ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидромашиностроения и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при создании энергетически эффективных технологий и техники для добычи газа и жидких углеводородов.
Известен двигатель, содержащий статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости корпуса соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре (RU 167879, 2016).
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является двигатель, содержащий статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры и в циркуляционном кольцевом канале размещена подвижная регулирующая втулка(RU 192513, 2019).
Недостатком известных технических решений является высокая вероятность возникновения гидравлического удара при быстрой или экстренной остановке двигателя, что приводит к быстрому перекрытию рабочего потока, и, как следствие, отражается на безопасности эксплуатации двигателя.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение безопасности работы двигателя на экстремальных режимах.
Указанная проблема решается тем, что в двигателе, содержащем статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры размещена подвижная регулирующая втулка, согласно полезной модели, что в регулирующей втулке выполнены сквозные отверстия, через которые входные сопла сообщаются с проточными каналами ротора, с обеспечением при поворотном движении подвижной регулирующей втулки регулируемого перекрытия входных сопел в циркуляционном кольцевом канале.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении сокращения времени на остановку или уменьшение скорости вращения ротора за счет регулирования направления потока на выходе из сопел и, соответственно, предотвращения пульсаций давления и гидравлических ударов при торможении и остановке ротора.
Сущность описываемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема двигателя; на фиг. 2 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, с соплом в открытом положении; на фиг. 3 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, при режиме торможения и остановки ротора; на фиг.4 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, с соплом в закрытом положении; на фиг.5 показана схема регулирующей втулки, в которой выполнены сквозные отверстия; на фиг.6 представлена схема двигателя, поперечный разрез Б-Б, при использовании поворотного гидроцилиндра.
Описываемый двигатель содержит статор 1 с входными соплами 2 и размещенный в нем ротор 3 с наружными выступами 4. В конструкции двигателя может быть одно, два сопла или более. Ротор 3 оснащен внутренними выступами 5, при этом ротор 3 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов 4 и внутренних выступов 5. Выступы 4 и 5 имеют твердые стенки. Между внутренними 5 и наружными 4 выступами в роторе 3 выполнены проточные каналы 6, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов 6 в роторе 3 с входными соплами 2 в статоре 1. Статор 1 оснащен выходным каналом 7. Входные сопла 2 и выходной канал 7 могут располагаться на различном расстоянии от оси вращения 8 ротора 3 с учетом условий применения заявляемого двигателя. Статор 1 содержит установленную соосно с ротором вихревую камеру 9. Входные сопла 2 размещены в центральной части ротора 3, с образованием циркуляционного кольцевого канала 10 в зазоре между входными соплами 2 и внутренними выступами 5, а в вихревой камере 9 размещена подвижная регулирующая втулка 11 с возможностью ее регулируемого поворотного движения для частичного или полного перекрытия входных сопел 2. Положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, используя известные технологии, например, гидравлический привод или электромагнитный привод.
На фигурах представлен вариант двигателя с гидравлическим приводом для поворота подвижной регулирующей втулки 11. Гидравлические камеры 12 и 13 через патрубки 14 и 15 могут подключаться к системе гидравлического управления (система гидравлического управления на фигурах не показана). В регулирующей втулке 11 выполнены сквозные отверстия 16, через которые входные сопла 2 сообщаются с проточными каналами 6 ротора 3.
Двигатель работает следующим образом.
Статор 1 с входными соплами 2 обеспечивают формирование потока (или нескольких потоков) рабочего тела (рабочей среды) по направлению к ротору 3 (фиг. 1). В качестве рабочего тела может выступать жидкость, газожидкостная смесь или газ (в том числе пар или высокотемпературные продукты горения топливовоздушной смеси). Поток рабочего тела воздействует на внутренние выступы 5 ротора 3 и приводит ротор 3 в движение. Таким образом, кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую энергию при вращательном движении ротора 3. Для дальнейшей передачи энергии ротор 3 может быть связан с внешними механизмами, которые на фигурах не показаны. Также поток рабочего тела через проточные каналы 6 проникает в полость ротора 3, который выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры. Поток рабочего тела в этой части ротора 3 взаимодействует с твердыми стенками внутренних 5 и наружных 4 выступов, что способствует преобразованию энергии. Возможно осуществление как непрерывной, так и импульсной подачи рабочего тела к ротору 3 двигателя. За счет проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 обеспечивается преобразование энергии при различных свойствах рабочего тела, в том числе, при использовании газожидкостных смесей, отличающихся по плотности или вязкости. Через проточные каналы 6 в роторе 3, рабочее тело отводится из статора 1, через выходной канал 7.Положение подвижной регулирующей втулки 11 и, соответственно, степень перекрытия сквозных отверстий 16 можно изменять.
Для закрытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 12 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 14. При этом из гидравлической камеры 13 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 15. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 поворачивается вокруг оси вращения 8 и перекрывает сопла 2.
Для открытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 13 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 15. При этом из гидравлической камеры 12 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 14. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 поворачивается вокруг оси вращения 8 и открывает входные сопла 2. Промежуточное положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, меняя объем жидкости в гидравлических камерах 12 и 13 (как в известных системах управления с гидравлическим приводом, к примеру, при использовании поворотного гидроцилиндра, как показано на фиг. 6).
За счет углового перемещения подвижной регулирующей втулки 11 обеспечивается возможность регулирования расхода потока на выходе из сопел 2 за счет частичного или полного их перекрытия и, соответственно, обеспечивается возможность регулирования режима работы двигателя. Кроме того, меняя положение сквозных отверстий 16 относительно сопла 2, обеспечивается возможность изменения и направления вращения ротора 3 на противоположное направление вращения, как показано на фиг. 3.
На фиг. 2 представлена схема работающего двигателя с соплом в открытом положении, поперечный разрез А-А. При этом направление потока на выходе из сопла 2 показано стрелками. Далее можно повернуть подвижную регулирующую втулку 11, в направлении - по часовой стрелке, и перевести втулку 11 в положение, показанное на фигуре 3. После такого поворота втулки 11 изменится направление потока на выходе из сопла 2, и это измененное направление потока показано стрелками, на фигуре 3. Поток рабочей среды будет оказывать силовое воздействие на ротор 3, обеспечивая замедление его вращения, вплоть до полной остановки ротора 3. Хотя при этом, рабочая среда может продолжать свое движение из сопла 2 через проточные каналы 6 в сторону выходного канала 7. При этом достигается технический результат, который заключается в предотвращении пульсаций давления и гидравлических ударов при торможении и остановке ротора 3, за счет регулирования направления потока на выходе из сопел 2, поскольку подвижная регулирующая втулка 11 лишь частично перекрывает канал сопла 2 (как показано на фиг. 3). Таким образом, остановка ротора 3 возможна как при условии полного закрытия входного сопла 2 (как показано на фиг. 4), так и при условии частичного перекрытия входного сопла 2 (как показано на фиг. 3). Энергия потока рабочей среды используется для торможения и остановки ротора 3, это позволяет решить техническую проблему по усилению контроля за скоростью вращения ротора на рабочих режимах (и/или на экстремальных режимах) с обеспечением сокращения времени на остановку (замедление) ротора. При этом повышается безопасность эксплуатации двигателя и расширяется область применения, в том числе и за счет производственных объектов в нефтяной и газовой промышленности.