ГИДРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к гидромашиностроению, а именно к устройству гидравлических двигателей.

Известен гидродвигатель, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью осевого и наклонного перемещения вал с шаровым рабочим органом, направляющий канал, на входе в который установлен упомянутый рабочий орган. Данное устройство принято за прототип. Несмотря на простоту конструкции и удобство регулирования положения ведущего вала известному гидродвигателю присущи недостатки. Среди них: раздельное выполнение корпуса и направляющего канала, отсутствие опоры рабочего органа в направляющем канале, что вызывает флуктуацию шара в выходящем потоке жидкости и, как следствие, неравномерный зазор между стенками канала и рабочей поверхностью шара (эффект Ранка). В итоге снижается КПД двигателя и уменьшаются технологические возможности.

С целью расширения технологических возможностей при упрощении конструкции в предлагаемом гидродвигателе направляющий канал выполнен заодно целое с корпусом и снабжен на выходе подпятником для шарового органа, а подпятник выполнен регулируемым по высоте направляющего канала.

Для повышения мощности шаровая поверхность рабочего органа выполнена шероховатой, а для уменьшения кавитации жидкой среды на выходе выполнена шероховатой со стороны вала на части сферы с центральным телесным углом до 240^о.

Сравнительный анализ с известными решениями показывает, что выполнение корпуса заодно целое с направляющим каналом и снабжение последнего регулируемым подпятником для шарового органа, равно как и выполнение последнего шероховатым являются новыми признаками. Положительный эффект, достигаемый при этом - повышение КПД, расширение технологических возможностей (как переносный двигатель), простота и компактность конструкции позволяют считать, что перечисленные признаки отвечают критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен гидродвигатель, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Гидродвигатель содержит корпус 1, вал 2, закрепленный на валу 2 шаровой рабочий орган 3, направляющий канал 4, выполненный заодно целое с корпусом. Шаровой рабочий орган установлен на входе в направляющий канал и опирается на подпятник 5, установленный на выходе канала. Подпятник 5 выполнен в виде цилиндрической втулки с треногой (см. фиг. 2). Он имеет возможность осевого перемещения по цилиндрической части направляющего канала и фиксирования требуемого положения.

Шаровая поверхность рабочего органа выполнена шероховатой 6. Для уменьшения потерь от кавитации и турбулентности отходящего потока, шероховатость выполнена на сфере с центральным телесным углом до 240^о и со стороны, обращенной к валу 2. Остальная часть сферы со стороны подпятника выполнена гладкой. Такое исполнение увеличивает крутящий момент от набегающего потока и уменьшает потери от кавитации сбегающего потока по гладкой поверхности шара.

Корпус 1 имеет прорезь 7, по которой может наклоняться вал 2 при помощи направляющей рукоятки 8. Вал имеет скольжения 9, например, в виде фторопластовой втулки, установленную в прорези 7. С рукояткой 8 жестко связан корпус генератора 10, ротор которого закреплен на валу 2. Подшипники ротора служат дополнительными опорами вала 2.

Корпус 1 снабжен опорами 11, которые входят в грунт русла потока и удерживают гидродвигатель от смещения.

Гидродвигатель работает следующим образом. При установке корпуса на дне русла шар приводится во вращение за счет эффекта закручивания потока жидкости при истечении через направляющий канал 4. Дополнительный крутящий момент возникает за счет разности скоростей струй потока вдоль русла. Эта разность определяет и направление вращения шара. С учетом преломления потока при входе в направляющий канал вал 2 наклоняют навстречу течению. Оптимальный угол наклона α выбирается опытным путем по наибольшей мощности на генераторе.

Технические характеристики двигателя проверены на модели. Полый пластмассовый шар диаметром 38 мм, имеющий шероховатую поверхность с высотой неровностей до 2 мм на телесном угле 240^о и гладкую опорную часть, установлен в направляющем канале диаметром 42 мм. В наибольшем сечении шара боковой зазор 2,0 мм; площадь проходного сечения S = 180 мм². Высота напора Н = 0,3 м, расход воды Q = 10 л/мин. Частота вращения шара на холостом ходу без нагрузки n = 300 об/мин (при Н = 0,3 м). При относительно малом расходе жидкой среды взаимодействующая с ней активная рабочая поверхность шара F = 25 см² определяется всей полусферой, находящейся в активном потоке. Одноступенчатое турбинное колесо того же диаметра, что и шар, имеет активную рабочую поверхность лопаток в 15 раз меньше. Расчетная мощность шарового двигателя при указанных размерах и напоре Н = 0,3 м составляет Р = 0,05 Вт; при тех же габаритах и напоре Н = 1 м, Р = 1,7 Вт, при диаметре шара 400 мм и Н = 10 м, - Р = 1,5 кВт.

В полевых условиях напор большой высоты обеспечивается при отборе воды вверх по течению с помощью пожарного рукава.

Преимуществами предложенного гидравлического двигателя по сравнению с прототипом являются:
- высокий КПД за счет значительного увеличения эффективной площади рабочего органа, взаимодействующий с потоком среды, а также за счет снижения потерь, связанных с турбулизацией потока;
- возможность получения момента вращения в различных плоскостях и любого направления; легкость регулирования выходных параметров двигателя;
- простота и компактность конструкции, малая масса. (56) Авторское свидетельство СССР N 941665, кл. F 03 B 5/00, 1982.

Использование: в гидромашиностроении. Сущность изобретения: в корпусе установлен с возможностью наклона и осевого перемещения вал с шаровым рабочим органом, размещенным в направляющем канале. Канал выполнен заодно с корпусом и снабжен на выходе подпятником для шарового органа. Подпятник установлен с возможностью осевого перемещения по каналу. Шаровая поверхность органа выполнена шероховатой. Шероховатость поверхности выполнена на сфере со стороны вала с центральным телесным углом до 240 . 3 з. п. -ф-лы. 2 ил.

1. ГИДРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью наклона и осевого перемещения вал с шаровым рабочим органом и направляющий канал, в котором размещен рабочий орган, отличающийся тем, что направляющий канал выполнен заодно с корпусом и снабжен на выходе подпятником для шарового органа. 2. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что подпятник установлен с возможностью осевого перемещения по направляющему каналу. 3. Гидродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что шаровая поверхность рабочего органа выполнена шероховатой. 4. Гидродвигатель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что шероховатость шаровой поверхности рабочего органа выполнена на сфере со стороны вала с центральным телесным углом до 240^o.