ГИДРОМАШИНА Российский патент 2004 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, предназначено для преобразования силы напора воды, которая определяется наличием разности отметок уровней воды перед плотиной (верхний бьеф - ВБ) и за плотиной (нижний бьеф - НБ) в механическую или электрическую энергию, а по конструкции и по работе изобретение относится к поршневым машинам.

Известно устройство, у которого сила напора воды применяется для вертикального поступательного движения поршней и для преобразования энергии потока гидравлической жидкости в механическую или электрическую энергию, которое является ближайшим прототипом предлагаемого изобретения.

Таким устройством является "Гидропневматический гидрогенератор", патент СССР, F 03 В 13/12, 17/00, №1611225, (22) 29.11.85, авт. Тибор Кендери.

Изобретение относится к гидроэнергетике. Цель изобретения - повышение КПД гидрогенератора путем обеспечения работы насоса в области его оптимальных режимов при изменении уровней воды в верхнем и нижнем бьефах. Гидрогенератор содержит закрепленный на дне водоема вертикальный направляющий блок, выполненный по меньшей мере в виде одной шахты 2 с отверстиями 3 и 4 в боковой стенке 5 вблизи дна 1 водоема, размещенной в плотине 6, утяжеленный поплавок 7, установленный в направляющем блоке с возможностью вертикального перемещения на направляющих роликах 26, поршневой насос 8 двустороннего действия для перекачки гидравлической жидкости по замкнутому контуру, поршень 9 которого при помощи соединительного элемента, выполненного в виде регулируемого по длине штока 10, связан с поплавком 7, пневмогидроаккумулятор 11, сообщенный посредством напорных трубопроводов 12 с полостями нагнетания насоса 8, приемную емкость с размещенными в ней преобразователем 14 энергии преимущественно в виде турбины и всасывающий трубопровод 15. Полость 16 шахты 2 сообщена с атмосферой и через отверстия 3 и 4 - с верхним и нижним бьефами 17 и 18 водоема. Гидрогенератор снабжен устройством автоматического управления заслонками 19 и 20, приводом изменения длины штока 10, включающим гидроцилиндр 21 и насосы 22 и 23, и датчиками 24 верхнего и нижнего уровней воды. Гидрогенератор имеет также сборник 25, сообщенный с входом трубопровода 15. При поочередном открытии заслонок 19 и 20 вода, периодически заполняя вахту 2, поднимает и опускает поплавок 7, который посредством штока 10, длина которого регулируется в зависимости от уровней жидкости в бьефах 17 и 18, приводит в действие насос, закачивающий гидравлическую жидкость в пневмогидроаккумулятор 11, которая затем поступает на преобразователь 14 энергии, который может быть связан с электрогенератором, и далее на вход насоса 8.

Как видно из описания и на двух чертежах, гидропневматический гидрогенератор представлен в виде простой идеи, для реализации которой необходимо всю конструкцию доработать на уровнях множества последующих изобретений.

1. На дне 1 водоема изображен фундамент в виде холмика, на котором установлен вертикальный направляющий блок, выполненный в виде шахты 2 и плотины 6, внутри которых размещен утяжеленный поплавок 7 с возможностью вертикального перемещения на направляющих роликах 26, конструкция которых неизвестна и как они закреплены тоже неизвестно.

2. На неизвестном верхнем перекрытии шахты 2 установлен поршневой насос 8 двустороннего действия для перекачки отдельной гидравлической жидкости по замкнутому контуру. Насос 8 имеет поршень 9, который посредством штока 10 связан с поплавком 7 посредством шарниров 27 и 28, позволяющих компенсировать перекосы. Следовательно, перекосы при движении поплавка 7 предусмотрены, а это в поршневых устройствах недопустимо.

3. Полость 16 шахты 2 сообщена с атмосферой и через отверстия 3 и 4 с верхним и нижним бьефами 17 и 18 водоема.

4. Гидрогенератор снабжен устройством автоматического управления заслонками 19 и 20. При этом неизвестны: само устройство, где оно размещено, как оно взаимодействует с заслонками и как ими управляет.

5. Гидрогенератор оснащен приводом изменения длины штока 10, включающим гидроцилиндр 21 и насосы 22 и 23, и датчиками 24 верхнего и нижнего уровня воды. Цилиндр 21 и насосы 22 и 23 размещены во внутренней полости поплавка 7. При этом неизвестна конструкция шестеренчатых насосов и цилиндра, как они изменяют длину штока 10, как и каким образом поступают сигналы от двух датчиков 24 верхнего и нижнего уровней воды в бьефах.

6. При открытии заслонки 20 вода под напором верхнего бьефа поступает во внутреннюю полость 16 шахты 2 и поплавок 7 поднимается только вверх не под действием напора воды, а под действием архимедовой силы до верхнего мертвого положения, поднимая посредством штока 10 поршень 9 тоже до верхнего мертвого положения, чтобы создать необходимое более высокое давление в надпоршневой полости насоса 8, которое необходимо для сжатия воздуха в пневмогидроаккумуляторе 11 до необходимого давления, показанного на манометре 33. При этом скорость заполнения водой подпоплавковой полости при подъеме поплавка 7 только вверх зависит от живого сечения отверстия 4 и от давления напора воды. А так как поплавок 7 и поршень 9 соединены общим штоком 10, следовательно, с такой же скоростью поднимается вверх и поршень 9 и нагнетает надпоршневую гидравлическую жидкость в пневмогидроаккумулятор во столько раз меньше по объему, во сколько раз площадь поршня 9 меньше площади поплавка 7. При этом часть архимедовой силы теряется на сжатие воздуха в пневмогидроаккумуляторе 11.

При закрытии заслонки 20 и при вовремя открытой заслонки 19 вода под действием собственной силы тяжести и тяжести утяжеленного поплавка 7 вытекает из отверстия 3 более медленно, так как вода преодолевает сопротивление отверстия 3, а вес утяжеленного поплавка 7 оптимально ограничен, так как при увеличении веса поплавка 7 выше оптимально допустимого соответственно уменьшается подъемная архимедова сила при подъеме вверх. А при медленном опускании поплавка 7 вниз соответственно уменьшается производительность насоса 8 и еще меньше подается гидравлической жидкости на преобразователь 14.

7. Гидрогенератор фактически содержит две сложные зависимые системы: система поплавка 7 с приводом изменения длины штока 10 и систему насоса 8 с дополнительным оборудованием.

Первая система предназначена для оптимальных режимов при изменении уровней воды в верхнем и нижнем бьефах.

Вторая система предназначена для повышения давления гидравлической жидкости и подачи ее на преобразователь 14, который только после этого будет вращать колесо преобразователя 14 и вырабатывать механическую или электрическую энергию. Но повышение давления гидравлической жидкости происходит за счет уменьшения ее объема и мощности ее потока для преобразования его в механическую или электрическую энергии. При этом поток жидкости прерывается в сборнике 25. Поэтому такая прерывная двухступенчатая система не способствует повышению КПД. При этом насос 8, показанный на фиг.1, вообще неработоспособный. Для его работоспособности необходимо в напорный трубопровод 12 и во всасывающий трубопровод 15 вмонтировать по два обратных клапана: два из которых должны пропускать жидкость из всасывающего трубопровода 15 в подпоршневую и надпоршневую полости, а два других должны пропускать жидкость из названных полостей в напорный трубопровод 12. Обратные клапаны должны быть установлены соответственно выше и ниже мертвых положений поршня 9. Даже после установки дополнительных обратных клапанов в пневмогидроаккумуляторе предусмотрено уменьшение давления сжатого воздуха, которое компенсируется путем подачи в него через дозаправочный вентиль 34 сжатого воздуха.

8. В плотине 6 гидрогенератора могут быть выполнены несколько шахт 2. Сама плотина 6 может состоять из состыкованных между собой комплектов шахт. На фиг.2 к основной плотине к ее торцам присоединены другие плотины в виде оборванных контуров плотин. Следовательно, плотины и гидрогенераторы могут быть расположены только на горизонтальном уровне. На фиг.1 наверху шахты 2 на неизвестном перекрытии установлен насос 8, поршень 9 которого и шток 10 шарнирно соединены с нижерасположенным поплавком 7. Поэтому нет возможности над одним гидрогенератором разместить второй гидрогенератор. Вал одного преобразователя 14 невозможно подсоединить к валу второго преобразователя 14 с целью увеличения мощности, так как гидрогенераторы могут работать только индивидуально и каждый оснащен своим индивидуальным громоздким оборудованием.

На основании только этих перечисленных общих признаков можно сделать вывод о том, что гидропневматический гидрогенератор является сложным малопроизводительным устройством, не может быть применен в масштабе любой промышленности, но может быть изготовлен в виде сложной громоздкой лабораторной установки, у которой преобразователем 14 может быть только наливное колесо наименьшей мощности. А поэтому гидрогенератор не может преобразовать энергию напора воды непосредственно в механическую или электрическую энергии.

Возможность преобразования силы напора воды непосредственно в механическую или электрическую энергию определилась только после того, как было изобретено самостоятельное изобретение "Эксцентриковый шатун" согласно патенту России №2178106 от (22) 16.02.1999, (51) Г 16 Н 21/18, опубликованного (46) 10.01.2002. Бюл. №1, авт. Кузин А.А.

Изобретение ″Эксцентриковый шатун″ относится к машиностроению и касается создания передачи для преобразования движения с помощью кривошипов и эксцентриков. Шатун имеет диск-эксцентрик с круглым отверстием, посредством которого диск-эксцентрик насажен на цилиндрический вал и жестко закреплен на нем. Диск-эксцентрик средствами качения связан со звеном шатуна. Звено шатуна связано с исполнительным звеном, имеющим возможность возвратно-поступательного перемещения. Центр отверстия диска-эксцентрика смещен от центра этого диска на расстояние радиуса кривошипа. Радиус диска-эксцентрика больше суммы радиуса кривошипа и радиуса вала. Ролики размещены на поверхности наружного диаметра диска-эксцентрика и охвачены обоймами, кольцевым корпусом и силовыми стенками, составляющими звено шатуна. Эти стенки выполнены с зауженными концами с отверстиями. В эти отверстия вставлена общая ось шарнирного соединения звена шатуна с исполнительным звеном. Диск-эксцентрик и цилиндрический вал выполнены с возможностью вращения вокруг одной общей оси, проходящей через центр эксцентриситетного отверстия диска-эксцентрика и вдоль оси цилиндрического вала. Технический результат реализации изобретения заключается в снижении стоимости изготовления эксцентрикового шатуна и в повышении его эксплутационных качеств.

Широкое применение эксцентриковый шатун найдет в качестве замены кривошипных механизмов: в двигателях внутреннего сгорания, движителях, в прессах, в металлорежущих или в других обрабатывающих станках. Это предположение подтверждается теоретическими расчетами, уникальными достоинствами и возможностями эксцентрикового шатуна, его высоким КПД и отсутствием подобных аналогов, обладающих такими же достоинствами и возможностями, какими обладает эксцентриковый шатун.

В результате названной замены могут появиться и уже появляются новые устройства и машины, а существующие и действующие в настоящее время обретут новые качества и возможности.

Поэтому в результате широких возможностей применения эксцентрикового шатуна и стало возможным изобретение совершенно новой ″Гидромашины″, в которой при взаимодействии эксцентриковых шатунов с поршнями стало возможным непосредственное преобразование силы напора воды в крутящий момент прямого цилиндрического вала для выработки механической или электрической энергии.

В настоящей заявке изобретение ″Гидромашина″ представлена следующим образом.

