УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
DEVICE TO CONVERT WATER ENERGY INTO MECHANICAL POWER OF ROTATION

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии сбрасываемой воды в природных и техногенных системах в механическую энергию вращательного движения.
Известны устройства для преобразования энергии текущей воды в полезную работу различного типа, например роторно-лопастная гидравлическая машина (RU 99076 U1, опубл. 10.11.2010 г.).
Роторно-лопастная гидравлическая машина содержит направляющий аппарат, турбинную камеру, рабочее колесо, состоящее из корпуса с установленными на нем лопастями и разъемно закрепленного на валу, который установлен в подшипнике, а также отсасывающую трубу. Турбинная камера выполнена в виде винтообразного полого цилиндра, один конец которого соединен с направляющим аппаратом, а другой его конец соединен с отсасывающей трубой, лопасти рабочего колеса размещены непосредственно в полости винтообразного цилиндра, а направляющий аппарат размещен перед турбинной камерой. Кроме того, номинальный внутренний диаметр турбины равен диаметру рабочего колеса.
Известна осевая турбина (RU 94288 U1, опубл. 20.05.2010).
Осевая турбина содержит направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов, между которыми закреплены лопатки, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, водоподводящую и водоотводящую части. При этом камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы. Корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленным на валу. Вал расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах. Каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена в виде двух подвижно соединенных частей, первая из которых жестко закреплена между корпусами направляющего аппарата, а вторая часть закреплена между ними с возможностью поворота относительно первой части. Рабочее колесо снабжено тремя такими лопастями, равномерно установленными на корпусе с помощью крепежных элементов.
В них основными рабочими элементами являются водяные колеса с лопастями, установленные внутри корпуса сложной формы, трудоемкого в изготовлении, монтажа и эксплуатации. Лопасти водяного колеса выполнены и установлены с возможностью изменения положения и профиля в процессе эксплуатации посредством механизма привода.
(11)
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для преобразования энергии воды в электрическую энергию (патент RU№2306453 C2, кл. F03B 7/00, 2006, опубл. 20.09.2007).
Устройство для преобразования энергии воды в электрическую энергию содержит водяное колесо из жестко связанных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы. Кроме того, оно снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутом с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластин из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0 с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему периметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м. Водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах.
Недостатками описанного устройства являются низкая удельная мощность и низкий КПД использования воды, обусловленные тем, что наполняемость отсеков водяного колеса составляет не более 60-70% от объема, при этом часть воды выливается из отсеков при вращении из-за наличия зазора между поверхностями колеса и водоудерживающего элемента, сложная в изготовлении конструкция лопастей колеса и необходимость использования их в большом количестве с целью увеличения наполняемости отсеков колеса водой.
Решаемой технической задачей настоящего изобретения является повышение удельной мощности устройства и КПД использования воды, упрощение конструкции.
Решаемая техническая задача в устройстве для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения, содержащем водяное колесо из жестко соединенных боковых стенок, лопастей и ступицы, водоподводящую и водоотводящую системы, водоудерживающий элемент, закрепленный на корпусе, установлен от нижней до верхней точек боковых стенок водяного колеса со стороны рабочей его части, выполненный радиально изогнутым и шириной, равной ширине водяного колеса, причем водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на корпусе, достигается тем, что устройство содержит второе водяное колесо, одинаковое по конструкции с первым водяным колесом и снабженное также таким же водоудерживающим элементом, причем оба водяные колеса связаны друг с другом кинематически посредством зубчатой передачи и установлены на корпусе, выполненном в виде двух пластин, соединенных водоудерживающими элементами, симметрично относительно вертикальной оси водоподводящей системы на расстоянии радиуса водяного колеса, лопасти каждого водяного колеса выполнены в виде пластин прямоугольной формы и закреплены к ступицам и боковым стенкам колес таким образом, что между внутренними поверхностями ступицы, лопастей, боковых стенок образованы карманы, полностью наполняемые водой со стороны рабочих частей двух водяных колес с удержанием воды при вращении до нижней точки.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически представлено устройство для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения, продольный разрез А-А, на фиг.2 - вид сверху.
