ГЛУБОКОВОДНЫЙ ВОДОМЁТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК B63H11/00 

Изобретение относится к судостроению и энергетике, в частности к водометным устройствам с механическим дополнением. Предназначено для установки на мобильном подводном аппарате с глубиной погружения более 50 м., выполняющее работу и двигателя - привода электрогенераторов и движителя перемещения подводного аппарата. Также предназначено для стационарной установки с прочным, герметичным корпусом на глубине водоема до 100 м., выполняющее работу двигателя - привода электрогенераторов, обеспечивая электроэнергией морские платформы, опреснительные установки, береговые объекты.

Известен движитель подводной лодки, содержащий жестко закрепленную на корпусе подводной лодки кольцевую диафрагму и электрогидравлический насос.Электрогидравлический насос расположен в вакуумной камере с возможностью подачи воды в кольцевую диафрагму, при этом водозаборник насоса расположен в носовой части подводной лодки.

Достигается снижение шума при движении подводной лодки (см. патент RU 2612044 С1)

При невысоком требовании по шумности, при движении подводного аппарата, известна более простая эжекционная конструкция водометного движителя, выполненного в форме насадки. В пространство между наружной оболочкой и внутренним каналом по трубкам подается сжатый воздух, который с большой скоростью выходит через отверстие, увлекая за собой воду из внутреннего канала. Упор возникает на корпусе насадки (см. С.В. Куликов, М.Ф. Храмкин «Водометные движители», Ленинград, «Судостроение», 1980 г., Рис. 1.73 В, стр. 74).

Недостатки указанных конструкций:

1. Не могут работать двигателем-приводом машин и механизмов;

2. Низкий коэффициент полезного действия из-за больших затрат искусственной энергии на работу насоса, получение сжатого воздуха.

Прототипом принято водометное устройство для полива садового участка земли.

Устройство содержит водометное колесо с вертикальной осью вращения, состоящее из водозаборной ступицы цилиндрической формы, с которой соединены трубчатые водоканалы. Концы водоканалов согнуты в противоположные стороны на диаметре водометного колеса. Верхний торец ступицы заглушен, нижним торцем ступица установлена свободно на стойке с подводом водопровода. На концах трубчатых водоканалов выполнены насадки (сопла) сужения проходного сечения водоканала. Вода под давлением из водопровода поступает в водозаборную ступицу, трубчатые водоканалы и выходя из насадки (сопла) на большой скорости создает окружную гидрореактивную силу, вращающую водометное колесо. При этом поливается, разбрызгиваясь по окружности, определенный участок земли (см. патент RU 189173 U1).

Достоинство конструкции:

при вращении водометного колеса на его оси вращения создается крутящий момент, применимый для работы водометного устройства и двигателем - приводом машин и механизмов, и движителем перемещения устройства.

Недостатки конструкции:

1. Небольшой крутящий момент на оси вращения водометного колеса снижает эффективность конструкции так как не позволяет водометному устройству выполнять работу ни двигателем, ни движителем;

2. невысокий коэффициент полезного действия из-за затрат искусственной энергии на создание давления в водопроводе.

Цель изобретения:

- повышение эффективности водометного устройства путем повышения крутящего момента на оси вращения водометного колеса, выполняющего работу и двигателя, и движителя;

- существенное повышение коэффициента полезного действия водометного устройства путем использования для его работы естественной энергии давления воды на большой глубине.

Указанная цель достигается тем, что на наружной поверхности сопел водоканалов водометного колеса тонкими стенками закреплены конусные насадки так, что между выходным отверстием сопла и меньшим выходным отверстием насадки образуется кольцевая щель. Для увеличения скорости водопотока проходное сечение водоканала от водозаборной ступицы до сопла уменьшается.

Водозаборная ступица водометного колеса нижним торцем крепится к вертикальному полому валу, установленному на подшипниках, с сальниковым уплотнением от внешней среды либо в проточном корпусе мобильного подводного аппарата с глубиной погружения более 50 м., либо в проточном, герметичном корпусе стационарной установки на глубине водоема до 100 м. Внутри вертикального вала на подшипниках скольжения с сальниковым уплотнением от внешней среды, установлен шток. В верхней части штока установлены два клапана - основной и разгрузочный. Основной клапан установлен свободно на подшипнике скольжения, разгрузочный клапан закреплен неподвижно на конце штока. Гнездо основного клапана выполнено на верхнем торце водозаборной ступицы, гнездо разгрузочного клапана - на основном клапане. Водозаборная полость ступицы и клапаны закрыты фильтром в виде колпака. На штоке клапанов выполнена цилиндрическая резьба, которой шток ввинчивается в гайку, закрепленную на вертикальном валу (передача винт-гайка).

