Дисковый насос трения для перекачки жидкостей



Дисковый насос трения для перекачки жидкостей
Дисковый насос трения для перекачки жидкостей
Дисковый насос трения для перекачки жидкостей
Дисковый насос трения для перекачки жидкостей
Дисковый насос трения для перекачки жидкостей

 


Владельцы патента RU 2631854:

федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт патологии кровообращения имени академика Е.Н. Мешалкина" Министерства здравоохранения Российской Федерации (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к дисковым насосам трения для перекачки жидкостей, в частности в кардиохирургии для создания вспомогательного насоса поддержки кровообращения для лечения терминальной сердечной недостаточности. Насос содержит корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения пакет дисков (3) переменной толщины в радиальном направлении, входной и выходной патрубки. Диски (3) выполнены обтекаемой параболической формы. Ширина зазора между дисками (3) убывает от центра к периферии и определена выражением, которое связано с текущей шириной h зазора (9) между дисками (3) от входа до выхода, шириной hin зазора (8) между дисками (3) на входе, диаметром din дисков (3) на входе, текущим диаметром d дисков (3) от входа до выхода, расходом жидкости на один зазор между дисками (3), толщиной пограничного слоя при ламинарном течении, коэффициентом кинематической вязкости жидкости, скоростью вращения дискового ротора и безразмерным параметром, характеризующим отношение ширины зазора между дисками (3) к толщине пограничного слоя на вращающемся диске (3). Изобретение направлено на оптимизацию параметров дискового насоса, включающую оптимальный выбор формы и величины входного диаметра дисков, скорости вращения ротора в зависимости от свойств жидкости и расхода для достижения максимального КПД и напора насоса, что позволяет его использование в системах искусственного кровообращения. 5 ил.

 

Изобретение относится к гидравлическим насосам для перекачки жидкостей и может быть использовано, в частности, в кардиохирургии для создания вспомогательного насоса поддержки кровообращения (LVAD – Left Ventricular Assist Device) для лечения терминальной сердечной недостаточности.

Дисковые насосы трения широко известны (см., например, Мисюра В.И., Овсянников Б.В., Присняков В.Ф. Дисковые насосы. – М.: Машиностроение, 1986. – 112 с.). Их отличает простота конструкции, компактные размеры и широкая область применения. Однако они имеют существенный недостаток, заключающийся в низком коэффициенте полезного действия (КПД) по сравнению с лопастными гидромашинами.

Основным конструкционным элементом дисковых насосов трения является ротор с несколькими соосно установленными, скрепленными между собой дисками, обычно расположенными в параллельных плоскостях, между которыми имеются зазоры для транспортировки жидкости. Диски могут быть постоянной или переменной толщины.

Известны дисковые насосы трения с переменной толщиной дисков (см. патент на изобретение US 4402647, опубл. 06.09.1983 г.), в которых предложены четыре типа конструкции дисков:

1) конусообразные в сечении с сужением междискового зазора во входной части дисков (со стороны меньшего радиуса) и с постоянной шириной зазора в выходной половине дисков (со стороны большего радиуса);

2) плоские диски с сужением междискового зазора между ними от меньшего радиуса к большему;

3) конусообразные в сечении диски с сужением междискового зазора на всем протяжении дисков от меньшего радиуса к большему;

4) плоские диски с расширением междискового зазора между ними от малого диаметра к большему.

В известных насосах диски 1-го и 2-го типов предлагается использовать для перекачки жидкостей с малой вязкостью или газов, например, для воздуха. Диски 3-го и 4-го типов предлагается использовать для перекачки жидкостей с большой вязкостью, например перекачки крови в аппаратах искусственного кровообращения.

Недостатком известного технического решения является отсутствие взаимосвязи между изменениями междисковых зазоров, вязкостью перекачиваемой жидкости и другими параметрами насоса, что, в свою очередь, не обеспечивает высокую производительность насосов.

