Гидравлическая машина

 

Машина предназначена для преобразования энергии рабочего потока. Машина содержит заполняемый жидкостью резервуар с входным отверстием и по крайней мере одним выходным соплом. В выходном сопле расположен установленный на удерживающем его устройстве по крайней мере один выполненный в виде тела вращения ротор, который выполнен с возможностью свободного качения по внутренней стенке выходного сопла. Конструкция машины позволяет обеспечить работоспособность при наличии в потоке большого количества загрязняющих механических частиц. 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к гидравлической машине, в которой имеется заполняемый жидкостью резервуар с входным отверстием и по крайней мере одним выходным соплом.

В авторском свидетельстве SU 941665 описан гидравлический двигатель с перепускным каналом и выполненным в нем сужающимся выходным отверстием. В сужающемся канале на его оси расположен закрепленный на валу сферический ротор. Этот ротор соединен с пусковым двигателем. При включении пускового двигателя сначала начинают вращаться вал и соединенный с ним ротор. После этого начинает вращаться протекающая через сужающееся выходное отверстие и обтекающая сферический ротор жидкость. После выключения пускового двигателя ротор продолжает вращаться приведенной во вращение жидкостью благодаря наличию трения между ней и поверхностью сферического ротора. В такой конструкции при любом режиме работы гидромотора приведенный во вращение ротор не должен касаться стенок сужающегося выходного отверстия. Недостаток такого гидромотора состоит в том, что он не может работать без пускового двигателя.

В другом авторском свидетельстве SU 1701971 описан аналогичный гидромотор, запуск которого осуществляется не пусковым двигателем, а с помощью расположенных в сужающемся отверстии спиральных лопаток. И в этом гидромоторе предполагается, что вращающийся ротор не должен касаться стенки сужающегося выходного отверстия.

Опыты, проведенные на таких гидромоторах, показали, что обтекание жидкостью ротора гидромотора сопровождается неоправданными потерями мощности. С решением именно этой проблемы и связаны проводимые в последнее время исследования, направленные на создание гидравлических машин подобного типа с высоким коэффициентом полезного действия.

Указанная выше задача решается с помощью предлагаемой в изобретении гидравлической машины, содержащей заполняемый жидкостью резервуар с входным отверстием и по крайней мере одним выходным соплом, принцип действия которой основан на том, что имеющийся в ней по крайней мере один вращающийся ротор, выполненный по форме в виде тела вращения и установленный с помощью удерживающего его устройства в выходном сопле емкости, может касаться внутренней стенки выходного сопла и свободно перекатываться по ней.

Предлагаемая в изобретении конструкция гидравлической машины позволяет эффективно использовать всю мощность протекающего через нее потока жидкости (собственно жидкости или газа или смесей жидкостей и газов). Повышение коэффициента полезного действия предлагаемой в изобретении гидравлической машины достигается за счет снижения сопротивления, возникающего при вращении ротора в жидкости. Предлагаемая в изобретении машина может работать даже при наличии в жидкости большого количества загрязняющих ее механических частиц. Конструкция предлагаемой машины обеспечивает также возможность легкой замены ее отдельных деталей в случае их износа.

Для повышения коэффициента полезного действия машины предпочтительно плоскостью, проходящей через максимальный диаметр ротора, разделить его на две части разного объема, при этом ближе к выходному соплу должна находиться имеющая больший объем часть ротора, а его другая часть с меньшим объемом должна находиться с другой стороны ротора на большем расстоянии от сопла, чем первая часть.

В одном из предпочтительных вариантов изобретения объем второй части ротора равен нулю, а по крайней мере часть поверхности первой части ротора имеет форму сферы.

В другом предпочтительном варианте изобретения весь ротор целиком выполнен в виде сферы.

Используя свойства обтекающей ротор среды, устройство, удерживающее ротор, можно выполнить в виде опорной поверхности, расположенной за ротором в выходном сопле, или в виде гибкого по крайней мере в определенном сечении вала, установленного с возможностью вращения в корпусе машины и удерживающего ротор на оси выходного сопла.

Еще в одном предпочтительном варианте изобретения удерживающее ротор устройство выполнено в виде коленчатого вала, установленного с возможностью вращения в корпусе машины и удерживающего ротор в смещенном относительно оси выходного сопла положении.

