ВОДЯНОЕ КОЛЕСО

Полезная модель относится к машиностроению, к гидромашиностроению.
Полезная модель представляет собой водяное колесо - механическое устройство для преобразования энергии движущейся воды (гидроэнергии) в энергию вращательного движения для того, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. Для увеличения к.п.д., лопатки (лопасти) водяного колеса на роторе установлены с возможностью регулирования положения (колесо с подвижными лопатками).
Для преобразования кинетической энергии рабочего тела (жидкости, воды) в механическую работу на валу, устройство может быть использовано автономно (без соплового аппарата), либо в конструкции лопаточной машины (турбины), как ее подвижная часть.
Устройство может быть использовано для обратного превращения энергии в движение, т.е. для превращения мощности внешнего двигателя в кинетическую энергию рабочего тела, например, в качестве движителя (гребного колеса) для привидения в движение судна. В этом случае, не вода приводит колесо в движение, а колесо используется для движения.
Устройство может быть использовано в качестве привода электрического генератора на гидроэлектростанции, как составная часть привода на речном, морском транспорте, в гидродинамических передачах, в гидронасосах, для привода других различных узлов и механизмов.
Известны устройства (например, гребное колесо SU 1184741, опубликовано 15.10.1985 г.) с регулированием плицов посредством установленного на диске гребного колеса эксцентрика. Недостатком этого, а также подобных устройств, является статическая и динамическая неуравновешенность колеса, что приводит к повышению нагрузок на опоры. Следствием устранения этих недостатков является увеличение массы гребного колеса.
Известно «Гидроагрегат» (RU 2020261, опубликовано: 30.09.1994 г.), устройство выбрано в качестве прототипа.
Гидроагрегат содержит корпус, размещенное в последнем на горизонтальном валу рабочее колесо с поворотными лопастями, имеющими оси, механизм поворота лопастей, выполненный в виде кулачка с тангенциальным пазом и установленным в нем прижимным болтом, посредством которого кулачок закреплен на корпусе, и поводков, кинематически связанных с лопастями и снабженных роликами, установленными с возможностью взаимодействия с кулачком, рабочее колесо выполнено в виде двух плоских дисков, между которыми расположены лопасти, последние жестко закреплены на осях, которые установлены с возможностью свободного вращения в диске и жестко соединены с поводками, при этом кулачок выполнен круглым с кольцевым пазом, ролики поводков размещены в пазу кулачка и в последнем, выполнены дополнительные тангенциальные пазы с прижимными болтами, обеспечивающими с основными тангенциальным пазом и болтом жесткое крепление и возможность вращения кулачка с эксцентриситетом относительно вала.
Центр паза может быть смещен относительно центра вала.
Недостатки устройства:
ось лопастей входит в три кинематические пары пятого класса, что в соответствии с формулой подвижности W=3n-2p, получим: W=3x1-2x3=-2. Результат показывает наличие избыточных связей, которые, как известно, приводят механизм в не рабочее состояние.
В рассматриваемом устройстве это отягощается большими линейными размерами между опорами осей с дисками и кулачком, а также большими расстояниями от каждой опоры до оси вала, которые приводят к большим моментам, действующим на ось, и склонности ее к заклиниванию.
Лопасти колеса сконструированы без учета возможного применения в малогабаритных (небольших диаметров) колесах без потери последними в моменте силы. Следствием большого радиуса водяного колеса является уменьшение угловой скорости.
Все это является препятствием для использования такого водяного колеса, например, в конструкциях турбин, в том числе даже для тихоходных генераторов.
Задачей заявленной полезной модели является водяное колесо (гребное колесо) с регулируемыми по нормали к потоку лопатками. При не уменьшении снимаемого с оси (с вала) колеса момента (а в случае гребного колеса, при не уменьшении момента, передаваемого от вала колеса) колесо должно быть рассчитано на большую угловую скорость.
Задача достигается за счет уменьшения радиуса водяного колеса при не уменьшении радиуса момента силы, а также, дополнительно, за счет самоустанавливаемости углов давления и передачи движения.
