Гидроколесо

 

Использование: в гидроэнергетике для привода генераторов и других механизмов. Сущность изобретения: центральный вал с водилом и валики с жестко установленными на них лопастями связаны узлом поворота лопастей. Узел поворота выполнен в виде трехвенцового блока шестерен, установленного свободно на центральном валу. Для фиксации положения блока шестерен установлен киль. Шестерни установлены на валиках и связаны цепной передачей с блоком шестерен. Число зубьев на шестернях в два раза больше, чем число зубьев на соответствующем венце блока. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к устройствам, использующим энергию потока воды или воздуха, и может быть использовано в гидроэнергетике для привода генераторов и других механизмов.

Известно устройство, содержащее радиальные стержни и закрепленные на них лопасти в виде клина.

Устройство работает за счет гидродинамической несимметричности, поскольку сопротивление потоку со стороны клина меньше, чем с его противоположной стороны.

Аналогичный принцип лежит в основе и другого известного устройства рабочего колеса.

Недостатком известных устройств является недостаточная гидродинамическая асимметрия клина, барабана, поскольку и клин и обтекаемая поверхность барабана имеют значительное сопротивление потоку и создают обратный крутящий момент. При этом поток, проходящий через омахиваемое сечение, используется только на половине оборота лопасти, а на второй половине оборота создается отрицательный крутящий момент. Также имеются ветроколеса, у которых лопасти шарнирно закреплены на диске, на котором имеются упоры, ограничивающие поворот лопастей. Лопасть также работает только половину оборота, вторую половину она устанавливается по направлению потока, и ее крутящий момент равен нулю. На других колесах с вертикальной осью используется принцип подъемной силы крыла самолета. Оптимальный угол установки лопасти задается с помощью устройства, тягами соединенного с лопастями и расположенного эксцентрично оси вращения колеса. Регулировка угла лопасти осуществляется в небольших пределах. Хотя такая лопасть ветроколеса обладает большей асимметричностью и высоким коэффициентом использования ветра, но используется только малая часть потока, проходящего через омахиваемое сечение.

Наиболее близким к предлагаемому является гидроколесо, в котором содержится вал с водилом, по радиусу к валу расположены валики, с жестко установленными на них лопастями, при этом вал и валики связаны механизмом поворота лопастей.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования полного потока жидкости или газа, проходящего через омахиваемое сечение гидроколеса, упрощение конструкции вместе с узлом управления поворотом лопастей.

Указанный результат достигается тем, что гидроколесо состоит из платформы, лопастей, установленных на собственных валиках вращения, центрального вала с водилом и на нем при этом дополнительно на валиках лопастей неподвижно установлены шестерни, взаимодействующие с помощью втулочно-роликовой цепи с трехвенцовым блоком шестерен, установленным свободно на центральном валу и фиксируемым килем в определенном положении в зависимости от направления потока, при этом число зубьев на шестернях каждого валика в два раза больше, чем на венце соответствующей шестерни трехвенцового блока шестерен.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что изобретение отличается простотой конструкции, меньшими инерционными силами, большим крутящим моментом. Управление углом установки лопасти осуществляется более простым механизмом - узлом управления поворотом лопастей, состоящим из шестерни, сидящей на валике каждой лопасти, трехвенцовым блоком шестерен, установленным свободно на центральном валу и соединенным с шестернями втулочно-роликовой цепью и фиксируемый килем в определенном положении. При этом число зубьев на шестернях каждого валика в два раза больше, чем на соответствующем венце трехвенцового блока шестерен. Таким образом, анализ известных технических решений исследуемой области и смежных областей позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявленного гидроколеса и признать описываемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 дано предлагаемое гидроколесо, общий вид; на фиг.2 - узел поворота лопастей гидроколеса; на фиг.3,4,5 - графики изменения крутящего момента.

Гидроколесо состоит из верхней 1 и нижней 2 платформ, соединенных опорами 3. В платформах 1 и 2 установлен центральный вал 4, на котором вверху и внизу укреплены водила 5, в которых установлены валики 6 с лопастями 7. На концах валиков 6 с одной их стороны жестко установлены шестерни 8, которые соединены с трехвенцовым блоком шестерен 9, свободно сидящем на центральном валу 4 с помощью втулочно-роликовой цепи 10 или ей подобной. Все шестерни 8, сидящие на валиках 6, имеют вдвое большее количество зубьев, чем соответствующие шестерни трехвенцового блока шестерен 9, сидящего на центральном валу 4. На ступице трехвенцового блока шестерен 9 крепится киль 11.

Гидроколесо работает следующим образом.

