ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ-ТАРАН Российский патент 1998 года по МПК F04F7/02 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в качестве гидросилового привода в промышленности и сельском хозяйстве.

Известная конструкция двухжидкостных гидравлических таранов, работа которых обусловлена гидравлическим ударом. Устройство включает питательный бассейн, трубу, ударный клапан, воздушный баллон, диафрагмы (поршни), нагнетательные клапаны (Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. М. Машиностроение, 1968, с. 64, рис. 30).

Недостатком двухжидкостного тарана является ограниченность области применения. Он рекомендуется для работы в качестве водоподъемника чистой воды с использованием для обеспечения гидравлического удара воды более низкого качества.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является избранная в качестве прототипа конструкция гидротаранной установки, которая с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования энергии гидравлического удара в механическую энергию содержит коленчатый вал с маховым колесом. Падающие трубопроводы снабжены двумя парами цилиндров, расположенных в зоне размещения обратных клапанов, снабженных поршнями со штоками.

Цилиндры каждой пары снабжены переливным трубопроводом и сообщены посредством обратного клапана с одной из падающих труб. Штоки цилиндров каждой пары соединены между собой и с коленчатым валом. На обратных клапанах установлены перегородки для перекрытия переливных трубопроводов (авт. св. N 1231281, СССР, кл. F 04 F 7/02, 1986).

Недостатками технического решения "Гидротаранная установка" являются повышенная металлоемкость, отсутствие кинематической связи между ударными и обратными клапанами, ограниченность числа кривошипов коленчатого вала. Для привода коленчатого вала с двумя кривошипами прилагается четыре цилиндра и поршня, что приведет к увеличению внутренних потерь энергии на трение.

Задача изобретения создание предпосылок конструктивного решения гидравлического двигателя-таран, работающего на основе преобразования энергии гидравлического удара в механическую энергию возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, с вращением коленчатого вала, аналогично известным конструкциям двигателей внутреннего сгорания.

Указанная задача достигается тем, что гидравлический двигатель-таран снабжен распределительным валом, кинематически связанным с коленчатым валом и имеющим кулачки, управляющие работой ударных клапанов. Для запуска гидравлического двигателя-тарана в работу он снабжен валом с ручным приводом и кулачками, кинематически связанными с ударными клапанами.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается тем, что каждый цилиндр (поршень) снабжен ударным клапаном, их число соответствует количеству цилиндров в двигателе (1,2,3 и более). Каждый кривошип оборудован одним поршнем и шатуном. Питательный трубопровод является общим и имеет ответвления к каждому ударному клапану и цилиндру. Вытеснение жидкости из-под поршня при его движении вверх осуществляется через открытый ударный клапан.

Таким образом, заявляемое техническое решение гидравлический двигатель - таран соответствует критерию "Новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволило сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично показан принцип работы гидравлического двигателя-тарана.

На фиг 1. представлена общая схема размещения углов гидравлического двигателя-тарана. В том числе питательный бассейн воды 1, питательная труба 2, ударный клапан 3, цилиндр 4; на фиг. 2 положение основных узлов при периоде разгона жидкости через ударный клапан, где обозначено: поршень 5, шатун 6, коленчатый вал 7, уплотнительные кольца 8, штанга 9, кулачок 10; на фиг. 3 - положение узлов при гидравлическом ударе, положение цилиндра вертикальное; на фиг. 4-тоже при горизонтальном положении цилиндра; на фиг. 5 тоже при наклонном положении цилиндра; на фиг. 6 кинематическая схема работы гидравлического двигателя-тарана, в том числе распределительный вал 11, привод распределительного вала 12, привод масляного насоса 13, масляный насос 14, нагнетательная линия системы смазки 15, обратная линия системы смазки 16, маховик 17, редуктор 18, генератор 19, пусковая рукоятка 20 с кулачками 21. I, II, III порядковые номера цилиндров.

Гидравлический двигатель-таран работает следующим образом.

Питательный бассейн I, питательная труба 2, ударный клапан 3 являются необходимым условием работы как гидравлического тарана, так и предлагаемого технического решения (фиг. 1). При закрытых клапанах 3 вода заполняет трубопровод 2, полость цилиндров 4, в верхней части которых расположены поршни 5 с уплотнительными кольцами 8. Вода находится в статическом состоянии. После принудительного открывания клапана 3 (фиг. 2) вода из бассейна 1 по питательной трубе разгоняется от нуля до максимума, изливаясь через ударный клапан 3 под действием питательного напора (от 0,2 м и выше). Этот цикл называется периодом разгона, физическая сущность которого выражается формулой:

где
V скорость движения воды в период разгона; ϕ коэффициент скорости, характеризующий потери напора в питательной трубе и ударном клапане; H - напор, под которым происходит истечение воды в питательном трубопроводе; q - ускорение свободного падения.

За счет действия силы от скоростного напора и силы Архимеда клапан 3 быстро закрывается. Кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию гидродинамического давления. Явление носит название гидравлического удара. Максимальное давление гидравлического удара можно определить из выражения:
P_max= ρcv
где
ρ плотность воды; C скорость распространения упругих деформаций (ударной волны); V скорость движения воды (1).

Каждому метру потерянной скорости соответствует приращение давления до 1 МПа. Известные конструкции гидравлических таранов развивают давление 3 и более МПа (Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. М: Машиностроение, 1968, с. 24-26). Штанга 9 и кулачек 10 распределительного вала 11 не ограничивают полный подъем клапана 3. Образовавшееся в результате гидравлического удара давление действует на поршень 5, перемещая его вместе с шатуном 9, с преобразованием поступательного движения поршня 5 во вращательное движение кривошипа коленчатого вала 7. Положение цилиндра 4 может быть различно сориентировано в пространстве (вертикально, наклонно, горизонтально и др. см. фиг. 3 5), а их количество может составлять 1-6 и более. С увеличением числа цилиндров возрастает мощность, частота и размерность вращения коленчатого вала. Нагнетательный клапан, присущий конструкции гидравлического тарана из данного технического решения исключен. Его наличие будет препятствовать обратному ходу поршня 5, так как вода практически не сжимаема.

Возникновение гидравлического удара сопровождается образованием ударной волны, направленной от корпуса тарана в сторону питательного бассейна 1. Под ударным клапаном 3 возникает остаточное давление (разрежение). Силой от разности атмосферного и остаточного давлений и собственного веса (сила тяжести) клапан 3 опускается вниз. Этот цикл носит название период отражения. После завершения периода отражения поворотом кулачка 10 и штанги 9, клапан 3 блокируется в нижнем положении для обеспечения разгона воды в питательной трубе 2. Далее процесс повторяется с чередованием тактов удар (нагнетание), отражение и разгон.

На фиг. 6 схематично представлена работа гидравлического двигателя-тарана с тремя цилиндрами 4 и расположением кривошипов коленчатого вала (вид А-А) под углом 120^oC. Дополнительно к фиг. 1 5 на фиг. 6 представлены привод распределительного вала 12 и масляного насоса 13. Масляный насос 14 обеспечивает принудительную смазку трущихся поверхностей деталей кривошипно-шатунного механизма. Для исключения возможности загрязнения воды, обеспечивающей работу гидравлического двигателя-тарана маслом из системы смазки, масляный насос 14, нагнетательная 15 и обратная линия 16 размещены в картере двигателя (на схеме не показано).

Согласованное чередование тактов трехцилиндрового двигателя (а также любого другого фиг. 6) возможно при строго ограниченном положении ударных клапанов 3, так как продолжительность тактов нагнетание (удар), отражение, разгон различно по времени. Для наглядности кулачки 10 условно повернуты относительно оси на 90^o и предоставлены на схемах фиг. 2 6 и в таблице.

Таким образом, при повороте коленчатого вала на 360^o (2 оборота) происходит 3 рабочих хода (нагнетание), соответственно при наличии 6 цилиндров 6 рабочих ходов. Другое расположение кривошипов коленчатого вала и их количество будут иметь разное число рабочих ходов, в том числе 2 рабочих хода при повороте коленчатого вала на 180^o при четырех цилиндрах и т.д.

Расчетное число гидравлических ударов в мин может составлять 22 242 Овсепян В. М. гидравлический таран и таранные установки. М.Машиностроение, 1968, с. 106, таблица 6 Значения расчетных величин), что позволяет увеличить частоту вращения вала 7 до 1000 об/мин и более. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала установлен маховик 17. Необходимая частота вращения ротора генератора 19 обеспечивается редуктором 18, указанных на фиг. 6.

Предлагается следующий порядок запуска в работу трехцилиндрового двигателя-тарана.

1. Поворотом коленчатого вала 7 вручную обеспечивается положение кулачков 10 распределительного вала 11 в положение, указанное на фиг. 6.

2. Все ударные клапаны 3 опускаются в нижнее положение. В том числе в цилиндрах I, II за счет кулачков 21, а в цилиндре III при помощи кулачка 10. Таким образом во всех цилиндрах обеспечивается разгон воды.

3. Поворотом рукоятки 20 освобождается ударный клапан 3. В первом цилиндре происходит этап нагнетания происходит этап нагнетания (гидравлический удар). В цилиндре II клапан 3 удерживается кулачком 21 в нижнем положении, в цилиндре III кулачком 10.

4. Так как в цилиндре I произошел гидравлический удар, коленчатый вал 7 провернулся на 120^o в цилиндре II происходит блокирование ударного клапана кулачком 10, кулачки 21 поворотом вала 20 переводятся в "нейтральное" положение. В цилиндре III происходит удар с переходом работы гидравлического двигателя-тарана на синхронное управление от кулачков 10 вала 11, указанное в таблице.

Использование энергии гидравлического удара для привода кривошипно-шатунного механизма гидравлического двигателя-тарана обеспечивает работу стационарной установки без применения топлива (бензин, дизельное топливо, нефть и др.) с исключением загрязнения экватории окружающей среды. Применение таких установок может решить широкий спектр задач народного хозяйства в обеспечении электрической энергией различного рода потребителей.

Использование: в сельском хозяйстве, в частности при энергоснабжении летних лагерей крупного рогатого скота, отгонных пастбищ и др. Сущность изобретения: двигатель-таран снабжен распределительным валом, кинематически связанным с коленчатым валом и имеющим кулачки, управляющие работой ударных клапанов параллельно работающих гидротаранов. 1 з.п.ф-лы. 6 ил.

1. Гидравлический двигатель-таран, содержащий питательный бассейн воды, сообщенный с питательными трубами, в которых установлены ударные клапаны параллельно работающих гидротаранов и которые сообщены с гидроцилиндрами, в последних установлены поршни со штоками, связанными с коленчатым валом двигателя, отличающийся тем, что двигатель-таран снабжен распределительным валом, кинематически связанным с коленчатым валом и имеющим кулачки, управляющие работой ударных клапанов гидротаранов. 2. Двигатель-таран по п.1, отличающийся тем, что он снабжен валом с ручным приводом и кулачками, кинематически связанными с ударными клапанами.