Привод штока клапанов состоит из электродвигателя с направлением вращения в обе стороны его выходного вала, цилиндрической зубчатой, цепной передач, и передачи винт-гайка. Выходной вал электродвигателя соединен с ведущим валом цилиндрической зубчатой передачи постоянной и управляемой фрикционной муфтами. На ведомом выходном валу цилиндрической передачи неподвижно закреплена ведущая звездочка цепной передачи. Ведомая звездочка цепной передачи установлена свободно на подшипниках на цапфе, закрепленной на нижнем конце вертикального вала водометного колеса соосно с валом. Причем, со звездочкой подвижно в осевом направлении соединен нижней частью шток клапанов.

На вертикальном валу водометного колеса неподвижно закреплено ведущее коническое зубчатое колесо. При установке водометного устройства на подводном аппарате в продольной плоскости аппарата с ведущим коническим колесом входит в зацепление ведомое колесо, закрепленное на входном валу мультипликатора с планетарной передачей (передаточное число передачи до 15). Выходной вал мультипликатора соединен сдвоенной шарнирной муфтой с ведущим валом распределительного блока.

На ведущем валу блока свободно на подшипниках установлены коническое и цилиндрическое зубчатые колеса, которые соединяются с валом управляемыми сцепными муфтами. Вал ведомого конического колеса соединен сдвоенной шарнирной муфтой с гребным валом стабилизации корпуса подводного аппарата при вращении водометного колеса под действием гидрореактивных сил. Вал ведомого цилиндрического колеса соединен постоянной муфтой с гребным валом движения подводного аппарата. При этом гребной вал стабилизации корпуса подводного аппарата установлен в его поперечной плоскости, а гребной вал движения подводного аппарата - в его продольной плоскости.

В поперечной плоскости подводного аппарата с ведущим коническим зубчатым колесом вертикального вала водометного колеса входят в зацепление ведомые колеса, закрепленные на входных валах двух агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей (передаточное число передачи 80... 300) и электрогенератора. Причем один из генераторов работает и в режиме электродвигателя.

Волновая зубчатая передача мультипликатора выполнена по патенту №2665977, RU 2665977 С1, у которой гибкое колесо имеет форму кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями четырех секторов, соединенных с ведущим валом передачи частями (дольками) элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведущего вала, выполненного целым. При этом генератор волн гибкого колеса соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой.

При стационарной установке водометного устройства с герметичным прочным корпусом, ведущее коническое зубчатое колесо вертикального вала водометного колеса входит в зацепление с ведомыми колесами, закрепленными на входных валах не менее трех агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора.

Техническая сущность предложенного водометного двигателя-движителя, установленного на мобильном подводном аппарате, поясняется чертежом, на котором:

Фиг. 1 - разрез водометного двигателя - движителя в продольной плоскости подводного аппарата; Фиг. 2 - вид А на Фиг. 1; Фиг. 3 - узел I на Фиг. 2; Фиг. 4 - разрез Б-Б на Фиг. 1; Фиг. 5 - вид В на Фиг. 1;

Фиг. 6 - мультипликатор - электрогенератор, продольный разрез; Фиг. 7 - разрезы Г-Г, Д-Д на Фиг. 6

Водометный двигатель-движитель содержит водометное колесо, состоящее из водозаборной ступицы 1 и трубчатых водоканалов 2. На согнутых концах водоканалов выполнены сопла 3, которые тонкими стенками 4 соединены с конусными насадками 5 таким образом, что между выходным отверстием сопла и меньшим внутренним диаметром насадки образуется кольцевая щель. Входной больший внутренний диаметр насадки закрыт фильтром 6 конусной формы. Для общей жесткости водометного колеса трубчатые водоканалы соединены перемычками 7. Нижним торцем водозаборная ступица 1 крепится к вертикальному полому валу 8, установленному на подшипниках с сальниковым уплотнением 9 от внешней среды в прочном корпусе 10 подводного мобильного аппарата. Внутри вертикального полого вала 8 установлен на подшипниках скольжения с сальниковым уплотнением 11 от внешней среды шток 12. На верхней части штока установлен на подшипнике скольжения основной клапан 13 и неподвижно закреплен на его конце разгрузочный клапан 14. Гнездо основного клапана выполнено на верхнем торце водозаборной ступицы, а гнездо разгрузочного клапана - на основном клапане. Основной и разгрузочный клапаны закрыты фильтром 15 в виде колпака. На штоке 12 выполнена резьба, которой шток ввинчивается в гайку 16, закрепленную на вертикальном валу 8, образуя передачу винт-гайка.