На фиг.1 показана одна семиэтажная ″Гидромашина″ в статическом положении в разрезе по Б-Б на фиг.2.

На фиг.2 показаны две одинарные ″Гидромашины″ в разрезе по А-А на фиг.1.

На фиг.3 показан разрез трех верхних этажей по В-В на фиг.2.

На фиг.4 показан разрез трех верхних этажей в момент рабочего положения круглой части эксцентрикового шатуна, повернутого против часовой стрелки влево на угол α.

На фиг.5 показан разрез трех верхних этажей в момент рабочего положения круглой части эксцентрикового шатуна, повернутого против часовой стрелки вправо на угол θ=180°.

На фиг.6 показан разрез трех верхних этажей в момент рабочего положения круглой части эксцентрикового шатуна, повернутого вправо на угол α.

На фиг.7 показана отдельная камера с поршнем в сборе.

На фиг.8 показана рабочая камера.

На фиг.9 показан поршень в сборе.

На фиг.10 показана цепная система управления распределения воды на три верхних этажа в разрезе по Г-Г на фиг.2.

На фиг.11 показана ″Гидромашина″ в разрезе по Д-Д на фиг.10.

На фиг.12 показан барабанный распределитель воды на каждый этаж ″Гидромашины″ в разрезе по Е-Е на фиг.10.

На фиг.13 показана семиэтажная тройная ″Гидромашина″.

На фиг.14 показана рычажная система для уменьшения рабочего хода поршней и увеличения радиуса кривошипа главного эксцентрикового шатуна.

Семиэтажная ″Гидромашина″ содержит фундамент 1, забетонированный как одно целое железобетоном с плотиной 2 и быками 3, удерживающими воду на уровне верхнего бьефа ВБ относительно нижнего бьефа НБ, показанных на фиг.1. В плотине 2 встроены каналы 4 с консольными патрубками 5 прямоугольного сечения и сетки 6, по высоте соответствующие уровням этажей гидромашины. Все каналы 4 открываются - закрываются посредством затвора 7 и посредством крюка 8 грузоподъемной машины (не показана).

На фундаменте 1 забетонирована фундаментная плита 9, на которой нижними основаниями закреплены колонны 10. На верхних площадках быков 3 забетонирована силовая рама 11. В стенах быков 3 по высоте и ширине в необходимом количестве забетонированы консольные балки 12, к которым жестко прикреплены съемные поперечные балки 13 одним концом к консольной балке 12 одного быка 3, а другим концом к консольной балке 12 другого быка 3. Верхними капителями колонны 10 жестко прикреплены к силовой раме 11, а по всей высоте колонны 10 жестко соединены с поперечными съемными балками 13. Дополнительно каждая пара колонн 10 с двух сторон жестко скреплена с продольными съемными балками 14 и съемными поперечными балками 15. На фундаментной плите 9 закреплено основание 16, на которой, поэтажно чередуясь, прикреплены крышки 17 и камеры прямоугольного сечения, одна из которых показана на фиг.7. Каждая камера по количеству этажей гидромашины содержит корпус 16, каждый из которых своими фланцами 19, верхними фланцами 20 прямоугольной конструкции и крышками 17 между ними скреплены общими болтами в виде общей вертикальной шахты прямоугольного сечения, разделенной поэтажно крышками 17 на независимые герметичные камеры. Следовательно, каждая крышка 17 для одной камеры является дном, а для другой соседней камеры - крышкой, и наоборот. Каждая камера дополнительно жестко и поэтажно прикреплена болтами к съемным продольным и съемным поперечным балкам 14 и 15 посредством рамки 21, приваренной к наружным стенкам каждой камеры. Каждая камера оснащена патрубками прямоугольного сечения 22, 23, 24, 25. Внутри каждой камеры помещена рабочая камера 26 с прямоугольными отверстиями 27, строго совпадающими по периметру с патрубками 22, 23, 24, 25. В верхней части общая камерная шахта перекрыта дополнительными крышками 28, соединенными общей втулкой 29. Внутри каждой рабочей камеры 26 размещен поршень, который показан в сборе на фиг.9. Поршень содержит корпус 30 прямоугольного сечения, в центре которого помещена муфта 31 с двумя фланцами круглого сечения, к нижнему из которых герметично прикреплено дно корпуса 30, а верхний фланец муфты 31 и верхний квадратный или прямоугольный уровень поршня герметично закрыт крышкой 32, имеющей герметично закрытые лючки 33, внутри муфты 31 вдоль ее оси имеется отверстие с внутренней резьбой, в которую ввернуты резьбовыми концами два штока 34, зафиксированные стопорными болтами 35. На штоки 34 надеты амортизационные кольца, например, из резины 36. На верхний конец верхнего штока 34 навернута резьбой и зафиксирована головка 37, в проушину которой вставлена ось 36.

На силовой раме 11 закреплены корпуса с подшипниками 39, в которые вставлен цилиндрический вал 40, на концах которого закреплены муфты 41. На цилиндрический вал 40 насажен и жестко закреплен на нем эксцентрик главного эксцентрикового шатуна 42, нижний конец зауженных стенок которого посредством оси 36 шарнирно соединен с головкой 37 верхнего штока 34. Кроме этого, на цилиндрический вал 40 насажен и жестко закреплен эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна 43.

На уровне каждого этажа, например, семиэтажной гидромашины, с обеих ее сторон установлены и жестко закреплены барабанные распределители, один из которых показан на фиг.12. Корпус барабанного распределителя состоит из двух разъемных частей: секторной части 44 с прямоугольными фланцами 45 и 46 и ответной полуцилиндрической части 47 с фланцем 48 и патрубками 49. Названные разъемные части герметично соединены прямоугольными фланцами 46 и 48, между которыми герметично зажата уплотнительная прокладка 50 по всему прямоугольному периметру.

Патрубки 49 герметично соединены с прямоугольными коленами 51. Торцевые стенки двух частей корпуса оснащены разъемными скользящими подшипниками 52. Посредством колен 51 прямоугольные патрубки 49 соответственно и герметично соединены с патрубками 22 и 23 с одной стороны камер (на фиг.7), а с другой стороны камер и гидромашины барабанные распределители патрубками 49 посредством колен 51 герметично соединены с патрубками 24 и 25 камер. Внутри каждого корпуса барабанного распределителя помещен барабан 53, выполненный из трубы, имеющей в двух концах торцевые стенки 54, к которым с внутренней стороны приварены фланцы 55, а к ним соответственно приварены левая ось 56 и правая ось 57, которые своими скользящими шейками вставлены в скользящие подшипники 52, а другими шейками оси вставлены в подшипники качения 58, закрепленные в корпусах 59 и зафиксированные крышками 60. Внутри трубы барабана 53 вварены перегородки 61 и 62 по всей длине барабана, а центральные перегородки сварены таким образом, что представляют собой вид расширяющегося диффузора 63, у которого узкая сторона имеет высоту h₁, а широкая сторона имеет высоту h₂, а ширина диффузора 63 равна расстоянию l. На правой консоли оси 57 прикреплена звездочка 64. Барабан 53 выполнен с возможностью вращения внутри корпуса барабанного распределителя и представляет собой круглую ферму, стержнями которой являются перегородки 61 и 62.

Барабанные распределители патрубками 45 герметично соединены с консольными патрубками 5 плотины 2 по всей высоте соответствующих этажей гидромашины. На противоположной стороне гидромашины барабанные распределители, у которых диффузоры 63 выполняют функции конфузоров, которые своими патрубками 45 герметично и поэтажно соединены с отводами 65, все внутренние полости которых сообщены с общей внутренней полостью сборника воды 66, который в нижнем основании сообщен с внутренней полостью колена 67 и с нижним бьефом НБ воды.

Таким образом выполнена гидромашина, соединенная с фундаментом 1 посредством забетонированной плиты 9, основания 16, с быками 3, посредством забетонированной на верхних площадках быков 3 силовой рамы 11, жестко соединенной посредством колонн 10 с фундаментной плитой 9 и фундаментом 1, с забетонированными в стенах противоположно расположенных быков 3 консольных балок 12, съемных поперечных балок 13, продольных балок 14 и поперечных балок 15 - по всей высоте и по всей длине гидромашины, которая также связана с плотиной посредством забетонированных в ней консольных патрубков 5 по всей высоте всех этажей и по ширине конструкции гидромашины - все это определяет единую монолитную конструкцию гидромашины.

Таким же образом все внутренние полости всех каналов 4, консольных патрубков 5, барабанных распределителей, колен 51, камерных патрубков 22 и 23 до поршней справа со стороны плотины 2 (на фиг.1) - все это является нагнетающей стороной гидромашины. А все внутренние полости рабочих камер за поршнями, патрубков 24 и 25, колен 51, барабанных распределителей, отводов 65, сборника воды 66 и колена 67 до нижнего бьефа НБ уровня воды (слева на фиг.1) - все это является отсасывающей стороной гидромашины. При этом делителями названных сторон гидромашины являются одновременно все поршни, делящие внутреннюю полость каждой рабочей камеры 26 на подпоршневую и надпоршневую полости, одновременно на всех этажах гидромашины.

Для попеременного соединения всех одновременно подпоршневых и надпоршневых полостей рабочих камер 26 на всех этажах гидромашина оснащена ″Цепной системой управления″ для распределения воды одновременно на все этажи, которая содержит следующие основные элементы конструкции.

На двух съемных продольных балках 14 (на фиг.10 и 11) закреплены подшипники (не показаны), в которые вставлен вал 68, на консоль которого насажена и закреплена двухрядная звездочка 69, соединенная посредством роликовых цепей 70 и 71 одновременно с двумя звездочками 64 барабанов 53 на двух сторонах и на уровнях всех этажей гидромашины. На каждый вал 68 насажен и жестко закреплен рычаг 72, который шарнирно соединен с общей тягой 73 посредством оси 74. Верхний конец тяги 73 посредством оси 36 шарнирно соединен с зауженными концами стенок исполнительного эксцентрикового шатуна 43, имеющего дополнительные эксцентриковые отверстия 75 в диске-эксцентрике, насаженного на цилиндрический вал 40.

На фиг.1 и 3 гидромашина показана в статическом положении. На фиг.4-6 главные эксцентриковые шатуны 42 показаны в моменты кругового вращения их дисков-эксцентриков вокруг оси вращения цилиндрического вала 40 против часовой стрелки.

Исполнительный эксцентриковый шатун с закрепленным своим диском-эксцентриком на общем цилиндрическом валу 40 тоже вращается в ту же сторону, но согласно встречного разреза по Г-Г на фиг.2 он показан вращающимся по часовой стрелке на фиг.10.

На фиг.1 и 3 собственная вертикальная ось Y₁-O₁ главного эксцентрикового шатуна 42 совпала с главной вертикальной осью Y-Y всей гидромашины.

На фиг.10 собственная вертикальная ось Y₁-O₁ исполнительного эксцентрикового шатуна 43 тоже показана совпадающей с главной вертикальной осью Y-Y только для того, чтобы показать, что в этот момент все рычаги 72 на всех этажах подняты до самого крайнего верхнего положения, фактически же диск-эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна 43 при монтаже смещен и закреплен на угол θ₁ (не показан) относительно закрепленного на общем цилиндрическом валу 40 диcка-эксцентрика главного эксцентрикового шатуна 42, т.е. например, с отставанием на угол θ₁=15-30°. Следовательно, когда ось собственная Y₁-O₁ главного эксцентрикового шатуна 42 совпадает с главной вертикальной осью Y-Y, исполнительный эксцентриковый шатун 43 фактически занимает положение I (на фиг.10 показано пунктиром).

