Устройство для преобразования давления или потенциальной энергии жидкости в механическую работу Советский патент 1993 года по МПК F03C5/02 F04B43/12 

Изобретение относится к устройству для преобразования давления или потенциальной энергии жидкости в механическую работу,

Устройство предназначено для применения в качестве гидравлического двигателя, особенно для привода электрического генератора, использующего питание водой с низкой высотой падения. Однако он также приспособлен к газообразному рабочему телу, особенно воздуху.

Целью изобретения является создание устройства, с помощью которого гидростатическое или газовое давление низкого уровня может быть преобразовано с малыми потерями энергии в движение приводимого или выходного звена, такого, как вал. Потребность в таком устройстве существует, например, если необходимо использовать волновое движение воды, приливно-отлив- ное движение или течение воды с низкой высотой падения для выработки электрической энергии.

С этой точки зрения устройство по изобретению представлено далее в виде совокупности в независимом пункте.

Исходя из такого выполнения устройства по изобретению, входной проход легко может быть построен таким образом, чтобы он мог быть открытым и, следовательно,

00

со о

ы

обеспечивал достаточно большую площадь поперечного сечения для потока рабочего тела, благодаря чему рабочая камера может быть заполнена очень быстро через проход практически без падения давления и соответствующей потери энергии. Конструкция устройства по изобретению также предполагает возможность обеспечения построения пропускающей поток части устройства, способствующей плавному, с малыми потерями течению рабочего тела через устройство.

На фиг. 1 и 2 показан центральный вертикальный разрез устройства по изобретению в двух различных положениях или фазах рабочего цикла.

В изображенном варианте, представляющем собой гидравлический двигатель, устройство содержит неподвижную или стационарную верхнюю часть, в целом выполненную как 11, которая снабжена центральным входом для жидкости (воды) опорную часть, включающую в себя множество подвижных элементов, преобразующих гидростатическое или напорное давление поступающей жидкости, во вращательное движение ведомого или выходного звена. Выходное отверстие для жидкости находится между опорной частью и нижней стороной верхней части.

Верхняя часть 11 образует трубчатое входное отверстие 12 для жидкости - воды для практических целей - непрерывно заполняющей входное отверстие до некоторого уровня. За круглым периферийным внешним краем верхней части расположено выходное отверстие 13, в целом сбоку от описанной ниже рабочей камеры.

Опорная часть включает в себя силовое звено, содержащее два подвижных в вертикальном направлении элемента, названных центральным или внутренним элементом 15 круглой формы на виде в плане и кольцевым внешним элементом 16. концентрическим с внутренним элементом. Через соединительные тяги 18 и 19 элементы двух силовых звеньев 15 и 16 связаны с выходным или ведомым звеном в виде коленчатого вала 17, связанным с генератором или другим (не показано) приводимым устройством.

Над двумя элементами 15 и 16 силовых звеньев расположена непроницаемая для рабочего тела очень гибкая пленка или пластина 20, герметично присоединенная к стационарной стенке 29 опорной части и перекрывающая промежуток между этой стенкой и элементом 16 внешнего силового звена; а также перекрывающая промежуток между этим элементом 16 и элементом 15 внутреннего силового звена.

Ниже пластины 20 описанные промежутки снабжены клапанами в виде пары подвижных в вертикальном направлении упорных колец, названных внутренним

упорным кольцом 21 и внешним упорным кольцом 22, перемещаемым вверх и вниз благодаря передающим движение механизмам 23 и 24 соответственно, таким как наружные кулачки, закрепленные на коленчатом

валу 17, в соответствии с движением элементов 15 и 16 силовых звеньев. Во время их перемещения вверх упорные кольца 21, 22 заставляют пластину 20 достигать верхней части 11 и таким образом закрывать периферийно расположенные непрерывные зазоро-лодобные проходы потока 25 и 26 соответственно и следовательно, предупреждать протекание жидкости через проходы. Полость, которая в радиальном направлении находится внутри внешнего упорного кольца 22 и прохода потока 26 и которая ограничена в верхнем направлении верхнем направлении верхней частью 11 и ограничена в нижнем направлении пластиной 20,

составляет рабочую камеру, содержащую внутренний отсек или часть 27, горизонтальное пространство которой соответствует простиранию круглого промежутка внутри внутреннего упорного кольца 21, и кольцевой

внешний отсек или часть 28, горизонтальное простирание которой соответствует простиранию кольцевого промежутка между двумя упорными кольцами 21 и 22. Площадь поверхности внутренней части 27 рабочей камеры

составляет около половины площади поверхности внешней части 28.

