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

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в гидроагрегатах ГЭС в широком диапазоне напоров и мощностей.
Наиболее простыми по конструкции и надежными в работе являются устройства на основе водяного колеса с неподвижными лопатками. Однако такие конструкции работают только в диапазоне небольших скоростей вращения и имеют крайне низкий коэффициент использования энергии водяного потока. Для его увеличения используют схему с двумя параллельно установленными водяными колесами, вращающимися в противофазе. В патенте FR 2300235 описано устройство с двумя водяными колесами, КПД которого повышен за счет системы неподвижных направляющих сложной формы на входе и выходе устройства.
В заявке WO 2008018087 описана гидроустановка с двумя водяными колесами, оси которых расположены параллельно друг другу. Колеса заключены в корпус, повторяющий форму колес и образующий две камеры. Водоподводящий и отводящий патрубки расположены перпендикулярно к осям колес и имеют размеры, перекрывающие только половину каждого из колес. Таким образом, вода поступает на лопасти колес, обращенные друг к другу. На противоположные лопасти она не попадает, так как они закрыты стенками камеры. Устройство имеет большие паразитные протечки воды, резко увеличивающиеся при несинхронном вращении колес.
Известно устройство для преобразования энергии воды во вращательную энергию, RU 2524311, в котором также применены два идентичных водяных колеса. Колеса расположены в корпусе симметрично относительно вертикальной оси водоподводящего патрубка на расстоянии радиуса водяного колеса. Вода поступает на лопасти, расположенные между колесами. В этом устройстве, в отличие от предыдущего, для уменьшения протечек и удержания воды в карманах водяного колеса торцевые пластины корпуса соединены изогнутыми по радиусу колеса водоудерживающими элементами, которые вместе с корпусом образуют камеры для колес в их рабочей области. В данной конструкции принципиальное значение имеет синхронность вращения колес, так как в противном случае будут присутствовать большие потери воды между колесами. Синхронное вращение колес обеспечивается кинематической связью их друг с другом посредством зубчатой передачи, которая усложняет и удорожает устройство.
Известно устройство для преобразования энергии воды во вращательную энергию - так называемая гидротурбина Белова, RU 2113593, с двумя роторами с лопастями, подвижными в радиальном направлении. Роторы установлены параллельно друг другу в цилиндрических камерах корпуса с торцевыми крышками на расстоянии друг от друга, равном длине двух лопастей. При этом лопасти полностью перекрывают просвет между роторами, но не задевают друг друга при работе. Подвижные в радиальном направлении лопасти установлены в радиальных направляющих роторов и перемещаются за счет взаимодействия штырей на свободных концах лопастей с профильными канавками на внутренних торцах корпуса. На корпусе с противоположных сторон перпендикулярно плоскости, проходящей через оси вращения обоих роторов, выполнены два патрубка для входа и выхода потока воды. Во входном патрубке установлена обтекаемая направляющая, которая разделяет поток воды на два и направляет эти потоки на лопасти, расположенные с внешних сторон смежных роторов. Воздействие этих потоков на лопасти вызывает вращение роторов в противоположные стороны. В описании не указана необходимость синхронизации вращения роторов, однако без нее турбина будет работать с очень большими непроизводительными потерями воды. Важнейший недостаток этой конструкции заключается в наличии больших сил трения подвижных лопастей в радиальных направляющих.
Известна также гидротурбина, RU 2147078, в которой подвижные лопасти имеют изогнутую форму и одним концом шарнирно прикреплены к роторам, а другим концом с помощью штырей скользят в канавках крышек. Остальные элементы конструкции этой турбины подобны предыдущей. Роторы установлены параллельно друг другу в камерах корпуса, имеющих форму полуцилиндров, на расстоянии друг от друга, равном двум радиусам роторов. Каждый ротор выполнен с криволинейными пазами вдоль продольной оси ротора, причем форма этих пазов соответствует форме подвижных лопастей. На корпусе с противоположных сторон перпендикулярно плоскости, проходящей через оси вращения обоих роторов, выполнены два патрубка для входа и выхода потока воды. Во входном патрубке установлена обтекаемая направляющая, которая разделяет поток воды на два и направляет эти потоки на лопасти, расположенные с внешних сторон смежных роторов. В этой конструкции за счет шарнирного крепления подвижных лопастей к ротору уменьшены силы трения между лопастями и ротором. Однако обе вышеописанные гидротурбины имеют общий недостаток, заключающийся в том, что они надежно и устойчиво работают только при небольших скоростях вращения роторов, т.е. при небольших напорах. При увеличении скорости сказывается трение штырей о стенки канавок, что приводит к заклиниванию отдельных лопастей и их поломке. Гидротурбины с подвижными лопастями имеют увеличенное количество деталей, обеспечивающих подвижность лопастей, и достаточно сложную конструкцию, что снижает надежность и долговечность их работы. Кроме того, в гидротурбине все-таки остаются значительными непроизводительные потери воды, которая протекает между направляющей и лопатками по оси симметрии устройства, особенно без синхронизации вращения роторов.