На фиг.12 показано среднее положение диффузора 63 барабана 53 строго вдоль горизонтальной оси, в результате чего показано, что высота прямоугольного отверстия h₂ диффузора 63 больше расстояния ″a″ - между ближайшими горизонтальными кромками прямоугольных патрубков 49, в результате чего внутренняя полость диффузора 63 в это мгновение сообщена в виде узких щелей одновременно с подпоршневыми и надпоршневыми полостями посредством колен 51 и камерных патрубков 22 и 23.

В начальном статическом положении, когда при монтаже путем соответствующей переброски цепей 70 и 71 (на фиг.10) диффузоры 63 (на фиг.3) всех барабанов 53 нагнетающей стороны установлены по часовой стрелке на определенный угол β таким образом, что нижние патрубки 49, сообщенные посредством колен 51 и камерных патрубков 22 с подпоршневыми полостями рабочих камер 26 закрыты, а верхние патрубки 49 посредством колен 51 и камерных патрубков 23, сообщенные с надпоршневыми полостями камер 26, приоткрыты.

Диффузоры 63 всех барабанов отсасывающей стороны гидромашины установлены тоже по часовой стрелке на такой угол β поворота таким образом, наоборот, что патрубки 49 барабанов 53 посредством колен 51 и камерных патрубков 34, сообщенные с подпоршневыми полостями рабочих камер 26, приоткрыты, а верхние патрубки 49 посредством колен 51 и камерных патрубков 25, сообщенные с надпоршневыми полостями рабочих камер 26, закрыты.

Диски-эксцентрики главного шатуна 42 и исполнительного шатуна 43 при вращении вращаются вокруг продольной оси О-О вращения цилиндрического вала 40, центр О которой находится на пересечении горизонтальной оси Х-Х и главной вертикальной оси Y-Y. Центр качания шатунов относительно оси 38 обозначен буквой О₁. Буквой О₂ обозначен центр диска-эксцентрика, который находится на пересечении горизонтальной оси Х₁-Х₁ и главной вертикальной оси Y-Y. Расстояние между центром О₂ и О оси вращения О-О цилиндрического вала 40 является радиусом кривовшипа r_кр шатуна.

В описании изобретения ″Эксцентриковый шатун″ упомянуто о том, что эксцентриковый шатун ... обладает наибольшей инерцией вращения вокруг оси О-О вращения цилиндрического вала, безударно, легко и ″мягко″ преодолевает при каждом обороте два ″мертвых″ положения... Поэтому гидромашина может работать и одна, если на цилиндрическом валу будет закреплен соответствующий противовес, который уравновесит вое элементы вращательного и вертикально-поступательного перемещения посредством встречного момента, равного радиусу кривошипа, умноженного на суммарный вес, содержащий: вес шатунов 42 и 43, вес всех штоков 34, вес всех поршней, вес всех консольных концов рычагов 72 и вес тяги 73, т.е.

M_пр=r_кр(Р_ш+P_шт+Р_п+Р_т),

где М_пр - общий момент противовеса, кг·м;

r_кр - радиус кривошипа эксцентрикового шатуна, м;

Р_ш - суммарный вес всех шатунов, кг;

Р_шт - суммарный вес всех штоков 34 с головкой 37, кг;

Р_п - суммарный вес всех поршней, кг;

Р_Р - суммарный вес консольных концов всех рычагов 72, кг;

Р_т - вес тяги 73, кг.

Тогда в данном условии гидромашина будет называться как одна одинарная гидромашина, имеющая один главный эксцентриковый шатун 42 и один исполнительный шатун 43 с упомянутым противовесом.

Одна одинарная, например семиэтажная, гидромашина работает следующим образом.

Затвор 7 имеет прямоугольные окна, равные по площади прямоугольным каналам 4 и консольным патрубкам 5, количество которых соответствует поэтажному количеству этажей гидромашины, а по высоте соответствуют расстояниям между этажами гидромашины.

При закрытом положении затвора 7 его прямоугольные окна находятся в высотных промежутках между каналами 4. При подъеме затвора 7 посредством грузоподъемной машины и троса с крюком 8 на высоту совмещения одновременно всех прямоугольных окон затвора 7 с каналами 4 вода под напором высоты верхнего бьефа ВБ уровня воды и соответствующей глубины, очищенная сетками 6, устремляется одновременно на всех этажах через каналы 4, консольные патрубки 5 и патрубки 45 во внутренние полости секторных частей 44 корпусов всех барабанных распределителей, через зауженные прямоугольные стороны диффузоров 63 с высотой h₁, через расширенную сторону диффузоров 63 с высотой h₂, через верхние приоткрытые патрубки 49, через колена 51, через верхние камерные патрубки 23, через верхние прямоугольные отверстия 27 рабочих камер 26 во внутренние надпоршневые полости рабочих камер 26 шириной l, т.е. всей нагнетающей стороны, но дальнейший путь воды через верхние камерные патрубки 25, колена, 51, патрубки 49 барабанных распределителей всей отсасывающей стороны гидромашины будет закрыт цилиндрическим телом барабана 53 в каждом барабанном распределителе. Этот путь воды на всех этажах показан на фиг.3, где также видно, что воде закрыт путь из барабанных распределителей нагнетающей стороны: через нижние патрубки 49, колена 51, нижние камерные патрубки 22. Но при этом подпоршневые полости рабочих камер 26 сообщены через нижние камерные патрубки 24, колена 51, патрубки 49 с внутренними полостями диффузоров 63 барабанных распределителей отсасывающей стороны гидромашины, а через патрубки 45, отводы 65, сборник 66 и колено 67 все подпоршневые полости сообщены с нижним бьефом НБ уровня воды. Следовательно, при открытом затворе 7 в момент, показанный на фиг.3, в надпоршневых полостях рабочих камер 26 вода с силой напора, соответствующей высоте верхнего бьефа ВБ и соответствующей глубине, которая соответствует уровню каждого этажа гидромашины, давит на всю рабочую площадь поршня одновременно во всех надпоршневых полостях рабочих камер 26 на всех этажах гидромашины.

Рабочей площадью поршня является произведение размеров поршня А×В на фиг.9 за вычетом площади круглого поперечного сечения штока 34, т.е.

F_p=F_n-F_шт,

где F_р - рабочая площадь поршня, м²;

F_n - общая прямоугольная площадь поршня, м²;

F_шт - площадь поперечного сечения штока 34, м².

На фиг.3 показан момент статического положения, когда поршни все находятся в верхнем положении и главный шатун 42 находится тоже в верхнем положении, когда центр O₂ диска-эксцентрика находится выше центра О оси вращения О-О цилиндрического вала 40 на расстоянии радиуса кривошипа r_кр и ось X₁-X₁ расположена выше центра О оси вращения О-О цилиндрического вала 40 на расстоянии тоже радиуса кривошипа r_кр и параллельна оси Х-Х.

Суммарная сила Р_с действует сверху-вниз одновременно на все ролики, которые размещены на площади верхней полуокружности наружного диаметра диска-эксцентрика на расстоянии, равного сумме радиуса кривошипа r_кр и радиуса диска-эксцентрика R_g, т.e. u=r_кр+R_g. При этом каждая индивидуальная сила, действующая на каждый ролик, направлена к центру диска-эксцентрика по нормали.

Такое одностороннее действие сверху-вниз относительно центра О оси вращения О-О цилиндрического вала 40, когда все поршни и главный шатун 42 будут находиться в верхнем положении, то такое положение крайне не устойчиво, так как и в этот момент на диск-эксцентрик начинает действовать момент вращения, равный суммарной силе Р_с умноженной на радиус кривошипа r_кр, т.е. M_вр=P_сr_кр. Тогда под действием момента вращения диск-эксцентрик вращает цилиндрический вал 40, одновременно опуская вниз главный шатун 42, например, против часовой стрелки, а поршни все вместе движутся вниз прямолинейно-поступательно с возрастающей скоростью.

В то же самое время шатун 43, отстающий от главного шатуна 42 вначале вращения на угол отставания, например, θ₁=15-30°, закрепленный с главным шатуном 42 на одном общем валу 40, продолжает подниматься вверх с минимальной скоростью, стремящейся к нулю, и также с замедлением шатун 43 поднимает вверх тягу 73, которая также с замедлением поворачивает рычаги 72 одновременно на всех этажах, которые с замедлением поворачивают двухрядные звездочки 69, которые посредством роликовых цепей 70 и 71 поворачивают звездочки 64, закрепленные на правых осях 57, поворачивая тем самым все барабаны 53 на обеих сторонах гидромашины.

При передаточном отношении диаметров D_дв двухрядных звездочек 69 к диаметрам d_зв звездочек 64, например, D_дв:d_зв=2:1, то при повороте двухрядных звездочек 69 на угол β звездочки 64 повернутся на угол 2β, на который соответственно повернутся барабаны 53 и их диффузоры 63.

На фиг.4 показан рабочий момент, когда главный шатун 42 отклонился влево на максимальный угол α между собственной осью Y₁-O₁ и главной вертикальной осью Y-Y, а оси Х₁-X₁ и Y₁-O₁ перпендикулярны между собой и угол между ними постоянно равен 90°. При этом ось Х₁-X₁ совместилась с центром O оси вращения О-О цилиндрического вала 40. Весь главный шатун 42 вместе со всеми поршнями опустился вниз относительно центра О вдоль вертикальной главной оси Y-Y на расстояние S, равное радиусу кривошипа r_кр, т.е. S=r_кр. Шатун 43 оказался в положении II, показанного пунктиром на фиг.10. В это мгновение все поршни имеют максимальную скорость перемещения вниз. А все барабаны 53 и их диффузоры 63 нагнетающей стороны гидромашины повернулись на максимальный угол β_m по часовой стрелке вверх, предоставляя максимальную возможность и максимальную площадь прохода для потока воды под напором в надпоршневые полости рабочих камер 26. А путь воде - через нижние патрубки 49, колена 51, камерные патрубки 22 из полости рабочих камер 26 нагнетающей стороны закрыт телами барабанов 53. Одновременно барабаны 53 и диффузоры 63, выполняющие функции конфузоров, отсасывающей стороны гидромашины повернулись тоже по часовой стрелке вниз на максимальный угол β_m, предоставляя максимальную возможность и максимальную площадь для выхода потока воды из подпоршневых полостей рабочих камер 26 и надежно закрывая выход воды из надпоршневых полостей рабочих камер 26: через верхние камерные патрубки 25, колены 51, верхние патрубки 49, перекрывая выход телами барабанов 53 барабанных распределителей отсасывающей стороны гидромашины. При этом все подпоршневые полости рабочих камер 26 отсасывающей стороны сообщены через нижние камерные патрубки 24, колена 51, нижние патрубки 49, диффузоры 63, секторные части 44 и патрубки 45 барабанных распределителей, отводы 65, сборник воды 66, колено 67 с нижним бьефом НБ и с атмосферой.

Следующую половину пути (хода) вниз, равного тоже радиусу кривошипа r_кр, поршни движутся с замедлением, в то же время диски-эксцентрики главного шатуна 42 и шатуна 43 под действием суммарных маховых моментов и махового момента противовеса и шатунов 42 и 43 вращают цилиндрический вал 40 вокруг оси вращения О-О цилиндрического вала 40 с постоянной угловой скоростью.

В то же время, когда поршни замедляют свое движение вниз, тяга, наоборот, ускоряет свое движение вниз, ускоренно поворачивает все рычаги 72 и двухрядные звездочки 69, а за счет передаточного отношения еще ускореннее поворачиваются звездочки 64, барабаны 53 и их диффузоры 63.