Привод штока клапанов выполнен из электродвигателя 17 с направлением вращения выходного конца вала в обе стороны, цилиндрической зубчатой передачи, цепной передачи и передачи винт-гайка. Выходной конец вала электродвигателя 17 соединен с ведущим валом 18 цилиндрической зубчатой передачи постоянной муфтой 19 и управляемой фрикционной муфтой 20. На выходном конце ведомого вала 21 цилиндрической передачи закреплена ведущая звездочка 22 цепной передачи. Ведомая звездочка 23 цепной передачи установлена на подшипниках на цапфе 24, закрепленной на конце вертикального вала 8. На ведомой звездочке 23 выполнены шлицы, которыми звездочка соединяется подвижно в осевом направлении со шлицами штока 12, выполненными в нижней части штока. На вертикальном валу 8 неподвижно закреплено ведущее коническое зубчатое колесо 25. В продольной плоскости подводного аппарата с ведущим коническим колесом 25 входит в зацепление ведомое коническое колесо 26, закрепленное на входном валу мультипликатора 27, выполненного с планетарной передачей. Выходной вал мультипликатора 27 соединен сдвоенной шарнирной муфтой 28 с входным ведущим валом распределительного блока 29. На ведущем валу 30 распределительного блока 29 свободно на подшипниках установлены коническое 31 и цилиндрическое 32 ведущие зубчатые колеса, которые соединяются с ведущим валом 30 управляемыми сцепными муфтами 33, 34. Вал ведомого цилиндрического колеса 35 соединен постоянной муфтой 36 с гребным валом 37 движения подводного аппарата. Вал ведомого конического колеса 38 соединен сдвоенной шарнирной муфтой 39 с гребным валом 40 стабилизации корпуса подводного аппарата при вращении водометного колеса под действием гидрореактивных сил.

В поперечной плоскости подводного аппарата с ведущим коническим колесом 25 входят в зацепление ведомые конические колеса 41, 42, закрепленные на входных валах двух агрегатов 43,44, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора. При этом один из электрогенераторов работает и в режиме электродвигателя. Гибкое колесо 45 волновой зубчатой передачи мультипликатора выполнено в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья 46, взаимодействующие с прямобочными зубьями 47 четырех секторов 48, соединенных с ведущим валом 49 передачи частями 50, 51 элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты 52 ведущего вала 49, выполненного целым. При этом генератор 53 волн гибкого колеса 45 соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой 54.

Стационарная установка водометного двигателя с прочным герметичным корпусом подобна установке на подводном аппарате, за исключением гребных валов и их привода. При этом с ведущим коническим колесом 25 вертикального вала 8 входят в зацепление ведомые конические колеса, закрепленные на входных валах не менее трех агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора.

Работа водометного двигателя - движителя, установленного на подводном аппарате.

При движении подводного аппарата - вертохода по водной поверхности и погружении на глубину водоема более 50 м.: клапаны водозаборной ступицы водометного колеса закрыты, сцепная муфта ведущего цилиндрического колеса распределительного блока включена, сцепная муфта ведущего конического колеса распределительного блока выключена, электродвигатель и фрикционная муфта привода штока клапанов водозаборной ступицы выключены, один из электрогенераторов переведен в двигательный режим работы от аккумулятора. При этом вращаются: водометное колесо с вертикальным валом и штоком клапанов водозаборной ступицы, второй электрогенератор, гребной вал движения вертохода.