Таким образом, задача создания простого и надежного устройства, эффективно преобразующего энергию воды в механическую энергию вращательного движения в широком диапазоне напоров и мощностей, остается по-прежнему актуальной. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении непроизводительных потерь воды, в расширении диапазона напоров и мощностей, в котором конструкция работает эффективно, а также в уменьшении количества взаимодействующих деталей, что повышает надежность и долговечность работы устройства.
Для достижения указанного технического результата устройство для преобразования энергии воды в энергию вращения, как и прототип, содержит корпус с внутренней полостью, которая имеет форму двух параллельно расположенных и пересекающихся камер цилиндрической формы. С противоположных сторон корпуса симметрично камерам выполнены входной и выходной патрубки для воды. В камерах установлены два ротора, а во входном патрубке по центру установлена обтекаемая направляющая, разделяющая поток воды на два и направляющая его к противолежащим боковым стенкам цилиндрических камер. В отличие от прототипа роторы выполнены в виде косозубых зубчатых колес с криволинейными зубьями, находящихся в зацеплении. Причем профиль рабочих участков зубьев одного из колес в торцовом сечении очерчен дугами окружностей, эксцентрично смещенных относительно оси колеса. Сопрягаемые участки зубьев другого колеса в тех же сечениях очерчены участками фронтов циклоидальных кривых. Входной и выходной патрубки для воды смещены вдоль роторов к их концам в противоположные стороны.
Входной патрубок целесообразно расположить наклонно к плоскости, проходящей через оси обоих роторов, с тем чтобы направлять поток воды нормально к винтовой поверхности зубьев роторов. Это увеличит степень использования кинетической энергии воды.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения с патрубками, расположенными наклонно к плоскости, в которой лежат оси обоих роторов.
На фиг. 2 - то же, со снятой верхней частью корпуса.
Фиг.3 и 4 схематически иллюстрируют принцип действия устройства. На фиг. 3 представлено торцевое сечение роторов, для большей наглядности совмещенное в одной плоскости с сечениями входного и выходного патрубков, расположенных в реальной конструкции в разных плоскостях. На фиг. 4 показан продольный разрез устройства через оба наклонных патрубка.
На фиг. 5 дан реальный поперечный разрез устройства.
На фиг. 6 в разрезе вдоль осей обоих роторов показан один из возможных вариантов соединения заявляемого устройства с электрогенераторами в один агрегат.
Устройство представляет собой корпус 1, выполненный из нижней 2 и верхней 3 части с крепежными отверстиями 4 для соединения частей друг с другом. В принципе, корпус может быть выполнен, как и в прототипе, из двух торцевых крышек, соединяемых обечайкой. Внутренняя часть корпуса 1 представляет собой полость в виде двух параллельно расположенных камер 5 и 6 цилиндрической формы. Цилиндры камер пересекаются друг с другом, так что в центре камеры 5 и 6 открыты в сторону друг друга. В камерах 5 и 6 расположены роторы 7 и 8, посаженные в корпусе с помощью подшипников. Торцы роторов плотно прилегают к торцевым стенкам камер. Сверху на корпусе 1 выполнен входной патрубок для воды 9, а снизу корпуса - выходной патрубок 10. Камеры с роторами 7 и 8 расположены симметрично относительно каждого из патрубков 9 и 10.
Роторы 7 и 8 выполнены в виде зубчатых колес с криволинейными зубьями 11 и 12, находящихся в зацеплении друг с другом (см. фиг. 2, 3 и 5). Зубья роторов имеют различную форму. У ротора 7 криволинейные зубья 11 в торцовом сечении зубчатого колеса имеют на рабочих участках 13 форму дуги окружности 14, которая эксцентрично смещена на расстояние D от оси вращения колеса 11. Сопряженные рабочие участки 15 зубьев 12 другого колеса в тех же торцовых сечениях образованы участками фронтов циклоидальных кривых 16. Циклоидальными кривыми в данном случае являются эквидистанты эпициклоид. Косозубый профиль колес образуется при непрерывном повороте и осевом смещении этих сопряженных профилей 13 и 15. Такое зацепление получило название эксцентриково-циклоидального или ЭЦ зацепления (см. RU 2416748).