На фиг.5 показан рабочий момент, когда диск-эксцентрик главного шатуна 42 повернулся относительно центра О оси вращения О-О цилиндрического вала 40 на угол θ=180°. В этот момент все поршни остановились, достигнув самого низкого положения, пройдя путь (ход), равный двум радиусам кривошипа, т.е. S=r_кр. К этому моменту все барабана 53 нагнетающей стороны гидромашины успели перекрыть своими цилиндрическими телами доступы потоков воды в надпоршневые полости рабочих камер 26 и приоткрыть доступы потокам воды в подпоршневые полости рабочих камер 26. А все барабаны 53 отсасывающей стороны гидромашины успели перекрыть своими цилиндрическими телами выход из подпоршневых полостей рабочих камер 26. К этому моменту весь первоначальный воздух вытесняется из подпоршневых полостей рабочих камер 26 через нижние патрубки 24, колена 51, водоводы 63, секторные части 44, патрубки 45, отводы 65, колено 67 в нижний бьеф НБ и в атмосферу. Шатун 43 принял положение III, показанное пунктиром на фиг.10. Собственная ось Y₁-O₁ главного шатуна 42 совместилась с главной вертикальной осью Y-Y. Ось X₁-Х₁ расположилась параллельно оси X-Х на расстоянии радиуса кривошипа r_кр ниже центра О оси вращения О-О цилиндрического вала 40.

К этому мгновению, когда скорость вертикального прямолинейно-поступательного движения поршней стала равна нулю, т.е. V_n=0, а нагрузка суммарного веса главного шатуна 42, поршней, штоков 34, вес воды в надпоршневых полостях рабочих камер 26 и вертикальные силы инерции продолжают действовать по инерции сверху-вниз на все ролики, расположенные на площади верхней полуокружности наружного диаметра диска-эксцентрика, а нижние ролики, расположенные на площади нижней полуокружности наружного диаметра диска-эксцентрика не нагружены, то момент сопротивления вращению равен суммарной силе от нагрузки суммарного веса и инерции P_с умноженной на коэффициент трения качения, т.е.

M_ск=P_с·f_к,

где M_ск - момент сопротивления качения, кг·м;

P_с - суммарная сила, кг;

f_к - коэффициент трения качения.

Поэтому главный шатун 42 совместно с противовесом, со всеми вращающимися элементами привода обладает большой инерцией вращения, поэтому легко, безударно и ″мягко″ проходит нижнее ″мертвое″ положение.

На фиг.6 показан рабочий момент, когда главный шатун 42 отклонился вправо на максимальный угол α между его собоственной оси Y₁-O₁ и главной вертикальной оси Y-Y. Ось X₁-Х₁ совместилась с центром O оси вращения O-O цилиндрического вала 40. Шатун 43 при этом принял положение IV на фиг.10.

Ось 38 и все поршни переместились вверх на расстояние S, равное радиусу кривошипа r_кр, т.е. S=r_кр. В это мгновение поршни на всех этажах достигли максимальной скорости перемещения. Барабаны 53 и их диффузоры 63 повернулись на максимальный угол β_m против часовой стрелки вниз с угловой скоростью, стремящейся к нулю, предоставляя тем самым возможность для максимального прохода потокам воды под напором во все подпоршневые полости рабочих камер 26 с нагнетающей стороны гидромашины. А барабаны 53 и их диффузоры 63 отсасывающей стороны гидромашины повернулись на максимальный угол β_m вверх против часовой стрелки тоже о угловой скоростью, стремящейся к нулю, предоставляя тем самым возможность для максимального выхода потоков воды из надпоршневых полостей рабочих камер 26, перекрыв при этом еще надежнее выход из подпоршневых полостей рабочих камер 26. Следующую половину рабочего хода S поршней ввверх, равного тоже радиусу кривошипа r_кр, поршни двигаются вертикально прямолинейно-поступательно с замедлением. Шатуны 42 и 43 вращаются вокруг оси вращения O-O цилиндрического вала 40 с постоянной угловой скоростью, а тяга 73 перемещается вверх с возрастающей скоростью, ускоренно поворачивает рычаги 72 и двухрядные звездочки 69, еще ускореннее поворачиваются звездочки 64, барабаны 53 и их диффузоры 63. И к моменту достижения поршней самого верхнего положения все барабаны 53 и их диффузоры 63 принимают положение на фиг.3. Далее процесс вращения шатунов 42 и 43 и движения потоков воды повторяется одновременно на всех этажах гидромашины.

В настоящем описании пока изложена работа одной одинарной гидромашины с соответствующим противовесом, посредством которого уравновешиваются вое вращающиеся и движущиеся элементы гидромашины, но не уравновешивается общий вeс воды, что является большим недостатком. Практически начальная работа гидромашины, например, показанная в начальном положении на фиг.3, когда заполнение водой начинается одновременно во все полости рабочих камер 26 одной стороны гидромашины, а в этот момент в противоположных полостях рабочих камер 26 за поршнем находится воздух. Тогда при таком условии и при быстром открывании затвора 7, когда вода мгновенно стремится в полости рабочих камер 26 на всех этажах только с одной стороны гидромашины, возможен гидравлический удар большой сила, способный вывести гидромашину из строя. Поэтому при таком положении необходимо открывать затвор 7 как можно медленнее до тех пор, пока не будет удален воздух из всех полостей рабочих камер 26 и пока все полости полностью заполнятся водой в виде непрерывных потоков. Тогда гидравлический удар смягчается посредством опережающей подачи воды в противоположные полости, когда из предыдущих полостей вода будет еще неполностью удалена. Смягчается удар и тем, что к концу рабочего хода поршней со скоростью, стремящейся к нулю, подача воды в полости тоже будет стремиться к нулю в моменты мертвых положений. Но основным условием, которое исключает возникновение гидравлических ударов, является то обстоятельство, что в любой момент движения поршней полости рабочих камер 26 нагнетающей стороны гидромашины сообщены с водой за плотиной 2 верхнего бьефа ВБ, а полости рабочих камер 26 за поршнями отсасывающей стороны гидромашины сообщены с нижним бьефом НБ и с атмосферой. Поэтому применение одной одинарной гидромашины может быть ограничено потому, что имеются более предпочтительные варианты изготовления гидромашин, исключающие недостатки одной одинарной гидромашины, которая изложена в описании с целью более простого и доступного понимания конструкции и работы гидромашины, а также как одного варианта из числа возможного множества вариантов изготовления гидромашин, в основе которых применены одни одинарные гидромашины.

Непрерывность подачи воды одновременно во все полости рабочих камер 26 всех этажей нагнетающей стороны гидромашины и одновременное удаление воды из противоположных полостей рабочих камер 26 за поршнем со всех этажей отсасывающей стороны гидромашины обеспечивается посредством ″Цепной системы управления″, которой гидромашина оснащена и которая имеет исключительно важное значение. От точности ее расчета, от практичного опыта ее монтажа и эксплуатации зависит вся эффективная работа гидромашины. При ее применении предоставляется широкая возможность применять различные сочетания многочисленных параметров цепной системы управления водой в виде непрерывных потоков. Главное необходимое условие определяется тем, что шатун 43 закреплен на цилиндрическом валу 40 вместе с главным шатуном 42, посредством чего оба шатуна вращаются с одинаковой угловой скоростью. Однако работа и размеры шатуна 43 не зависят от работы и размеров главного шатуна 42. На чертежах шатуны 42 и 43 показаны одинаковыми по размерам как один из многих вариантов. Фактически же шатун 43 может быть больше или меньше по размерам, иметь заранее несколько эксцентриситетных отверстий (фиг.10), что при необходимости имеется возможность применять разные радиусы кривошипов r_кр, а следовательно, иметь возможность применять различные рабочие ходы тяги 73, разные длины рычагов 72, разные диаметры звездочек 69 и 64, разные передаточные отношения между ними и т.д.

Применяя возможности многих сочетаний при расчетах и на практике, можно добиться того, что при подходе поршней к их верхним или к их нижним положениям диффузоры 63, опережая движения поршней, подадут встречное их движению давление потока воды, смягчая тем самым инерционные силы поршней и штоков 34, применять оптимальные радиусы кривошипов главных шатунов 42.

Известно, что при работе различных прессов, оснащенных кривошипно-шатунным механизмом с применением коленчатого вала в моменты ″мертвых″ положений, шатун обладает наибольшей силой. Этим положительным достоинством в еще большей мере обладает и эксцентриковый шатун. Поэтому в зависимости от напора воды и рабочих площадей всех поршней можно так подобрать рабочий ход поршней с соответствующим радиусом кривошипа, что установятся на каждом этаже гидромашины непрерывные потоки воды от затвора 7 плотины 2 до нижнего бьефа НБ уровня воды. Непрерывные потоки установятся потому, что весь упомянутый путь потоки воды под напором продут в герметичных каналах, патрубках, коленах, рабочих камерах, диффузорах, отводах, в сборнике воды. В таких герметичных условиях непрерывные потоки становятся неразрывными потоками, которые устанавливаются самопроизвольно только после того, когда после первоначального запуска гидромашины, за два-три полных рабочих хода поршней из всего пути воды - от затвора 7 до нижнего бьефа НБ - будет удален весь воздух в воду и через нее в атмосферу, а высвободившийся объем полностью заполнится водой. Неразрывность потока не нарушается поршнями, которые каждый поток воды во внутренних полостях рабочих камер 26 делят на нагнетающую (положительную) часть потока нагнетающей стороны гидромашины и на отсасывающую (отрицательную) часть потока отсасывающей стороны гидромашины. При положительной части потока подразумевается положительное давление воды в каждом отдельном потоке воды - от окна затвора 7 до нагнетающей полости в рабочей камере 26 каждого этажа, а величина положительного давления в каждом потоке соответствует глубине индивидуального уровня каждого этажа гидромашины относительно уровня воды верхнего бьефа ВБ. При отрицательной части потока подразумевается отрицательное давление (разряжение) в запоршневой полости рабочей камеры 26 каждого этажа, а величина отрицательного давления в каждом индивидуальном потоке воды каждого этажа зависит от уровня каждого этажа относительно уровня воды нижнего бьефа НБ, т.е. от индивидуальной высоты падения с каждого этажа.

Непрерывности водяного потока и его возможность сохранять целостность и при низком давлении (разряжении) широко используется в гидротурбинах посредством установки отсасывающих труб ниже рабочего колеса, которая позволяет полнее использовать кинетическую энергию потока воды, выходящего из рабочего колеса гидротурбины.

Известно, что ... одним из основных факторов, определяющих движение жидкости при низком давлении, является прочность жидкости на разрыв. Так, по опытным данным чистая вода, не содержащая твердых и газообразных примесей, выдерживает растяжение 0.2-0.3 МПа (2-3 кгс/см²), а в особых условиях до 10-25 МПа (100-250 кгс/см²). Теоретически прочность воды на разрыв еще больше (″Гидравлические машины″, Москва, из-во Энергия, 1978, с. 103. Авт. Г.И.Кривченко).

Это важное физическое явление способствует тому, что на каждую рабочую площадь поршня сверху и снизу будут действовать одновременно два давления воды: положительное давление с одной стороны поршня и одновременно отрицательное давление на другой противоположной стороне поршня или, наоборот, при смене знака действия давлений.

