ВОДЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F03C1/02 F01B29/08 F03B17/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, может быть использован в качестве источника энергоснабжения изолированных, удаленных от централизованного энергоснабжения объектов, в расположении которых имеются условия для работы двигателя.

Известен гидростатический двигатель /1/, обеспечивающий получение энергии с использованием закона Архимеда за счет двигателя, образованного бесконечным рукавом, установленным на шкивы-барабаны, расположенные на параллельных осях.

Известен гидравлический трансформатор /2/, содержащий две пары поршневых камер, имеющих соответственно верхнее и нижнее их попарное расположение с установленными в них, с возможностью возвратно-поступательного перемещения, поршневыми группами, связанными между собой механической связью и приводимыми в движение под действием давления рабочего тела, причем все поршневые камеры в устройстве снабжены входными и выходными каналами, верхние поршневые камеры имеют дополнительный входной канал для равномерного ввода рабочего тела (гидравлического потока) с относительно большим входом (и, соответственно, с большой мощностью), которые установлены 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 поршневой группы, необходимого для избежания потерь в развиваемой мощности при работе самого устройства.

Наиболее близким аналогом является водяной двигатель /1/, содержащий питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, поршни-понтоны, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала, подводящие и отводящие трубы, направляющий стержень с направляющей втулкой и кронштейном, при этом между гильзой и поршнем-понтоном имеется зазор без уплотнения. Рабочий ход в двигателе совершается за счет подъемной силы Архимеда при движении поршня вверх.

Недостатком известного водяного двигателя является неэкономичность его работы. Объясняется это тем, что при работе двигателя создается усилие на поршень-понтон только при его движении вверх за счет силы Архимеда. Вращающий момент на коленчатом валу действует при его повороте на 180^o и соответствует периоду действия усилия на поршень-понтон (только при его движении вверх). При движении поршня-понтона вниз совершается холостой ход двигателя. При этом при истечении жидкости из цилиндра уровень ее понижается, а "плавающий" поршень-понтон не подвержен усилию со стороны жидкости. Вращающий момент коленчатому валу за счет усилия поршня при движении его вниз не передается. Таким образом, при истечении жидкости из цилиндра она не совершает полезную работу.

Другим недостатком двигателя, принятого за прототип, является низкая надежность энергоснабжения при его использовании в качестве источника энергии. Объясняется это тем, что для работы известного двигателя необходим источник воды, расположенный выше поверхности земли, как правило, заполняемый посредством дополнительного источника энергии. Такие источники воды не являются возобновляемыми и не могут работать бесконечно долго, а работают только в периоды, когда имеется запас воды. Это и снижает надежность энергоснабжения при использовании известного двигателя в качестве источника энергии (механической, а при подключении к коленчатому валу через трансмиссионную систему электрогенератора - электрической).

Задачей предлагаемого изобретения является создание экономичного водяного двигателя, работающего за счет потока с циклическим применением подъемной силы Архимеда и гравитационной силы без использования минерального топлива, а также с повышенной надежностью энергоснабжения при использовании двигателя в качестве источника энергии.

Поставленная задача достигается тем, что водяной двигатель содержит питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, поршень-понтон, рабочие камеры, например гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала, подводящие и отводящие трубы, впускной и выпускной клапаны, распределительное устройство, например распределительный вал с впускным и выпускным кулачками, взаимодействующими с электрическими контактами управления выпускным и впускными клапанами.

Новым является то, что поршень-понтон выполнен полым и снабжен клапанами перетока, срабатывающими в его нижнем и верхнем положениях, а детали, расположенные ниже коленчатого вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый, поглощающий интервал, с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с возобновляемым источником воды, например с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, в которой установлен впускной клапан, выпускной клапан установлен в скважине ниже рабочей камеры, при этом ниже обсадных колонн расположен пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал.

На фиг.1, 2 и 3 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия предлагаемого одноцилиндрического водяного двигателя. На фиг. 4, 5, 6, 7, 8 приведены временные диаграммы перемещения поршня-понтона и работы клапанов. В том числе на фиг.1 дано положение коленчатого вала, поршня-понтона, воды впускного и выпускного клапанов двигателя, клапанов перетока поршня-понтона, кулачков распределительного вала при рабочем ходе поршня-понтона "вниз", на фиг.2 - положение тех же деталей в положении поршня-понтона в нижней мертвой точке (НМТ). На фиг.3 - положение тех же деталей при совершении рабочего хода поршня-понтона "вверх" в положении в верхней мертвой точке (ВМТ). На фиг.4 приведен график зависимости перемещения поршня Н от времени t H=f₁(t) при работе двигателя. На фиг.5-8 приведены соответственно временные диаграммы работы клапанов при работе водяного двигателя: впускного клапана - Sвп.кл.дв.=f₂(t), фиг.5; выпускного клапана двигателя S вып.кл.дв.=f₃(t), фиг.6; впускного клапана перетока поршня S вп.кл.п.=f₄(t), фиг.7; выпускного клапана перетока поршня-понтона S вып.кл.п.=f₅(t), фиг.8.

