ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 2001 года по МПК F03B9/00 F03B17/02 

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к пневмогидравлическим машинам или двигателям с рабочим органом, выполненным в виде бесконечной ленты, и может быть использовано в пневмогидравлических преобразователях механической энергии в электрическую, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в диапазоне от нескольких кВт до сотен кВт.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, выполненная в виде размещенных на разной высоте двух валов с передающими элементами, охваченными бесконечной цепью, к которой присоединены открытые емкости, и пневмосистему, состоящую из компрессора и воздуховода, соединяющего нижнюю часть корпуса с компрессором (см. заявка ФРГ N 2408682, кл. F 03 B 9/00, оп. 1975). В известном преобразователе открытые емкости выполнены в виде колоколообразных поплавков, передающие элементы валов - в виде зубчатых колес, при этом выпускной патрубок воздуховода размещен сбоку от нижнего зубчатого колеса, и генератор электроэнергии непосредственно соединен с валом этого колеса.

Недостатком известного преобразователя является его низкая эксплуатационная надежность, обусловленная постепенным разрушением элементов крепления поплавков к цепи и разрушение самой цепи в местах расположения элементов крепления. Усилия, возникающие при воздействии струи сжатого газа на внутреннюю поверхность поплавка, стремятся развернуть его и одновременно воздействуют на элемент крепления и на цепь. При многократном воздействии этих усилий происходит постепенное разрушение элементов крепления и элементов цепи. Особенно существенно это сказывается при значительных (несколько кВт и более) мощностях преобразователей. Кроме того, известный преобразователь имеет низкую эффективность преобразования механической энергии в электрическую, поскольку из патрубка, расположенного в нижней части корпуса, поступает постоянная струя сжатого воздуха, а открытые емкости, предназначенные для заполнения их сжатым воздухом, перемещаются к патрубку дискретно. Вследствие этого значительная часть сжатого воздуха расходуется непроизводительно, что приводит к снижению суммарного коэффициента преобразования энергии.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности пневмогидравлического преобразователя механической энергии в электрическую при одновременном увеличении эффективности преобразователя.

Решение указанной задачи обеспечивается новым пневмогидравлическим преобразователем механической энергии в электрическую, содержащем корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, состоящая, по крайней мере, из двух валов с передающими элементами, размещенных на разной высоте, по крайней мере, одной бесконечной ленты, охватывающей передающие элементы валом, и, по крайней мере, одного опорного элемента, расположенного между противолежащими участками бесконечной ленты, при этом каждая открытая емкость имеет форму открытого цилиндра со сферическим дном и прикреплена к внешней поверхности ленты, и по обе стороны системы установлены трубчатые опорные элементы, в которых размещены открытые цилиндры, пневмосистему, состоящую, по крайней мере, из одного дозатора подачи сжатого газа в открытый цилиндр с клапаном, размещенного под нижним передающим элементом, датчик местоположения открытого цилиндра над дозатором и блока автоматического управления, подключенного к клапану и - к датчику, причем, по крайней мере один, вал через редуктор - мультипликатор соединен с генератором электроэнергии; при этом предпочтительно: опорный элемент, расположенный между противолежащими участками бесконечной ленты, выполнять в виде параллелепипеда, параллельные поверхности которого обращены к внутренним поверхностям бесконечной ленты; между противолежащими участками бесконечной ленты располагать набор опорных элементов, каждый из которых выполнять в виде шестерни, установленной с возможностью вращения и взаимодействующий с внутренней поверхностью бесконечной ленты; трубчатые опорные элементы выполнять в виде полуцилиндров, присоединенных к внутренней поверхности корпуса; бесконечную ленту выполнять в виде набора находящихся в зацеплении подвижных элементов, например, - в виде гусеницы трактора или танка; бесконечную ленту выполнять в виде упругого элемента, при этом передающие элементы валов выполнять с выпуклыми рифлеными поверхностями, например, выполнять бесконечную ленту в виде сетки, заформированной в слой резины; датчик местоположения открытого цилиндра над дозатором выполнять в виде механического прерывателя, и размещать совместно с дозатором; пневмосистему выполнять с несколькими дозаторами, каждый из которых имеет сопло, при этом сопла располагать на разной высоте в соответствии с траекторией перемещения открытого цилиндра под нижним передающим элементом.