В результате преобразования действий названных давлений на одну рабочую площадь поршня будет действовать положительная сила P_n, а на другую противоположную рабочую площадь поршня одновременно будет действовать отрицательная сила P_от. Названные силы разные по величине, но совпадают по направлению их совместного действия. Сумма этих двух сил составляют суммарную силу одного поршня P_с, а общая суммарная сила может быть ориентировочно определена по формуле

P_с=2F_pHγK_п,

где P_c - общая суммарная сила, действующая на все поршни, кг;

2F_p - двойная рабочая площадь - с двух сторон поршня, м²;

H - напор воды на уровне глубины, соответствующей уровню среднего этажа гидромашины относительно уровня воды верхнего бьефа ВБ, м;

γ - удельный вес воды, кг/м³;

K_п - количество поршней.

В описании изложены конструкция и работа одной одинарной гидромашины с противовесом, обладающая соответствующей мощностью и имеющая упомянутые недостатки.

Мощнее и устойчивее будут работать две одинарные гидромашины, показанные на фиг.2, у которых цилиндрические валы 40 соединены общей муфтой 41, но при непременном условии, при котором диск-эксцентрик главного шатуна 42, закрепленный на цилиндрическом валу 40 одной гидромашины, должен быть повернут на 180° и жестко закреплен относительно диска-эксцентрика главного шатуна 43, закрепленного на цилиндрическом валу 40 другой гидромашины. Таким же образом шатуны 43 должны быть повернуты и закреплены на 180° с соответствующими углами отстования относительно ″своих″ главных шатунов.

На фиг.2 первая левая гидромашина показана в статическом положении, показанного на фиг.3, вторая правая гидромашина показана в статическом положении, показанного на фиг.5.

При вращении цилиндрического вала 40 первой гидромашины, объединенного с цилиндрическим валом второй гидромашины посредством средней муфты 41, например, против часовой стрелки в момент, когда первая левая гидромашина займет положение, показанное на фиг.4, вторая правая гидромашина займет положение, показанное на фиг.6. Когда первая левая гидромашина займет положение, показанное на фиг.5, и объединенный цилиндрический вал 40 повернется на 180°, вторая правая гидромашина займет положение, показанное на фиг.3, т.е. гидромашины поменялись положениями на противоположные. При последующем повороте объединенного цилиндрического вала 40 на 180° главные шатуны 42 обеих гидромашин снова поменяются местами и займут начальное статическое положение, показанное на фиг.2. При всех перечисленных положениях главных шатунов 42 шатуны 43 будут занимать соответствующие положения, показанные на фиг.10 пунктиром, с соответствующими им углами отставания.

Еще более мощнее и более устойчивее будут работать три одинарные гидромашины, у которых индивидуальные цилиндрические валы 40 соединены двумя промежуточными муфтами 41.

С целью упрощения изложения настоящего описания диски-эксцентрики не будут упоминаться в том, что они закреплены на цилиндрических валах, не забывая о том, что только посредством их эксцентриковые шатуны 42 и 43 шарнирно связаны с цилиндрическими валами 40.

Поэтому главные шатуны 42, закрепленные на индивидуальных цилиндрических валах 40, соединены в один общий цилиндрический вал посредством двух промежуточных муфт 41 трех одинарных гидромашин, при этом каждый главный шатун 42 должен быть повернут на 120° и закреплен относительно соседнего главного шатуна 42 на соседних гидромашинах. Соответственно и шатуны 43 должны быть повернуты относительно соседних шатунов 43 на соседних гидромашинах на 120° с соответствующими углами отставания от своих главных шатунов 42.

Еще более мощнее и более устойчивее будут работать две двойные гидромашины, у которых на каждом индивидуальном валу соединенные в один общий цилиндрический вал одной муфтой 41 размещены по два главных шатуна 42, которые своими дисками-эксцентриками закреплены на одной линии, и каждая пара главных шатунов 42 повернута относительно другой пары шатунов на другой машине на 180°. Соответственно и шатуны 43 двух гидромашин повернуты между собой на 180° с соответствующими углами θ₁ отставания от ″своих″ пар главных шатунов 42. При этом на всех этажах все поршни увеличиваются по ширине (перпендикулярной движению потока воды) в 2-3 раза. Следовательно, и рабочая площадь F_р с двух сторон поршней увеличивается тоже в 2-3 раза. Соответственно расширяется и каркас двух гидромашин, но это компактнее, дешевле в изготовлении и в эксплуатации, чем делать четыре одинарные гидромашины. При этом путь движения потока не увеличивается, а площадь сечения потока воды увеличивается тоже в 2-3 раза. Поэтому и суммарная мощность от двух двойных гидромашин должна больше увеличиться, чем суммарная мощность, полученная от четырех одинарных гидромашин, занимающих большую площадь, имеющих длиннее плотину 2.

Еще более мощнее и устойчивее будут работать три двойные гидромашины, у которых на каждом индивидуальном цилиндрическом валу 40 размещены по два главных шатуна 42, но все пары главных шатунов 42 одних гидромашин повернуты относительно пар главных шатунов 42 на соседних гидромашинах на угол 120°. Соответственно и шатуны 43 на соседних гидромашинах должны быть повернуты между собой на 120° с соответствующими для них углами отставания от ″своих″ пар главных шатунов 42. Суммарная мощность от трех двойных гидромашин больше суммарной мощности шести одинарных гидромашин.

На фиг.13 показана одна тройная гидромашина, у которой на цилиндрическом валу 40 на одной линии закреплены три главных шатуна 42 и один шатун 43 с одной цепной системой управления. Соответственно может быть увеличена ширина поршня в 3-4 раза, увеличена длина барабана 53 и площадь поперечного сечения потока воды, что способствует увеличению мощности одной тройной гидромашины. При необходимости тройную гидромашину можно оснастить и двумя шатунами 43 с их индивидуальными цепными системами управления водой. На фиг.13 показана тройная гидромашина с одним шатуном 43 с одной системой управления водой справа в промежутке между каркасом гидромашины и правым быком 3. В промежутке между каркасом гидромашины и левым быком 3 можно разместить и другую цепную систему управления с дополнительным вторым шатуном 43, который вместе с первым шатуном 43 должен быть повернут на один и тот же угол отставания θ₁ от тройки главных шатунов 42.

Следовательно, есть все возможности изготовить две тройные гидромашины, у которых тройка главных шатунов 42, расположенных на одной линии цилиндрического вала 40 одной тройной гидромашины, должна быть повернута относительно тройки главных шатунов 42 другой тройной гидромашины на 180°, закрепленных на цилиндрическом валу 40 другой тройной гидромашины. Два цилиндрических вала 40 двух тройных гидромашин соединены одной общей муфтой 41. На фиг.13 цилиндрический вал 40 другой тройной гидромашины показан оборванным концом справа наверху указанной стрелкой С, т.е. так же, как на фиг.2.

Мощность от двух тройных гидромашин должна быть больше мощности от шести одинарных гидромашин.

Есть также все возможности изготовить три тройные гидромашины, у которых индивидуальные цилиндрические валы 40 соединены в один общий вал, на каждом из которых закреплены по три главных шатуна 42 с поворотом между соседними тройками шатунов 42 на угол 120°. Соответственно и шатуны 43 должны отстаивать от ″своих″ троек на угол отставания θ.

Мощность от трех тройных гидромашин должна быть больше мощности от девяти одинарных гидромашин.

Кроме различных сочетаний перечисленных вариантов существуют и другие сочетания вариантов, когда общее количество гидромашин делится на четыре. Тогда угол поворота шатунов между соседними гидромашинами может быть равен 90°. Тогда угол поворота каждой пары шатунов одних двойных гидромашин может быть установлен на 90° относительно других соседних пары других соседних гидромашин. Также можно на 90° и ″тройки″ у четырех тройных гидромашинах.

Таким же образом общее количество гидромашин, делящихся на шесть, т.е. - одинарных, двойных, тройных гидромашин, их одинарные, двойные, тройные шатуны могут быть между собой повернуты на 60°. Поэтому при соответствующих поворотах на 120°, 90°, 60° полностью исключаются ″мертвые″ положения всего комплекса гидромашин в статическом положении, а при вращении на цилиндрические валы действуют равномерные крутящие моменты, все гидромашины работают при таких условиях равномерно, с наибольшей отдачей мощности и т.д.

Суммарная мощность многовариантных - одинарных, двойных, тройных - гидромашин определяется количеством главных эксцентриковых шатунов, количеством поршней, их общей рабочей площадью и их рабочим ходом.

От рабочего хода поршней определяется единичный и суммарный объем воды в единицу времени. При каждом обороте цилиндрического вала 40 каждый поршень делает два рабочих хода 2S, соответствующие двум объемам воды. Поэтому при каждом обороте цилиндрического вала 40 через каждый этаж гидромашины проходит объем воды V_в, равный рабочей площади поршня F_p, умноженной на два рабочих хода 2S поршня, т.е. V_в=F_р·2S м².

Полученный объем воды, проходящий через один этаж, умноженный на количество этажей, определяет объем воды, проходящий через одну гидромашину при каждом обороте цилиндрического вала 40, а скорость прохождения всего объема воды в гидромашине определяет расход воды в единицу времени.

При нагнетании воды в подпоршневые полости рабочих камер 26 суммарный вес воды во всех подпоршневых полостях рабочих камер воспринимается междуэтажными крышками 17 и передается посредством корпусов камер 18, основания 16, фундаментной плиты 9 фундаменту 1. Суммарный вес воды во всех надпоршневых полостях рабочих камер 26 воспринимается верхними рабочими площадями поршней, а нижними рабочими площадями поршни опираются на воду, которая перечисленными возможностями передает всю суммарную нагрузку, как от общего веса воды так и от инерционных сил тоже фундаменту 1.

В одной одинарной гидромашине с противовесом, когда только при первоначальном пуске гидромашины в подпоршневых полостях рабочих камер 26 находится воздух, а суммарный вес всей надпоршневой воды не уравновешен, то только в этом случае и при быстром открывании затвора 7 может возникнуть гидравлический удар, чем и определяется упомянутый недостаток одной одинарной гидромашины.

При работе двух и всех многовариантных гидромашин, при непрерывных и неразрывных потоках вода никакого гидравлического удара не произойдет по следующим обстоятельствам.

Действие положительного давления напора воды на рабочие площади всех поршней с одной стороны и одновременное действие отрицательного давления на рабочие площади с другой стороны этих же поршней и названные действия совпадают по направлению, то это способствует ускоренному заполнению воды в нагнетающие полости рабочих камер 26 и ускоренному удалению воды из-за поршневых противоположных полостях рабочих камер 26. Если в одной одинарной гидромашине все вращающиеся и подвижные элементы гидромашины уравновешены громоздким и тяжелым противовесом, то в двух одинарных или в любых многовариантных гидромашинах идеально уравновешены все вращающиеся и подвижные элементы одних гидромашин точно такими же элементами соседних гидромашин, объединенных общими цилиндрическими валами. Но самое главное - уравновешены все объемы воды, протекающие одновременно во взаимодействующих гидромашинах, как при статических, так и в рабочих состояниях. Поэтому любые гидравлические удары исключаются.

В двух и в любых многовариантных гидромашинах увеличению их мощности способствует герметичная пустотелость всех поршней. При движении всех поршней вверх одних гидромашин их суммарный вес уменьшается на величину суммарной архимедовой силы, в то же самое мгновение времени в других соседних гидромашинах, у которых такое же количество поршней опускается вниз, суммарный вес опускающихся поршней остается прежним. Следовательно, у каждой пары или тройки гидромашин возникает дополнительный момент пары сил. Величина силы соответствует суммарному весу вытесненной воды всеми поршнями, движущухся вверх, а названная сила, умноженная на два радиуса кривошипа, дает упомянутый дополнительный момент пары сил, который соответственно увеличивает общую мощность любого комплекса гидромашин.

