ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2001 года по МПК F03B17/02 

Изобретение предназначено для применения в качестве гидравлического двигателя, использующего источником энергии течение воды.

Изобретение относится к устройствам, трансформирующим энергию и отвечающим уравнению трансформации m₁ = km₂.

В предлагаемом устройстве, внутри которого происходит трансформация входящих гидростатических давлений, образованных в емкостях, подпитывающихся течением воды, передающих свою энергию выходящему из устройства образованному гидродинамическому напору, по мощности равному входящим за вычетом на сопротивление.

Наиболее близким по схожести своей конструкции к заявляемому устройству является гидроприводной объемный насос [авторское свидетельство СССР N 761742, кл. F 04 B 9/08, 1980] - устройство, которое похоже наличием составных частей и выполнением полезной работы, в устройстве также имеются поршневые камеры с установленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршневыми группами, соединенными между собой механической связью, а также поочередно работающих входных и выходных клапанов.

Недостатком в работе этого устройства является потеря мощности при трении поршней о стенки поршневых камер.

Известно устройство [патент СССР N 1830110, кл. F 03 C 5/02, F 04 В 43/12, 1989/91], которое может быть ближайшим аналогом предлагаемому устройству, для работы которого также применяется энергия гидростатического давления рабочего тела, приводящего в движение поршневую группу, используя для этого емкость, входящую в состав устройства и подпитывающуюся течением воды.

Недостатком этого устройства с точки зрения надежности является использование очень гибкой пленки.

Цель изобретения - получение гидродинамического напора при использовании гидростатических уровней рабочего тела, подпитывающихся течением воды.

Для достижения данной цели используем заявляемый гидравлический трансформатор в качестве гидравлического двигателя (энергоустановки), использующий для трансформации в полезную работу гидростатические давления, поддерживаемые рабочим телом в емкостях, входящих в состав устройства и подпитываемых течением воды, содержащий также две пары поршневых камер, снабженных входными и выходными каналами с подведенными к ним трубопроводами, проходящими через золотниковое устройство, производящее перепостроение рабочего тела в фазах рабочего цикла. Поршневые камеры соответственно имеют попарное верхнее и нижнее их расположение одних над другими с небольшим промежутком между ними с установленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршневыми группами, соединенными между собой механической связью в виде коромысла, а также в работе используя упорные штанги и захваты с ограниченным ходом. Причем верхние поршневые камеры, имеющие фигурную конструкцию, с целью экономии при поочередном выполнении работы в фазах рабочего цикла, одна как приемная камера, а вторая как камера вытеснения, на выходе из которой и образуется гидродинамический напор, имеют дополнительный, для равномерного ввода рабочего тела, трубопровод, который установлен, как и первый, вместе с емкостями выше самих поршневых камер, что позволяет конструктивно увеличивать объем приемных поршневых камер в рабочем положении золотникового устройства, удержание же рабочего тела в трубопроводах в нерабочем положении золотникового устройства происходит за счет внешнего давления, а нижние поршневые камеры снабжены упорами в верхней своей части для образования зазора между штангой и поршнем, необходимого для избежания потерь в развиваемой мощности в работе устройства. С целью увеличения мощности, имея для этого необходимые условия, связанные с подачей и сливом в работе устройства, при подключении к этому дополнительных поршневых камер, установленных недалеко от нижних поршневых камер, и используя их трубопроводы, подходящие от золотникового устройства, а также при использовании приводов, установленных недалеко от верхних поршневых камер, возможен вариант использования увеличенных плеч в механической связи в качестве рычагов.

На фиг. 1 - общий вид устройства.

На фиг. 2 - работа устройства в фазе рабочего цикла.

На фиг. 3 - возможный вариант использования уплотнителя.

Устройство состоит (фиг. 1) из двух емкостей 1 и из емкости 2, в которых поддерживается гидростатическое давление рабочего тела, подпитывающихся течением воды, необходимых для работы устройства, из поршневых камер 3, 4, 5, 6, из поршневых групп, состоящих из двух упорных штанг 7, 8, из поршней 9, 10, 11, 12, из механической связи 13, поршни 9 и 11 имеют фигурную конструкцию и состоят из внешней и внутренней частей, соединенных бортиком, внешне аналогичны поршневым камерам 3 и 5, в которых они установлены, с целью экономии, а на поршнях 10 и 12 сверху в центральной их части установлены захваты с ограниченным ходом, с помощью которых, при совместной работе с упорными штангами 7 и 8 в фазах рабочего цикла, образуется рабочая тяга при сливе из поршневых камер 4 или 6 с соответствующим опусканием вниз поршней 10 или 12, механическая связь 13 имеет форму коромысла, которое установлено в центральной части устройства на ось вращения и соединено с помощью шарниров с упорными штангами 7 и 8, а также при увеличенных плечах с использованием дополнительных поршневых камер и приводов в работе устройства выполняет роль рычага, из золотникового устройства, состоящего из переключателя 14, работающего за счет электромагнитной индукции, из датчиков 15, 16, из блока управления 17, из блока питания 18, из электрической связи 19, из двух тройников 20 и из тройников 21, 22, 23, 24, с помощью которых в устройстве, между фазами рабочего цикла, происходит перепостроение движения рабочего тела, а также в конструкции тройников имеются стенки, с помощью которых можно, перекрывая ими входные и выходные каналы одновременно, останавливать работу устройства, из соединительной механической связи 25, обеспечивающей одновременное переключение всех тройников в золотниковом устройстве, из системы трубопроводов согласно рабочего циклу: из трубопроводов 26, 27, соединяющих две емкости 1 и емкость 2 с течением воды для подпитки, из двух трубопроводов 28 и из трубопровода 29 для подачи рабочего тела в приемные поршневые камеры, из трубопровода 30 для выхода гидродинамического напора при поочередном вытеснении рабочего тела из поршневых камер 3 и 5, из компенсатора 31 для сглаживания гидродинамического напора, выходящего из трубопровода 30, из трубопровода 32 для поочередного выхода рабочего тела из нижних поршневых камер 4 и 6 при сливе, из трубопровода 33, использующегося с целью экономии, из трубопровода 34, отходящего от устройства, для отвода рабочего тела при сливе, из энергоблоков 35, 36, включенных в состав устройства как возможный вариант использования гидравлического трансформатора в качестве гидравлического двигателя (энергоустановки).

Для рассмотрения принципа работы гидравлического трансформатора, предположим, применяя его в качестве энергоустановки для получения электроэнергии, используя источником энергии течение воды естественных природных водоемов, выберем наиболее удобный пологий склон недалеко от горной реки, где можно было бы установить устройство или ряд устройств каскадным способом, с наибольшими гидростатическими уровнями, для получения соответствующих мощностей. Все устройства в образованной цепи должны быть соединены между собой сливными желобами, установленными под углом для свободного слива и обеспечения рабочим телом, принимая его по трубопроводу от реки и далее передавая его от одного устройства к другому и от последнего также через трубопровод возвращая обратно в реку, используя для этого туннели. Для запуска гидравлического трансформатора в работу после его установки, имея для этого полностью пригодное устройство по схеме, заполним всю систему устройства водой так, как показано на чертежах (фиг. 1 и 2): две емкости 1 и емкость 2, все имеющиеся в устройстве трубопроводы и тройники, которые установим в нейтральное нерабочее положение, все поршневые камеры 3, 4, 5, 6 так, как они расположены, из нижних поршневых камер 4 и 6 произвести при этом через воздушники, установленные в поршнях 10 и 12, сброс воздуха, после чего установить блок управления 17 в автоматический режим работы, и устройство готово к работе.

Принцип работы гидравлического трансформатора в фазе рабочего цикла (фиг. 1 и 2) заключается в следующем. После подачи сигнала к работе в блоке управления 17 золотниковое устройство с помощью переключателя 14 устанавливает все тройники 20₍₂₎, 21, 22, 23, 24 в рабочее положение, при котором открываются входные и выходные каналы, соединяя проходами поршневые камеры с трубопроводами согласно рабочему режиму цикла, при этом происходит вытеснение рабочего тела из вытесняемой поршневой камеры 5, заполненной водой, через выходящий канал в тройнике 22 по трубопроводу 30, образуя на выходе гидродинамический напор при участии составных элементов поршневых групп, установленных в поршневых камерах: 3, являющейся приемной, 4 - сливной, 5 - вытесняемой, 6 - приемной, и состоящих: из поршня 12, являющегося ведущим, из упорной штанги 8 как связующего элемента, из поршня 11 как ведомого, из механической связи 13 как связующего элемента, из упорной штанги 7 как связующего элемента, из поршня 9 как ведущего, из поршня 10 как ведущего, используя для этого захват с ограниченным ходом при совместной работе с нижней частью упорной штанги 7.

Вытеснение рабочего тела из вытесняемой поршневой камеры 5 происходит с помощью ведомого поршня 11 с приложением к нему силы, обозначим ее буквой P, приводящей его в движение снизу вверх, при движении всей поршневой группы под действием трех основных слагаемых сил гидравлического трансформатора, обозначим их буквами P₁, P₂, и P₃, каждая из которых образуется в своей поршневой камере с использованием гидростатических уровней при подаче и сливе рабочего тела. Сила P₁ образуется при подаче рабочего тела в приемную поршневую камеру 3, имеющую фигурную конструкцию, через входящие каналы тройников 20₍₂₎ и 21, при давлении на внешнюю и внутреннюю части ведущего поршня 9, заставляя его двигаться сверху вниз с силой, равной по величине весу вводимых объемов рабочего тела V'₁ = S'₁ • h'₁; V''₁ = S''₁ • h''₁; V₁ = V'₁ + V''₁, где V₁, V'₁, V''₁ - вводимые объемы, S'₁, S''₁ - площади внешней и внутренней частей ведущего поршня 9, h'₁, h''₁ - гидростатические уровни, образованные соответственно высотой трубопровода 28₍₂₎ с емкостью 1₍₂₎ и высотой трубопровода 33; подставляя удельную плотность воды, определим силу P₁ = V₁, без учета сечения трубопроводов 28₍₂₎, 33. Сила P₂ образуется при подаче рабочего тела в приемную поршневую камеру 6 через входной канал тройника 24 из емкости 2 по трубопроводу 29, оказывая давление на ведущий поршень 12, заставляя его двигаться снизу вверх с силой, равной объему водоизмещения V₂ = S₂h₂, где V₂ - объем водоизмещения, S₂ - площадь ведущего поршня 12, h₂ - высота гидростатического уровня, состоящего из емкости 2 и трубопровода 29, подставляя удельную плотность воды, определим силу водоизмещения P₂ = V₂, без учета сечения трубопровода 29. Сила P₃ образуется при сливе рабочего тела, в сливной поршневой камере 4, через выходящий канал в тройнике 23 по трубопроводам 32 и 34, опускает ведущий поршень 10 с оказанием давления на всю поршневую группу сверху вниз, используя для этого захват с ограниченным ходом, с силой, зависящей от уровня свободного слива h₃, от площади ведущего поршня 10 и от сечений трубопроводов 32, 34.

Исходя из вышесказанного можно установить, что сила P в фазе рабочего цикла, образующая гидродинамический напор при вытеснении рабочего тела в гидравлическом трансформаторе, равна трем основным слагаемым силам P₁, P₂ и P₃
P=P₁+P₂+P₃.

В завершающей фазе рабочего цикла, после того как ведущий поршень 12 останавливается в верхней части приемной поршневой камеры 6 за счет упора, ведущий поршень 10 достигает нижней части сливной поршневой камеры 4 и также останавливается. В работе устройства остается, производя досжатие, сила P₁, которая по ходу движения вниз возросла, так как увеличился рабочий уровень h₁, продолжая вытеснять оставшуюся часть рабочего тела из вытесняемой поршневой камеры 5, образуя зазор между упорной штангой 8 и поршнем 12, необходимый для избежания потерь в развиваемой мощности. При смене рабочего цикла, после переключения золотникового устройства, использующего автоматический режим в блоке управления 17, поршневая камера 3 становится вытесняемой, поршневая камера 4 приемной, поршневая камера 5 приемной, поршневая камера 6 сливной.

При возможном варианте использования увеличенных плеч в механической связи 13 в качестве рычагов с подключением дополнительных поршневых камер и приводов в работе гидравлического трансформатора добавляются еще две силы: P₄ и P₅, тогда сила P = P₁ + P₂ + P₃ + P₄ + P₅, которые также используются в завершающей фазе, тогда
P = P₁ + P₄ + P₅
Использование гидравлического трансформатора при совместной работе в качестве энергоустановки с скомбинированным турбодвигателем N 99124355/06 (025807) добавляет еще две силы P₆ и P₇, тогда сила P равна
P = P₁ + P₂ + P₃ + P₄ + P₅ + P₆ + P₇,
а в завершающей фазе
P = P₁ + P₄ + P₅ + P₆ + P₇.

Применение гидравлического трансформатора выгодно и тем, что получаемый гидродинамический напор можно использовать под любым углом.

Для работы гидравлического трансформатора с целью уменьшения потери мощности при трении поршней о стенки поршневых камер во время возвратно-поступательного перемещения, а также для надежного удержания рабочего тела в самих поршневых камерах можно использовать уплотнители (один из них, секционный, показан на фиг. 3), срок годности которых может быть также достаточно продолжительным.

Устройство предназначено для применения в качестве гидравлического двигателя, использующего источником энергии течение воды. Устройство содержит две пары поршневых камер, имеющих соответственно верхнее и нижнее их попарное расположение с установленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршневыми группами, механически связанными между собой. Поршневые камеры снабжены входными и выходными каналами, проходящими через золотниковое устройство и соединенными с наполненными рабочим телом емкостями и со сливным трубопроводом. В каждой из верхних поршневых камер для равномерного ввода рабочего тела расположен дополнительный входной канал вместе с емкостями выше самих камер, а нижние поршневые камеры снабжены упорами в верхней своей части для образования зазора между поршнем и упорной штангой, входящими в состав поршневых групп. Конструкция позволяет увеличить мощность. 3 ил.

Гидравлический трансформатор, использующий гидростатическое давление рабочего тела, поддерживаемое в подпитываемой течением воды емкости, взаимодействующего в устройстве с поршневой группой с участием отходящего слива, отличающийся тем, что содержит две пары поршневых камер, имеющих соответственно верхнее и нижнее их попарное расположение с установленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршневыми группами, механически связанными между собой, причем поршневые камеры снабжены входными и выходными каналами, проходящими через золотниковое устройство и соединенными с наполненными рабочим телом емкостями и со сливным трубопроводом, в каждой из верхних поршневых камер для равномерного ввода рабочего тела расположен дополнительный входной канал вместе с емкостями выше самих камер, а нижние поршневые камеры снабжены упорами в верхней своей части для образования зазора между поршнем и упорной штангой, входящими в состав поршневых групп.