Задача достигается тем, что
согласно полезной модели, водяное колесо содержит диск, посредствам оси установленный на опоре,
на ободе колеса с возможностью вращения жестко каждая на своей оси установлены лопатки,
между ободом и ступицей, неподвижно относительно опоры установлен кулачок, имеющий средство для направления по нему (по его поверхности) движения,
каждая лопатка через свою ось кинематически связана с кулачком посредством предназначенных для этого рычага и соединенного с ним поводка,
отличается тем, что
каждая лопатка на своей оси установлена эксцентрично,
в каждой паре - рычаг-поводок, последние соединены шарнирно.
Рабочая плоскость каждой лопатки условно может быть разделена осью лопатки на две разные по площади части, при этом часть лопатки площадью от 51 до 90% от общей площади рабочей плоскости занимает положение внутри (в пределах) обода колеса, соответственно, часть лопатки площадью от 49 до 10% занимает положение снаружи обода (находится за пределами обода);
на ободе колеса, каждая лопатка может быть установлена на своей оси посредством двух опор;
каждая лопатка может быть выполнена в виде пластины, прямоугольной формой;
подвижное соединение в каждой паре - рычаг-поводок, может представлять собой шаровой шарнир;
средство для направления по кулачку движения может иметь поверхность, выполненную по синусоидальному закону движения;
кулачок для направления движения по своей поверхности может иметь паз,
в этом случае, для взаимодействия с пазом кулачка, каждый поводок снабжен шипом с роликом;
каждая вращательная кинематическая пара - ось лопатки-обод колеса, может быть выполнена как пара скольжения;
каждый элемент водяного колеса может быть выполнены из материала:
долговременно, в воздухе, при атмосферном давлении от 640 до 820 мм рт.ст., при температуре от -20 до +70 град. С, при относительной влажности от 0,1 до 100%, способного не поддаваться изменению заданной для изделия из него формы и размеров;
стойкого к воздействию веществ, способных менять химические и/или физические свойства материала, а именно, жидких сред, жидких сред под давлением;
возможные дополнительные требования к материалу: обладание повышенной химической стойкостью, обуславливающей стабильность изделий под воздействием порошкообразных веществ, гелеобразных веществ, в том числе стерилизующих жидкостей, разбавленных, концентрированных кислот, щелочей;
при этом диск с ободом, опоры, лопатки могут быть выполнены из пластика (полимера);
при этом полимером для изготовления диска с ободом, опор, лопаток может быть поликетон;
элементы конструкции, относящиеся к звеньям кривошипно-кулачкового привода, могут быть выполнены из полимерного композитного материала;
при этом, полимерным композитным материалом может быть углепластик;
каждая ось каждого шарнира может быть выполнена из полимера;
при этом полимером может являться поликетон.
Полезная модель поясняется фигурами.
Фиг. 1 - водяное колесо, вид сбоку; фиг. 2 - водяное колесо, вид спереди (сзади); фиг. 3 - водяное колесо, кривошипно-кулачковый механизм; фиг. 4 - водяное колесо, кинематическая связь поводка с пазом кулачка; фиг. 5 - взаимодействие лопатки с потоком при ограниченной глубине.
Водяное колесо содержит диск с ободом 1, установленный на оси (на валу 2). На оси диск может быть установлен с возможностью вращения, либо диск может быть закреплен на оси жестко, соответственно, диск с осью могут вращаться одновременно, в опорах.
В зависимости от исполнения, для соединения обода со ступицей, водяное колесо может содержать спицы.
Вал 2 может быть установлен в опорах 3 или на опоре консольно, например, на подшипниках (качения, скольжения). На ободе 1, с возможностью вращения (поворота) установлены лопатки (лопасти, плицы) 4, при этом каждая из них установлена на своей оси вращения 5. Каждая лопатка может быть установлена консольно, либо на двух опорах.