При погружении вертохода на заданную глубину: электрогенератор, работающий в двигательном режиме, переводится в режим работы генератора, включается сцепная муфта ведущего конического колеса распределительного блока, включаются электродвигатель и фрикционная муфта привода штока клапанов водозаборной ступицы водометного колеса. При вращении и осевом перемещении штока клапанов полностью открывается разгрузочный клапан. При этом вода поступает под основной клапан, снижая давление внешней среды на наружную поверхность клапана. Основной клапан открывается на величину, зависящую от глубины погружения вертохода. Направление вращения выходного конца вала электродвигателя привода штока клапанов такое, что направление вращения штока противоположно направлению вращения вертикального вала водометного колеса. Электродвигатель и фрикционная муфта привода штока выключаются. При этом вращаются: водометное колесо под действием гидрореактивных сил, вертикальный вал со штоком клапанов, гребные валы движения вертохода и стабилизации его корпуса, электрогенераторы. При остановке вертохода для выполнения подводных работ сцепная муфта привода вращения гребного вала движения вертохода выключается.

При всплытии вертохода: включаются электродвигатель и фрикционная муфта привода штока клапанов водозаборной ступицы водометного колеса. Направление вращения выходного конца вала электродвигателя привода штока такое, что направление вращения штока совпадает с направлением вращения вертикального вала водометного колеса, но угловая скорость вращения штока больше угловой скорости вращения вертикального вала. При этом закрываются сначала основной, затем разгрузочный клапаны. Электродвигатель и фрикционная муфта привода штока клапанов выключаются, выключается сцепная муфта привода вращения гребного вала стабилизации корпуса вертохода. Один из электрогенераторов переводится в двигательный режим работы от аккумулятора. При этом вращаются: водометное колесо с вертикальным валом и штоком клапанов, второй электрогенератор, гребной вал движения вертохода.

Работа стационарной установки водометного двигателя с герметичным прочным корпусом.

При погружении устройства на глубину до 100 м.: открываются клапаны водозаборной ступицы водометного колеса. Причем основной клапан открывается на величину, зависящую от глубины погружения водометного двигателя. При этом вращаются: водометное колесо под действием гидрореактивных сил, вертикальный вал со штоком клапанов водозаборной ступицы водометного колеса, электрогенераторы. Управление работой водометного двигателя выполняется дистанционно. При техобслуживании и замене элементов водометного двигателя клапаны водозаборной ступицы водометного колеса закрываются, водометный двигатель останавливается.

Изобретение относится к судостроению и энергетике, в частности к водометным устройствам с механическим дополнением. Глубоководный водометный двигатель-движитель содержит водометное колесо с вертикальной осью вращения, состоящее из водозаборной ступицы цилиндрической формы, с которой соединены трубчатые водоканалы. Концы водоканалов согнуты в противоположные стороны на диаметре водоколеса и имеют сопла сужения проходного сечения водоканалов. На наружной поверхности сопел тонкими стенками закреплены конусные насадки так, что между выходным отверстием сопла и меньшим внутренним отверстием насадка образуется кольцевая щель, при этом проходное сечение водоканала от водозаборной ступицы до сопла уменьшается. Водозаборная ступица нижним торцом крепится к вертикальному полому валу, который устанавливается либо в прочном корпусе мобильного подводного аппарата, либо в герметичном прочном корпусе стационарной установки. Водозаборная полость ступицы открывается – закрывается основным и разгрузочным клапанами посредством штока клапанов, который установлен внутри вертикального вала и имеет привод перемещения штока. На вертикальном валу водоколеса неподвижно закреплено ведущее коническое зубчатое колесо. При установке водометного устройства на подводном аппарате в продольной плоскости аппарата с ведущим коническим колесом входит в зацепление ведомое колесо, закрепленное на входном валу мультипликатора с планетарной передачей. Выходной вал мультипликатора соединен муфтой с входным валом распределительного блока. Блок содержит коническую и цилиндрическую зубчатые передачи, которые муфтами соединены с гребными валами стабилизации корпуса подводного аппарата и движения аппарата. При этом гребной вал стабилизации корпуса подводного аппарата установлен в его поперечной плоскости, а гребной вал движения подводного аппарата - в его продольной плоскости. В поперечной плоскости подводного аппарата с ведущим коническим зубчатым колесом вертикального вала водометного колеса входят в зацепление ведомые колеса, закрепленные на входных валах двух агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора, причем один из генераторов работает и в режиме электродвигателя. Гибкое колесо волновой передачи мультипликатора выполнено в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями четырех секторов, соединенных с ведущим валом передачи частями элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведущего вала, выполненного целым. При этом генератор волн гибкого колеса соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой. При стационарной установке водометного устройства с герметичным прочным корпусом ведущее коническое зубчатое колесо вертикального вала водометного колеса входит в зацепление с ведомыми колесами, закрепленными на входных валах не менее трех агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора. Достигается высокий коэффициент полезного действия водометного устройства. 7 ил.