Устройство (фиг.1, фиг.2) содержит два водяных колеса 1, совершенно одинаковых по конструкции, из жестко связанных ступицы 2, двух боковых стенок 3 в виде диска, плоских лопастей 4 и кинематически связанных зубчатой передачей 5, обеспечивающей их синхронное вращение. Устройство также содержит подшипниковые узлы 6, корпус 7, выполненный в виде двух пластин, соединенных водоудерживающими элементами, водоподводящую 8 и водоотводящую (на чертеже не показана) системы. Устройство снабжено водоудерживающими элементами 9, которые выполнены радиально изогнутыми и установленными жестко со стороны рабочей части водяных колес на корпусе 7 без зазора. Лопасти 4 каждого водяного колеса 1 выполнены в виде одной плоской пластины прямоугольной формы длиной, равной ширине колеса, и жестко соединены со ступицей 2, а торцами - с боковыми стенками 3. Количество лопастей выбирается с учетом размеров водяного колеса.
Устройство для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения работает следующим образом. Вода из водохранилища (на чертеже не показано) по водоподводящей системе 8 поступает сверху в камеру водяных колес 1 через водовод прямоугольного сечения. Расход подаваемой воды регулируется с помощью направляющего аппарата, снабженного приводом (на чертеже не показан). Далее поток воды, сохраняя свое первоначальное вертикальное движение, взаимодействует с лопастями 4 водяных колес 1, отдает им потенциальную и кинетическую энергии, которые преобразуются в механическую энергию в виде вращательного момента на валу. Движение всей массы потока воды в одном, только в вертикальном направлении приводит к улучшению гидродинамических характеристик потока, например к уменьшению энергетических потерь, повышению равномерности и скорости потока. Это позволяет повысить пропускную способность и удельную мощность устройства, значительно улучшить эксплуатационные возможности, например, можно его использовать в широком диапазоне напоров потока воды. Повышение КПД использования воды, поступающей из водоподводящей системы, в предлагаемом устройстве достигается путем установления в корпусе еще одного второго водяного колеса, совершенно одинакового по конструкции, имеющего кинематическую связь с первым водяным колесом и применением водоудерживающих элементов из упругого материала, жестко закрепленных в корпусе без зазора и прижатых к поверхностям боковых дисков водяных колес. Повышение удельной мощности устройства обеспечивается из-за увеличения вращательного момента вследствие полного наполнения всех отсеков (карманов) со стороны рабочих частей двух водяных колес и удерживанием воды в них без потерь при вращении до нижней точки.
2
Объем удерживаемой воды зависит от геометрических размеров водяных колес и может быть рассчитан по формуле: V=πRH, где R - радиус боковых дисков, H - ширина водяного колеса.
Дополнительный технический эффект упрощения конструкции устройства для преобразования энергии воды в энергию вращательного движения достигается сокращением количества лопастей, выполненных в виде одной пластины простой прямоугольной формы, удобной для крепления к ступице и боковым стенкам. Объем, ограниченный двумя соседними лопастями, ступицей и боковыми стенками в виде обелиска, образует отсек (карман) колеса для приема и удержания воды из водоподводящей системы. Плоские лопасти обеспечивают плавное заполнение водой отсеков (карманов) водяных колес, а в нижнем положении способствуют воде выливаться из отсеков в самой нижней точки при вращении.
Поставленная задача решается еще тем, что в гидравлической части устройства, состоящей из корпуса с установленными на нем двумя водяными колесами, новым является симметричное размещение водяных колес относительно оси водовода, что обеспечивает равномерное заполнение отсеков водяных колес и приводит к улучшению гидравлических характеристик потока. Это позволяет повысить пропускную способность в два-три раза и удельную мощность устройства. Кроме того, корпус устройства одновременно выполняет и функцию камеры водяных колес, что способствует упрощению конструкции и уменьшению габаритов основного узла устройства, где происходит преобразование энергии воды в энергию вращательного движения.
Конструкция устройства проста в изготовлении, может быть выполнена из листового металла или из дерева. В конструкции отсутствует бесполезное пространство, заполненное водой, не производящей полезную работу.