Для того чтобы поток воды воздействовал только на внешние периферийные зубья роторов, являющиеся рабочими, по оси входного патрубка 9 установлена обтекаемая направляющая 17 (см. фиг. 3). Эта направляющая делит весь поток 18 воды в патрубке 9 на две части 19 и 20, и направляет эти потоки к внешним зубьям роторов 7 и 8.
В продольном направлении патрубки 9 и 10 смещены в противоположные стороны к концам роторов, как это показано на фиг. 4. Такое смещение патрубков обеспечивает подачу воды в пространство между винтовыми зубьями соседних роторов до запирающего контакта зубьев 11 и 12. В противном случае при подаче воды по центру камеры часть воды будет попадать в пространство после запирающего контакта зубьев 11 и 12 и проливаться в выходной патрубок без совершения полезной работы.
Ось входного патрубка 9 расположена наклонно под углом α к плоскости расположения осей роторов. Угол α зависит от угла наклона косых зубьев 11 и 12 роторов 7 и 8 и выбирается из условия, чтобы потоки воды 19 и 20, образующиеся после разделения потока 18, были направлены нормально к винтовым поверхностям зубьев 12 и 13 роторов 7 и 8, что увеличивает динамическое давление воды на зубья роторов. При этом достигается наибольшая степень использования кинетической энергии водяного потока. Ось выходного патрубка 10 может быть расположена под любым углом, но с точки зрения минимальных изменений направления движения потока воды ее лучше сделать совпадающей с осью входного патрубка 9, как это показано на фиг. 4.
Роторы 7 и 8 соединены с выходными валами 21 и 22. В описываемой конструкции выходные валы выполнены за одно целое с зубчатыми роторами 7 и 8. Выходные валы с помощью муфт 23 и 24 соединены с входными валами электрогенераторов 25, 26. Возможно использование и одного, более мощного генератора. Тогда вращение от валов 21 и 22 должно передаваться на вал генератора с помощью дополнительной зубчатой передачи (не показана).
Использование в качестве роторов колес с сопряженными профилями (т.е. с профилями, образующими зубчатое зацепление), во-первых, без установки дополнительных устройств синхронизует вращение роторов, а во-вторых, создает постоянный запирающий контакт между роторами в центре устройства. И тот и другой эффекты служат уменьшению непроизводительных протечек воды.
Однако здесь нельзя использовать зубчатые зацепления любого профиля, поскольку большинство из них либо очень чувствительны к перекосам колес (зацепление Новикова), либо имеют значительные потери на трение (эвольвентное зацепление). В отличие от них ЭЦ зацепление малочувствительно к перекосам колес и неточностям установки межцентрового расстояния (см. Казакявичюс С.М., Становской В.В., Ремнева Т.А. и др. Работоспособность эксцентриково-циклоидального зацепления при изменении межосевого расстояния колес. Модификация вершин и впадин зубьев // Вестник машиностроения. - 2011. - №3. Стр. 7-9). Кроме того, подбором параметров ЭЦ зацепления можно добиться полюсного зацепления, при котором профили перекатываются друг по другу и скольжение сведено к минимуму (см. В.В. Становской, С.М. Казакявичюс и др. Полюсный контакт в эксцентриково-циклоидальном зацеплении // Сб. трудов Международного симпозиума «Теория и практика зубчатых передач». 21-23 января 2014 г. Ижевск, с. 220-226).
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Поток воды 18 через входной патрубок 9 разделяется на два потока 19 и 20 обтекаемой направляющей 17. Эти потоки за счет наклона входного патрубка направлены приблизительно под прямым углом к винтовой боковой поверхности зубьев 12 и 13, расположенных справа и слева от общего центра роторов. Напор этих потоков воды создает силы, заставляющие вращаться роторы 7 и 8 в противоположные стороны. Поскольку роторы зубчатым зацеплением связаны между собой, то они вращаются синхронно, и протечек воды по центру устройства между роторами практически не происходит. Отсутствие трения между колесами позволяет роторам вращаться с высокими скоростями и работать при больших напорах воды. Как показали наши исследования, предлагаемая конструкция работоспособна в очень широком диапазоне скоростей вращения (вплоть до 3000 об/мин). Такая скорость вращения вполне достаточна для мощностей стандартных генераторов вплоть до 10 МВт.
Таким образом, предлагаемое устройство может заменить целую гамму гидроагрегатов различной конструкции, каждый из которых эффективно работает в достаточно узком диапазоне напоров и мощностей.