Все перечисленные варианты гидромашин способствуют изобретению множества других вариантов.

Мощность любого варианта гидромашин зависит от расхода воды и радиуса кривошипа главных шатунов 42, которые и определяют ход поршней.

Возникают противоречивые необходимости: с одной стороны - необходимость уменьшения рабочего хода S поршня посредством уменьшения радиуса кривошипа главного шатуна 42 и, следовательно, уменьшения крутящего момента на цилиндрическом валу 40 ради уменьшения расхода воды, а с другой стороны - необходимость увеличения радиуса кривошипа главного шатуна 42 и массы круглой части главного шатуна 42, чтобы увеличить суммарный момент и инерцию вращения всего привода, нагрузки и потока воды.

На фиг.14 показан один из возможного множества вариантов для преодоления упомянутого противоречия посредством применения ″Рычажной системы″ следующим образом.

На фиг.10 исполнительней эксцентриковый шатун 45, тяга 73, цилиндрический вал 40 и главный эксцентриковый шатун 42 расположены вдоль вертикальной оси Y-Y, а оси вращения двухрядных звездочек 69 расположены вдоль вертикальной оси Y₂-Y₂ на расстоянии К. На фиг.14 двухрядные звездочки 69 расположены наоборот вдоль вертикальной оси Y-Y (не показаны), а весь перечисленный привод расположен вдоль вертикальной оси Y₂-Y₂ на расстоянии К.

На площадке, прикрепленной к двум кронштейнам 76, которые прикреплены к двум колоннам 10, закреплен корпус 77 с осью 78, к которой шарнирно прикреплен одним концом рычаг 79, имеющий в теле продольное прямоугольное отверстие, в котором помещен по скользящей посадке ползун 80 посредством соединения, например, типа ″ласточкин хвост″, на расстоянии плеча-радиуса r₁ от оси вращения 78. Ползун 80 посредством оси 81 шарнирно соединен с головкой 37 верхнего штока 34. Другой конец рычага 79 на расстоянии плеча-радиуса R от оси вращения 78 шарнирно соединен с осью 38 главного шатуна 42. При этом плечо-радиус R равно сумме плеча-радиуса r₁ и расстояния K, т.е. R=r₁+K. При равенстве плечо-радиус R=2r₁+2K.

При вращении рычага 79 в ту или иную сторону на общий угол γ центр оси 81 перемещается по дуге радиусом r₁. Вертикальное возвратное прямолинейно-поступательное перемещение головки 37 со штоками 34 и поршнями компенсируется поперечным перемещением ползуна 80 в прямоугольном отверстии рычага 79. Центр O₁ оси 38 движется по дуге с радиусом R Длина упомянутых дуг ограничивается общим углом качания γ рычага 79. Поперечные отклонения относительно вертикальной оси Y₂-Y₂ компенсируются поперечными отклонениями угла α главного шатуна 42. На фиг.14 показан момент, когда рычаг 79 занимает горизонтальное положение, а главный шатун 42 отклонился вправо на максимальный угол α и занимает положение I. Последующие положения главного шатуна 42 - II, III, IV - показаны пунктирными линиями.

Подобная же компенсация происходит посредством угла отклонения α шатуна 43 (на фиг.10), когда каждая ось 74 шарнирного крепления рычага к тяге движется по дуге, а тяга 73 при этом перемещается вдоль вертикальной главной оси Y-Y и одновременно поперек ее на незначительное расстояние, которое и компенсируется посредством отклонения шатуна 43 на незначительно измененный угол α.

На фиг.14 длина l₁ меньшей дуги радиуса r₂ почти соответствует меньшему ходу поршней, а длина l₂ большей дуги радиуса R соответствует большему перемещению главного шатуна 42 вдоль оси Y₂-Y₂, а следовательно, большему радиусу кривошипа r_кр. При этом вертикальное возвратное прямолинейно-поступательное движение поршней происходит с ускорением или с замедлением, соответственно с ускорением и с замедлением происходит и перемещение главного шатуна 42 с большим рабочим ходом и с большим радиусом кривошипа r_кр, а следовательно, большим по величине суммарным маховым моментом и моментом инерции всего привода и всей массы движущихся и вращающихся элементов гидромашины, что способствует максимальному крутящему моменту цилиндрического вала 40, а в конечном итоге - увеличению быстроходности и мощности гидромашииы. Поэтому высота h прямоугольных отверстий 27 рабочих камер 26 (на фиг.8) и высота всех внутренних полостей на всем пути движения потока воды может быть увеличена до оптимальной величины, как она увеличена на фиг.14, что способствует уменьшению хода поршней, уменьшению времени заполнения рабочих камер 26 водой и уменьшению времени удаления воды из рабочих камер 26, не увеличивая при этом расхода воды, но увеличивая этим быстроходность и мощность гидромашины.

Как видно из описания и на чертежах, изобретение ″Гидромашина″ отличается от ближайшего аналога (прототипа) изобретения. "Гидропневматический гидрогенератор" посредством сопоставительного анализа общих признаков, присущих названному аналогу (прототипу), изложенных в начале описания в восьми пунктах, с общими признаками, присущими изобретению ″Гидромашина″, которые показали следующее.

1. Фундамент 1 гидромашины забетонирован совместно с плотиной 3 и быками 3. Дополнительно в фундамент 1 забетонирована фундаментная плита 9, а наверху быков 3 забетонирована силовая рама 11, которая жестко соединена с фундаментной плитой 9 посредством колонн 10, между которыми на фундаментной плите закреплено основание 16, на котором установлена и закреплена шахта, жестко скрепленная во всей высоте с колоннами 10 и разделенная поэтажно посредством крышек 17 на независимые герметичные камеры, внутри каждой из которых помещены герметичные рабочие камеры 26, внутри которых помещены герметичные полые поршни, соединенные между собой по высоте штоками 34, которые проходят сквозь междуэтажные крышки 17, а верхний конец верхнего штока 34 шарнирно соединен с осью 38 зауженных стенок главного эксцентрикового шатуна 42, посредством которого происходит преобразование вертикального возвратного прямолинейно-поступательного движения поршней во вращательное движение цилиндрического вала 40, и наоборот.

2. Общая высота шахты гидромашины позволяет поэтажно разместить оптимальное количество герметичных камер, разделенных и совместно скрепленных с междуэтажными крышками 17 дополнительными крышками 38, соединенными общей втулкой 29, сквозь которые проходят штоки 34 по скользящей посадке без каких-либо перекосов.

3. Все внутренние полости рабочих камер герметичны и полностью заполнены водой. С атмосферой сообщены только уровни воды верхнего и нижнего бьефов.

4. Распределение воды по этажам гидромашины во внутренние нагнетающие полости рабочих камер 26 производится посредством барабанных распределителей нагнетающей стороны гидромашины, а одновременное удаление воды из внутренних запоршневых полостей рабочих камер 26 со всех этажей производится посредством барабанных распределителей отсасывающей стороны гидромашины. Управление всеми барабанными распределителями производится автоматически посредством цепной системы управления, которая содержит следующие элементы конструкции. На каждых двух съемных продольных балках 14 закреплены подшипники, в которые вставлен вал 68, на консоль которого насажена и закреплена двухрядная звездочка 69, соединенная посредством роликовых цепей 70 и 71 одновременно с двумя звездочками 64 барабанов 53 на двух сторонах и на уровнях всех этажей гидромашины. На каждый вал 68 насажен и жестко закреплен рычаг 72, который шарнирно соединен с общей тягой 73 посредством оси 74. Верхний конец тяги 73 посредством оси 38 шарнирно соединен с зауженными концами стенок исполнительного экоцентрикового шатуна 43.

5. В гидромашине отпадает необходимость в каких-либо приводах изменения длины штоков, цилиндров, насосов, в датчиках верхнего и нижнего уровня воды в бьефах.

6. Подъем - вверх и спуск - вниз одновременно всех поршней происходят посредством попеременного давления подачи воды в нагнетающие полости рабочих камер 26, посредством действия на одну сторону рабочих площадей поршней силы напора воды соответствующей высоты верхнего бьефа ВБ и одновременного удаления воды из запоршневых полостей рабочих камер 26 посредством действия отрицательного давления на противоположную сторону рабочих площадей поршней с силой соответствующей высоты каждого этажа относительно уровня воды нижнего бьефа НБ. При открытом затворе 7 на рабочие площади нижней стороны всех поршней, при подъеме их вверх, действует сила положительного давления напора воды и архимедова сила, и одновременно на верхние рабочие площади всех поршней действует сила отрицательного давления (разряжения). Все названные три силы совпадают по направлению. При движении всех поршней вниз на верхние рабочие площади всех поршней действует сила положительного давления напора воды, а на нижние рабочие площади этих же всех поршней действует сила отрицательного давления (разряжения) и одновременно сила тяжести всех поршней. И эти три силы совпадают по направлению. Например, двух гидромашинах, соединенных общим цилиндрическим валом 40, при условии, когда все поршни в одной гидромашине поднимаются вверх, а в другой гидромашине все поршни одновременно опускаются вниз, в таких условиях возникает пара суммарных сил, момент которой равен произведений суммарной силы одной гидромашины на два радиуса кривошипа. Подобные условия и действия происходят в каждой паре и в каждой тройке гидромашин при любых вариантах их изготовления. При этом максимальные величины названных моментов возникают дважды при каждом обороте цилиндрических валов 42.

Такие суммарные силы многих многовариантных гидромашин, преобразованные эксцентриковыми шатунами 42 и 43 в общий крутящий момент цилиндрических валов, соединенных в общий цилиндрический вал, смогут достигнуть такой мощности, которая превысит мощность многих гидротурбин, работающих во всем мире, а расход воды в многовариантных гидромашинах будет соответственно меньше.

Такая суммарная мощность любой многовариантной гидромашины несравнимо большая по величине с мощностью прототипа - гидропневматического гидрогенератора, у которого поплавок 7 и поршень 9 поднимаются вверх только посредством архимедовой силы, а опускаются они только посредством силы тяжести. При этом часть названных сил затрачивается на сжатие предварительно сжатого воздуха в пневмогидроаккумуляторе 11. И только оставшаяся часть силы используется для подачи гидравлической жидкости на преобразователь 14 для выработки механической или электрической энергии, которая будет незначительная.

7. При работе гидромашины любого варианта не требуется какой-либо дополнительной системы, оснащенной дополнительным сложным оборудованием для подачи какой-либо специальной гидравлической жидкости по круговому контуру на какой-либо преобразователь для выработки механической или электрической энергии.

В гидромашинах любого варианта сила напора воды в виде положительного давления, соответствующего высоте верхнего бьефа ВБ, сила в виде отрицательного давления относительно нижнего бьефа, в виде Архимедовой силы при движении поршней вверх и в виде силы тяжести при движении поршней вниз - все эти суммарные силы преобразуются посредством эксцентриковых шатунов 42 и 43 в крутящий момент цилиндрических валов с последующим преобразованием непосредственно в механическую или электрическую энергию.

8. В зависимости от высоты плотины имеется возможность изготовлять гидромашины многоэтажными и многовариантными и имеется возможность выхода суммарной мощности на выходных валах 40.