Известен дисковый насос, в котором предложен ротор с дисками, имеющими уменьшающиеся по толщине к центру внутренние входные кромки дисков, при этом основная толщина дисков остается постоянной (см., патент на изобретение US 4347032, опубл. 31.08.1982 г.).

Недостатком данного технического решения является то, что он не направлен на изменение характера течения рабочего тела в пространстве между дисками.

Известен дисковый насос для перемещения биологических жидкостей (см., заявку РСТ WO 2006121698, опубл. 16.11.2006 г.). Отличительной особенностью этого изобретения является наличие двух наборов плоских дисков с электромотором, помещенным на оси между ними. При этом два набора дисков помещены в разные камеры, разделенные фильтрационной мембраной.

Недостатком данного устройства является размещение мотора электропривода между двумя роторами, содержащими наборы плоских дисков, а также наличие фильтров для фильтрации биологических жидкостей, что увеличивает габариты устройства и усложняет его конструкцию. Это неприемлемо при использовании такого насоса для перекачки, например крови, так как повышает угрозу тромбообразования.

Наиболее близким к заявляемому, принятым за прототип, является дисковый насос, содержащий корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения пакет дисков переменной толщины в радиальном направлении, входной и выходной патрубки (см., патент на изобретение US 4403911, опубл. 13.09.1983 г.).

Недостатком прототипа, относительно задач настоящего заявляемого решения, является то, что в нем также отсутствует взаимосвязь между величинами междискового зазора в разных точках, вязкостью жидкости и другими параметров насоса, в частности, производительностью. Еще одним недостатком при использовании такого насоса для перекачки крови является внешнее по отношению к ротору расположение электропривода с использованием сальников, что увеличивает габариты насоса и уменьшает его ресурс работы.

Задачей предлагаемого изобретения является создание дискового насоса трения с оптимальными параметрами (повышенным напором и КПД) для перекачки конкретных жидкостей, обладающего габаритами, позволяющими его использование в системах искусственного кровообращения.

Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, состоит в оптимизации параметров дискового насоса, включающей оптимальный выбор формы и величины входного диаметра дисков, скорости вращения ротора в зависимости от свойств жидкости и расхода для достижения максимального КПД и напора насоса.

Технический результат достигается тем, что в дисковом насосе трения для перекачки жидкостей, содержащем корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения пакет дисков переменной толщины в радиальном направлении, входной и выходной патрубки, диски выполнены обтекаемой параболической формы, ширина зазора между дисками убывает от центра к периферии и определена выражением:

,

где диаметр дисков на входе выбирают из условия

,

где – текущая ширина зазора между дисками от входа до выхода, м;

– ширина зазора между дисками на входе, м;

– диаметр дисков на входе, м;

d – текущий диаметр дисков от входа до выхода, м;

– расход жидкости на один зазор между дисками, м3/сек;

– толщина пограничного слоя при ламинарном течении, м;

– коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/сек;

– скорость вращения дискового ротора, 1/сек;

– безразмерный параметр, характеризующий отношение ширины зазора между дисками к толщине пограничного слоя на вращающемся диске.

При этом площадь входного , выходного и текущего сечений между дисками является постоянной величиной . Ширина выходного зазора при этом меньше ширины входного зазора . Минимальная ширина выходного зазора зависит от свойств жидкости: так, для крови, минимальный диаметр капилляра составляет 10 микрон (Медведев А.Е. Двухфазная модель течения крови // Российский журнал биомеханики – 2013. – Т. 17, № 4(62). – С. 22-36); для воды экспериментально доказана возможность течения в канале до 100 микрон (Анискин В.М., Адаменко К.В., Маслов А.А. Экспериментальное определение коэффициентов гидравлического сопротивления прямолинейного и криволинейного микроканалов // Вестник НГУ. Серия: Физика – 2010. – Т. 5, вып. 3. – С. 63-70).

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве диски выполнены обтекаемой параболической формы с заданной по указанному выше распределению величиной зазора между дисками h, что обеспечивает постоянство площади сечения междискового зазора. Указанная величина междискового зазора позволяет максимально повысить КПД насоса в каждом конкретном случае (при прокачке определенной жидкости).

