ПОГРУЖНОЙ ВОДОПОДЪЕМНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2000 года по МПК F03B17/06 

Изобретение относится к гидроэнергетике и, в частности, к устройствам подачи воды из рек.

Известные устройства подачи воды, как правило, выполняются на основе электрического двигателя, который приводит во вращение различные гидравлические насосы: центробежные, поршневые, шестеренные, мембранные и другие [1] . Основными недостатками подобных устройств является неизбежная потребность во внешних источниках энергии: электрических аккумуляторных батареях, механических приводах на основе тепловых двигателей или передвижных электрических станциях. Известно устройство (авт. свид. SU N1173058, кл. F 03 B 17/06 от 18.11.83 [2] - прототип), использующее энергию потока жидкости. Недостатком подобного устройства является невозможность получения высоких значений эффективности (КПД, мощности и удельных показателей: масса/мощность, а также низкие, для устройств с перпендикулярной потоку осью вращения, значения коэффициента использования энергии ξ [3]).

Задачей изобретения является создание автономного механического устройства, которое использовало бы энергию из окружающей среды для выполнения механической работы по подаче воды.

Для решения указанной задачи предлагается устройство, использующее только энергию движущейся речной воды. Оно может быть использовано в любой местности, где есть река, канал или подобное искусственное сооружение.

В предлагаемом устройстве использовано известное явление автоколебаний пластины в потоке жидкости [4], получившее название флаттера. С помощью предлагаемого устройства осуществляется преобразование энергии колебаний в механическую энергию для перемещения жидкости.

Сущностью изобретения является погружной водоподъемный агрегат, обеспечивающий подачу воды из реки или канала за счет использования энергии потока воды, содержащий опору и установленную с возможностью поворота пластину, связанную с насосом. Опора снабжена стойкой, а связь пластины с насосом выполнена в виде шарнирно подвешенной на стойке рамы, состоящей из двух балок со штангой, и качалки, причем пластина по задней кромке закреплена с возможностью поворота на оси между балок, а ее передняя кромка соединена при помощи демпфера и упора с рамой. Погружной водоподъемный агрегат устанавливается на дно реки и уравновешивается грузом. Насос через заборные клапаны забирает воду из окружающего пространства и подает ее под давлением по магистральному трубопроводу к потребителю. Потребитель (емкость, электростанция и т.п.) может находиться на берегу или в другом месте.

Перечень чертежей.

Фиг. 1 - общий вид погружного водоподъемного агрегата.

Фиг. 2 - схема установки погружного водоподъемного агрегата.

Фиг. 3 - принципиальная схема погружного водоподъемного агрегата.

Фиг. 4 - устройство и схема работы клапана насоса.

Устройство представляет собой опору 1 (фиг. 1) и установленную с возможностью поворота пластину 13, связанную с насосом 4. Насос 4 выполнен двухходовым. Опора 1 снабжена стойкой 7, а связь пластины 13 с насосом 4 выполнена в виде шарнирно подвешенной на стойке 7 рамы 12, состоящей из двух балок со штангой 9, и качалки 8, причем пластина 13 по задней кромке закреплена с возможностью поворота на оси 18 между балок, а ее передняя кромка соединена при помощи демпфера 11 и упора 10 с рамой 12. Упор 10 выполнен с возможностью изменения положения относительно рамы. Угол и скорость поворота пластины 13 ограничиваются специальным гидравлическим демпфером 11. Штанга 9 выполнена с возможностью регулировки линейного размера для изменения площади пластины 13. Рама 12 оканчивается самоочищающимися шарнирами, с помощью которых она навешивается на стойку 7. В верхней части стойки при помощи кронштейна 5 крепится двухходовой гидравлический насос 4. Упомянутая качалка 8 соединяется с рамой 12, обеспечивая передачу движения с рамы 12 на шток насоса 4. Стойка 7 устанавливается при помощи гнезда 2 на опору 1. Жесткость соединения стойки 7 с опорой 1 обеспечивается постановкой растяжек 3.