Работа устройства состоит в следующем.

На фазе рабочего цикла, изображенной на фиг.1, внутреннее упорное кольцо 21 находится в опущенном положении, так, что кольцевой проход 25 между частью 27 рабочей камеры является полностью открытым,

в то время как внешнее упорное кольцо 22 находится в поднятом положении для сохранения кольцевого прохода между внешней частью 28 рабочей камеры и выходным отверстием 13 закрытым.

Под действием силы тяжести давления воды во внешнем участке 28 элемент 16 внешнего силового звена движется вниз, так что он прилагает момент к коленчатому валу 17. В то же время, элемент 15 внутреннего силового звена толкается вверх коленчатым валом, тем самым поднимая воду во внутренней части 27 рабочей камеры, так что вода может перетекать через проход 25 во внешнюю часть 28 рабочей камеры. Вместе с тем, равное количество дополнительной воды поступает непосредственно из входного отверстия 12 во внешнюю часть 28 рабочей камеры.

Площадь горизонтальной поверхности, через которую вес или давление воды во внутренней части 27 рабочей камеры действует на элемент 16 внешнего силового звена, является знбвчительно большей (в два или более раз), чем площадь горизонтальной поверхности, через которую вес или давление воды во внутренней части 27 рабочей камеры действует на элемент 15 внутреннего силового звена. Отсюда момент, приложенный к коленчатому валу 17 элементом силового звена 16 является значительно большим, чем момент, необходимый для движения элемента силового звена 15 вверх. Разность моментов может быть выведена в виде полезной работы с коленчатого вала 17.

Когда элемент 16 внешнего силового звена достигает своего низшего положения или положения нижней мертвой точки, а элемент 15 внутреннего силового звена достигает своего высшего положения или положения верхней мертвой точки, внутреннее упорное кольцо 21 перемещается в поднятое положение, чтобы закрыть проход 25, в то время как внешнее упорное кольцо 22 перемещается в опущенное положение, чтобы открыть проход 26 (смотри фиг.2) и поэтому, вода во внешней части 28 рабочей камеры может вытекать свободно через выходное отверстие 13, такое течение является практически горизонтальным.

Элемент 15 внутреннего силового звена по прежнему подвергается воздействию давления рабочего тела во входном отверстии 12. в то же время, благодаря закрытию прохода 25 внешний элемент 16 подвергается действию давления, соответствующего весу или высоте столба воды, поддерживаемой этим элементом. Через свою соединительную тягу 18 внутренний элемент 15 действует на коленчатый вал 17с моментом, которому оказывает сопротивление, хотя и только в малой степени, из-за того, что коленчатый вал 17 и соединительная тяга 19 толкают вверх элемент 16 внешнего силового звена и таким образом, уменьшают обь- ем внешней части 28 рабочей камеры. Превышение площади или дифференциальный момент преобразуется посредством коленчатого вала 17 в приводимой машине в полезную работу. В случае необходимости инерция движущейся системы может быть увеличена, например, с помощью маховика, укрепленного на коленчатом валу, чтобы сделать более плавной работу и обеспечить переход элементов силовых звеньев через положения мертвых точек.

Когда элемент 16 силового звена достигает положения верхней мертвой точки, а 5 элемент 15 силового звена достигает положения мертвой нижней точки, положения упорных колец 21, 22 меняются местами и повторяется описанная первой фаза рабочего цикла.

0 Изобретение отнюдь не ограничивается вариантом осуществления, изображенным на чертежах. В рамках изобретения может выполнено несколько видоизменений. Например, внутренний элемент силового зве5 на, который является круглым, как показано на рисунке, может быть кольцевым, подобно внешнему элементу, и водное отверстие может подобным образом быть кольцевым. Особенно, если устройство работает при

0 очень низком давлении, может оказаться полезным разделение силового звена на более чем два кольцевых элемента, которые работают в фазах, отличающихся одна от другой и зависящих от количества элемен5 тов. благодаря чему преобразование в механическую работу осуществляется на более чем двух стадиях. В этом случае клапан, соответствующий клапану 21 изображенного варианта предусматривается между со0 седними элементами силового звена или стадиями. Поскольку каждый такой клапан, за исключением последнего, также представляет собой как выходной клапан последующей внутренней стадии, так и выходной

5 клапан последующей внешней стадии, увеличение числа стадий не требует более одного дополнительного клапана для каждой дополнительной стадии.