Предлагаемая в настоящем изобретении конструкция, если ее использовать для создания установленной в верхнем бьефе плотины капсюльной гидротурбины, позволяет достаточно просто преобразовать энергию движущегося потока воды в электрическую энергию; для этого ротор турбины можно использовать непосредственно в качестве ротора генератора, магниты которого при этом можно установить на роторе, а катушки электромагнита - в выходном сопле против этих магнитов, однако возможна и другая схема с установкой на роторе катушек, а в выходном сопле - магнитов.

В некоторых случаях с точки зрения кинематики может оказаться целесообразным изменить саму принципиальную схему машины и выполнить ротор машины неподвижным, а выходное сопло - вращающимся в соответствующей опоре скольжения в плоскости, перпендикулярной направлению течения жидкости.

Следует также отметить, что предлагаемую в изобретении конструкцию можно использовать и для создания на ее базе насоса, соединив для этого ее ротор с соответствующим приводом.

Ниже предлагаемая в изобретении гидравлическая машина более подробно рассмотрена со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - изображение одного из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, на фиг.2 - изображение одного из вариантов выполнения ротора, на фиг.3 - изображение другого варианта выполнения ротора, на фиг.4 - изображение другого варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, на фиг. 5 - изображение еще одного варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, на фиг. 6 - изображение еще одного варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, на фиг. 7 - изображение варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, предназначенной для получения электрической мощности, на фиг.8 - изображение другого варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, предназначенной для получения электрической мощности, на фиг. 9 - изображение еще одного варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, предназначенной для получения электрической мощности,
на фиг.10 - изображение гидравлической машины, установленной на участке свободного течения жидкости,
на фиг. 11 - изображение гидравлической машины, установленной в трубопроводе,
на фиг. 12 - изображение гидравлической машины, используемой в качестве насоса, и
на фиг. 13 - изображение еще одного варианта выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, у которой ротор имеет сферическую форму.

Показанная на фиг.1 гидравлическая машина имеет металлический заполняемый водой резервуар 1, в верхней части которого расположен входной патрубок 2, а в нижней части - выходное сопло 3, выполненное в виде сужающегося выходного патрубка. На верхней стеке резервуара 1 установлена рама 14, в подшипниках которой вращается вал 11, нижний конец которого выполнен упругим. В резервуаре находится закрепленный на конце вала 11 на уровне выходного сопла 3 изготовленный из пластмассы ротор 5. Ротор 5 выполнен в виде тела вращения, а его внутренняя полость разделена в плоскости 6 максимального диаметра на две части. Первая часть 9 ротора 5, расположенная под плоскостью 6, имеет больший объем, чем его вторая часть 10. На фиг.13 показан аналогичный вариант выполнения предлагаемой в изобретении гидравлической машины, ротор которой в отличие от ротора 5 не разделен на две части, а выполнен в виде одной сферы.

Вода, которая подается в резервуар 1 через входной патрубок 2 и сливается из него через выходное сопло 3, обтекает установленный на входе в выходное сопло ротор 5, который при этом приходит в движение и начинает круговое движение качения по внутренней стенке выходного сопла 3. Возможность качения ротора 5 по внутренней стенке выходного сопла 3 обеспечивается наличием на валу 11 гибкого участка. Энергию вращения ротора 5 можно использовать для привода различных исполнительных механизмов или преобразовывать ее благодаря наличию вала 11 в другой вид энергии, например в электрическую энергию, с помощью соединенного с ротором валом 11 не показанного на чертеже генератора.

В другом варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.5, устройство 4, удерживающее ротор в выходном сопле, расположено не над ротором, а под ним. По принципу действия и назначению выполненная таким образом гидравлическая машина ничем не отличается от гидравлической машины, показанной на фиг.1.

Максимальным коэффициентом полезного действия будет обладать такая гидравлическая машина, у которой объем верхней части 10 ротора 5, расположенной над плоскостью 6 максимального диаметра ротора, приблизительно равен нулю. Идеальный с этой точки зрения ротор, который показан на фиг.2, выполнен в виде полусферы, а объем его верхней расположенной над плоскостью максимального диаметра части 10 равен нулю.