Представленное количество вариантов эффективного использования гидромашины этим не ограничивается. Например, в гористых местностях, где у истоков текут ручьи и реки, где достаточно большие перепады и между верхними и нижними бьефами, можно установить гидромашину и без плотины 2. Для этого достаточно вместо плотины 2 герметично прикрепить к патрубкам 45 нагнетающей стороны нижестоящей гидромашины перевернутые на 180° отводы 65, сборник воды 66 с коленом 67 отсасывающей стороны вышестоящей гидромашины, а затем воду направить прямо в патрубки 45 нагнетающей стороны вышестоящей гидромашины или таким же образом, как и в нижестоящую гидромашину. Таким образом будет осуществлено последовательное соединение гидромашин там, где позволит соответствующая высота между нижним и верхним бьефами. При недостаточных общих перепадах уровня воды для последовательного соединения гидромашин можно установить их параллельно на одном уровне, а поток воды ручья или речки разделить на количество гидромашин, подвести каждый отдельный поток к соответствующему сборнику воды 66 или непосредственно к патрубкам 45 нагнетающей стороны каждой гидромашины.

Гидромашины при любых вариантах изготовления долговечны в работе. На долговечность может повлиять только износ поршней, который является недостатком в известных поршневых машинах. Однако в гидромашинах зазор между боковой стороной по высоте H поршня (на фиг.9) по всему периметру боковой площади поршня и внутренними стенками рабочих камер 26 будет незначительно больше скользящей посадки диаметра штока 34, проходящего сквозь крышки 17, 28 и втулку 29, которые воспринимают незначительные боковые усилия при максимальных отклонениях главных шатунов 42 на угол α. При необходимости эти незначительные боковые усилия могут быть восприняты роликами и шатунами.

Следовательно, крышки 17, 28 и втулка 29 при движении сквозь них штоков 34 постоянно сохраняю минимальные зазоры между боковыми наружными стенками поршней и внутренними стенками рабочих камер 26,обильно смачиваемые водой. При оптимально допустимых названных зазорах вода может максимально протекать только в моменты, когда угол поворота диска-эксцентрика главного шатуна 42 относительно центра О оси О-О вращения цилиндрического вала 40 будет равен θ=90° или будет равен θ=270°, а поршни будут занимать среднее положение в полостях рабочих камер 26, так как только в эти моменты будет максимальная разница между нагнетающим давлением с одной стороны поршня и отсасывающим давлением на противоположной стороне поршня. Однако и в эти названные моменты протечки воды сквозь зазоры будут минимальные, так как в эти моменты поршни движутся с максимальной скоростью со стороны нагнетающего давления в сторону отсасывающего давления. Практически это известно при работе турбопоршневых установок. Поэтому протечки воды будут такими минимальными, что ими можно пренебречь, так как они будут удалены из рабочих полостей рабочих камер 26 вместе с отсасывающим истоком воды в нижний бьеф. При этом боковые стороны поршней могут быть покрыты водоустойчивыми и антифрикционными материалами.

Скорость вращения цилиндрического вала 40 от нулевой скорости V₀ до максимальной скорости V_m регулируется открытием-закрытием прямоугольных каналов 4 плотины 2 посредством затвора 7, сдвигая его окна вверх-вниз до совмещения их в каналами 4 по высоте их расположения с помощью троса и крюка 8 грузоподъемной машины.

Если вместо полумуфт муфт 41 на концах цилиндрических валов 40 закрепить конические шестерни, то гидромашины в различных вариантах могут быть расположены одни относительно соседних гидромашин под соответствующими углами, что позволит построить плотины полукругом или в виде ″подковы″. Тогда соответственно уменьшится поперечная длина плотины, усилится прочность ее конструкции, уменьшатся объем гидростроительных работ и себестоимость их производства. А здание ГЭС можно разместить на плотине соответствующей названной конструкции, защищая гидромашины между быками 3 от атмосферных осадков, а при закрытии фронтальной отсасывающей стороны гидромашины можно создать внутри электростанции соответствующий микроклимат, что будет удобно и крайне необходимо в суровом климате Сибири.

Гидромашина проста по конструкции, технологически легко собираемая и разбираемая. Гидромашину можно изготовить любых размеров, на любых заводах и мастерских, оснащенных соответствующим металлообрабатывающим оборудованием. Гидромашину можно установить на реках и речушках в горной и равнинной местности, где аулы и деревни смогут обзавестись собственной электростанцией для выработки механической или электрической энергии.

Но самые важные достоинства гидромашины любого варианта определятся, если достоинства гидромашины сравнивать с достоинствами, например, гидротурбины и с достоинствами двигателя внутреннего сгорания.

Основная масса гидротурбин сосредоточена в ободе и во втулке рабочих колес равномерно вокруг оси вращения вала. Поэтому рабочие колеса гидротурбин вынужденно изготавливают больших размеров, достигающих в диаметре более 10 метров, а вес их достигает 1500 тонн.

А у эксцентрикового шатуна - главного привода гидромашины - основная масса круглой части и приложенной к ней всей массы нагрузки сосредоточена в центре эксцентрика, центр О₂ которого находится от центра О оси вращения О-О цилиндрического вала на расстоянии радиуса кривошипа.

В двухтактных двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл осуществляется при полном обороте коленчатого вала, а в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания рабочий цикл осуществляется при двух полных оборотах коленчатого вала, в результате чего коленчатые валы вынуждены вращаться с большой скоростью.

При этом, когда несколько эксцентриковых шатунов размещены на общем цилиндрическом валу 40 и повернуты одни относительно противоположных или соседних на соответствующие градусы, то суммарный вес всех шатунов с их нагрузками действует на расстоянии двух радиусов кривошипа относительно центра О оси вращения О-О цилиндрического вала, что в несколько раз превышает крутящий момент рабочего колеса гидротурбины, соответствующего диаметру диска-эксцентрика эксцентрикового шатуна гидротурбины. При этом в гидромашине любого варианта рабочий цикл осуществляется дважды при каждом обороте цилиндрического вала 40. Поэтому масса всех вращающихся и двигающихся элементов гидромашины будет намного меньше массы рабочего колеса гидротурбины при сравнительных мощностях.

Следовательно, гидромашины имеют преимущества перед гидротурбинами и даже перед двигателями внутреннего сгорания, при работе которых расходуется догостоящее топливо.

Известно, что при подводе воды к рабочему колесу гидротурбины только половина всей энергии используется полезно, а другая половина расходуется на потери. При этом четверть всей энергии остается в уходящем потоке воды, другая четверть расходуется на удар при входе в канал (″Гидравлические турбины и насосы″, ″Высшая школа″, 1969, с. 83, авт. И.Н.Смирнов).

В гидромашинах любого варианта поршнями отбирается почти вся энергия от неразрывных потоков воды с положительным давлением нагнетающей стороны и с отрицательным давлением (разряжением) отсасывающей стороны гидромашины, а также энергия архимедовой силы и силы тяжести поршней, т.е. от каждого кубометра и даже от каждого килограмма воды.

Ориентировочные расчеты показывают, что многоэтажные многовариантные гидромашины смогут в два раза превзойти по мощности действующие гидротурбины, а расход воды при этом будет в два раза меньше. Следовательно, объемы и площади, залитые водой, на существующих и вновь строящихся водохранилищах будут меньше, а выработка электроэнергии на электростанциях, оснащенных гидромашинами, будет соответственно больше.

Общая сущность изобретения ″Гидромашина″ может быть определена следующим образом.

Гидромашина, содержащая плотину с отверстиями, фундамент, на котором установлена вертикальная шахта, внутри которой помещены поршни с возможностью вертикального перемещения и соединенные между собой общим штоком, фундамент выполнен заодно как одно целое с быками и с плотиной, в которой встроены каналы с сетками, с консольными патрубками прямоугольного сечения, с возможностью открывать-закрывать каналы посредством затвора с окнами, соответствующими упомянутым каналам, с помощью троса и крюка грузоподъемной машины, на фундаменте забетонирована фундаментная плита, на которой нижними основаниями закреплены колонны, а верхними капителями колонны прикреплены к силовой раме, забетонированной на верхних площадках быков, при этом между колоннами на фундаментной плите установлено и закреплено основание, на котором установлена и закреплена вертикальная шахта прямоугольного сечения, разделенная поэтажно на независимые герметичные камеры крышками, каждая из которых для одной камеры является дном, а для другой соседней камеры является крышкой, и наоборот, при этом шахта, на уровне каждого этажа, прикреплена посредством рамок, продольных и поперечных балок к консольным балкам, одними концами забетонированных в стены быков, и дополнительно шахта посредством упомянутых балок прикреплена к колоннам по высоте и ширине в необходимом количестве балок, каждая камера оснащена патрубками прямоугольного сечения, внутри каждой камеры помещена рабочая камера с прямоугольными отверстиями, строго совпадающими и герметично соединенными по периметру с патрубками камеры, в верхней части шахта перекрыта дополнительными крышками, соединенными общей втулкой, при этом внутри каждой рабочей камеры размещен поршень, содержащий корпус прямоугольного сечения, в центре которого помещена муфта с двумя круглыми фланцами, к нижнему фланцу герметично прикреплено дно, а верхний фланец муфты и верхний прямоугольный уровень поршня герметично закрыт крышкой с лючками, внутри муфты вдоль ее оси имеется сквозное отверстие с внутренней резьбой, в которую ввернуты резьбовыми концами два штока, зафиксированные стопорными болтами, в результате чего поршни связаны между собой штоками, проходящими сквозь междуэтажные крышки, на штоки надеты амортизационные кольца, например из резины, на верхний конец верхнего штока навернута резьбой и зафиксирована головка, в проушину которой вставлена ось, при этом на силовой раме закреплены корпуса с подшипниками, в которые вставлен цилиндрический вал, на концах которого закреплены муфты, а также на цилиндрический вал насажен и жестко закреплен эксцентрик главного эксцентрикового шатуна, нижний конец зауженных стенок которого посредством упомянутой оси шарнирно соединен с головкой верхнего штока, дополнительно на цилиндрический вал насажен и закреплен эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна, на уровне каждого этажа гидромашины, с обеих ее сторон установлены и жестко закреплены барабанные распределители, корпус каждого из которых состоит из двух разъемных частей: секторной части с прямоугольными фланцами и ответной полуцилиндрической части с фланцем и патрубками, при этом разъемные части герметично соединены упомянутыми прямоугольными фланцами, между которыми герметично зажата уплотнительная прокладка по всему ее периметру, упомянутые патрубки герметично соединены с прямоугольными коленами, посредством которых прямоугольные патрубки соответственно и герметично соединены с патрубками с одной стороны камер, а с другой стороны камер и гидромашины барабанные распределители патрубками посредством колен герметично соединены с патрубками камер, при этом торцевые стенки двух частей корпуса оснащены разъемными скользящими подшипниками, а внутри каждого корпуса барабанного распределителя помещен барабан, выполненный, например, из трубы, имеющий в двух концах торцевые стенки, к которым с внутренней стороны приварены фланцы, а к ним приварены соответственно левая и правая оси, которые своими скользящими шейками вставлены в скользящие подшипники, а другими шейками оси вставлены в подшипники качения, закрепленные в корпусах и зафиксированные крышками, при этом внутри трубы барабана вварены перегородки, которые в центре сварены в виде диффузора прямоугольного сечения, имеющего зауженную сторону с меньшей высотой с одной стороны и расширенную сторону с большей высотой с другой стороны, с соответствующей шириной диффузора, при этом барабан выполнен с возможностью вращения внутри корпуса барабанного распределителя и представлен в виде круглой фермы, стержнями которой являются упомянутые перегородки, при этом барабанные распределители своими патрубками герметично соединены с консольными патрубками плотины по всей высоте соответствующих этажей гидромашины, а на противоположной стороне гидромашины барабанные распределители своими патрубками герметично и поэтажно соединены с отводами, все внутренние полости которых сообщены с внутренней полостью сборника воды, с внутренней полостью колена и с нижним бьефом НБ уровня воды, а поэтому все внутренние полости: всех каналов в плотине, ее консольных патрубков, барабанных распределителей, колен, камерных патрубков, рабочих камер до поршней справа со стороны плотины - все это является нагнетающей стороной гидромашины, а все внутренние полости: рабочих камер за поршнями, патрубков, колен, барабанных распределителей, отводов, сборника воды до нижнего бьефа НБ уровня воды - все это является отсасывающей стороной гидромашины, при этом делителем названных сторон являются одновременно все поршни, которые делят внутреннюю полость каждой рабочей камеры на подпоршневую и надпоршневую полости одновременно на всех этажах гидромашины, а поэтому для попеременного соединения одновременно всех подпоршневых и надпоршневых полостей рабочих камер на всех этажах гидромашина оснащена ″Цепной системой управления″ для распределения воды одновременно на все этажи гидромашины, при этом цепная система управления содержит подшипники, закрепленные на двух съемных продольных балках на уровнях всех этажей гидромашины, а в подшипники вставлен вал, на консоль которого насажена и закреплена двухрядная звездочка, соединенная посредством роликовых цепей одновременно с двумя звездочками барабанов на двух сторонах и на уровне всех этажей гидромашины, на каждый вал насажен и жестко закреплен рычаг, который шарнирно соединен с общей тягой посредством оси, при этом верхний конец тяги посредством упомянутой оси головки шарнирно соединен с зауженными концами стенок исполнительного эксцентрикового шатуна, имеющего дополнительные эксцентриситетные отверстия в диске-эксцентрике, насаженного на цилиндрический вал, но при этом диск-эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна при монтаже на цилиндрический вал повернут и закреплен на оптимальный угол отставания относительно диска-эксцентрика главного эксцентрикового шатуна, закрепленного на общем цилиндрическом валу.

