ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F03B17/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известен гидравлический двигатель /водяной/, содержащий коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, связанные с валом и поршнями, размещенными в гильзах цилиндров, сообщенных трубопроводом с питательной емкостью. Гильзы цилиндров расположены ниже коленчатого вала. Двигатель работает на основе гидростатического и гидродинамического напоров. Для этого необходим подвод воды из водонапорной башни или от гидротехнических сооружений с большим напором /1/.

Недостатком такого гидравлического двигателя является то, что сначала вода при помощи какого-то энергетического устройства закачивается в водонапорную башню, а затем запасенную при этом энергию используют на привод водяного двигателя. Рациональность такого приема и технического решения вызывает сомнение. Наличие естественного водоема с напором, адекватным высоте водонапорной башни, целесообразно использовать с применением известных реактивных турбин. Наличие низкого напора /1...1,5 м/ естественного водоема обладает малым гидростатическим и гидродинамическим напорами и работа водяного двигателя становится неэффективной.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является "Двигатель Кузьмина", который содержит питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, гильзы цилиндров, расположенных ниже коленчатого вала, подводящие и отводящие трубы, впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с впускными и выпускными кулачками, имеющий кинетическую связь с коленчатым валом, направляющие стержни, установленные по оси гильз, поршни с кронштейнами и направляющими втулками, имеющими зазор между гильзой и поршнем без уплотнения /2/.

Недостатком двигателя Кузьмина является то обстоятельство что для повышения скорости движения поршня и мощности, предусматривается превышение напора воды в питательной емкости по сравнению с необходимым. При этом часть жидкости изливается через верхнюю образующую гильзы цилиндра и отводится в открытое русло потока, не производя полезной работы. Возрастают капитальные затраты на строительство и стоимость вырабатываемой энергии.

Задачей изобретения являются повышение эффективности работы гидравлического двигателя за счет более полного использования энергии потока воды, подводимого к нему по питательной трубе.

Поставленная задача осуществляется внесением в конструкцию двигателя Кузьмина дополнительных питательных труб, оборудованных клапанами и расположенных по высоте и периметру гильзы. Это способствует более быстрому наполнению полости цилиндра под поршнем и зазора между цилиндром и поршнем водой до верхней образующей поршня. Только в этом случае подъемная сила Архимеда будет максимальной и постоянной при движении поршня при рабочем ходе до верхней мертвой точки. При этом возрастает скорость движения поршня и мощность двигателя. Указанное обстоятельство можно проанализировать из известных формул:
N = M_кр•ω•η_м, (1)
N = P_А•U_п•η_м, (2)
где N - мощность двигателя; M_кр - крутящий момент; ω - угловая скорость; η_м - механический КПД; P_А - подъемная сила Архимеда; V_п - скорость движения поршня.

На фиг. 1, 2 схематично показано устройство и принцип действия одноцилиндрового гидравлического двигателя. В том числе на фиг. 1 - положение коленчатого вала, поршня, воды, впускных клапанов, кулачков распределительного вала при рабочем ходе поршня - /вверх/.

На фиг. 2 - положение этих же деталей при совершении холостого хода поршня /вниз/. Гидравлический двигатель содержит: 1 - питательная емкость для воды; 2 - питательная труба; 3 - впускной клапан; 4 - гильза; 5 - поршень; 6 - направляющий стержень; 7 - втулка; 8 - кронштейн; 9 - шатун; 10 - коленчатый вал; 11 - маховик; 12 - привод распределительного вала; 13 - распределительный вал; 14 - кулачок впускного клапана; 15 - выпускной клапан; 16 - кулачок выпускного клапана; 17, 18 - задвижки; 19 - кулачок впускного клапана; 20 - впускной клапан; 21 - питательная труба.

Предлагаемый гидравлический двигатель работает следующим образом. При помощи задвижек 17, 18 питательная емкость 1 соединяется с питательными трубами 2, 21. Вода через впускные клапаны 3, 20 при поднятом положении кулачка впускного клапана 14 и опущенном положении впускного клапана 20 распределительного вала 13 поступает в полость под поршнем 5 и в кольцевой зазор между поршнем 5 и гильзой 4. Поршень 5 перемещается по направляющему стержню 6 и втулке 7. Кронштейн 8 при помощи шарнира соединен с шатуном 9, и последний с - кривошипом коленчатого вала 10. При помощи привода распределительного вала 12 коленчатый вал 10 кинематически соединен с распределительным валом 13 и кулачками 14, 16, 19. При совершении холостого хода поршня 5 /фиг. 2/ выпускной клапан 15 открыт за счет его подъема кулачком выпускного клапана 16, а за счет подъема кулачка впускного клапана 19 и впускного клапана 20 прекращается подача воды из питательной трубы 21 под поршень 5 и в кольцевой зазор между поршнем 5 и гильзой 4.

Вода через отверстие выпускного клапана 15 сливается в открытое русло водотока.

Превышение уровня воды "И" в питательной емкости 1 над положением воды в гильзе 4 и поршнем 5 при верхней мертвой точке /фиг. 1/ расходуется на преодоление потерь энергии /напора/ при движении воды по питательным трубам 2, 21 и эффекта вихреобразования под поршнем 5 и в кольцевом зазоре между поршнем 5 и гильзой 4 в момент их заполнения водой.

Увеличение мощности гидравлического двигателя зависит от подъемной силы Архимеда и скорости движения поршня 5 /см. формулы 1, 2/, а значение подъемной силы Архимеда - от объема воды, вытесненной поршнем 5
P_A= ρgW, (3)
W = ω•h, (4)
ω = πd²/4, (5)
где W - объем воды, вытесненной поршнем 5; ω - живое сечение поршня; h - высота поршня; d - диаметр поршня.

Таким образом, увеличение высоты гильзы 4, связанное с повышением мощности гидравлического двигателя, диктует включение в него нескольких дополнительных питательных труб 21 /кроме питательной трубы 2/, расположенных по высоте гильзы 4 и соединенных с ней в нескольких точках по ее периметру /на фиг. 1, 2 не указаны/.

Для каждой дополнительной трубы 21 имеется клапан 20 и кулачок 19 распределительного вала 13. Наличие питательной трубы /труб/ 21 обеспечит исключение эффекта вихреобразования потока воды под днищем поршня 5 и в кольцевом зазоре между поршнем 5 и гильзой 4 и быстрое, равномерное их заполнение водой, повышение скорости движения поршня 5 и соответственно повышение мощности гидравлического двигателя.

Преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом является повышение скорости движения поршня при рабочем ходе и мощности гидравлического двигателя за счет увеличения скорости наполнения водой цилиндра 4 до уровня верхней образующей поршня 5 с исключением перелива воды из цилиндра. Вся энергия воды, подводимая по питательным трубам 2, 21 расходуется на привод коленчатого вала 10.

Таким образом, повышается эффективность работы предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.

Следует отметить, что по своей сути поршень 5 может быть назван поплавком, установленным с зазором в гильзе 4. При этом имея в виду, что поршень - это подвижная деталь машины, плотно перекрывающая поперечное сечение гильзы, а этого в предлагаемом техническом решении двигателя нет. Плотное перекрытие поперечного сечения изменяет сущность работы заявленного двигателя /3/.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. СССР, 5183, F 03 C 1/02, 1928.

2. Патент РФ, 2140562, F 01 B 29/08, 1999 - прототип.

3. Краткий политехнический словарь, изд-ние 3. М.: Советская энциклопедия, 1989, с. 406.

Двигатель предназначен для преобразования энергии потока воды, подводимого к нему по питательной трубе. Двигатель содержит питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала, подводящую и отводящие трубы, впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с впускными и выпускными кулачками, имеющий кинематическую связь с коленчатым валом, направляющие стержни, установленные по оси гильз, поршни с кронштейнами и направляющими втулками, имеющие зазор между гильзой и поршнем без уплотнения. Также двигатель оснащен дополнительными питательными трубами, соединенными с питательной емкостью и цилиндром по его высоте и периметру и имеющими впускные клапаны с приводом от распределительного вала. Конструкция позволяет увеличить мощность двигателя. 2 ил.

Гидравлический двигатель, включающий питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала, подводящую и отводящую трубы, впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с впускными и выпускными кулачками, имеющий кинематическую связь с коленчатым валом, направляющие стержни, установленные по оси гильз, поршни с кронштейнами и направляющими втулками, имеющие зазор между гильзой и поршнем без уплотнения, отличающийся тем, что гидравлический двигатель оснащен дополнительными питательными трубами, соединенными с питательной емкостью и цилиндром по его высоте и периметру и имеющими впускные клапаны с приводом от распределительного вала.