Принцип действия предлагаемого устройства заключается в следующем. Погружной водоподъемный агрегат устанавливается на дно реки или канала с проточной водой (фиг.2). При обтекании потоком жидкости на пластине возникает гидродинамическая сила F (фиг.3), которая дает соответствующую проекцию F_u на ось, перпендикулярную оси рамы. Сила F_u создает момент относительно точки вращения рамы О. С противоположного конца на раму действует сила сопротивления от поршня насоса f_н. Под действием суммарного момента
M=F_u•L-f_н•1,
рама вращается относительно оси О. Угловая скорость поворота ω зависит от обобщенного осевого момента инерции всех вращающихся элементов J и действующего вращающего момента M

Вращение рамы приводит к изменению угла натекания потока (к уменьшению) на пластину. Как только он становится другого знака, сила, действующая на пластину, тоже меняет свой знак. Это приводит к появлению момента силы, заставляющего пластину, вращаясь относительно точки а (фиг.3) перекладываться в противоположное крайнее угловое положение, определяемое регулировочным положением демпфера. Скорость перекладки пластины определяется характеристикой демпфера. После перекладки пластины рама тормозится до полной остановки, а затем начинает вращательное движение в обратную сторону. Таким образом, под действием знакопеременной гидродинамической силы, возникающей на пластине, рама совершает колебательное движение. Оно преобразуется качалкой 8 в возвратно-поступательное движение штока с поршнем в насосе 4. При движении поршня одна полость (противоположная направлению движения) заполняется жидкостью, а из другой полости в это время жидкость вытесняется поршнем. Для реализации такого цикла в насосе применяются специальные клапаны, которые выполнены в виде свободно вращающейся крышки, закрывающейся при отсутствии перепада давления. Конструкция такого клапана показана на фиг.4. Свободно вращающаяся крышка 16 с уплотнением 17 закреплена при помощи оси 15 на корпусе 14. Это позволяет обеспечить закрытие клапана даже при равенстве давлений P и P₀ (фиг.4). При P>P₀ (А) происходит открытие клапана, а при P≤P₀ клапан закрывается (Б). Одновременно происходит очистка контактных поверхностей от механических частиц, они вымываются, так как клапан закрывается не мгновенно. Речная вода представляет собой химически агрессивную среду с различными механическими примесями в виде песка, ила и т.п. Для увеличения ресурса шарнирных соединений в местах повышенной нагрузки шарниры рамы 12 (фиг. 1) и стойки 7 выполнены самоочищающимися в виде обоймы и втулки с проточками на них, расположенными под углом к оси поворота и навстречу друг другу. При повороте втулки относительно неподвижной обоймы песчинки и другие твердые включения, перекатываясь, сбрасываются в проточки, откуда вымываются водой. Одновременно вода из проточек обеспечивает смачивание трущихся поверхностей, что уменьшает трение и износ.

Изменение положения упора 10 относительно балки рамы 12 позволяет задать величину предельного угла отклонения пластины 13.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет достичь требуемого результата - использование энергии потока жидкости для выполнения полезной механической работы и подачи воды к потребителю.

Источники информации
1. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М.-Л.: Машиностроение, 1966.

2. Авторское свидетельство SU N1173058, кл. F 03 В 17/06 от 18.11.83.

3. Eggleston М. David, Forest S. Stoddart. Wind turbine engineering Design. Van Nostrand Reinhold company. New York, 1987.

4. Краснов Н.Ф. Аэродинамика. - М.: Высшая школа, 1980.

Водоподъемный агрегат предназначен для подачи воды из рек. Устройство содержит опору и установленную с возможностью поворота пластину, связанную с насосом. Опора снабжена стойкой, а связь пластины с насосом выполнена в виде шарнирно подвешенной на стойке рамы, состоящей из двух балок со штангой, и качалки. Пластина по задней кромке закреплена с возможностью поворота на оси между балок, а ее передняя кромка соединена при помощи демпфера и упора с размой. Устройство агрегата позволяет создать автономное механическое устройство для подачи воды. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Погружной водоподъемный агрегат, содержащий опору и установленную с возможностью поворота пластину, связанную с насосом, отличающийся тем, что опора снабжена стойкой, а связь пластины с насосом выполнена в виде шарнирно подвешенной на стойке рамы, состоящей из двух балок со штангой, и качалки, причем пластина по задней кромке закреплена с возможностью поворота на оси между балок, а ее передняя кромка соединена при помощи демпфера и упора с рамой. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что штанга выполнена с возможностью регулировки линейного размера для изменения площади пластины. 3. Агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что насос выполнен двухходовым. 4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что он опорой установлен на дно реки и уравновешен грузом. 5. Агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что шарниры рамы выполнены самоочищающимися в виде обоймы и втулки с проточками на них, расположенными под углом к оси поворота и навстречу друг другу. 6. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что клапаны насоса выполнены в виде свободно вращающейся крышки, закрывающейся при отсутствии перепада давления. 7. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что упор выполнен с возможностью изменения положения относительно рамы.