В наиболее простом варианте исполнения каждая лопатка 4 представляет собой пластину. По отношению к рабочей плоскости лопатки ось 5 может иметь любое положение, кроме перпендикулярного. Рабочая плоскость лопатки - плоскость, предназначенная для восприятия энергии потока (рабочего тела). На фигурах показана лопатка 4, ось 5 которой занимает параллельное положение плоскости лопатки.
Рабочая плоскость каждой лопатки 4 условно разделена осью 5 на две разные по площади части. Часть лопатки большей площади занимает положение внутри обода колеса (в пределах обода 1), соответственно, часть лопатки меньшей площади занимает положение снаружи обода 1 (за пределами обода 1).
Часть лопатки, находящаяся внутри обода колеса может иметь любую, большую по размеру площадь, чем часть лопатки, находящаяся снаружи обода.
Например, часть лопатки, находящаяся внутри обода колеса может иметь площадь от 51 до 90% от общей площади рабочей плоскости лопатки, соответственно, часть лопатки, находящаяся снаружи обода может иметь площадь от 49 до 10% от общей площади рабочей плоскости.
Таким образом, каждая лопатка 4 установлена на своей оси 5 с эксцентриситетом (со смещением в сторону центра колеса).
По форме лопатка 4 может быть выполнена прямоугольной, квадратной, треугольной, круглой, криволинейной, другой формой. Для уменьшения обтекаемости, каждая лопатка может быть выполнена с вогнутостью по отношению к направлению потока.
Каждая лопатка 4 снабжена рычагом 6. Для этого, каждый рычаг 6 жестко соединен с соответствующей ему осью 5 лопатки. Водяное колесо, между ободом 1 и ступицей содержит установленный неподвижно относительно опоры водяного колеса внутренний обод, имеющий поверхность переменной кривизны. За счет того, что внутренний обод относительно обода 1 является подвижным, внутренний обод можно представить, как кулачок 7.
Кулачок 7 на торцевой поверхности имеет закольцованный криволинейный паз 8. Паз 8 выполнен с изменением радиуса кривизны относительно минимального радиуса кулачка 7.
Изменение радиуса кривизны поверхности паза 8, соответственно, движение каждого поводка 9 определяется безударным законом движения, в нашем случае, синусоидальным законом движения.
Возможны и другие варианты выполнения кривой на поверхности кулачка, например, выполненной по закону, определяющему движение с «жестким» ударом; выполненной по закону, определяющему движение с «мягким» ударом (косинусоидальный закон). Наиболее предпочтительным, будет выполнение кривой по синусоидальному закону движения.
Известно, что синусоидальный закон движения применяется для достижения больших скоростей движения. Недостатком этого вида движения является медленный подъем толкателя в начале хода.
При синусоидальном законе движения графики скоростей и ускорений не имеют точек разрыва, поэтому движение происходит без ударов. В быстроходных механизмах движение толкателя должно быть безударным.
В заявленном механизме, удары возможны только из-за погрешностей изготовления профиля паза 8.
Поводок-толкатель 9 (далее, поводок 9), обеспечивает кинематическую связь своей лопатки 4 с кулачком 7. Кинематическую связь обеспечивается тем, что каждый поводок 9, на одном своем конце, снабжен роликом «ползуном» 10, другой конец поводка шарнирно (шаровой шарнир) соединен с рычагом 6, паз 8 предназначен для обеспечения возможности перемещения по нему ролика «ползуна» 10.
В качестве средства для направления движения поводков (каждого из них) кулачок может иметь закольцованный шип (выступ), например, Т-образного поперечного сечения. Закольцованный шип, на кулачке, может находиться на его торцевой поверхности или на боковой поверхности. При конструкции кулачка с шипом, каждый поводок, на одном своем конце имеет средство охвата шипа (которое может быть снабжено роликами), либо для охвата шипа, выполнен соответствующей шипу конфигурацией.
Поводок 9 совершает возвратно-поступательное движение (шатун), с ним шарнирно связан рычаг 6 жестко соединенный с осью 5, они (кривошип) совершают вращательное движение.
Возможность поводка 9 совершать поворотные движения повышает надежность передачи движения за счет самоустанавливаемости углов давления и передачи движения.