Очевидно, что первая часть 9 ротора 5, которая примыкает к выходному соплу 3, не обязательно должна иметь форму полусферы. У ротора, показанного на фиг.3, эта часть имеет форму сферического сегмента. Обычно вполне достаточно, чтобы эта часть ротора имела форму любого тела вращения, например форму эллипсоида. Вторая часть 10 показанного на фиг.3 ротора 5 имеет форму части эллипсоида. Объем второй части 10 этого ротора намного меньше объема его первой части 9. Очевидно, что в любом случае ротор 5 должен быть полым.

В показанном на фиг.4 варианте предлагаемой в изобретении гидравлической машины удерживающее ротор устройство 4 образовано неподвижной опорной поверхностью 8, которая расположена в выходном сопле 3 (в направлении течения жидкости) за ротором 5. Первая часть 9 ротора 5, изготовленного из пластмассы, имеет форму полусферы, а вторая часть 10 - форму части эллипсоида.

Ротор 5 свободно опирается на опорную поверхность 8 и под действием жидкости, протекающей через выходное сопло 3, катится вдоль стенки выходного сопла 3. При наличии описанной выше формы первая, или имеющая больший объем, часть 9 ротора 5 все время остается обращенной к выходному соплу 3.

Положение опорной поверхности 8 по высоте можно регулировать с помощью соответствующего регулировочного устройства, которое на чертеже не показано.

Один из возможных способов использования энергии вращения ротора в такой гидравлической машине основан на установке на роторе 5 системы магнитов 12 и одновременной установке против них на стенке выходного сопла 3 системы катушек 13 электромагнита.

Вращение ротора 5 сопровождается вращением магнитов 12 относительно катушек 13 и, как следствие этого, индуцированном в них электрического тока.

На фиг. 6 показан еще один вариант предлагаемой в изобретении гидравлической машины, ротор 5 которой установлен на коленчатом валу 15. Коленчатый вал 15 вращается в установленном на раме 14 подшипнике, ось которого совпадает с осью выходного сопла 3. Раму 14 можно расположить либо под выходным соплом 3 (как это показано на фиг.6), либо над выходным соплом 3 (аналогично варианту, показанному на фиг.1). Установленный на коленчатом валу 15 ротор 5 может вращаться относительно вала. Длина кривошипа коленчатого вала 15 выбирается таким образом, чтобы вращающийся под действием обтекающего его и протекающего через выходное сопло 3 потока жидкости ротор 5 мог перекатываться по внутренней стенке выходного сопла 3. Крутящий момент, создаваемый вращающимся ротором на коленчатом валу 15, можно использовать, например, для привода генератора электрического тока.

В варианте, показанном на фиг.7, энергия вращения ротора используется (аналогично варианту, показанному на фиг. 4) для получения электрической энергии, с этой целью на роторе 5 установлена система магнитов 12, а на стенке выходного сопла 3 на одном уровне с магнитами установлена система катушек 13 электромагнита, в которых при вращении ротора 5 индуцируется электрический ток.

Гидравлическая машина, показанная на фиг.8, отличается от гидравлической машины, показанной на фиг.7, только другим взаимным расположением магнитов 13 и катушек 13 и, как следствие этого, тем, что индуцируемый в катушках электрический ток снимается с ротора 5.

Гидравлическая машина, показанная на фиг.9, принципиально выполнена так же, как и гидравлическая машина по фиг.6. Ротором 5 в этой машине является так называемый сферический обтекаемый генератор 16 с установленными на нем катушками 13 электромагнита и магнитами 12. В таком генераторе движение катушек 13 относительно магнитов 12 с необходимой относительной скоростью создается с помощью, например, не показанной на чертеже планетарной зубчатой передачи.

Резервуар 1, в котором находится жидкость, во всех рассмотренных выше вариантах предлагаемой в изобретении гидравлической машины не обязательно должен быть выполнен в виде специально изготовленной для этих целей емкости. Таким резервуаром 1 для накопления воды может служить показанное на фиг.10 водохранилище, образовавшееся при перекрытии русла реки или ручья.

Резервуар 1, который показан на фиг.11, образован частью водопровода 17. Направление течения воды в водопроводе 17 показано стрелкой. Протекающая через водопровод 17 вода приводит во вращение, как и в рассмотренных выше вариантах, помещенный в водопровод ротор 5. Одновременно поток воды прижимает ротор 5 к опорной поверхности 8. В процессе вращения ротора в катушках 13 электромагнита, как и в рассмотренных выше вариантах, индуцируется электрический ток.

