. Turbines and pumps. Moscow, Energia, 1978, pp. 79-80 and pp. 201-204) A hydraulic turbine with a speed coefficient higher than that of a pump is fast-moving with respect to the pump, then at the same power and speed as the pump has a lower head than the pump, and the flow rate is higher.

В предлагаемой полезной модели частота вращения гидротурбины и насоса равны, выходная мощность гидротурбины и входная мощность насоса равны, но выходная мощность гидротурбины получена малым напором и большим расходом на гидротурбине, а входная мощность насоса идет на создание большого напора и малого расхода. Таким образом, за счет преобразования быстроходной гидротурбиной большой кинетической энергии (большого расхода) и малой потенциальной энергией (малого напора) воды из подающего резервуара в механическую энергию вращения вала гидротурбины, которая передается на вал насоса практически без потерь и позволяет получать на выходе насоса за счет перераспределения в нем потенциальной и кинетической энергий полученной от гидротурбины механической энергии вращения вала значительное увеличение напора при меньшем чем у гидротурбины расходе.In the proposed utility model, the rotational speeds of the hydraulic turbine and pump are equal, the output of the hydraulic turbine and the input power of the pump are equal, but the output of the hydraulic turbine is obtained by a small head and a large flow rate on the hydraulic turbine, and the input power of the pump is used to create a large head and low flow rate. Thus, due to the conversion of high kinetic energy (high flow rate) and low potential energy (low pressure) of water from the supply tank by the high-speed hydraulic turbine to the mechanical energy of rotation of the hydraulic turbine shaft, which is transmitted to the pump shaft practically without loss and allows receiving at the pump outlet due to the redistribution of the potential and kinetic energies in it of the mechanical energy of rotation of the shaft received from the hydraulic turbine, a significant increase in pressure at a lower flow rate than that of the hydraulic turbine.

Использование в качестве привода насоса быстроходной гидротурбины по отношению к насосу, не применялось для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов.The use of a high-speed hydraulic turbine as a pump drive in relation to the pump was not used to increase the pressure of the dam and supply water to the consumer in places where water levels differ, for example, on pond dams.

Для установки гидротурбины в качестве привода насоса устройство дополнительно снабжено подающим резервуаром с подающим трубопроводом. Быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединена подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами для подачи воды в сборно-питательный резервуар. При установке гидротурбины на одном валу с насосом в случае легкого конструктивного их совмещения (равенство диаметров валов, доступность соединительной муфты, одинаковость конструкции соединения) обеспечивается одинаковая скорость их вращения. При невозможности соединения на одном валу гидротурбины и насоса их соединяют на параллельно расположенных валах через механическую передачу, обеспечивающую одинаковую скорость вращения валов гидротурбины и насоса.To install a hydraulic turbine as a pump drive, the device is additionally equipped with a supply tank with a supply pipe. High-speed turbine with respect to the pump, is connected by a supply pipe to a supply and collection-feed tanks for supplying water to the collection-feed tank. When installing a hydraulic turbine on one shaft with a pump, in the case of their easy structural combination (equal shaft diameters, accessibility of the coupling, the same joint design), the same speed of rotation is ensured. If it is not possible to connect the turbines and the pump on one shaft, they are connected on parallel shafts through a mechanical transmission that provides the same speed of rotation of the turbines and the pump shafts.

В качестве механической передачи при параллельном расположении валов гидротурбины и насоса применена, например, ременная передача, возможно также применение цепной, шестеренной или любой другой механической передачи, обеспечивающей одинаковую частоту вращения вала гидротурбины и насоса.For example, a belt drive is used as a mechanical transmission with parallel arrangement of the hydraulic turbine and pump shafts, it is also possible to use a chain, gear or any other mechanical transmission providing the same rotational speed of the hydraulic turbine shaft and pump.

На фиг. 1 представлена схема полезной модели с параллельно установленными валами насоса и гидротурбины, соединенными ременной передачей.In FIG. 1 shows a diagram of a utility model with parallel mounted shafts of a pump and a hydraulic turbine connected by a belt drive.

На фиг. 2 представлена схема полезной модели с насосом и гидротурбиной, установленными на одном валу.In FIG. 2 shows a diagram of a utility model with a pump and a hydraulic turbine mounted on the same shaft.

Водоподъемник-преобразователь (Фиг. 1, 2) содержит: подающий резервуар 1 (образованный плотиной), подающую трубу 2 с задвижкой 3, гидротурбину 4, выходной вал которой через ремень 5 (Фиг. 1) или муфту 5 (Фиг. 2) соединен с входным валом насоса 7. Сброс воды гидротурбиной 4 происходит в сборно-питательный резервуар 6 и всасывание воды насосом 7 происходит также из резервуара 6. Гидротурбина 4 и насос 7 установлены на станине 12, на выходе насос соединен с нагнетательным трубопроводом 10 с вентилем 9, а через трубопровод 10 с нагнетательным резервуаром 11.The water-lift converter (Fig. 1, 2) contains: a supply tank 1 (formed by a dam), a supply pipe 2 with a valve 3, a hydraulic turbine 4, the output shaft of which is connected via a belt 5 (Fig. 1) or a coupling 5 (Fig. 2) with the input shaft of the pump 7. The water is discharged by a hydraulic turbine 4 into the collecting and feeding tank 6 and the suction of water by the pump 7 also occurs from the reservoir 6. The hydraulic turbine 4 and pump 7 are installed on the bed 12, at the outlet the pump is connected to the discharge pipe 10 with valve 9, and through the pipeline 10 with the discharge tank 11.

Водоподъемник-преобразователь работает следующим образом.Lift-Converter operates as follows.

Первоначально установка запускается на холостом ходу в зависимости от типа насоса - лопастной или объемный. Для этого обеспечивают минимальную нагрузку на насос, а значит и на гидротурбину.Initially, the installation starts at idle, depending on the type of pump - vane or volume. To do this, provide a minimum load on the pump, and therefore on the turbine.

В случае использования лопастного насоса, его по правилу запуска лопастного насоса заполняют водой, закрывается пусковой вентиль 14 пускового трубопровода 13 и нагнетательный вентиль 9; в случае использования насоса объемного типа закрывают вентиль 9, а вентиль 14 открывают.In the case of using a vane pump, it is filled with water according to the rule of starting a vane pump, the starting valve 14 of the starting pipeline 13 and the discharge valve 9 are closed; in the case of using a positive displacement pump, the valve 9 is closed and the valve 14 is opened.

Оператор открывает задвижку 3. Вода под действием низкого напора H устремляется с большим расходом Q из подающего резервуара 1 по подающему трубопроводу 2 в гидротурбину 4, вращает рабочий орган гидротурбины, разгоняет его до максимальной частоты холостого хода и сбрасывается на выходе гидротурбины 4 в сборно-питательный резервуар 6. Выходной вал гидротурбины 4 через ременную передачу 5 (Фиг. 1) или муфту 5 (Фиг. 2) передает вращение валу насоса 7, а через него рабочему колесу насоса 7, который, вращаясь, захватывает и всасывает сброшенную гидротурбиной воду из сборно-питательного резервуара 6.The operator opens the valve 3. Water under the action of a low pressure H rushes with a high flow rate Q from the supply tank 1 through the supply pipe 2 to the turbine 4, rotates the working body of the turbine, accelerates it to the maximum idle speed and is discharged at the outlet of the turbine 4 to the collecting feed reservoir 6. The output shaft of the hydraulic turbine 4 through the belt drive 5 (Fig. 1) or the coupling 5 (Fig. 2) transmits the rotation to the pump shaft 7, and through it the impeller of the pump 7, which, while rotating, captures and sucks the discarded turbine other water from the collection tank 6.

Далее выводят установку на рабочий режим одним из двух вариантов: в случае использования лопастного насоса открывают нагнетательный вентиль 9; в случае использования насоса объемного типа открывают нагнетательный вентиль 9, а пусковой вентиль 14 закрывают.Next, the installation is brought to operating mode in one of two options: in the case of using a vane pump, the discharge valve 9 is opened; in the case of using a positive displacement pump, the discharge valve 9 is opened, and the start valve 14 is closed.

В результате нагрузка на гидротурбину возрастает, частота вращения снижается до номинальной, установка выходит на рабочий режим работы и насос подает меньший (по сравнению с расходом гидротурбины 4) расход воды q под большим (по сравнению с напором гидротурбины) напором h по нагнетательному трубопроводу 10 через открытый вентиль 9 в нагрузочный резервуар 11.As a result, the load on the hydraulic turbine increases, the rotation speed decreases to the nominal value, the installation enters the operating mode of operation, and the pump delivers a smaller (compared to the flow rate of the turbine 4) water flow q under a large (compared to the pressure of the turbine) pressure h through the discharge pipe 10 through open valve 9 into the load tank 11.

Например, для увеличения напора плотины и подачи воды потребителю в местах перепада уровней воды, например, на плотинах прудов, а именно для подъема воды с помощью полезной модели на высоту h=30м, выбран центробежный насос марки 6К-8и6КМ-6, у которого КПД η _н=0,8, в качестве привода насоса применена осевая лопастная турбина ПЛК10, КПД турбины при этом η _m=0,95, частота вращения турбины 1450 об/мин, напор на входе в турбину Н=3м, расход Q=0,28 м³/с, мощность на входе турбины N _вх=1000*9,8*0,28*3=8232(Вm), мощность на выходе из турбины N _m=8232*0,95=7820(Вm), соответственно, мощность насоса N _н=7820*0,8=6250(Вm). Расход такого насоса q=0,021 м³/с. В данном случае КПД установки составляет η=6250/8232=0,76.For example, to increase the pressure of the dam and supply water to the consumer in places where the water levels are different, for example, on pond dams, namely, to raise the water using the utility model to a height of h = 30 m, a centrifugal pump of the grade 6K-8i6KM-6 is selected, which has an efficiency η _n = 0.8, the axial vane turbine PLC10 was used as the pump drive, the turbine efficiency was η _m = 0.95, the turbine rotational speed was 1450 rpm, the pressure at the turbine inlet was N = 3 m, the flow rate Q = 0, 28 m ³ / s, power at the turbine inlet N _in = 1000 * 9.8 * 0.28 * 3 = 8232 ( Vm ), power at the turbine outlet N _m = 8232 * 0.95 = 7820 ( Vm ), respectively powerfully pump capacity N _n = 7820 * 0.8 = 6250 ( Vm ). The flow rate of such a pump is q = 0.021 m ³ / s. In this case, the efficiency of the installation is η = 6250/8232 = 0.76.

Полезная модель позволяет повышать исходный напор с высоким коэффициентом преобразования, при этом поддерживается хороший коэффициент полезного действия использования сбрасываемого через плотину водного потока (0.7-0.75) за счет прямого использования гидротурбины как привода к насосу, минуя промежуточную стадию генерации электроэнергии. Соответственно, экономятся средства на генератор к гидротурбине и электродвигатель к насосу. Это позволяет эффективно использовать водоподъемник-преобразователь напора в местах с отсутствием электроэнергии, снижает эксплуатационные расходы на электроэнергию или топливо, оставляя процесс подачи воды потребителю экологически чистым.The utility model allows to increase the initial pressure with a high conversion coefficient, while maintaining a good efficiency of using the water flow discharged through the dam (0.7-0.75) due to the direct use of a hydraulic turbine as a drive to the pump, bypassing the intermediate stage of electricity generation. Accordingly, money is saved on a generator for a hydraulic turbine and an electric motor for a pump. This makes it possible to efficiently use the pressure head lift in places with a lack of electricity, reduces operating costs for electricity or fuel, leaving the process of supplying water to the consumer environmentally friendly.

Claims (1)

Водоподъёмник-преобразователь напора, содержащий сборно-питательный и нагнетательный резервуары, всасывающий и нагнетательный трубопроводы, насос с приводом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен подающим резервуаром с подающим трубопроводом, в качестве привода насоса использована быстроходная по отношению к насосу гидротурбина, соединенная подающим трубопроводом с подающим и сборно-питательным резервуарами, гидротурбина и насос установлены на одном валу или на двух параллельных, при этом валы соединены через механическую передачу, обеспечивающую им одинаковую частоту вращения.

A pressure head water riser comprising pre-feed and discharge tanks, a suction and discharge pipelines, a pump with a drive, characterized in that it is additionally equipped with a supply tank with a feed pipe, a high-speed turbine connected to the pump connected to the pump by a feed pipe is used with supply and collection tanks, the turbine and pump are mounted on one shaft or on two parallel ones, while the shafts are connected through a mechanical transmission, providing them with the same speed.

Images