На диаграммах обозначениям S, равным 1 и 0, соответствуют открытое и закрытое положения клапанов - соответственно.

Водяной двигатель содержит:
1 - питательную емкость для воды; 2 - впускные клапаны, например, электромагнитные с контактами К1, 3 - рабочую камеру; 4 - гильзу; 5 - поршень-понтон; 6 - направляющий стержень с направляющей втулкой 7; 8 - кронштейн; 9 - шатун; 10 - кривошип коленчатого вала; 11 - маховик; 12 - кулачок распределительного механизма; 13 - контакт впускного электромагнитного клапана; 14 - контакт выпускного электромагнитного клапана; 15 - выпускной клапан двигателя (в нормальном обесточенном состоянии клапан открыт); 16 - проницаемый поглощающий интервал; 17 - скважина; 18 - тумблер включения; 19 - канал сообщения с атмосферой; 20 - впускные клапаны перетока поршня-понтона с пружинами 21; 22 - обратные клапаны впуска в поршень-понтон; 23 - упоры впускных клапанов перетока поршня-понтона; 24 - выпускной клапан перетока поршня-понтона с пружиной 25; 26 -обратный клапан выпуска из поршня-понтона; 27 - упор выпускного клапана; 28 - обсадная колонна меньшего диаметра; 29 - обсадная колонна большего диаметра; 30 - водоносный интервал; 31 - отверстия в обсадной колонне большего диаметра; 32 - фильтр.

Водяной двигатель работает следующим образом.

В остановленном с использованием тумблера 18 двигателе состояние, предшествующее включению, характеризуется закрытым положением впускных клапанов 2, открытым положением выпускного клапана 15 и освобожденной от воды полости поршня-понтона 5. При этом, в общем случае, положение поршня-понтона 5 в гильзе 4 может быть различным.

Для включения двигателя в работу "вручную" или с использованием пускового устройства (условно не показано) вращением маховика 11 устанавливается такое положение коленчатого вала 10 и кулачков 12, при котором замыкаются контакты 13 и 14 управления впускным 2 и выпускным 15 электромагнитными клапанами, включается тумблер 18. При этом через контакты 13 и 14 на впускные 2 и выпускной 15 клапаны подается напряжение, они срабатывают, при этом впускные клапаны 2 открываются, а выпускной клапан 15 закрывается.

При этом питательная емкость 1 сообщается с рабочей камерой 3.

Напор "Н" превышает положение поршня-понтона 5 в верхней мертвой точке на величину потерь напора при движении воды через впускные клапаны 2, в рабочей камере 3 в кольцевом канале между гильзой 4 и поршнем-понтоном 5. Вода из питательной емкости через впускные клапаны 2 перетекает в рабочую камеру 3.

Поршень-понтон 5 размещен на направляющем стержне 6 и перемещается в направляющей втулке 7. Кронштейн 8 при помощи шарнирной пары соединен с шатуном 9, а последний с кривошипом коленчатого вала 10. При помощи привода приводится в работу вал распределительного устройства с установленным на нем кулачком 12.

Рабочий ход поршня-понтона вверх осуществляется под действием силы Архимеда. При этом обладающий плавучестью поршень-понтон, погруженный в воду в цилиндре, перемещается вверх с перемещением вверх уровня воды в цилиндре.

Рабочий ход поршня-понтона вниз осуществляется под действием гравитационной силы. При этом в верхнем положении поршня-понтона его полость наполняется перетекаемой из зазора между поршнем и гильзой цилиндра водой. Утяжеленный водой поршень-понтон движется в освобожденном от воды цилиндре (в воздухе) под действие силы тяжести. Таким образом, усилие на поршень-понтон воздействует как при его движении вверх (сила Архимеда), так и при его движении вниз (сила тяжести). Силы эти по абсолютной величине одного порядка и создают постоянный вращающий момент на коленчатом валу.

В общем виде сила Архимеда Р_A определяется исходя из следующего равенства:
Р_A=ρ•q•w, (1)
где ρ - плотность жидкости, кг/м³;
q - ускорение силы тяжести, м/с²;
w - объем рассматриваемого тела, погруженного в жидкость, м³;
Различаются три случая:
P_A<G - тело тонет (G - сила тяжести);
Р_A>G - тело всплывает на поверхность жидкости;
Р_A=G - тело плавает в погруженном состоянии.

