ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ-НАСОС
HYDRAULIC MOTOR

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для водоснабжения, в частности для сельскохозяйственного водоснабжения с использованием энергии открытых водных потоков.
Известен водяной насос с энергосберегающим приводом, предназначенный для сельскохозяйственного водоснабжения с использованием энергии открытых водных потоков. Насос включает в себя питательную емкость для воды, впускной и выпускной каналы, рабочую камеру, образованную в поршне, имеющую всасывающий и напорный клапаны, неподвижный напорный трубопровод, расположенный соосно внутри рабочей камеры и снабженный упомянутым напорным клапаном, при этом между напорным трубопроводом и рабочей камерой установлено уплотнение (патент РФ №2245460, F04B 9/00, 12.05.2003).
Недостатком указанного технического решения является сложная механическая кинематическая связь между поршнем и механизмом переключения. Сжатие аккумулирующей пружины в процессе переключения требует значительных затрат энергии. В момент переключения механизма (когда аккумулирующая пружина максимально сжата) тангенциальная составляющая пружины равна нулю, а все радиальное усилие преобразуется в давление шарика на беговую дорожку. После перехода аккумулирующей пружины через точку переключения усилие, создаваемое ею, не полностью передается тягам, т.к. наибольшая величина усилия направлена радиально тягам и только небольшая часть усилия сжатой пружины (тангенциальная) расходуется на переключение. Эта тангенциальная составляющая может быть компенсирована силами трения в механизмах привода. Насос представлен в одноцилиндровом исполнении, что ограничивает увеличение подачи воды и создает неравномерность потока воды в напорном трубопроводе.
Наиболее близким техническим решением является водяной насос с энергосберегающим приводом, содержащий питательную емкость для воды, впускной и выпускной каналы, рабочую камеру, образованную в поршне, имеющую всасывающий и напорный клапаны, неподвижный напорный трубопровод, расположенный соосно внутри рабочей камеры и снабженный упомянутым напорным клапаном, при этом между напорным трубопроводом и рабочей камерой установлено уплотнение, привод, который выполнен в виде установленного в корпусе сосуда, частично заполненного водой, снабженного золотниково-пружинным механизмом, включающим золотник, фиксирующие пружины с шариками, расположенными в кольцевых канавках стержня золотника, и регулировочные колпачки. Данный привод обеспечивает гидравлическую связь поршня с механизмом переключения (перекрытия впускного и выпускного каналов) (патент РФ №2316681, F04B 9/00, 11.04.2005).
Следует отметить, что при классификации поршневых гидромашин за основу принимаются: кратность действия, конструкция поршня, число и расположение цилиндров, а также конструкция распределителя. Насос однократного действия (один цилиндр и поршень) за один оборот коленчатого вала (один рабочий и холостой ход) вытесняет жидкость из рабочей камеры один раз. То есть, для повышения эффективности работы насоса (увеличения подачи) необходимо увеличение многократности действия с увеличением числа цилиндров более одного (одно- и многоцилиндровые гидравлические машины) (Гейгер В.Г. Гидравлика и гидропривод / В.Г.Гейгер, B.C.Дулин, А.Г.Боруменский, А.Н.Заря: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. - С.159-171).
Аналогично проводимой классификации гидравлический двигатель-насос можно рассматривать как насос однократного действия. Увеличение объема рабочей камеры возможно за счет увеличения диаметра цилиндра и поршня с увеличением габаритов и металлоемкости насоса, имеющих предел технических возможностей.
Таким образом, недостатком указанного технического решения по патенту (патент РФ №2245460, F04B 9/00, 12.05.2003) является ограниченность и неравномерность подачи. Система управления клапанами впускного и выпускного каналов не решает задачу управления клапанами двухкратного гидравлического двигателя-насоса.