Предлагаемая в изобретении гидравлическая машина может работать не только в тех случаях, когда ось ее выходного сопла 3 расположена практически вертикально, а жидкость протекает через него под действием силы тяжести, но и при любой другой пространственной ориентации оси сопла 3 и при достаточном для ее работы давлении жидкости на входе в выходное сопло. Примером такой машины является гидравлическая машина, показанная на фиг.11.

Предлагаемая в изобретении гидравлическая машина может работать не только на жидкости, но и на газе или на смеси газов и жидкостей. Рассмотренные выше варианты показывают, что предлагаемая в изобретении машина может работать и для получения механической энергии, и как генератор электрического тока.

Предлагаемая в изобретении машина может также работать и как насос. Такой вариант выполнения предлагаемой в изобретении машины показан на фиг. 12. В этом варианте вал 11 ротора соединен с двигателем 18, в частности с электрическим двигателем, который приводит посредством вала 11 во вращение ротор 5. Часть вала 11 выполнена гибкой, что обеспечивает возможность перекатывания приводимого во вращение ротора 5 по внутренней стенке выходного сопла 3, в результате чего жидкость из резервуара 1 перекачивается в резервуар 19. В качестве приводного двигателя 18 для вращения ротора можно использовать двигатель любого типа, в частности ручной привод с соответствующей зубчатой передачей.

Для специалиста в данной области техники очевидно также, что на базе рассмотренных вариантов достаточно просто сконструировать гидравлическую машину с неподвижным ротором 5 и вращающимся выходным соплом 3. При этом сопло, как очевидно, должно быть установлено на опоре скольжения, обеспечивающей возможность его перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению течения потока жидкости.

Формула изобретения

1. Гидравлическая машина, содержащая заполняемый жидкостью резервуар (1) с входным отверстием (2) и по крайней мере одним выходным соплом (3), отличающаяся тем, что в выходном сопле (3) расположен установленный на удерживающем устройстве (4) по крайней мере один имеющий форму тела вращения ротор (5), который выполнен с возможностью свободного качения по внутренней стенке выходного сопла (3).

2. Гидравлическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренний объем ротора (5) разделен плоскостью (6) максимального диаметра ротора на две части (9,10) разного объема, при этом первая часть (9) ротора (5), которая расположена в выходном сопле (3), имеет больший объем, чем вторая удаленная от выходного сопла (3) часть (10) ротора (5).

3. Гидравлическая машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что объем второй удаленной от выходного сопла (3) части (10) ротора равен нулю.

4. Гидравлическая машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что по крайней мере часть поверхности первой расположенной в выходном сопле (3) части (9) ротора (5) имеет сферическую форму.

5. Гидравлическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ротор (5) имеет сферическую форму.

6. Гидравлическая машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что удерживающее ротор устройство (4) выполнено в виде опорной поверхности (8), расположенной в выходном сопле (3) за ротором (5).

7. Гидравлическая машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что удерживающее ротор устройство (4) выполнено в виде вала (11), который вращается в опоре, закрепленной на раме (14), и удерживает ротор (5) на оси выходного сопла (3) и по крайней мере определенная часть которого выполнена гибкой.

8. Гидравлическая машина по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что удерживающее ротор устройство (4) выполнено в виде коленчатого вала (15), который вращается в закрепленной на раме (14) опоре и удерживает ротор (5) в смещенном относительно оси выходного сопла (3) положении.

9. Гидравлическая машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что на роторе (5) установлены магниты (12), напротив которых в выходном сопле (3) установлены катушки (13) электромагнита.

10. Гидравлическая машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что на роторе (5) установлены катушки (13) электромагнита, напротив которых в выходном сопле (3) установлены магниты (12).

11. Гидравлическая машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что ротор (5) представляет собой ротор, установленной в верхнем бьефе плотины капсюльной гидротурбины с встроенным генератором (16).

12. Гидравлическая машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что ротор (5) выполнен неподвижным, а выходное сопло (3) выполнено вращающимся и установлено на опоре скольжения с возможностью перемещения по ней в плоскости, перпендикулярной направлению протекающей через него жидкости.

13. Гидравлическая машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что ротор (5) соединен с приводом (18).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13