Гидромашина оснащена ″Рычажной системой″, которая содержит прикрепленные к колоннам кронштейны, на которых прикреплена площадка, а на площадке закреплен корпус с осью, к которой шарнирно соединен одним концом рычаг, имеющий в теле продольное прямоугольное отверстие, в котором помещен ползун с осью по скользящей посадке посредством соединения, например, типа ″ласточкин хвост″, на расстоянии меньшего плеча-радиуса от оси вращения рычага, при этом ось ползуна шарнирно соединена с головкой верхнего штока, а другой конец рычага, на расстоянии большего плеча-радиуса от оси вращения рычага, шарнирно соединен с осью конца зауженных стенок главного эксцентрикового шатуна.

Гидромашина предназначена для преобразования силы напора воды в механическую и электрическую энергии. Гидромашина - многоэтажная и содержит каркас, монолитно связанный с фундаментом, плотиной и быками, на верхних площадках которых забетонирована силовая рама, к которой жестко подсоединен верхней частью каркас гидромашины. На силовой раме закреплены корпуса с подшипниками, в которые вставлен цилиндрический вал, на котором прикреплен индивидуальными дисками-эксцентриками главный и исполнительный эксцентриковые шатуны. На основании каркаса гидромашины закреплены каркасы камер, выполненных в виде вертикальной шахты, поэтажно и герметично разделенные междуэтажными крышками. Внутри каждой камеры помещена рабочая камера, а в ней установлен поршень квадратного сечения, делящий внутреннюю полость рабочей камеры на подпоршневую и надпоршневую полости. Все поршни на всех этажах жестко соединены между собой штоками. Верхний шток своим верхним концом шарнирно подсоединен к общей оси зауженных силовых стенок главного эксцентрикового шатуна. Сторона каркаса гидромашины со стороны верхнего бьефа плотины называется нагнетающей стороной, противоположная сторона каркаса - со стороны нижнего бьефа - называется отсасывающей (воду) стороной. На уровнях всех этажей гидромашины на каркасе со стороны верхнего и нижнего бьефов закреплены барабанные распределители, которые взаимосвязаны между собой и приводятся в возвратное и вращательное движение посредством цепной системы управления приводом с исполнительным эксцентриковым шатуном, размещенным с главным эксцентриковым шатуном на одном общем цилиндрическом валу. Под действием разницы давлений поршни движутся в сторону меньшего отрицательного давления и посредством главного шатуна прямолинейно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение цилиндрического вала, а подсоединенный к валу генератор вырабатывает электрическую энергию. Конструкция гидромашины позволяет повысить мощность и сократить расход воды. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Гидромашина, содержащая плотину с отверстиями, фундамент, на котором установлена вертикальная шахта, внутри которой помещены поршни с возможностью их вертикального перемещения и соединенные между собой общим штоком, отличающаяся тем, что фундамент выполнен заодно, как одно целое, с быками и с плотиной, в которой встроены каналы с сетками, с консольными патрубками прямоугольного сечения, с возможностью открывать-закрывать каналы посредством затвора и крюка грузоподъемной машины, на фундаменте забетонирована фундаментная плита, на которой нижними основаниями закреплены колонны, а верхними капителями колонны прикреплены к силовой раме, забетонированной на верхних площадках быков, при этом на фундаментной плите закреплено основание, на котором установлена и закреплена вертикальная шахта прямоугольного сечения, разделенная поэтажно на независимые герметичные камеры крышками, каждая из которых для одной камеры является дном, а для другой соседней камеры является крышкой и наоборот, при этом шахта на уровне каждого этажа прикреплена посредством рамок, продольных и поперечных балок к консольным балкам, одними концами забетонированных в стены быков, и дополнительно шахта, посредством упомянутых балок, прикреплена к колоннам по высоте и ширине при необходимом количестве балок, каждая камера оснащена патрубками прямоугольного сечения, внутри каждой камеры помещена рабочая камера с прямоугольными отверстиями, строго совпадающими и соединенными по периметру с патрубками камеры, в верхней части шахта перекрыта дополнительными крышками, соединенными общей втулкой, при этом внутри каждой рабочей камеры размещен поршень, содержащий корпус прямоугольного сечения, в центре которого помещена муфта с двумя круглыми фланцами, к нижнему фланцу герметично прикреплено дно, а верхний фланец муфты и верхний прямоугольный уровень поршня герметично закрыты крышкой с лючками, внутри муфты вдоль ее оси имеется отверстие с внутренней резьбой, в которую ввернуты резьбовыми концами два штока, зафиксированные стопорными болтами, в результате чего поршни связаны между собой штоками, проходящими сквозь междуэтажные крышки, на штоки надеты амортизационные кольца, например, из резины, на верхний конец верхнего штока навернута резьбой и зафиксирована головка, в проушину которой вставлена ось, при этом на силовой раме закреплены корпуса с подшипниками, в которые вставлен цилиндрический вал, на концах которого закреплены муфты, а также на цилиндрический вал насажен и жестко закреплен эксцентрик главного эксцентрикового шатуна, нижний конец зауженных стенок которого, посредством упомянутой оси, шарнирно соединен с головкой верхнего штока и дополнительно на цилиндрический вал насажен и закреплен эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна, на уровне каждого этажа гидромашины, с обеих ее сторон, установлены и жестко закреплены барабанные распределители, корпус каждого из которых состоит из двух разъемных частей: секторной части с прямоугольными фланцами и ответной полуцилиндрической частью с фланцем и патрубками, при этом разъемные части герметично соединены упомянутыми прямоугольными фланцами, между которыми герметично зажата уплотнительная прокладка по всему ее периметру, упомянутые патрубки герметично соединены с прямоугольными коленами, посредством которых прямоугольные патрубки герметично соединены с патрубками с одной стороны камер, а с другой стороны камер и гидромашины барабанные распределители патрубками посредством колен герметично соединены с патрубками камер, при этом торцевые стенки двух частей корпуса оснащены разъемными скользящими подшипниками, а внутри каждого корпуса барабанного распределителя помещен барабан, выполненный, например, из трубы, имеющий в двух концах торцевые стенки, к которым с внутренней стороны приварены фланцы, а к ним приварены соответственно левая и правая оси, которые своими скользящими шейками вставлены в скользящие подшипники, а другими шейками оси вставлены в подшипники качения, закрепленные в корпусах и зафиксированные крышками, при этом внутри трубы барабана вварены перегородки, которые в центре сварены в виде диффузора прямоугольного сечения, имеющего зауженную сторону с меньшей высотой с одной стороны и расширенную сторону с большей высотой с другой стороны, с соответствующей шириной диффузора, при этом барабан выполнен с возможностью вращения внутри корпуса барабанного распределителя, и барабан представляет вид круглой фермы, стержнями которой являются упомянутые перегородки, при этом барабанные распределители своими патрубками герметично соединены с консольными патрубками плотины по всей высоте соответствующих этажей гидромашины, а на противоположной стороне гидромашины барабанные распределители своими патрубками герметично и поэтажно соединены с отводами, все внутренние полости которых сообщены с внутренней полостью сборника воды, с внутренней полостью колена и с нижним бьефом уровня воды, а поэтому все внутренние полости: всех каналов в плотине, ее консольных патрубков, барабанных распределителей, колен, камерных патрубков, рабочих камер до поршней справа со стороны плотины - все это является нагнетающей стороной гидромашины, а все внутренние полости: рабочих камер за поршнями, патрубков, колен, барабанных распределителей, отводов, сборника воды до нижнего бьефа уровня воды - все это является отсасывающей стороной гидромашины, при этом делителем названных сторон являются одновременно все поршни, которые делят внутреннюю полость каждой рабочей камеры на подпоршневую и надпоршневую полости одновременно на всех этажах гидромашины, а поэтому для попеременного соединения одновременно всех подпоршневых и надпоршневых полостей рабочих камер на всех этажах, гидромашина оснащена цепной системой управления для распределения воды одновременно на все этажи гидромашины, при этом цепная система управления содержит подшипники, закрепленные на двух съемных продольных балках на уровнях всех этажей гидромашины, а в подшипники вставлен вал, на консоль которого насажена и закреплена двухрядная звездочка, соединенная посредством роликовых цепей одновременно с двумя звездочками барабанов на двух сторонах и на уровне всех этажей гидромашины, на каждый вал насажен и жестко закреплен рычаг, который шарнирно соединен с общей тягой посредством оси, при этом верхний конец тяги, посредством упомянутой оси головки штоков, шарнирно соединен с зауженными концами стенок исполнительного эксцентрикового шатуна, имеющего дополнительные эксцентриситетные отверстия в диске-эксцентрике, насаженном на цилиндрический вал, но при этом диск-эксцентрик исполнительного эксцентрикового шатуна при монтаже на цилиндрический вал повернут на оптимальный угол отставания и закреплен относительно диска-эксцентрика главного эксцентрикового шатуна, закрепленного на общем цилиндрическом валу.2. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что гидромашина оснащена рычажной системой, которая содержит прикрепленные к колоннам кронштейны, на которых закреплена площадка, а на площадке закреплен корпус с осью, к которой шарнирно присоединен одним концом рычаг, имеющий в теле продольное прямоугольное отверстие, в котором помещен ползун с осью по скользящей посадке посредством соединения, например, типа "ласточкин хвост", на расстоянии меньшего плеча-радиуса от оси вращения рычага, при этом ось ползуна шарнирно соединена с головкой верхнего штока, а другой конец рычага, на расстоянии большего плеча-радиуса от оси вращения рычага, шарнирно соединен с осью конца зауженных стенок главного эксцентрикового шатуна.