ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ-ТАРАН Российский патент 2002 года по МПК F04F7/00 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в качестве гидросилового привода в промышленности и сельском хозяйстве.

Известна конструкция гидротаранной установки, которая с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования энергии гидравлического удара в механическую энергию содержит коленчатый вал с маховым колесом. Подающие трубопроводы снабжены парами цилиндров, расположенных в зоне размещения обратных клапанов, снабженных поршнями со штоками. Цилиндры каждой пары снабжены переливным трубопроводом и сообщены посредством обратного клапана с одной из подающих труб. Штоки цилиндров каждой пары соединены между собой и с коленчатым валом. На обратных клапанах установлены перегородки для перекрытия переливных трубопроводов /1/.

Недостатком данной конструкции является повышенная металлоемкость, отсутствие кинематической связи между ударными и обратными клапанами, ограниченность числа кривошипов коленчатого вала. Для привода коленчатого вала с двумя кривошипами предлагается четыре цилиндра и поршня, что приведет к увеличению внутренних потерь энергии на трение.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является конструкция "Гидравлический двигатель-таран", которая включает питательный бассейн воды, питательную трубу, ударный клапан, цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, уплотнительные кольца, штангу, кулачок, распределительный вал, привод распределительного вала, привод масляного насоса, масляный насос, нагнетательную линию системы смазки, обратную линию системы смазки, маховик, редуктор, генератор, пусковую рукоятку. Гидравлический двигатель-таран работает за счет преобразования энергии гидравлического удара в механическую энергию возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, с вращением коленчатого вала /2/.

Недостатком данной установки "Гидравлический двигатель-таран" является низкая эффективность использования энергии гидравлического удара для привода коленчатого вала во вращательное движение.

Задача изобретения - повышение эффективности использования энергии гидравлического удара для привода коленчатого вала двигателя во вращательное движение.

Указанная задача достигается тем, что гидравлический двигатель-таран содержит питательный бассейн, сообщенный с питательной трубой, в которой установлен ударный клапан, цилиндр с поршнем и шатуном, связанным с коленчатым валом двигателя, включающим маховик, и имеющий, распределительный вал с кулачком кинематически связанный с коленчатым валом, рабочую камеру, при этом в питательной трубе установлены дроссельные клапаны с пружинами с образованием в закрытом положении закрытых камер и серии гидравлических ударов в них, смещенных по времени, при этом камеры соединены трубопроводами высокого давления через обратные клапаны с рабочей камерой. В местах размещения дроссельных клапанов питательная труба оборудована упорами.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых схематично показан принцип работы гидравлического двигателя-тарана.

На фиг.1 представлены положения дроссельных клапанов и ударного клапана в процессе разгона воды в питательной трубе. На фиг.2 представлены положения дроссельных клапанов и ударного клапана при гидравлическом ударе. В том числе указаны рабочая камера "А" в зоне расположения ударного клапана и поршня, камеры "В", "С", образующиеся закрытием дроссельных клапанов и не замкнутая камера "Д".

Гидравлический двигатель-таран (фиг.1, 2) включает в себя ударный клапан 1, поршень 2, шатун 3, коленчатый вал 4, маховик 5, кулачок распределительного вала 6, дроссельные клапаны 7, 8, 9, питательную трубу 10, упоры 11, трубопроводы высокого давления 12, 13, 14, обратные клапаны 15, 16, 17, цилиндр 18.

Гидравлический двигатель-таран работает следующим образом. Питательный бассейн (на схемах не указан), питательная труба 10, ударный клапан 1 являются необходимым условием работы как гидравлического тарана так и предлагаемого технического решения. Для запуска двигателя-тарана в работу поршень 2 вручную, через коленчатый вал 4 переводится в положение нижней мертвой точки (НМТ). При этом кулачок распределительного вала 6 расположен горизонтально. Ударный клапан 1 находится в открытом "нижнем" положении. Так как оси дроссельных клапанов 7, 8, 9 расположены ниже центра тяжести плоских поверхностей, то за счет момента силы тяжести и действия пружин (на фиг.1, 2 не указаны) дроссельные клапаны 7, 8, 9 приводятся в положение открыто, но при полном открытии их плоскости не совпадают с направлением оси питательной трубы 10 на некоторый угол. При открытых: ударном клапане 1 и дроссельных клапанах 7, 8, 9 вода из питательного бассейна по питательной трубе 10 разгоняется через ударный клапан 1 от нуля до максимума под действием питательного напора. За счет силы скоростного напора и силы Архимеда клапан 1 быстро закрывается. Кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию гидродинамического давления. В рабочей камере "А" происходит гидравлический удар. Так как верхняя площадь дроссельного клапана 7, тоже и для клапанов 8, 9 до оси больше чем его нижняя часть, то сила гидродинамического давления, действующая на верхнюю часть будет больше, чем сила, действующая на нижнюю поверхность. Под действием результирующей силы, преодолевая сопротивление пружины, дроссельный клапан 7 закрывается, образуя рабочую камеру "А" замкнутой. Проворачиванию дроссельного клапана 7 препятствует упор 11.

Под действием силы от давления гидравлического удара поршень 2 перемещается в цилиндре 18 от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) и через шатун 3 приводит во вращение коленчатый вал 4 с маховиком 5. Движение поршня 2 в замкнутом контуре приводит к разрыву сплошности воды. Известно, что разрыв сплошности потока увеличивает давление до 40% по сравнению с гидравлическим ударом без нарушения сплошности потока /3/. Для борьбы с этим явлением в гидравлических машинах и трубопроводах производится их защита от разрушения. Известен гаситель гидравлических ударов, который реагирует на гидроудары, начинающиеся как повышением, так и понижением давления и на гидроудары, сопровождающиеся разрывом сплошности потока /4/.

Обратные клапаны 15, 16, 17 под действием силы давления в рабочей камере "А" закрыты, а дроссельные клапаны 8, 9 открыты. Но быстрое закрытие дроссельного клапана 7 приводит к образованию гидроудара в камере "В" и закрытию дроссельного клапана 8, а это приводит к гидроудару в камере "С" и закрытию дроссельного клапана 9, и частичному гидроудару в незамкнутой камере "Д" (см. фиг. 2). Серия гидравлических ударов в замкнутых камерах "В", "С" и камере "Д", сдвинутых по времени, обеспечивают поддержание высокого давления в рабочей камере "А" за весь период движения поршня 2 от НМТ до ВМТ. Давление от камер "В", "С", "Д" передается по трубопроводам высокого давления 12, 13, 14 через обратные клапаны 15, 18, 17. При снижении давления в рабочей камере "А" меньшим среднего давления в питательной трубе 10, вызванного увеличением объема под поршнем 2 при его движении "вверх", вода из камеры "Д" по трубопроводу 12 через клапан 17 дополнительно поступит в рабочую камеру "А".

Величина среднего давления определяется по известной формуле:

где Р_ср - среднее давление при гидравлическом ударе; Р₀ - давление, при котором осуществляется движение воды в питательной трубе 10; P_max - максимальное давление при гидравлическом ударе.

Так как Р₀ несравнимо меньше чем P_max, то в расчетах им пренебрегают и тогда Р_ср для одного гидроудара выразится как

За счет энергии, запасенной маховиком 5, осуществляется движение поршня 2 от ВМТ до НМТ (холостой ход). Распределительный вал (на схемах не обозначен) с кулачком 6 кинематически связан с коленчатым валом аналогично прототипу.

Таким образом, ударный клапан 1, находится в нижнем положении, дроссельные клапаны 7, 8, 9 под действием пружин, моментов сил тяжести и ограничителей повернуты к осевому направлению под некоторым углом. Происходит разгон воды в питательной трубе 10 с изливанием ее через ударный клапан 1. При достижении поршнем 2 НМТ кулачок распределительного вала 6 освобождает ударный клапан 1, который под действием сил скоростного напора, и Архимеда быстро поднимается вверх, прекращается истечение воды, происходит гидроудар (см. фиг.2) и процессы повторяются.

Преимуществом предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом является повышение КПД двигателя-тарана. Это обеспечивается более эффективным использованием энергии гидравлического удара за счет повышения его максимального значения, возникающего при нарушении сплошности потока, а также созданием замкнутых камер "А", "В", "С", "Д", с обеспечением серии гидроударов, смещенных по времени (комулятивный разряд), обеспечивающих относительное постоянство среднего давления (уравнение 2) во время рабочего хода поршня 2 от НМТ до ВМТ. Представленный гидравлический двигатель-таран стационарный и может быть осуществлен в многоцилиндровом исполнении.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. СССР, 1231281, F 04 F 7/02, 1986.

2. П. РФ, 2105908, F 04 F 7/02, 1998 - прототип.

3. А. И.Богомолов, К.А.Михайлов. "Гидравлика", Стройиздат, М.: 1972, с. 398-406.

4. А.С. СССР, 1298475, F 16 F 55/02, 1987.

Изобретение может быть использовано в качестве гидросилового привода в промышленности и сельском хозяйстве. В питательной трубе установлены несколько дроссельных клапанов. Образование гидравлического удара после подъема ударного клапана приводит к последовательному закрытию дроссельных клапанов, образованию между ними замкнутых камер и серии гидравлических ударов, смещенных по времени. Давление от замкнутых камер по трубопроводам высокого давления передается в рабочую камеру. Так как движение поршня в цилиндре двигателя при рабочем ходе вызывает разрыв сплошности среды, то максимальное давление гидроудара под поршнем увеличивается. Двигатель работает в два такта - разгон и гидравлический удар. Повышается эффективность использования энергии гидравлического удара для привода коленчатого вала двигателя во вращательное движение. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидравлический двигатель-таран, содержащий питательный бассейн воды, сообщенный с питательной трубой, в которой установлены ударный клапан, цилиндр с поршнем и шатуном, связанным с коленчатым валом двигателя, включающим маховик, и имеющий кулачок распределительного вала, кинематически связанный с коленчатым валом, рабочую камеру, отличающийся тем, что в питательной трубе установлены дроссельные клапаны с пружинами с образованием в закрытом положении закрытых камер и серии гидравлических ударов в них, смещенных по времени, при этом камеры соединены трубопроводами высокого давления через обратные клапаны с рабочей камерой. 2. Гидравлический двигатель-таран по п. 1, отличающийся тем, что в местах размещения дроссельных клапанов питательная труба оборудована упорами.