Для преобразования гидроэнергии в энергию вращательного движения заявленное водяное колесо способно функционировать как подливное (нижнебойное) или как среднебойное.
При воздействии потока (рабочего тела) на лопатки 4 (на каждую из них), последние от действующих на них силы потока развивают момент на колесе, приводя его во вращение в опорах 3. При вращении колеса, рычаги 6 лопаток 4 через поводки 9 увлекают связанные с ними ползуны 10 в направлении вращения, по пазу 8.
Сила сопротивления перемещению ползунам 10 (каждому из них) в пазе 8 передается через рычаги 6 на лопатки 4, в результате чего происходит отклонение каждой лопатки. В процессе вращения колеса, при изменении профиля кулачка 7 на уменьшенный радиус изменяется геометрия положения каждого поводка 9 относительно своего (соединенного с ним) рычага 6. Это приводит к повороту каждой лопатки 4, ориентируя ее по нормали к потоку.
При прохождении лопаткой 4 нижней точки, за счет несимметричности лопатки относительно оси ее поворота, возникает разница сил, действующих на разные по площади поверхности лопатки. В результате этого, момент, создаваемый на лопатке 4, превысит силу трения, возникающую в паре: ползун 10 - паз 8, что приведет к повороту лопатки 4 на оси 5 по направлению потока, на величину, ограниченную длиной поводка 9. Результатом переориентирования для каждой лопатки будет установление ее нормально к потоку.
После выхода лопатки 4 из потока конец поводка 9 снабженный ползуном 10, за счет сил трения, замедлит свое перемещение по пазу 8 кулачка 7, рычаг 6 лопатки 4 опередит на некоторый угол точку качения, то есть произойдет изменение направления силы, от толкающей на тянущую.
С подходом ползуна 10 к участку кулачка 7 меньшего радиуса описанный цикл начнет повторяться.
Результат - ориентирование рабочей поверхности лопатки нормально к потоку достигается за счет использования в конструкции водяного колеса кривошипно-кулачкового привода и несимметричности лопатки относительно оси ее поворота (фиг. 3).
Эффективность передачи энергии потока лопатке можно вывести исходя из выражения:
Лопатка более эффективно работает, когда угол атаки к направлению водного потока максимально приближен к 90 градусам.
Лопатка криволинейной формы (формы рабочей поверхности с большим коэффициентом сопротивления обтеканию) обеспечивает максимально близкое значение угла атаки к водяному потоку и наибольшую величину передаваемой энергии. Например, лопатка вогнутой формы, лопатка чашеобразной формы и т.п.
С уменьшением радиуса водяного колеса его угловая скорость увеличивается. Для заявленного водяного колеса это возможно при не уменьшении радиуса момента силы, при не уменьшении возможности приложения момента силы к колесу (в случае гребного колеса, при не уменьшении возможности передачи момента от колеса). Колесо, рассчитанное на большую угловую скорость применимо в конструкциях турбин.
Кроме того, расположение рабочей плоскости лопатки ближе к центру водяного колеса позволяет использовать энергию верхних слоев с водного потока, что особенно важно при его ограниченной глубине, фиг. 5.
Механизм (фиг. 3) сочетает в себе свойства кривошипно-шатунного и кулачкового механизмов.
В предлагаемом механизме рычаг 6 является кривошипом, поводок 9 - шатуном.
При такой связи (степень подвижности W=3n-2p, где:
n - число подвижных звеньев = 3 (равно трем),
р - число кинематических пар = 4 (равно четырем)), W=1,
т.е. при заданном движении входного звена, движение других определенное.
Особенность связи поводка 9 с рычагом 6 это их функциональная переориентация при вращении водяного колеса. Каждое звено за цикл (один оборот водяного колеса) выступает в роли ведущего звена и выступает в роли ведомого звена. В водяном колесе, в механизме поворота лопатки, роль толкателя выполняет поводок 9, который одним своим концом оббегает неподвижный кулачок 7 по его пазу 8.
Кинематическая связь поводка 9 с пазом 8 кулачка 7 может быть осуществлена, например, как показано на фиг. 4.
