Горизонтальное лопастное колесо

Полезная модель относится к гидроэнергетике и может быть использована как для выработки экологически чистой электроэнергии, так и для подъема воды, в том числе и для полива полей. Целью полезной модели является надежное управление положением лопастей горизонтального рабочего колеса, позволяющего существенно увеличить эффективность установки. Сущность полезной модели заключается в том, что в процессе поворота колеса лопасти на переходных участках принудительно поворачиваются относительно своей оси на угол 90°, из-за чего плоскости лопастей вертикальны к потоку на активном участке и параллельны плоскости колеса на пассивном. Одновременно лопасти перемещаются в радиальном направлении на заданное расстояние, увеличивая плечо лопасти и вращательный момент колеса на активном участке и уменьшая плечо и момент сопротивления на пассивном. Радиальное перемещение лопастей на переходных участках обусловлено переменной кривизной ограничительной ленты, по которой движется роликовая опора, соединенная с помощью шарового устройства с валом лопасти. Одновременно с радиальным перемещением лопасть поворачивается на угол 90° при скольжении пальца, установленного на валу лопасти, по винтовому пазу его оболочки как в прямом, так и в обратном направлениях. На остальных участках траектории лопасти сохраняют положение, принятое на переходных участках. Фиксация положения лопастей на основных участках поворота колеса осуществляется с одной стороны упором пальца вала лопасти в окончание винтового паза, а с другой стороны движением роликовой опоры по участку ленты, имеющей постоянную кривизну. Использование представляемой полезной модели для подъема воды демонстрируется установкой насосов, закачивающих воду на активном переходном участке вращения колеса и сбрасывающих воду в накопитель на пассивном участке. Сравнительная оценка представляемого устройства с моделью, выбранной в качестве прототипа, показывает, что относительное приращение момента вращения колеса достигает 50%. Установка на колесо шести насосов, у каждого из которых диаметр поршня d _n=0,1 м и ход поршня l_n=0,4 м при средней скорости потока _p=0,1 м/с позволяет закачивать в накопитель почасовой объем воды в 5 м³/час.

Полезная модель используется для получения вращательного движения вала колеса, необходимого 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.Н. СССР SH 1408098, патент Франции FR 2613780) приводное колесо расположено вертикально, что существенно усложняет его эксплуатацию в зимний период, а также при ветровых нагрузках.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой модели относится устройство, рассмотренное в работе (патент Р.Ф. N 49915 от 10.12.2005 г.). Устройство состоит из остова, помещенного на дне реки и горизонтально расположенного лопастного колеса. Горизонтальное лопастное колесо состоит из металлического кольца, скрепленного с подшипниковым узлом остова четырьмя перемычками. В процессе поворота колеса плоскости лопастей на пассивном участке движения горизонтальны, а на активном участке принимают положение, перпендикулярное к усредненному направлению скорости потока.

Недостаткам этого устройства является практически неменяющееся в процессе движения расстояние от геометрического центра лопасти до центра вращения колеса, а также сложность и низкая надежность управления положением лопастей, особенно на переходных участках.

В рассматриваемом прототипе лопасть на переходном участке, двигаясь по сложной траектории, скользит по наклонной поверхности под действием только силы тяжести, и при этом должна попасть своим захватом в соответствующий паз. При турбулентных движениях речной воды могут возникать нарушения планируемой стыковки лопасти со специальным пазом, что может привести к авариям. Кроме того, в прототипе при принятом положении лопасти выигрыша во вращающем моменте колеса нет.

Технический результат заключается в увеличении длины плеча лопасти на активном участке оборота колеса и в уменьшении его длины на пассивном участке с одновременным принудительным поворотом лопастей на переходных участках и фиксацией их положения на основных участках вращения колеса. Даны рекомендации для выбора ряда элементов переходного участка ограничительной ленты и устройства стыковки ограничительной ленты с роликовой опорой и валом лопасти.

Роликовая опора, установленная на свободном конце вала лопасти, движется по независимой ограничительной ленте, которая жестко скреплена с остовом устройства. Ограничительная лента имеет переменную кривизну на переходных участках, за счет чего движущаяся по ней роликовая опора перемещает лопасть в радиальном направлении, меняя длину ее плеча. Одновременно с этим на переходных участках осуществляется поворот лопасти на угол 90° с помощью пальца, установленного на ее валу. При радиальном перемещении лопасти он скользит по винтовому пазу оболочки вала, жестко скрепленной с металлическими кольцами колеса, определяя нужную ориентацию лопасти. После прохождения переходных участков ограничительной ленты положение лопастей строго фиксировано. На активном участке плоскость лопасти перпендикулярна к потоку и горизонтальна на пассивном.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами. Во-первых, управление положением лопастей значительно упрощено и обладает большей надежностью по сравнению с прототипом.

Во-вторых, увеличен крутящий момент лопастного колеса. Для оценки эффективности предлагаемого устройства проведено сравнение значений крутящего момента прототипа и предлагаемой модели с одинаковыми геометрическими размерами в виде

где - момент вращения предлагаемой модели

горизонтального колеса; R - модуль силы давления набегающего потока воды на лопасть колеса; h₀ - величина перемещения лопасти в радиальном направлении; М_р=R*sin*r_k - момент вращения прототипа; r_k - внешний радиус колеса; l - длина лопасти.

Это дает следующий результат. При принятых значениях r_k =1,5 м; h₀=0,4 м; l=0,6 м; _p=0,2 м/с относительный выигрыш в крутящем моменте предлагаемой модели колеса по сравнению с прототипом, составляет M=46,8%.

В - третьих, предлагаемое устройство может быть использована для подъема воды как для полива, так и для получения электроэнергии. Примером конкретной реализации вращательного движения в данной модели горизонтального колеса является предлагаемый способ подъема и подачи речной воды. Для этой цели между ограничительной лентой и оболочкой подшипникового узла горизонтального колеса установлены поршневые насосы, которые на переходном участке подают воду в накопительный бак, укрепленный на лонжеронах колеса и соединенный с каждым насосом подводящим трубопроводом. Для реализации подвижного соединения с приемником водоотводящей трубы в центре бака на верхней крышке установлен штуцер. Приемник жестко соединен с остовом опоры перемычкой.

Расчет оценки производительности колеса, снабженного N=6 насосами, производился в виде:

где W_ob - объем воды, подаваемой колесом с шестью насосами; d_n - диаметр поршня; l _n - ход поршня при допущении, что тангенциальная скорость точек грани лопасти равна скорости невозмущенного потока жидкости; - коэффициент полезного действия.

При d _n=0,1 м; l_n=0,4 м; _р=0,1 м/с; t=3600 c; =0,8; r_k=1,5 м; h₀=0,4 м; l=0,6 м почасовой объем воды равен 4,95 м³/чac.

Сущность полезной модели заключается в том, что горизонтальное лопастное колесо, содержащее колесо с лопастями, устройство управления положением лопастей и остов крепления узлов дополнительно имеет установленную на свободном конце вала лопасти роликовую опору, состоящую из двух роликов, охватывающих неподвижно укрепленную на остове устройства ограничительную ленту, имеющую на переходных участках вращения колеса переменный радиус кривизны, а так же узлы крепления и фиксаторы, исключающие ее перекос, при этом роликовая опора, перемещаясь по ограничительной ленте на переходных участках, осуществляет радиальное перемещение вала лопасти, установленного в двух опорах оболочки, с одновременным поворотом его на угол 90° за счет скольжения пальца, установленного на валу, по винтовому пазу оболочки, при этом вращение вала без поворота роликовой опоры обеспечивается соединением его с узлом крепления роликов с помощью шаровой опоры, а так же с одновременным радиальным перемещением вала насоса для подачи воды на заданный уровень, роликовая опора вала которого перемещается по той же ограничительной ленте, что и роликовая опора вала лопасти.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена принципиальная схема расположения основных узлов установки с изображением только двух лопастей колеса и одного насоса, на фиг.2 показан узел стыковки вала лопастей с ограничительной лентой на переходном участке и на фиг.3 приведен усеченный вид узла подачи воды насосами в боковой плоскости.

Горизонтальное лопастное колесо 1, состоящее из двух ободов, соединенных оболочками 2 валов лопастей 3, лонжеронов и подшипникового узла 4, установлено на дне реки на вертикальной оси остова 5 с возможностью вращения. К остову 5 неподвижно крепится ограничительная лента 6. Лопасть 7 закреплена на валу 3, который установлен в цилиндрической оболочке 2 на двух опорах 8. Вал 3 перемещается в радиальном направлении, а также вращается относительно своей оси. По ограничительной ленте 6 периодически перемещается роликовая опора 9, состоящая из двух подшипников 10, охватывающих ленту 6 и установленных в узле крепления 11. На валу 3 лопасти 7 установлен палец 12, который перемещается по пазу 13 оболочки. Вращение вала 3 относительно роликовой опоры 9 осуществляется с помощью шаровой опоры 14. С помощью фиксаторов 15 на переходных участках предотвращаются перекосы опор 9. Роликовые опоры 16 используются для привода насоса 17. Вода из насоса 17 подается по трубопроводу 18 в накопительный бак 19 и приемник 20, соединенный с отводящей трубой 21. Герметичность соединения обеспечивается манжетами 22.

Принцип работы устройства состоит в следующем. Остов 5 устройства помещен и закреплен на дне реки. На оси остова установлено горизонтальное колесо, вращающееся относительно остова в подшипниковом узле 4. В зонах Г₁Г₂Г₃ поток воды частично тормозящийся на лопастях 7, приводит колесо 1 во вращение. При вращении колеса 1 роликовая опора 9 перемещается по неподвижной ленте 6. В точке П₁ опора 9 начинает движение от центра колеса 1. За счет этого вал 3 лопасти 7 перемещается продольно, а сама лопасть 7 удаляется от обода колеса 1. При продольном перемещении вала 3 палец 12, установленный на нем, скользит по винтовому пазу 13 и поворачивает вал 3, а с ним и лопасть 7 на угол 90°. Когда роликовая опора 9 попадает в точку П ₂ переходного участка, палец 12 достигает окончания паза 13, а плоскость лопасти 7 принимает вертикальное положение. С этого момента лопасть 7 удалена от обода колеса 1 на предусмотренное расстояние h₀. Это положение сохраняется на участке Г₁Г₂Г₃. Вал лопасти 3 с одной стороны фиксируется упором пальца 12 в конце паза 13, а с другой стороны роликовой опорой 9, движущейся по ленте постоянного радиуса на участке П₂П₃. Вращение вала 3 относительно роликовой опоры 9 на переходных участках П₁П₂ и П₃П₄ осуществляется с помощью шаровой опоры 14. Вслед за роликовой опорой 9 в зону участка П₁ П₂ попадает опора 16 привода вала насоса 17, поршень которого перемещается в направлении от центра колеса 1 и засасывает воду через впускной клапан в цилиндр насоса 17. В этом состоянии насос 17 находится до точки П₃, начиная с которой и до точки П₄ ленты 6 поршень через выпускной клапан и подводящий трубопровод 18 выбрасывает порцию воды в накопительный бак 19 и остается в таком состоянии до точки П₁. В накопрггельном баке 19 создается требуемое давление, которое обеспечивает подачу воды через штуцер бака приемника воды 20 в отводящий трубопровод 21 потребителю. Герметичность соединения в приемнике 20 обеспечивает манжета 22. На участке ленты 6 от точки П₃ до точки П₄ вал 3 и лопасть 7 начинают перемещаться продольно к центру колеса 1. Палец 12, скользя по винтовому пазу 13, поворачивает лопасть 7 в горизонтальное положение, которое сохраняется на участке С₁С ₂С₃. На этом участке плоскость лопасти 7 горизонтальна относительно усредненного направления потока воды, за счет чего уменьшается сопротивление вращению колеса. Кроме того на рассматриваемом участке r_m<r_B.

Для выбора переходных участков предлагаемой модели необходимо определить значения следующих параметров:

1 - угловое значение переходного участка П₁П₂ - ₀, в виде:

где _p - средняя скорость потока воды; _l - линейная скорость точек, лежащих на грани лопасти при ее вращении относительно своей оси. При расчетах принято, что ₁(1,5-2)_p.

2 - угла наклона паза 13 - в виде:

где r_ob - радиус оболочки 2.

Горизонтальное лопастное колесо, содержащее колесо с лопастями, устройство управления положением лопастей и остов крепления узлов, отличающееся тем, что на свободном конце вала лопасти установлена роликовая опора, состоящая из двух роликов, охватывающих неподвижно укрепленную на остове устройства ограничительную ленту, имеющую на переходных участках вращения колеса переменный радиус кривизны, а также узлы крепления и фиксаторы, исключающие перекос роликовой опоры, при этом роликовая опора, перемещаясь по ограничительной ленте на переходных участках, осуществляет радиальное перемещение вала лопасти, установленного в двух опорах оболочки, с одновременным поворотом его на угол 90° за счет скольжения пальца, установленного на валу, по винтовому пазу оболочки, при этом вращение вала без поворота роликовой опоры обеспечивается соединением его с узлом крепления роликов с помощью шаровой опоры.