Для предлагаемого водяного двигателя при движении поршня вверх применен случай, когда P_A>G. При движении поршня вниз гравитационная сила определяется силой тяжести поршня, заполненного водой, в воздухе в соответствии с соотношением:
R_G=mg,
где m - масса поршня заполненного водой, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с².

При запуске водяного двигателя в работу рабочая камера 3 заполняется водой.

Рабочий ход поршня-понтона вверх (фиг.3) обеспечивается быстрым заполнением полости цилиндра 4 рабочей камеры 3 водой до верхнего уровня поршня 5, в том числе кольцевого зазора между поршнем и гильзой цилиндра. При этом кулачком 12 распределительного вала замкнуты контакты 13, напряжение подается на впускные клапаны 2 двигателя, они открыты, а выпускной клапан 15 закрыт. В результате образования силы Архимеда под ее действием поршень-понтон 5 перемещается вверх, преобразуя за счет шатуна 9 его поступательное движение во вращательное движение коленчатого вала. Поршень-понтон приближается к верхней мертвой точке (ВМТ).

Для обеспечения последующего рабочего хода поршня-понтона вниз в конце его рабочего хода вверх (в окрестности ВМТ) происходит заполнение полости поршня-понтона водой из зазора, образованного стенками поршня и гильзой цилиндра.

Впускной клапан 2 двигателя находится в открытом состоянии в течение промежутка времени t₂-t₁ (фиг.5). В момент времени t₂ поршень-понтон приближается к ВМТ (фиг.4), при этом подпружиненные 21 толкатели впускных клапанов перетока 20 поршня 5 прижимаются к упорам 23, и клапаны перетока 20 открываются (время t₂, фиг.7). Из зазора между поршнем-понтоном и гильзой цилиндра вода через открытый клапан 20 перетекает в полость поршня-понтона за счет перепада уровней в сообщающихся сосудах. При этом обратные клапаны 22, изготовленные из материала с плотностью, несколько большей плотности воды, под действием потока воды через клапаны перемещаются по стержню толкателя. В последующем они предупреждают истечение воды из полости поршня-понтона при нештатных ситуациях, например когда поршень еще находится в ВМТ (клапан 20 открыт), а уровень воды в зазоре или цилиндре находится ниже уровня воды в поршне.

В момент времени t₂ (фиг.5) кулачок 12 размыкает контактную группу 13, впускные электромагнитные клапаны 2 обесточиваются и закрываются.

Спустя промежуток времени t₃-t₂ (фиг.7), достаточный для полного перетока воды в полость поршня-понтона (коленчатый вал при этом проворачивается при положении поршня-понтона в окрестности ВМТ за счет момента инерции маховика), последний начинает движение вниз (фиг.4). В момент времени t₃ концы подпружиненных 21 толкателей впускных клапанов перетока 20 поршня 5 "отходят" от упоров 23 и клапаны 20 закрываются (фиг.7). Одновременно с этим (t₃ на фиг.6) кулачком 12 размыкается группа контактов 14, обесточивается и открывается выпускной клапан 15 двигателя (фиг.1). Начинает осуществляться рабочий ход поршня вниз. Вода из полости цилиндра 4 быстро сливается в скважину 17, а из нее - в проницаемый поглощающий интервал 16 с расходом, при котором уровень воды в полости цилиндра перемещается вниз с опережением положения дна поршня-понтона. При этом поршень-понтон 5 движется вниз под действием силы тяжести поршня, заполненного водой, находясь в воздухе. За счет шатуна 9 поступательное движение поршня-понтона преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Поршень приближается к нижней мертвой точке НМТ (фиг. 2), при этом в момент времени t₄ (фиг.4 и 6) кулачком 12 распредвала замыкается контактная группа 14 и закрывается выпускной клапан 15. Впускные клапаны 2 пока так же закрыты. При дальнейшем движении поршня-понтона вниз при его "подходе" к НМТ, для обеспечения последующего рабочего хода поршня-понтона вверх под действием силы Архимеда, происходит освобождение полости поршня-понтона от воды путем истечения ее в полость цилиндра (рабочей камеры). В момент времени t₅ (фиг.8) подпружиненный толкатель выпускного клапана перетока 24 поршня 5 прижимается к упору 27 и клапан перетока 24 открывается (фиг. 2). Из полости поршня-понтона 5 через канал клапана перетока 24 вода вытекает в полость цилиндра. При этом обратный клапан 26, изготовленный из материала с плотностью, несколько меньшей плотности воды, и установленный с возможностью свободного перемещения по стержню толкателя выпускного клапана перетока 24, предупреждает поступление воды в полость поршня в нештатной ситуации, например когда поршень-понтон находится в НМТ и клапан 24 открыт, а уровень жидкости в цилиндре при его повышении находится выше дна поршня. Спустя промежуток времени t₆-t₅ (фиг.8), достаточный для истечения воды из полости поршня-понтона (при этом коленчатый вал проворачивается на некоторый угол за счет момента инерции маховика), последний начинает движение вверх. При t₆ стержень выпускного клапана перетока поршня "отходит" от упора 27 и клапан 24 закрывается (t₆, (фиг.8). Одновременно открываются впускные клапаны 2 двигателя в момент t₆ (фиг.5), начинается рабочий ход поршня-понтона вверх, и цикл повторяется.