В предлагаемом насосе внутренний (входной) диаметр дисков din определяется по заданной формуле и зависит от свойств жидкости, расхода и скорости вращения ротора насоса. Это позволяет повысить напорные характеристики насоса.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен поперечный разрез дискового насоса; на фиг. 2 представлен продольный вид снизу по А-А на фиг. 1 дискового насоса; на фиг. 3 представлен продольный разрез двух дисков; на фиг. 4 представлен график функции в зависимости от параметра (эта функция входит в формулу, определяющую входной диаметр дисков), из графика видно, что указанная функция всегда положительна и при примерно равна единице; на фиг. 5 представлены графики КПД (кривая 1) и перепада давления (кривая 2) насоса в зависимости от входного диаметра дисков .

Дисковый насос трения для перекачки жидкостей, в частности крови, общий вид которого представлен на фиг. 1 и фиг. 2 (на фиг. 3 представлен продольный разрез двух дисков), содержит корпус 1, в который помещен ротор 2 с пакетом профилированных дисков 3, входной патрубок 4, выходной патрубок 5, шпильки для соединения дисков между собой 6, выходная улитка 7, входное сечение междискового зазора 8, текущее сечение междискового зазора 9, выходное сечение междискового зазора 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Принцип действия насосов основан на явлении пограничного слоя, который образуется на диске, вращающемся в жидкости. Перекачиваемая жидкость поступает через входной патрубок 4 в полость ротора 2, образованную дисками 3 с их входным, относительно междискового зазора, диаметром и расстоянием между двумя смежными дисками . Увлекаемая центробежными силами, за счет вязкого сцепления с дисками, жидкость поступает через входное сечение междискового зазора 8 площадью в междисковый канал 9, ускоряется в нем и через выходное сечение междискового зазора 10 площадью поступает в выходную улитку 7 и далее в выходной патрубок 5.

В ходе проведенных экспериментальных и теоретических исследований были определены оптимальные характеристики дисков и их размеры. Рассмотрен насос из 12-ти дисков с внешним диаметром дисков мм, внутренний диаметр дисков менялся от 6 до 20 мм. Начальный зазор между дисками мм, а конечный зазор между дисками был определен из соотношения и менялся в пределах от 0.075 мм до 0.25 мм. Скорость вращения пакета дисков 3000 об/мин. Перекачивается вязкая жидкость – смесь воды (60 объемных %) + глицерин (40 объемных %) с плотностью 1100 кг/м3 и динамической вязкостью 0.0037 кг/(м·сек).

На фиг. 4 показаны зависимости гидравлического КПД насоса (кривая 1) и перепада давления между выходом и входом в насос (кривая 2) от входного диаметра дисков. При оптимальном выборе входного диаметра дисков (при ), определяемого предлагаемой формулой , КПД достигает своего максимума вблизи максимума перепада давления . При КПД насоса падает, а при растет КПД насоса, но при этом падает перепад давления .

Таким образом, выбор внутреннего диаметра , равным , обеспечивает оптимальное соотношение перепада давления и КПД дискового насоса трения. Из фиг. 4 видно, что КПД насоса и напор (перепад давления между выходом и входом насоса) оптимальные для насоса с дисками входного диаметра мм, при этом выходной зазор оптимального насоса равен мм.

Предлагаемое изобретение обеспечивает оптимальный режим работы при перекачке жидкостей, который может быть использован в системах искусственного кровообращения.

Дисковый насос трения для перекачки жидкостей, содержащий корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения пакет дисков переменной толщины в радиальном направлении, входной и выходной патрубки, отличающийся тем, что диски выполнены обтекаемой параболической формы, а ширина зазора между дисками убывает от центра к периферии и определена выражением , где диаметр дисков на входе выбирают из условия

,

где – текущая ширина зазора между дисками от входа до выхода, м;

– ширина зазора между дисками на входе, м;

– диаметр дисков на входе, м;

d – текущий диаметр дисков от входа до выхода, м;

– расход жидкости на один зазор между дисками, м3/сек;

– толщина пограничного слоя при ламинарном течении, м;

– коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/сек;

– скорость вращения дискового ротора, 1/сек;

– безразмерный параметр, характеризующий отношение ширины зазора между дисками к толщине пограничного слоя на вращающемся диске.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к насосостроению. Насос содержит приводной вал, электродвигатель, фланец, корпус из трех частей и крышку в виде заборного патрубка.

Изобретение относится к гидравлическим машинам необъемного вытеснения, а именно к конструкции роторно-вихревых машин. Вихревая машина содержит статор, ротор и образованную между ними рабочую камеру.

Насос дискового типа относится к динамическим насосным агрегатам для перекачивания высоковязких сред, в том числе агрессивных, пожаровзрывоопасных, содержащих взвешенные твердые и мягкие включения.

Изобретение относится к гидравлическим машинам необъемного вытеснения, а именно к роторно-вихревым машинам, и может быть использовано как в составе насоса, так и в составе двигателя.

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано в составе гидросистем изделий авиационной и ракетной техники. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в насосах, двигателях и компрессорах. .

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для насосов с круговым поперечным потоком рабочего вещества, а именно для вихревых насосов. .

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для насосов с круговым поперечным потоком рабочего вещества, а именно - для вихревых насосов. .

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для насосов с круговым или поперечным потоком рабочего вещества, а именно для вихревых насосов. .

Изобретение относится к конструктивным узлам лопастных насосов и может быть преимущественно использовано на атомных электростанциях в главных циркуляционных насосных агрегатах контура теплоносителя ядерной энергетической установки, проходящего через активную зону ядерного реактора.

Группа изобретений относится к области энергетики, а именно к устройствам и способам для нагнетания давления текучих сред, и может быть использовано для перекачки жидкостей, а также в конструкциях движителей в судостроении.

Изобретение относится к области насосостроения. Насос содержит входной патрубок, центростремительное рабочее колесо, состоящее из ведущего и покрывного дисков, радиальных лопастей (4), изогнутых по дуге окружности радиусом (rл) с центром изгиба (О2), смещенным относительно центра вращения (О1), и совмещенного с ним начала ортогональной системы координат радиально по оси (Y) на расстояние (Yo) и по оси (X) в направлении вращения от оси (Y) на расстояние (Xо), и конической втулки с уменьшающимся диаметром; подвод, отвод и вал, приводимый от асинхронного электрического двигателя.

Группа изобретений касается винта для гидравлической машины, в частности типа турбины, а также гидравлической машины, снабженной таким винтом, и способа соединения такого винта.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях главных циркуляционных насосных агрегатов для реакторных установок атомных станций.

Группа изобретений относится к турбоустановке и способу для сообщения энергии многофазной текучей среде. Турбоустановка содержит корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, секцию осевой ступени, содержащую по меньшей мере одну осевую ступень, секцию диагональной ступени, содержащую по меньшей мере одну диагональную ступень, проточно соединенную с секцией осевой ступени, и секцию центробежной ступени, содержащую по меньшей мере одну центробежную ступень, проточно соединенную с секцией диагональной ступени.

Изобретение касается способа определения диаметра оснащенного рабочими лопатками ротора лопаточной машины. Способ характеризуется тем, что предлагается приводить ротор, снабженный венцом рабочих лопаток, во вращательное движение и вне области венца рабочих лопаток расположить предусмотренное для него устройство для измерения расстояния, чтобы затем измерять расстояние до рабочих лопаток венца рабочих лопаток, вращающихся мимо устройства для измерения расстояния, откуда при знании расстояния между сенсором и осью ротора может определяться диаметр ротора.

Универсальный ротор относится к отрасли машиностроения, в частности к производству роторов для ветродвигателей, гидротурбин, гребных винтов, вентиляторов и летательных аппаратов.

Изобретение относится к энергетическому гидромашиностроению. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к осевому насосу вспомогательного кровообращения. Насос состоит из трубчатого полого корпуса.
Наверх