В начальный момент лопасть 7 располагается своей плоскостью перпендикулярно набегающему потоку жидкости или газа. Воздействуя на лопасть 7, поток заставляет ее вращаться и поворачивать посредством водила 5 центральный вал 4. Вместе с этим набегающий поток ориентирует киль 11, а с его помощью и трехвенцовый блок шестерен 9 в определенном положении. При вращении лопасти 7 шестерня 8, сидящая на валике 6 этой лопасти, взаимодействует через втулочно-роликовую цепь 10 с трехвенцовым блоком шестерен 9. Поскольку трехвенцовый блок шестерен 9 зафиксирован килем 11 в определенном положении и не вращается, то втулочно-роликовая цепь 10, обкатываясь по нему, вращает шестерню 8, а вместе с ней валик 6 и укрепленную на ней лопасть 7 в противоположную сторону с частотой, в два раза меньшей, чем частота вращения центрального вала 4. В результате такого взаимодействия угол установки лопасти 7 к направлению потока изменяется так (см. фиг.3), что на лопасти всегда создается только положительный вращений момент М_к, изменяющийся от максимального до нуля.

Примем высоту и ширину лопасти 7 равными единице. Полную силу, воздействующую на лопасть 7, когда она расположена перпендикулярно потоку, также равной единице и обозначим через F. При повороте вокруг центрального вала 4 лопасть 7 по своей длине будет всегда направлена перпендикулярно потоку, а по ширине она будет устанавливаться под углом. Следовательно, сила воздействующего потока будет изменяться от 1 до 0 и будет зависеть от угла поворота лопасти α .

При воздействии на лопасть 7 сила F разлагается на две составляющие - касательную F_к и нормальную F_н. Под действием касательной силы F_к поток будет скользить по поверхности, не встречая сопротивления (без учета силы трения). Нормальная сила F_н будет создавать вращающий момент, под действием которого лопасть 7 будет вращаться вокруг центрального вала 4. Если полную силу потока обозначить единицей, то нормальная сила будет определяться следующим выражением: F_н = 1^. cos² α .

Вращающий момент, создаваемый одной лопастью, будет равен М β = R ^.cos³ α , где α - угол поворота лопасти вокруг собственной оси; R - радиус вращения оси лопасти, а плечо действия силы F_н равно R .cos α .

В зависимости от угла поворота β водила вокруг центрального вала и угла поворота α лопасти вокруг собственной оси значения действующей на лопасть силы F, нормальной силы F_н и крутящий момент Мк представлены в таблице.

По полученным данным построен график изменения крутящего момента для трех лопастей в отдельности (см. фиг.4) и их суммарный момент (см. фиг.5). Из графика фиг.5 следует, что три лопасти обеспечивают постоянство крутящего момента и увеличение их количества более трех нецелесообразно из-за экранирования потока. Из графика фиг.4 очевидно, что трехлопастное колесо создает несколько больший крутящий момент, чем одна лопасть в момент, когда эта лопасть располагается своей плоскостью перпендикулярно потоку. Если взять вертикальное сечение, омахиваемое одной лопастью, то коэффициент использования этого потока будет равен 0,4.

Из графика (см. фиг.5) очевидно, что для одной лопасти коэффициент использования полного потока, проходящего через омахиваемое сечение, равен 0,45, а крутящий момент изменяется от максимального, равного единице, до нуля.

При наличии трех лопастей теоретически полностью используется поток, а крутящий момент увеличивается в 1,3 раза и остается практически постоянным при полном повороте водила с центральным валом.

Учитывая, что в действительности будет иметь место экранирование лопастей друг другом, коэффициент использования потока будет равен 0,7. Сравнивая его с максимально возможным коэффициентом использования полного потока ветроколеса с горизонтальной осью, равным 0,6-0,7, который имеет место при полном заполнении омахиваемого сечения лопастями, очевидны преимущества изобретения по сравнению с прототипом, которые заключаются в следующем: - простота конструкции, которая не требует кольцевого канала с водой и понтонов; - меньшие инерционные силы; - больший крутящий момент при одинаковых омахиваемых сечениях; - управление углом установки лопасти осуществляется не ЭВМ, и более простым механизмом - узлом управления поворотом лопастей.

Экономическая эффективность от использования изобретения заключается в следующем: - нет необходимости строить плотины; - установка имеет меньшие габариты по сравнению с другими за счет большей полноты использования потока, проходящего через все омахиваемое сечение;
- изготовление установки намного дешевле, не нарушается экология рек, морей и регионов.

Формула изобретения

ГИДРОКОЛЕСО, содержащее корпус, центральный вал с водилом, валики с жестко установленными на них лопастями, при этом вал и валики связаны узлом поворота лопастей, отличающееся тем, что узел поворота лопастей выполнен в виде трехвенцового блока шестерен, установленного свободно на центральном валу, гидроколесо снабжено килем для фиксации положения блока шестерен, шестернями, установленными на валиках и связанными цепной передачей с блоком шестерен, при этом число зубьев каждой шестерни в два раза больше, чем число зубьев на венце соответствующей шестерни трехвенцового блока шестерен.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6