Остановку двигателя производят выключением тумблера 18. При этом обесточиваются клапаны, как следствие впускные клапаны 2 закрываются, а выпускной клапан 15 открывается и двигатель останавливается.

Пополнение питательной емкости 1 водой в процессе работы двигателя осуществляется из водоносного горизонта 30. Под действием постоянного гидростатического давления, действующего в этом водоносном горизонте, при понижения уровня в питательной емкости 1 в процессе работы двигателя вода из водоносного горизонта 30 поступает в нее через водяной фильтр 32. Фильтр представляет собой, как правило, сетку, устанавливаемую снаружи перфорированного отверстиями 31 обсадной колонны 29 большего диаметра. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго.

Возможны и другие варианты питания скважинного двигателя водой, например когда питательная емкость, образованная кольцевым объемом соосных обсадных колонн, имеет сообщение с другими вышерасположенными естественными водоемами - рекой, озером - или искусственными - отстойники, очистные сооружения и др.

Возможна реализация многоцилиндрового водяного двигателя, при этом должны быть пробурены несколько буровых скважин.

Преимуществом предлагаемого нами технического решения по сравнению с водяным двигателем, принятым в качестве прототипа является более высокая экономичность работы, характеризуемая меньшим удельным расходом воды (расход воды - на выполнение единицы работы). Удельный расход в предлагаемом двигателе меньше за счет того, что при одном расходе воды при совершении работы в одном цикле хода поршня выполняемая им работа увеличивается за счет совершения дополнительной полезной работы при движении поршня вниз.

Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру средств "малой" энергетики, использующих нетрадиционные, в первую очередь возобновляемые ресурсы - подземные воды в естественных условиях их существования. При этом достигается эффект энергосбережения в сравнении с применением традиционных источников энергии и схем энергоснабжения.

Также преимуществом двигателя при его использовании в качестве источника электроэнергии в сравнении с речными мини-ГЭС является возможность эксплуатировать круглогодично в районах с резкоконтинентальным климатом, в частности при низких температурах, при которых реки замерзают, так как используемое в нем рабочее тело - подземная вода - не замерзает.

Источники информации
1. Заявка РФ 93018233, F 03 B 17/04, 1993 г.

2. Заявка РФ 98122451, F 03 B 17/02, 1998 г.

3. Патент РФ 2140562, F 03 1/02; F 01 B 29/08, 1997 - прототип.

Устройство предназначено для привода различных машин и механизмов. Двигатель содержит питательную емкость воды, гильзы, поршни-понтоны, перемещающиеся по направляющим стержням, впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с кулачками, связанный с коленчатым валом. Поршни-понтоны выполнены полыми и снабжены клапанами перетока жидкости, обеспечивающими сообщение объема поршня с полостью цилиндра в нижнем и верхнем положениях поршня-понтона. Гильзы расположены ниже коленчатого вала, а между гильзой и поршнем-понтоном уплотнение отсутствует. Изобретение улучшает экономичность работы двигателя. 8 ил.

Водяной двигатель, включающий питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, поршень-понтон, рабочие камеры, например, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала, при этом между поршнем-понтоном и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, впускной и выпускной клапаны, распределительное устройство, например, распределительный вал с впускным и выпускным кулачками, взаимодействующими с электрическими контактами управления впускным и выпускным клапанами, направляющий стержень с направляющей втулкой, а поршень снабжен кронштейном, отличающийся тем, что поршень-понтон выполнен полым и снабжен клапанами перетока, срабатывающими в его нижнем и верхнем положениях, а детали, расположенные ниже коленчатого вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый, поглощающий интервал, с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с возобновляемым источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, в которой установлен впускной клапан, выпускной клапан установлен в скважине ниже рабочей камеры, при этом ниже обсадных колонн расположен пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал.