ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ЛОПАСТНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО

Полезная модель используются для получения вращательного движения вала колеса, которое необходимо для выработки экологически чистой электроэнергии или подъема поливной воды.
Известны устройства, реализующие вращение вала колеса, расположенного горизонтально в потоке движущейся жидкости. В ряде работ /см. А. С. СССР SH 1408098, Патент Франции FR 2613780/ приводное колесо расположено вертикально, что затрудняет его эксплуатацию в зимний период и существенно зависит от влияния ветровых нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой модели можно отнести устройство, рассмотренное в работе /см. патент RU 2010991/, состоящее из горизонтально расположенного колеса, снабженного лопастями и системой управления положением лопастей.
Недостатком данного устройства является то, что в активной зоне, где набегающий поток создает полезный момент кручения, необходимый для вращения колеса, лопатки расположены радиально, а не перпендикулярно потоку жидкости. Такое расположение лопаток не обеспечивает реализацию максимального момента кручения колеса.
Сущность полезной модели заключается в том, что горизонтальное лопастное колесо, содержащее колесо с лопастями, устройство управления положением лопастей и остов крепления узлов, дополнительно содержит на каждой лопасти в ее нижней части вилку, ось которой смещена относительно своей оси симметрии, а профиль имеет форму швеллера с разной длиной полок и возможностью ее поворота относительно своей оси
и соединения при помощи удлиненного зуба и полки участка захвата с направляющей полосой, траектория которой представляет окружность с центром, расположенным на диаметре колеса и смещенным от центра на величину равную расстоянию от точки крепления оси вилки до оси лопасти, при этом на участке сопротивления лопасть скользит горизонтально по полосе, выполненной в виде наклонного участка подъема, основного участка и участка спуска с возможностью поворота лопастей как вокруг своей оси, так и обода колеса до горизонтального положения, за счет смещения оси лопасти в ограничительной накладке в положение, дающее возможность ее выхода из фиксирующей накладки с возможностью перемещения в приливах по касательной к колесу.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на
Фиг.1 Вид колеса сверху.
Фиг.2 Узел стыковки лопасти с направляющей полосой.
Фиг.3 Накладка узла крепления оси лопасти с колесом.
Рабочее лопастное колесо 1 установлено на дне реки и укреплено подвижно в остове 2. К остову 2 жестко крепятся направляющая полоса 3 с участком захвата 4 и подъемная полоса 5. Подъемная полоса имеет участок подъема 6 и участок спуска 7. Лопасть 8 закреплена на оси 9 подвижно в узлах 10 и может вращаться относительно своей оси. Ось лопасти 8 закреплена в приливах 11 колеса 1 подвижно с возможностью ее поворота в сторону от колеса 1 до принятия горизонтального положения, так и с возможностью перемещения в приливах 11 по касательной к колесу 1 в ограничительной накладке 12. Ограничительные накладки 12 крепятся с нижней стороны колеса 1. Эти накладки 12 являются второй точкой опоры оси 9 лопасти 8 при движении колеса 1 в зоне «АБВ» и окном необходимым для отклонения оси 9 лопасти 8 при движении на участках подъема 6 и спуска 7.
На каждой лопасти 8 в ее нижней части закреплена вилка 13. Вилка 13 может осуществлять поворот относительно своей оси.
Устройство работает следующим образом. Остов устройства 2 закреплен на дне реки, так чтобы ось симметрии колеса была бы близка к вертикали зеркала реки. Рабочее колесо 1 крепится к валу, установленному в подшипниковом узле остова 2. Двигающаяся вода частично тормозится на лопастях 8, плоскости которых на участке «АБЕ» перпендикулярны усредненному вектору скорости потока. В связи с этим создается полезный момент, который и приводит к вращательному движению колеса 1. При этом лопасти 8, которые находятся в зоне сопротивления (участок «СВГД») принудительно принимают горизонтальное положение. Это обеспечивает минимальность торможения. Положение лопасти 8, перпендикулярное потоку жидкости, обеспечивается движением вилки 13 по направляющей полосе 3 на активном участке «АБЕ». В точке «Е» направляющая полоса 3 оканчивается и ось 9 лопасти 8 под действием потока жидкости и скоса участка подъема 6 принимает горизонтальное положение. При движении лопасти 8 на участке подъема 6 возникает усилие, стремящееся переместить ось 9 в левое положение к прямой стенке ограничительной накладки 12, что способствует выходу оси 9 лопасти 8 и принятие ею горизонтального положения.
На участке «ВГД» лопасть 8 скользит в горизонтальном положении. При достижении точки «Д» лопасть 8 под действием силы тяжести начинает опускаться по участку спуска 7 «ДК» одновременно поворачиваясь вокруг своей оси. Крутизна участка спуска 7 близка к 75°. В связи с этим на данном участке лопасть 8 не только принимает вертикальное положение, но и поворачивается на угол ≈90°. При этом длинный упорный зуб вилки 13 касается полки устройства захвата 4. В процессе поворота колеса 1 вилка 13 охватывает стыковочный конец направляющей полосы 3 и начинает перемещаться по ней. Лопасть 8 принимает требуемое положение и весь процесс повторяется на следующем повороте рабочего колеса 1.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в создании системы управления положением лопастей. Таким образом, в потоке движущейся жидкости устанавливается рабочее колесо, лопасти которого в процессе его поворота меняют свое положение относительно усредненного вектора скорости жидкости, как в активной так и в пассивной зонах. Для оценки целесообразности предлагаемого управления положением лопастей выполнен расчет основного значения крутящего момента рабочего колеса. В качестве рассматриваемых моделей принято два рабочих колеса одинаковых геометрических размеров, но с разным управлением лопастями. С предлагаемой системой управления сравнивается модель у которой на рабочем участке «АБЕ» плоскости лопастей направлены по радиусу колеса, на пассивном же участке они расположены горизонтально. Тогда оценка целесообразности может быть определена, как
где  - момент, создаваемый на валу колеса в предлагаемой системе управления;
- момент, создаваемый на валу колеса при управлении по старой схеме.
Выполненные расчеты для восьмилопастного колеса и ряда значений угла α фиг.1 приведены в таблице 1.
Таблица 1
α, град
30
45
60
75
δ%
31,0
21,2
27,0
31,0
Сущность применения данного устройства, называемого далее «полезной моделью», состоит в непрерывном управлении положением лопастей на протяжении полного оборота колеса.
2
1
Это управление реализуется на участке «АБЕ» при скольжении вилки рычага лопасти по направляющей, выполненной в виде дуги круга радиуса «r» с центром, расположенным на диаметре колеса «БГ» и смещенным от центра на величину «h». На участке «СВГДК» лопасть скользит по подъемной полосе, выполненной в виде участков подъема «СВ», спуска «ДК» и дуги «ВД».
Участок подъема расположен в плоскости, наклон которой к горизонту определяется углами β=45°, а продолжительность участка подъема равной
Участок «ДК» представляет собой отрезок полосы, направленный под пространственным углом, проекция которого на плоскость, проходящую через радиус колеса в точке «Д» и перпендикулярную горизонтальной плоскости, соответственно равен 75°. В результате скольжения лопасти по участку «СВ» она принимает горизонтальное положение, участок же «ДК» обеспечивает возврат лопасти в вертикальное положение и разворот лопасти на 90°. При перемещении лопасти на участке «СВГДК» возникает сила трения, создающая тормозной момент вращению рабочего колеса. Эта сила пропорциональна усилию прижима лопасти к полосе подъема. На участке «СВ» это усилие минимально, так как набегающий поток жидкости стремится поднять лопасть в горизонтальное положение. На участке «ДК» сипа трения несколько компенсируется силой тяжести лопасти так как она скользит по наклонной плоскости вниз. Сила трения при движении лопасти на горизонтальном участке «ВГД» незначительна так как вес лопасти мал. Кроме того небольшое отклонение лопасти от горизонтального положения с целью создания положительного угла атаки эту силу может существенно уменьшить. Для того, чтобы цикл движения повторился по выбранной программе необходимо чтобы паз вилки рычага лопасти снова охватил ленту направляющей полосы.
Вилка, которая может свободно вращаться вокруг своей оси, при опускании лопасти на участке спуска «ДК» упирается своим упорным зубом в специальную полку участка стыковки направляющей полосы. В силу того, что ось упорного зуба не совпадает с осью подвеса вилки, она разворачивается и принимает положение удобное для схватывания направляющей полосы. При дальнейшем повороте рабочего колеса направляющая полоса охватывается зубьями вилки, а специальная полка оканчивается. Направление участка стыковки «МН» совпадает с радиусом колеса, что обеспечивает скольжение упорного зуба без заклинивания.
Оптимальное число лопастей целесообразно выбирать из условия не перекрытия набегающего потока предыдущей лопастью последующей в точке «Б» колеса. В этом случае ширина лопасти определяется как
где  N - число лопастей.
Высота лопасти определяется допустимой глубиной предполагаемых рек.