Глубоководный водометный двигатель-движитель, содержащий водометное колесо с вертикальной осью вращения, состоящее из водозаборной ступицы цилиндрической формы, с которой соединены трубчатые водоканалы, концы водоканалов согнуты в противоположные стороны на диаметре водометного колеса и имеют сопла сужения проходного сечения водоканалов, отличающийся тем, что с целью повышения крутящего момента на оси вращения водометного колеса и коэффициента полезного действия водометного устройства на наружной поверхности сопел водоканалов тонкими стенками закреплены конусные насадки так, что между выходным отверстием сопла и меньшим внутренним диаметром насадка образуется кольцевая щель, при этом проходное сечение водоканала от водозаборной ступицы до сопла уменьшается, концы водоканалов согнуты таким образом, что вектор суммарной гидрореактивной силы на поверхностях сопла и насадка перпендикулярен радиусу окружности перемещения точки приложения вектора, входное отверстие насадка с большим диаметром закрыто от внешней среды фильтром конусной формы, водозаборная ступица водометного колеса нижним торцом крепится к вертикальному полому валу, установленному на подшипниках, с сальниковым уплотнением от внешней среды либо в прочном корпусе мобильного подводного аппарата с глубиной погружения более 50 м, либо в прочном герметичном корпусе стационарной установки на глубине водоема до 100 м, внутри вертикального вала на подшипниках скольжения с сальниковым уплотнением от внешней среды установлен шток, в верхней части штока установлены соосно два клапана - основной и разгрузочный, основной клапан установлен свободно на подшипнике скольжения, разгрузочный клапан закреплен неподвижно на конце штока, гнездо основного клапана выполнено на верхнем торце водозаборной ступицы, гнездо разгрузочного клапана - на основном клапане, водозаборная полость ступицы и клапаны закрыты фильтром в виде колпака, на штоке клапанов выполнена цилиндрическая резьба, которой шток ввинчивается в гайку, закрепленную на вертикальном валу, привод штока клапанов состоит из электродвигателя с направлением вращения в обе стороны его выходного вала, цилиндрической зубчатой, цепной передач, передачи винт-гайка, выходной вал электродвигателя соединен с ведущим валом цилиндрической зубчатой передачи постоянной и управляемой фрикционной муфтами, на ведомом выходном валу цилиндрической передачи неподвижно закреплена ведущая звездочка цепной передачи, ведомая звездочка цепной передачи установлена свободно на подшипниках на цапфе, закрепленной на нижнем конце вертикального вала водометного колеса соосно с валом, причем со звездочкой подвижно в осевом направлении соединен нижней частью шток клапанов, на вертикальном валу водометного колеса неподвижно закреплено ведущее коническое зубчатое колесо, при установке водометного устройства на подводном аппарате в продольной плоскости аппарата с ведущим коническим колесом входит в зацепление ведомое колесо, закрепленное на входном валу мультипликатора с планетарной передачей, выходной вал мультипликатора соединен сдвоенной шарнирной муфтой с ведущим валом распределительного блока, на ведущем валу блока свободно на подшипниках установлены коническое и цилиндрическое зубчатые колеса, которые соединяются с валом управляемыми сцепными муфтами, вал ведомого конического колеса соединен сдвоенной шарнирной муфтой с гребным валом стабилизации корпуса подводного аппарата при вращении водометного колеса под действием гидрореактивных сил, вал ведомого цилиндрического колеса соединен постоянной муфтой с гребным валом движения подводного аппарата, при этом гребной вал стабилизации корпуса подводного аппарата установлен в его поперечной плоскости, а гребной вал движения подводного аппарата - в его продольной плоскости, в поперечной плоскости подводного аппарата с ведущим коническим зубчатым колесом вертикального вала водометного колеса входят в зацепление ведомые колеса, закрепленные на входных валах двух агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора, причем один из генераторов работает и в режиме электродвигателя, гибкое колесо волновой передачи мультипликатора выполнено в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями четырех секторов, соединенных с ведущим валом передачи частями элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведущего вала, выполненного целым, при этом генератор волн гибкого колеса соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой, при стационарной установке водометного устройства с герметичным прочным корпусом ведущее коническое зубчатое колесо вертикального вала водометного колеса входит в зацепление с ведомыми колесами, закрепленными на входных валах не менее трех агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора.