УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК F04D1/02 B63H1/12 

Изобретение относится к общему машиностроению, конкретнее - к устройствам для формирования потока текучей среды.

Наиболее успешно изобретение может быть использовано в качестве водометного движителя плавучих средств и в насосах в качестве турбины, как автоматическая бесступенчатая коробка передач в транспортных средствах, а также как двигатель.

Известные водометные движители содержат проточную часть той или иной формы, поток воды внутри которой ускоряется с помощью насоса или сжатым воздухом. Насосы, как правило, механического типа - центробежные или осевые. Проточная часть водометного движителя осевого типа состоит из последовательно соединенных водозаборника, насосной части и сопла. Поскольку форма водозаборника чаще эллиптическая, а форма насосной части - круглая, между ними располагают переходный участок для плавного сочленения.

Водозаборники водоизмещающих и глиссирующих судов размещают в днище судна, они вытянуты в продольном или поперечном направлении. В судах на подводных крыльях водозаборник располагают вне корпуса, его отверстие может быть направлено против потока (полнонапорный водозаборник) или вниз.

Во всех известных водометных движителях насос расположен выше водозаборного отверстия, поэтому в районе переходного участка проточный трубопровод имеет поворотное колено, через которое вводится вал насоса.

Осевой насос состоит из одного-трех рабочих колес, установленных на одной оси. За рабочим колесом обычно устанавливают направляющие аппараты (контрпропеллеры). На выбросе водометного движителя расположено сопло - устройство для поджатия струи, обеспечивающее заданную скорость истечения воды. При внутреннем поджатии в конце проточной части трубопровода вводят конический участок, а при внешнем поджатии на продолжении ступицы колеса размещают цилиндрическое или коническое тело.

Водометные движители с центробежным насосом по схеме работы близки к осевым. Разница в том, что форма трубопровода в места расположения насоса более сложная, трубопровод имеет несколько дополнительных поворотных колен. Направления забора и выброса воды не совпадают (часто перпендикулярны), что облегчает оперативное изменение направления выброса воды.

Основные достоинства водометных движителей в сравнении с винтовыми и крыльчатыми - легкость маневра, большая надежность при работе в условиях мелководья и загрязненной акватории. Эффективность водометных движителей при больших скоростях близка к эффективности гребных винтов.

Водометные движители с центробежными насосами обеспечивают большой напор при малом расходе, Обычно они подключаются параллельно для увеличения расхода. Движители осевые обеспечивают большой расход при малых напорах. Для увеличения напора их соединяют последовательно, ступенчато. При этом полный напор насоса определяют как сумму напоров отдельных ступеней.

Общими недостатками известных водометных движителей являются:
1) наличие кавитации. Для эффективной работы и осевых и центробежных водометных движителей необходима высокая скорость вращения гребных лопаток. В центробежном движителе решить эту проблему невозможно, а в осевом известные решения, снижающие кавитацию с применением многоступенчатых насосов, очень сложны и дороги;
2) большая сложность, обусловленная введением вала двигателя внутрь проточного трубопровода, сложной формой трубопровода для сочленения его с насосом и валом движителя, системой сопряжения последовательных ступеней в осевом движителе и параллельных - в центробежном;
3) большие габариты, обусловленные тем, что для получения большого напора в осевых движителях включают несколько ступеней последовательно, тем самым увеличивая его общую длину, а для получения большого расхода в центробежных движителях их включают параллельно, увеличивая его общую ширину;
4) излишние гидравлические потери, связанные с необходимостью подъема воды выше ватерлинии и прогона ее по изогнутым трубопроводам.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство, описанное патенте US N 4735045, кл. B 63 H 11/00. Двунаправленный водометный движитель содержит вращающийся ротор, на наружной поверхности которого смонтированы лопасти. Корпус охватывает ротор, располагаясь около первого участка периферии лопастей. В корпусе соосно с ротором выполнено впускное отверстие. Круглая защитная крышка установлена соосно с ротором. Поджатая крышка удерживается в закрытом положении, герметизируя впускное отверстие, когда движитель находится в нерабочем положении. Нажимающее усилие меньше усилия входящей воды, чтобы открыть крышку, когда движитель находится в рабочем состоянии. Рядом с вторым участком периферии радиальных лопастей находится ограниченная выпускная поверхность.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для формирования потока текучей среды, в котором кавитация и гидравлические потери были бы минимальны, а само устройство имело бы простую конструкцию.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования потока текучей среды по изобретению ротор размещен ниже ватерлинии и образован лопостями, закрепленными своими концами в передней и задней торцевых пластинах и установленными параллельно или под некоторым углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора с образованием между соседними лопостями щелевидного канала, являющегося входным каналом ротора, а его выходное сопло установлено соосно в задней торцевой пластине, при этом ротор выполнен цилиндрическим или конусообразным.

Для улучшения условий забора воды лопасти установлены с возможностью поворота вокруг их осей крепления для регулирования угла наклона лопастей относительно плоскости, радиальной к оси вращения ротора. Здесь и далее по тексту под радиальной плоскостью следует понимать плоскость, проведенную через ось вращения ротора и ось, образованную точками крепления лопасти 3 к торцевым пластинам 2 и 4.

Суммарная площадь щелевидных каналов ротора существенно больше площади сопла и выполнена регулируемой.

Для уменьшения закручивания потока воды внутри и/или снаружи ротора размещают плоские спрямляющие элементы, установленные неподвижно относительно вала радиально или под углом, к радиальной плоскости.

Ротор может быть размещен внутри дополнительного ротора большего диаметра, образованного лопастями, расположенными под углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора, при этом оба ротора могут вращаться с одинаковыми или разными скоростями в одну или противоположные стороны относительно друг друга.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство с цилиндрическим ротором; на фиг.2 - то же, что на фиг. 1,с ротором конусообразной формы; на фиг. 3 - то же, что на фиг.1, с плоскими спрямляющими элементами, вид со стороны передней торцевой пластины ротора; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - предлагаемое устройство с двумя роторами.

Предлагаемое устройство, используемое в качестве водометного движителя, содержит вращающийся вал 1 (фиг.1), на котором установлена передняя торцевая пластина 2. К этой пластине крепятся одним концом лопасти 3, образующие ротор, другой конец этих лопастей 3 крепится к задней торцевой пластине 4, в которой соосно ротору установлено выходное сопло 5. Лопасти 3 устанавливаются или параллельно оси вращения ротора (ротор цилиндрической формы, фиг. 1), или под некоторым углом к этой оси вращения (ротор конусообразной формы, фиг.2) При этом лопасти 3 установлены с возможностью поворота вокруг их осей крепления в торцевых пластинах 2 и 4, что обеспечивает регулировку угла наклона лопастей 3 относительно плоскости, радиальной оси вращения ротора. Между соседними лопастями 3 имеются щелевидные каналы 6, являющиеся входными каналами ротора. Суммарная площадь этих каналов 6 выполнена регулируемой и существенно больше площади сечения сопла 5, которая также выполнена регулируемой.

В устройстве предусмотрены плоские спрямляющие элементы 7 (фиг.3), которые имеют участок 8, расположенный внутри ротора, и участок 9, расположенный снаружи ротора. Спрямляющие элементы 7 соединены осью 10 (фиг.4), которая посредством подшипника 11 крепится на валу 1 со стороны торцевой пластины 2. Участки 9 спрямляющих элементов 7 крепятся к корпусу 12 движителя.

На фиг. 5 изображено предлагаемое устройство, когда ротор установлен внутри дополнительного ротора большего диаметра и образованного лопастями 13, расположенными под углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора, причем оба ротора могут вращаться с одинаковыми или разными скоростями в одну или противоположную стороны, относительно друг друга.

Движитель работает следующим образом,
При вращении вала 1 движителя вращается торцевая пластина 2, увлекая за собой весь ротор. Лопасти 3 забирают воду внутрь ротора через щелевидные каналы 6, нагнетая ее под давлением. Внутри ротора образуется избыточное давление, выход для которого только один - через сопло 5 задней торцевой пластины 4. Величина давления определяется скоростью вращения лопастей 3 и их углом атаки: они ориентированы или параллельно оси вращения ротора или под некоторым углом к этой оси.

Этот способ создания избыточного давления эффективнее, чем в прототипе (центробежный вариант), где большая часть энергии затрачивается на трение стенки ротора. Увеличить скорость истечения воды из сопла 5 можно, кроме увеличения скорости вращения ротора, выбором соотношения между площадями щелевидных каналов 6 ротора и сопла 5.

При использовании предлагаемого устройства в качестве турбины, забор жидкости происходит через впускное сопло 5, а выброс - через щелевидные каналы 6 ротора, при этом лопасти могут быть выполнены только с наружной стороны.

При использовании предлагаемого устройства в качестве насоса на передней торцевой пластине 2 могут быть выполнены отверстия для протекания рабочей среды.

При использовании предлагаемого устройства как двигателя внутрь ротора помещают форсунку, а отверстия на передней и задней торцевых пластинах отсутствуют или могут быть сохранены для подачи топлива и окислителя в форсунку.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для преобразования одного вида энергии в другой и может быть использовано в водном движителе. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, вал 1, установленный на валу 1 цилиндрический или конический ротор, образованный задней торцевой пластиной 4, соосно с которой расположено выходное сопло 5, и лопастями 3, установленными с возможностью поворота вокруг их крепления для регулирования угла наклона относительно плоскости, расположенной радиально к оси вращения ротора, и с образованием между соседними лопастями 3 щелевидного канала 6, являющегося входным каналом ротора. Суммарная площадь щелевидных каналов 6 ротора выполнена регулируемой и существенно больше площади сечения выходного сопла 5. Плоские спрямляющие элементы установлены неподвижно относительно вала и размещенными радиально внутри и/или снаружи ротора под углом к радиальной плоскости. Концы лопастей 3 также закреплены в передней торцевой пластине 2 с возможностью поворота. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для формирования потока текучей среды, содержащее корпус, вал, установленный на валу цилиндрический или конический ротор, образованный задней торцевой пластиной, соосно с которой расположено выходное сопло, и лопастями, которые установлены с возможностью поворота вокруг их крепления для регулирования угла наклона относительно плоскости, расположенной радиально к оси вращения ротора, и с образованием между соседними лопастями щелевидного канала, являющегося входным каналом ротора, суммарная площадь щелевидных каналов ротора выполнена регулируемой и существенно больше площади сечения выходного сопла, отличающееся тем, что оно снабжено передней торцевой пластиной, в которой также закреплены концы лопастей с возможностью поворота, и плоскими спрямляющими элементами, установленными неподвижно относительно вала и размещенными радиально внутри и/или снаружи ротора под углом к радиальной плоскости. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным ротором большего диаметра с лопастями, расположенными под углом к плоскости, расположенной радиально к оси вращения ротора, причем оба ротора установлены с возможностью вращения в одну или в противоположные стороны относительно друг друга.