Вращательную кинематическую пару: поводок 9 - рычаг 6 целесообразно выполнить как пару скольжения (для каждой).
Вращательную кинематическую пару: ось 5 лопатки 4 - обод 1 целесообразно выполнить как пару скольжения (для каждой).
Материалы для изготовления элементов водяного колеса.
Элементы, детали водяного колеса могут быть изготовлены из полимера, пластика, термопласта, металла, дерева, из материала, обладающего светопропусканием.
Для каждого материала, соответственно изделия из этого материала, имеются свои допустимые (без изменения заданных характеристик изделия) для него условия эксплуатации. При этом одни из них допустимы долговременно, другие кратковременно.
Для решения поставленных задач водяное колесо следует рассматривать как твердое тело из любого, в том числе указанного, материала, возможного к применению.
Основные требования, а также в некоторых случаях дополнительные требования к материалам для изготовления элементов, деталей водяного колеса:
долговременно, в воздухе, при атмосферном давлении от 640 до 820 мм рт.ст., при температуре от -20 град. С до +70 град. С, при относительной влажности от 0,1 до 100% способность не поддаваться изменению заданной для материала формы и размеров;
высокая прочность;
стойкость к водо-поглощению, т.е. низкая гигроскопичность; высокая устойчивость к истиранию;
хорошее сопротивление ползучести, даже при высоких температурах;
физиологическая безвредность для человека (при необходимости);
стойкость к воздействию веществ, способных менять химические и/или физические свойства материала, а именно, повышенная химическая стойкость, обуславливающая стабильность изделий под воздействием порошкообразных веществ, гелеобразных веществ, жидких сред, жидких сред под давлением, в том числе стерилизующих жидкостей (при необходимости);
стойкость к воздействию разбавленных, концентрированных кислот, щелочей (при необходимости);
стойкость к нагреванию до +110 град. С (при необходимости);
стойкость к воздействию горячей воды, пара (при необходимости);
способность выдерживать тепловую стерилизацию (в том числе, автоклавирование), радиационную стерилизацию без изменения химических и/или физических свойств (при необходимости);
инертность к загрязнителям (при необходимости);
отсутствие запаха (при необходимости);
Такими материалами являются в том числе полимеры, пластики, термопласты инженерно-технического назначения, конструкционные термопласты, изделия из них могут быть получены методом литья.
К ним относятся:
Полиамиды, в том числе, полиамид 11 (РАН), полиамид 12 (РА12), полиамид 121200 (PA12G), полиамид 66 (РА66).
Нейлон / Полиамиды.
Нейлон - синтетический полимер, изготавливаемый на основе полиамидов.
Детали, элементы водяного колеса могут быть изготовлены не из чистого полиамида, а из полимеров, полученных либо из смеси разных полиамидов, либо из смеси полиамидов с другими компонентами (полимеры этой группы называют также полиамидами, сополиамидами и гриламидами).
Детали, элементы водяного колеса, выполненные из нейлона (полиамида) - очень легкие и прочные, обладают устойчивостью к воздействию высоких и низких температур (не меняют свою форму), устойчивы к образованию царапин.
РС-НТ
Литьевые термопластичные материалы, относящиеся по химическому составу к сложным полиэфирам (т.е. содержащие сложноэфирную группу) полибутилентерефталат (РВТ), поликарбонат (PC), термостойкий поликарбонат, сополикарбонат на основе бисфенола А и бисфенола ТМС (), полициклогександиметилентерефталат(полиэфир РСТ);
Простые полиэфиры: полиацеталь (РОМ-Н; РОМ-С), РРО, МРРО, МРРЕ, PPO-m, PPO/PS, PPO/HIPS, PPE/SB.
Полипропилен (РР), полиэтилен высокомолекулярный (РЕ-5), полиметилпентен (РМР).
Поликетоны алифатические (РК), поликетон.
РОМ
Относятся к группе кристаллизующихся материалов (высокая скорость кристаллизации). Выдерживают кратковременный нагрев до 180 град. С. Температура плавления: 220 град. С. Температура хрупкости: -20 град. С. Обладают высокой стойкостью к ударным нагрузкам, ползучести. Имеют высокую износостойкость. Не стойки к УФ-излучению. Обладают высокой химической и гидролитической стойкостью. Имеют очень высокую стойкость к автомобильному топливу (выше, чем у ). Стойки к углеводородам, органическим растворителям, разбавленным кислотам и щелочам, растворам солей. Отличаются очень низкой газопроницаемостью.
3
Характеристики ненаполненных марок: плотность (при 23 град. С): 1.24 г/см; предел текучести при растяжении (при 23 град. С): 60 Мпа; модуль упругости при изгибе (при 23 град. С): 1400 Мпа.
Стирольные пластики, например, полистирол синдиотаксический.
Относятся к металлоценовым материалам. Температура плавления: 260-270 град. С. Температура стеклования: около 100 град. С. Устойчивы к действию бензина, дизельного топлива антифризам, спиртам, растворам солей, разбавленным кислотам, щелочам и др. Очень стойки к воде. Имеют высокую размерную стабильность. Рекомендуются для точного литья. Хорошо перерабатываются. Обычно применяются в виде стеклонаполненных, угленаполненных и др. композиций.
Характеристики стеклонаполненных марок (30% стекловолокна):
3
плотность (23 град. С): 1.21-1.44 г/см;
прочность при растяжении (при 23 град. С): 100-125 Мпа;
модуль упругости при растяжении (при 23 град. С): 7580-10000 Мпа.
Также возможны к применению ацетобутиратцеллюлозный и ацетил целлюлозный этролы.
Для повышения физико-механических свойств возможна добавка 1-5% стеклянного волокна.
Ацетат целлюлозы. Пластмассы на основе ацетат целлюлозы (этролы) используют для изготовления прочных пластмасс.
Легкий и достаточно прочный, устойчив к механическим воздействиям при обычныхтемпературах, легко обрабатывается.
Углеволокно (углеродное волокно, карбон) - композитный материал, состоящий из волокон углерода, которые соединены между собой эпоксидными смолами и/или другими полимерами (полиэстер, нейлон), также и для пара-арамидного волокна.
Для повышения прочности волокна материала переплетают между собой под определенным углом и добавляют в них полимерные волокна и эпоксидные смолы.
Также возможны к применению и другие композитные материалы, полимерные композитные материалы, относящиеся к: стеклопластикам, углепластикам, боропластикам, полимерам, наполненным порошками, текстадитам, композитные материалы с металлической матрицой, и др. Композитные материалы клеевые (КМК) представляют собой стекло-, углепластики, изготовленные из клеевых препрегов на основе стекло- и угленаполнителей и клеевой матрицы с регулируемой прочностью и теплостойкостью путем определенной укладки каждого монослоя.
Пропионаты.
Этот тип полимеров по своим свойствам близок к ацетату целлюлозы. Детали водяного колеса можно получить литьем под давлением (методом инжекции).
Элементы, детали водяного колеса, выполненные из пропионата, будут прочнее, гибче и легче, чем элементы, детали водяного колеса, выполненные из ацетата целлюлозы.
Металлы.
В дополнение к требованиям, изложенным выше, основными возможными требованиями к металлам, к стали и сплавам для производства деталей водяного колеса, могут быть:
высокая стойкость к общей, местной, контактной коррозии, коррозии под напряжением; высокие механические свойства и в первую очередь большая усталостная прочность, временное сопротивление разрыву; однофазная стабильная структура.
Этим требованиям в различной мере отвечают:
хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали; сплавы кобальта, тантала, титана; никель, серебро, титан; стали мартенситного класса марки 20X13, стали мартенситно-ферритного класса - 12X13; латуни с покрытием из хрома и никеля; хромоникелевые стали аустенитного класса 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; ферритные стали типа 1X17.
Для изготовления гибких элементов, элементов, которые должны обладать гибкостью (упругостью) водяного колеса можно использовать сталь, поставляемую по ГОСТ 9389-75.