Известны поворотные объемные гидродвигатели, у которых угол поворота выходного звена (вала) не превышает 360°. Представляют интерес поворотные гидродвигатели с реечной передачей, где поступательное движение преобразуется в поворотное. Шток соединен с поршнями гидроцилиндра, оборудован зубчатой рейкой в сочленении с зубчатым колесом с закрепленным на валу зубчатого колеса рычагом (Гейгер В.Г. Гидравлика и гидропривод / В.Г.Гейгер, B.C.Дулин, А.Г.Боруменский, А.Н.Заря: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. - С.159-171).
Задача изобретения - повышение эффективности работы гидравлического двигателя-насоса.
Эта задача достигается тем, что в гидравлическом двигателе-насосе, работающем с использованием энергии открытых водных потоков, содержащем питательную емкость для воды, питательный и выпускной трубопроводы, впускной и выпускной каналы, насос однократного действия, включающий рабочую камеру, образованную в поршне, всасывающий и напорный клапаны, неподвижный напорный трубопровод, расположенный соосно внутри рабочей камеры и снабженный упомянутым напорным клапаном, при этом между напорным трубопроводом и рабочей камерой установлено уплотнение, привод для управления работой насоса, который выполнен в виде установленного в корпусе сосуда, частично заполненного водой, снабженного золотниково-пружинным механизмом, включающим золотник, фиксирующие пружины с шариками, расположенными в кольцевых канавках стержня золотника, и регулировочные колпачки. При этом гидравлический двигатель-насос включает в себя два насоса однократного действия. Напорные трубопроводы соединены между собой параллельно на общий напорный трубопровод. Нижняя часть золотника выполнена в виде зубчатой рейки, находящейся в сочленении с зубчатым сектором с рычагом. Питательная и выпускная трубы являются общими, а в соединении их с впускными и выпускными каналами установлены перекидные клапаны. Золотниково-пружинный механизм является общим для обоих насосов.
a
На фиг.1, 2, 3, 4, 5 изображен гидравлический двигатель-насос. На фиг.1 представлено положение поршня однократного насоса при его положении в нижней мертвой точке; на фиг.2 - то же, при верхней мертвой точке; на фиг.3 - положение двух однократных насосов при совместной работе; на фиг.4 - положение двух однократных насосов с подачей на один напорный трубопровод; фиг.5 - пружинно-клапанный механизм; I, II - соответственно первый и второй однократные насосы; P - атмосферное давление.
Гидравлический двигатель-насос, включающий в себя всасывающий клапан 1, тягу 2, подводящий канал 3 насоса II, впускной перекидной клапан 4, питательный трубопровод с задвижкой и фильтром 5, подводящий канал 6 насоса I, питательную емкость 7, гильзы цилиндров 8, поршни 9, рабочие камеры 10, напорный клапан насосов 11, уплотнения 12, напорный трубопровод 13 насоса I, корпус привода 14, сосуд привода 15, золотник 16, отводящий канал 17 насоса I, отводящий трубопровод 18, кольцевую выточка 19, золотниково-пружинный механизм 20, выпускной перекидной клапан 21, рычаг 22, выпускной канал 23 насоса II, напорный трубопровод 24 насоса II, общий напорный трубопровод 25, корпус поворотного механизма 26, зубчатый сектор 27, зубчатую рейку 28 на стержне золотника 16, шарик 29, пружину 30, кольцевую канавку 31, натяжные колпачки 32.
Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. Для запуска гидравлического двигателя-насоса (в дальнейшем насоса) в работу открывается задвижка, расположенная на питательном трубопроводе 5. При этом поршень 9 и золотник 16 находятся в нижнем положении, впускной канал 6 открыт, а выпускной 17 закрыт, впускной канал 3 к насосу II закрыт, а выпускной 23 открыт. Рабочая камера 10 через всасывающий клапан 1 заполнена водой. Вода из питательной емкости 7 через фильтр питательного трубопровода 5, впускной канал 6 заполняет гильзу цилиндра 8 (в дальнейшем гильза) и корпус привода 14, заполняет зазор между гильзой и поршнем 9 до его верхней образующей. Возникающая подъемная сила Архимеда, преодолевая силу тяжести поршня 9 и рабочей камеры 10, силу трения в уплотнении 12 перемещает поршень 9 относительно напорного трубопровода 13 вверх. При этом всасывающий клапан 1, расположенный в рабочей камере 10, закрыт, а нагнетательный клапан 11, расположенный в напорном трубопроводе, открыт. При движении поршня вверх объем рабочей камеры уменьшается, создается избыточное давление, под действием которого вода поступает в напорный трубопровод 13 и далее в общий напорный трубопровод 25 (фиг.4) и к потребителю. Уплотнение 12 в насосах I, II между цилиндром рабочей камеры 10 и напорным трубопроводом 13 исключает утечки воды и давления из рабочей камеры 10. Одновременно вода заполняет корпус привода 14 до верхней образующей сосуда привода 15 с увеличением подъемной силы Архимеда на сосуд привода до максимального значения при положении поршня в верхней мертвой точке. Преодолевая сопротивление пружины 30, шариков 29, удерживающих золотник в кольцевой канавке 19 (фиг.2, 5), силы тяжести сосуда привода 15 и воды, находящейся в нем, сосуд привода резко поднимается вверх вместе с золотником 16, при этом шарики занимают положение в кольцевой канавке 31 (фиг 2, 5). Движение золотника 16 с зубчатой рейкой 28 приводит во вращение зубчатый сектор 27, на валу которого размещен рычаг 22, который приводит в движение тягу 2. Зубчатый сектор находится в корпусе 26. Тяга 2, шарнирно соединенная с перекидными клапанами 4, 21, перемещается влево (фиг.2), совершая перекрытие подводящего канала 6 с открытием выпускного канала 17 и одновременно освобождая подводящий канал 3 для подачи воды в гильзу 8 насоса II с перекрытием выпускного канала 23 (фиг.2). Таким образом, обеспечивается рабочий ход в насосе II, аналогично фиг.1. Истечение воды из цилиндра 8 через выпускной канал 17 и отводящему трубопроводу 18 сопровождается понижением уровня воды в корпусе привода 14 и соответственно уменьшением подъемной силы Архимеда на сосуд привода 15 до нуля. При этом возрастает действие силы тяжести сосуда привода 15 и воды, находящейся в нем. Под действием этих сил сосуд привода перемещает золотник 19, при этом шарики, попадая в кольцевую канавку 19, обеспечивают фиксированное положение золотника 16 (фиг.1). Далее процесс повторяется с обеспечением очередности рабочих и холостых ходов в насосах I, II. Если в насосе I рабочий ход, в насосе II - холостой и наоборот. Вода от насоса II подается в напорный трубопровод 24 и в общий напорный трубопровод 25 (фиг.3, 4). Регулировка пружинно-клапанного механизма осуществляется доливом (сливом) воды в сосуд привода 13 и изменением усилия на пружины 30 и шарики 29 натяжными колпачками 32.
Преимуществом описываемого технического решения по сравнению с прототипом является повышение эффективности работы насоса, выражающееся увеличением его подачи, а также равномерностью движения воды в общем нагнетательном трубопроводе. При этом сокращается количество питательных и выпускных трубопроводов, пружинно-клапанных механизмов, корпусов и сосудов привода, тяг, а следовательно, снижается общая металлоемкость насоса. Насос экологически чистый, может работать с напором 1 м и более за счет открытых потоков (ручьи, речки и пр.), обеспечивая потребности в воде людей, животных, для полива с.-х. культур и пожаротушения
Источники информации
1. Патент РФ №2245460, F04B 9/00, 12.05.2003.
2. Патент РФ №2316681, F04B 9/00, 11.04.2005. - прототип.
3. Гейгер В.Г. Гидравлика и гидропривод / В.Г.Гейгер, B.C.Дулин, А.Г.Боруменский, А.Н.Заря: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. - С.159-171.