В заявленном пневмогидравлическом преобразователе предусмотрены, по крайней мере, один опорный элемент, расположенный между противолежащими участками бесконечной ленты, и опорные трубчатые элементы, размещенные по обе стороны системы перемещения открытых емкостей, в которых и перемещаются открытые емкости. Это позволяет существенно снизить механические нагрузки на элементы крепления открытых емкостей к ленте и - на ленту в зоне расположения элементов крепления, поскольку прогибание ленты при воздействии струи сжатого воздуха, заполняющего открытый цилиндр сводится к минимуму за счет того, что внутренняя поверхность ленты взаимодействует с опорным элементом, при этом слой жидкости между ними выполняет функцию смазки. Аналогично способствует уменьшению нагрузки на бесконечную ленту введение трубчатых опорных элементов, устанавливаемых по обе стороны системы перемещения, в которых в вертикальном направлении перемещаются открытые емкости. Зазоры между трубчатыми опорными элементами и перемещающимися в них открытыми цилиндрами выполняются незначительными (порядка 1-2 мм), при этом устраняется возможность значительного крена открытого цилиндра и его воздействия на ленту, а жидкость в зазоре устраняет трение между трубчатым элементом и открытыми цилиндрами. Предпочтительно опорный элемент выполнять в виде параллелепипеда, размещаемого между противолежащими участками бесконечной ленты, так как при этом максимально упрощается конструкция опорного элемента. Предпочтительно бесконечную ленту выполнять в виде набора находящихся в зацеплении подвижных элементов, например, в виде гусеницы трактора или танка, поскольку при этом повышается эксплуатационная надежность за счет дублирования работы параллельно расположенных участков ленты и появляется возможность установки нескольких крепежных элементов по всей ширине ленты. Аналогичный эффект наблюдается и при выполнении ленты в виде упругого элемента, например, - в виде сетки, заформованной в слой резины, при этом передающие элементы валов имеют выпуклые рифленые поверхности. Выполнение открытых емкостей в виде открытых цилиндров со сферическими днищами способствует повышению эффективности преобразователя, поскольку уменьшаются потери, обусловленные гидравлическим сопротивлением при перемещении открытых емкостей. Выполнение пневмосистемы в виде, по крайней мере, одного дозатора подачи сжатого газа в открытый цилиндр с клапаном, подключенного к блоку автоматического управления, и введение датчика месторасположения открытого цилиндра над дозатором, также подключенного к блоку автоматического управления, позволяет практически устранить непроизводительный расход сжатого газа, вследствие того, что каждая порция сжатого газа, поступающая из дозатора, соответствует внутреннему объему открытого цилиндра, который при открытии клапана расположен над дозатором. Датчик местоположения открытого цилиндра над дозатором предпочтительно выполнять в виде механического прерывателя, так как при этом максимально упрощается конструкция датчика и повышается надежность его работы. Возможно совмещение дозатора с датчиком, что позволяет повысить точность определения положения открытого цилиндра и соответственно уменьшить непроизводительный расход сжатого газа. Возможно использование нескольких дозаторов с соплами, которые устанавливают на разной высоте в соответствии с траекторией перемещения открытого цилиндра под нижним передающим элементом над дозаторами, что также способствует уменьшению непроизводительного расхода сжатого газа и соответствующему повышению эффективности преобразователя. Соединение вала с генератором электроэнергии через редуктор-мультипликатор позволяет повысить эффективность преобразователя, поскольку получение требуемой частоты генерируемого тока обеспечивается автоматически без использования дополнительных преобразователей, включаемых между генератором электроэнергии и потребителем.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 - общий вид пневмогидравлического преобразователя механической энергии в электрическую (вид спереди); фиг. 2 - общий вид преобразователя (вид сбоку).

Пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую содержит корпус 1, частично заполненный жидкостью 2, в которой размещена система 3 перемещения открытых емкостей, состоящая из размещенных на разной высоте валов 4, 5 с передающими элементами 6, 7, которые охватываются бесконечной лентой 8 и, опорного элемента 9, размещенного между противолежащими участками ленты; открытые емкости 10, имеющие форму цилиндров, открытых с одного торца и дно 11 сферической формы, которые присоединены к внешней поверхности бесконечной ленты посредством элементов крепления 12; трубчатые опорные элементы 13, 14, присоединены к внутренней поверхности корпуса посредством элементов крепления 15; пневмосистему 16, в состав которой входит дозатор 17 подачи сжатого газа в открытый цилиндр с клапаном 18 типа "открыт-закрыт", датчик 19 местоположения открытого цилиндра над дозатором и блок автоматического управления 20, подключенный к клапану и к датчику; вал системы перемещения открытых емкостей через редуктор - мультипликатор 21 соединен с генератором электроэнергии 22; при этом корпус снабжен вентилем 23 подачи жидкости и патрубком 24 отведения отработанного газа.

Корпус 1 выполняется герметичным со съемной верхней крышкой. В качестве жидкости 2 может быть использована вода или солярка. В качестве сжатого газа, поступающего в пневмосистему 16, можно использовать воздух или нейтральный газ, при этом должно соблюдаться основное требование - удельный вес сжатого газа не должен превышать удельный вес жидкости 2, частично заполняющий корпус 1. Система 3 перемещения открытых емкостей 10 выполняется в виде двух 4, 5 или нескольких (при большой мощности преобразователя) валов, снабженными опорными элементами 6, 7, которые охватываются бесконечной лентой 8. Возможно использование нескольких бесконечных лент 8, например несколько цепей, при этом каждый вал имеет соответствующее количеству лент количества опорных элементов. Бесконечная лента 7 может быть выполнена в виде гусеницы трактора или танка и изготавливаться из легких сплавов, или в виде сетки, заформованной в упругий материал, например в резину. Передающие элементы 6, 7, которыми снабжаются валы, могут быть выполнены в виде зубчатых колес, шестерен или выпуклых рифленых поверхностей. Открытые емкости 10 выполняются в виде открытых цилиндров со сферическими днищами 11. Открытые емкости равномерно распределяются по длине бесконечной ленты и прикрепляются к ее внешней поверхности посредством элементов крепления 12. Может использоваться несколько элементов крепления 12, распределенных по ширине ленты, что повышает эксплуатационную надежность преобразователя. Трубчатые опорные элементы 13, 14 могут выполняться в виде полуцилиндров или в виде цилиндров, снабженных по всей длине прорезями для бесконечной ленты 8, и присоединяться к внутренней поверхности корпуса 1 при помощи элементов крепления 15. Пневмосистема 16 включает источник сжатого газа (не указан), соединенного газопроводом (не указан) с дозатором 17 подачи сжатого газа в открытый цилиндр через клапан 18 типа "открыт-закрыт". Возможно использование нескольких дозаторов. Каждый дозатор снабжен соплом, при этом сопла устанавливаются на разной высоте в соответствии с траекторией перемещения открытого цилиндра 10 под нижним опорным элементом 7. Тем самым обеспечивается максимальное приближение каждого сопла к торцу открытого цилиндра 10 и соответственно снижается непроизводительный расход сжатого газа. В качестве датчика 19 местоположения открытого цилиндра 10 над дозатором 17 могут быть использованы всевозможные датчики, например фотоэлектрические, ультразвуковые и др. Предпочтительно выполнять датчик 19 в виде механического прерывателя и совмещать его с дозатором, поскольку при этом упрощается конструкция и повышается точность определения положения открытого цилиндра 10.

Пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую работает следующим образом. При перемещении открытого цилиндра 10 в зону расположения датчика 19, сигнал с этого датчика поступает на блок автоматического управления 20, с которого в свою очередь поступает сигнал на клапан 18 и через дозатор 17 во внутреннюю полость открытого цилиндра 10 начинает поступать сжатый газ (см. фиг. 1). После полного заполнения всего внутреннего объема открытого цилиндра 10 с блока автоматического управления 20 на клапан 18 поступает второй сигнал и он закрывается. Промежуток времени между сигналами на открытые и закрытые клапана 18 устанавливается экспериментально, и вводится в программу блока автоматического управления 20, который может быть выполнен на микропроцессорах. Подъемная сила заполненных газом открытых цилиндров 10, расположенных на одной стороне бесконечной ленты 8, обеспечивает ее непрерывное перемещение. При перемещении над верхним передающим элементом 6 открытые цилиндры 10 вновь заполняются жидкостью 2, а отработанный газ сбирается под верхней крышкой корпуса 1 и отводится через патрубок 24. Перемещение бесконечной ленты 8 обеспечивает вращение вала 5 и соединенный с ним через редуктор-мультипликатор 21 генератор электроэнергии 22 вырабатывает электрический ток требуемой частоты.

Изготовлены и успешно прошли длительные испытания опытные образцы заявленного пневмогидравлического преобразователя механической энергии в электрическую. В сравнении с известным заявленный пневмогидравлический преобразователь имеет более высокую эксплуатационную надежность вследствие разгрузки бесконечной ленты за счет введения опорных элементов и дублирования различных элементов системы перемещения открытых емкостей. Эффективность заявленного пневмогидравлического преобразователя более чем на 30% превышает эффективность известного преобразователя благодаря более экономному расходу сжатого газа, поскольку в заявленном преобразователе практически отсутствует непроизводительный расход сжатого газа. Дополнительным преимуществом заявленного преобразователя является возможность использования в его конструкции элементов конверсионной техники.

Преобразователь относится к гидромашиностроению и может быть использован для получения электрической энергии. В состав преобразователя входят корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, выполненных в виде открытых цилиндров, днища которых имеют сферическую форму, и пневмосистема. Система перемещения состоит, по меньшей мере, из двух, размещенных на разной высоте валов с передающими элементами, охваченными бесконечной лентой, между противолежащими участками которой расположен опорный элемент, выполненный, например, в виде параллелепипеда или набора шестерен, и трубчатых опорных элементов, присоединенных к корпусу. Пневмосистема содержит, по меньшей мере, один дозатор подачи сжатого газа в открытый цилиндр с клапаном, типа "открыт-закрыт", датчик местоположения открытого цилиндра над дозатором, выполненный, например, в виде механического прерывателя, и блока автоматического управления, подключенного к датчику и клапану. Вал через редуктор-мультипликатор соединен с генератором электроэнергии. Преобразователь позволяет повысить эксплуатационную надежность при одновременном увеличении эффективности. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, состоящая, по крайней мере, из двух валов с передающими элементами, размещенных на разной высоте, по крайней мере, одной бесконечной ленты, охватывающей передающие элементы валов, и, по крайней мере, одного опорного элемента, расположенного между противоположными участками бесконечной ленты, при этом каждая открытая емкость имеет форму открытого цилиндра со сферическим дном и прикреплена к внешней поверхности ленты, и по обе стороны системы установлены трубчатые опорные элементы, в которых размещены открытые цилиндры, пневмосистему, состоящую, по крайней мере, из одного дозатора подачи сжатого газа в открытый цилиндр с клапанов, размещенного под нижним передающим элементом, датчика местоположения открытого цилиндра над дозатором и блока автоматического управления, подключенного к клапану и датчику, причем, по крайней мере, один вал через редуктор-мультипликатор соединен с генератором электроэнергии. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент, расположенный между противолежащими участками бесконечной ленты, выполнен в виде параллелепипеда, параллельные поверхности которого обращены к внутренним поверхностям бесконечной ленты. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между противолежащими участками бесконечной ленты расположен набор опорных элементов, каждый из которых выполнен в виде шестерни, установленной с возможностью вращения и взаимодействующей с внутренней поверхностью бесконечной ленты. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трубчатые опорные элементы выполнены в виде полуцилиндров, присоединенных к внутренней поверхности корпуса. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что бесконечная лента выполнена в виде набора находящихся в зацеплении подвижных элементов. 6. Преобразователь по п.3 или 5, отличающийся тем, что бесконечная лента выполнена в виде гусеницы трактора или танка. 7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что бесконечная лента выполнена в виде упругого элемента, при этом передающие элементы валов имеют выпуклые рифленые поверхности. 8. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что бесконечная лента выполнена в виде сетки, заформованной в слой резины. 9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что датчик местоположения открытого цилиндра выполнен в виде механического прерывателя. 10. Преобразователь по пп.1 и 9, отличающийся тем, что датчик местоположения открытого цилиндра совмещен с дозатором. 11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пневмосистема содержит несколько дозаторов, каждый из которых имеет сопло, при этом сопла установлены на разной высоте в соответствии с траекторией перемещения открытого цилиндра под нижним передающим элементом вала.