Как легко видеть4, величина периферии

0 или длина перекрываемых проходов возраста ют с увеличением расстояния от прохода до центра устройства, и следовательно, площадь сечения потока, которую могут обеспечить проходы при некотором определенном

5 вертикальном перемещении клапанов, также увеличивается с увеличением расстояния от прохода, до центра. Соответствующие рассуждения применимы и для площади горизонтальной поверхности элементов сило0 вого звена, определяющей камеру, вследствие чего силовые звенья могут воспринимать возросший объем жидкости без увеличения их необходимой радиальной ширины. Соответственно, время, необходи5 мое для прохождения жидкости от одной стадии к другой, является очень малым, даже не смотря на то, что внешние по радиусу стадии могут воспринимать достаточно значительные объемы жидкости.

Необходимо также подчеркнуть, что является принципиально возможным осуществлять преобразование на одной стадии, даже если это и подразумевает нежелательные потери и значительное колебание пол- учаемой механической работы. Такое преобразование в одну стадию может быть достигнуто с помощью устройства, изображенного на чертежах, путем стопорения одного из элементов, силового звена, а именно, внутреннего элемента 15 в положении верхней мертвой точки, или любом другом подходящем положении, из-за чего работает только оставшийся элемент, или путем присоединения обоих элементов к ко- ленчатому валу таким образом, чтобы они работали синхронно (параллельное движение). Хотя в таком случае является полезным снабдить входное отверстие 12 клапаном, который предупреждал бы непосредствен- ное течение от входного к выходному отверстию, когда выходной клапан открыт, это не является совершенно необходимым, поскольку благодаря большой площади поперечного сечения, предоставленной для потока через выходной клапан, истечение из рабочей камеры происходит так быстро, когда выходной клапан полностью открыт, что питание через входное отверстие отвечает именно частичному заполнению рабо- чей камеры во время открытой фазы выходного клапана.

Другие изменения также возможны. Например, вместо применения гибкой пластины, частично или полностью образующей стенку рабочей камеры, стенки рабочей камеры могут быть твердыми, образуя относительно подвижный поршень и цилиндрические поверхности. Кроме того, очевидно, что выход ведомого звена не обязательно должен быть коленчатым валом; допустимо применение ведомого звена, расположенного линейно или каким-либо другим образом, такого как система гидравлических

поршней.

Формула изобретения

1.Устройство для преобразования давления или потенциальной энергии жидкости в механическую работу, содержащее рабочую камеру с циклически изменяющимся в соответствии с возвратно-поступательным перемещением ограничивающей стенки объемом, силовое звено, установленное с возможностью взаимодействия со стенкой камеры и перемещения под действием давления рабочего тела, входной и выходной каналы, сообщенные с рабочей камерой, выходной клапан, размещенный в выходном канале, и ведомое звено, кинематически связанное с силовым звеном, отличаю- щ е е с я тем, что выходной канал в поперечном сечении выполнен зазорообразным и размещен по периферии рабочей камеры.

2.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что оно снабжено дополнительным клапаном, установленным в зоне рабочей камеры с возможностью перекрытия потока рабочего тела через камеру и образованием в радиальном направлении внутренней и внешней частей рабочей камеры.

3.Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что силовое звено содержит по меньшей мере два элемента, один из которых расположен в радиальном направлении снаружи другого, установленные с возможностью перемещения в фазах, отличных одна от другой, при .этом внешний в радиальном направлении элемент силового звена размещен в вертикальном направлении напротив внешней части рабочей камеры, а внутренний - напротив внутренней в радиальном направлении рабочей камеры.

Использование; в машиностроении в качестве гидродвигателя для привода, электрического генератора, использующего питание водой с низкой высотой падения. Сущность изобретения устройство для преобразования энергии давления рабочего тела в механическую работу содержит рабочую камеру (27, 28), объем которой циклически изменяется в соответствии с возвратно-поступательным движением стенки

Фиг.1

27

2622 18 21 25 JL

В // /Z

vifi/L t iX i&i

26

13

Фиг. I