RU110137U1

RU110137U1 - HORIZONTAL VANE WHEEL

Info

Publication number: RU110137U1
Application number: RU2011116583/06U
Authority: RU
Inventors: Тамара Николаевна Ларина; Николай Герасимович Ремидовский; Мария Михайловна Цвиль; Людмила Михайловна Курочкина
Original assignee: Тамара Николаевна Ларина; Николай Герасимович Ремидовский; Мария Михайловна Цвиль; Людмила Михайловна Курочкина
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-11-10

Abstract

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. A horizontal impeller containing a wheel with blades, a device for controlling the position of the blades and a frame for fastening the nodes, characterized in that a roller support is installed at the free end of the blade shaft, consisting of two rollers, covering a restrictive tape fixed on the frame of the device, which has a transitional sections of rotation wheels with a variable radius of curvature, as well as attachment points and clamps that exclude skewing of the roller support, while the roller support, moving along the limiting tape at the transitional sections, carries out a radial movement of the blade shaft installed in the two supports of the shell, while simultaneously turning it through an angle of 90 ° due to the sliding of the pin mounted on the shaft along the helical groove of the shell, while the rotation of the shaft without turning the roller support is ensured by connecting it to the roller attachment unit using a ball bearing.

Description

Полезная модель используется для получения вращательного движения вала колеса, необходимого для выработки экологически чистой электроэнергии или подъема поливной воды.The utility model is used to obtain the rotational motion of the wheel shaft, which is necessary for the generation of environmentally friendly electricity or lifting irrigation water.

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.Known devices that implement the rotation of the shaft of the wheel, located horizontally in the flow of a moving fluid. In a number of works (see AN USSR SH 1408098, French patent FR 2613780), the drive wheel is located vertically, which greatly complicates its operation in the winter period, as well as under wind loads.

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.The closest in technical essence to the proposed model is the device considered in the work (patent RF No. 49915 dated December 10, 2005). The device consists of a skeleton placed at the bottom of the river and a horizontal impeller. The horizontal impeller consists of a metal ring fastened to the skeleton with a bearing unit with four jumpers. During the rotation of the wheel, the planes of the blades in the passive section of the movement are horizontal, and in the active section they take a position perpendicular to the average direction of flow velocity.

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.The disadvantages of this device are practically unchanged during the movement of the distance from the geometric center of the blade to the center of rotation of the wheel, as well as the complexity and low reliability of the position control of the blades, especially in transition sections.

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.In the prototype under consideration, the blade on the transition section, moving along a complex trajectory, slides along an inclined surface under the influence of only gravity, and at the same time it should fall into the corresponding groove with its grip. During turbulent movements of river water, violations of the planned docking of the blade with a special groove may occur, which can lead to accidents. In addition, in the prototype with the adopted position of the blade there is no gain in the torque of the wheel.

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.The technical result consists in increasing the length of the shoulder blade in the active section of the wheel revolution and in reducing its length in the passive section with the simultaneous forced rotation of the blades in the transition sections and fixing their position on the main sections of the wheel rotation. Recommendations are given for choosing a number of elements of the transitional section of the boundary tape and the device for docking the boundary tape with a roller support and the shaft of the blade.

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.The roller support mounted on the free end of the blade shaft moves along an independent restrictive tape, which is rigidly bonded to the skeleton of the device. The boundary tape has a variable curvature at the transition sections, due to which the rolling bearing moving along it moves the blade in the radial direction, changing the length of its shoulder. At the same time, at the transitional sections, the blade is rotated through an angle of 90 ° with the help of a finger mounted on its shaft. When the blade moves radially, it slides along the helical groove of the shaft shell rigidly fastened to the metal rings of the wheel, determining the desired orientation of the blade. After passing the transitional sections of the restrictive tape, the position of the blades is strictly fixed. In the active section, the plane of the blade is perpendicular to the flow and horizontal in the passive.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами. Во-первых, управление положением лопастей значительно упрощено и обладает большей надежностью по сравнению с прототипом.The proposed device has the following advantages. Firstly, the control of the position of the blades is greatly simplified and has greater reliability compared to the prototype.

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 видеSecondly, the increased torque of the impeller. To assess the effectiveness of the proposed device, a comparison of the values of the torque of the prototype and the proposed model with the same geometric dimensions in the form

где - момент вращения предлагаемой моделиWhere - torque of the proposed model

горизонтального колеса; R - модуль силы давления набегающего потока воды на лопасть колеса; h₀ - величина перемещения лопасти в радиальном направлении; М_р=R*sinα*r_k - момент вращения прототипа; r_k - внешний радиус колеса; l - длина лопасти.horizontal wheel; R is the pressure force modulus of the incident water flow on the wheel blade; h ₀ - the magnitude of the movement of the blade in the radial direction; M _p = R * sinα * r _k - the moment of rotation of the prototype; r _k is the outer radius of the wheel; l is the length of the blade.

Это дает следующий результат. При принятых значениях r_k=1,5 м; h₀=0,4 м; l=0,6 м; υ_p=0,2 м/с относительный выигрыш в крутящем моменте предлагаемой модели колеса по сравнению с прототипом, составляет δM=46,8%.This gives the following result. With the accepted values of r _k = 1.5 m; h ₀ = 0.4 m; l = 0.6 m; υ _p = 0.2 m / s, the relative gain in torque of the proposed wheel model compared to the prototype is δM = 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.Thirdly, the proposed device can be used for lifting water for both irrigation and for generating electricity. An example of a specific implementation of the rotational movement in this horizontal wheel model is the proposed method of lifting and supplying river water. For this purpose, piston pumps are installed between the restrictive tape and the shell of the bearing assembly of the horizontal wheel, which supply water to the storage tank at the transition section, mounted on the wheel spars and connected to each pump by a supply pipe. To implement a movable connection with a drain pipe receiver, a fitting is installed in the center of the tank on the top cover. The receiver is rigidly connected to the support frame by a jumper.

Расчет оценки производительности колеса, снабженного N=6 насосами, производился в виде:The calculation of the performance estimation of a wheel equipped with N = 6 pumps was carried out in the form of:

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; η - коэффициент полезного действия.where W _ob is the volume of water supplied by the wheel with six pumps; d _n is the piston diameter; l _n is the piston stroke under the assumption that the tangential velocity of the points of the edge of the blade is equal to the speed of the unperturbed fluid flow; η is the coefficient of performance.

При d_n=0,1 м; l_n=0,4 м; υ_р=0,1 м/с; t=3600 c; η=0,8; r_k=1,5 м; h₀=0,4 м; l=0,6 м почасовой объем воды равен 4,95 м³/чac.When d _n = 0.1 m; l _n = 0.4 m; υ _p = 0.1 m / s; t = 3600 s; η = 0.8; r _k = 1.5 m; h ₀ = 0.4 m; l = 0.6 m hourly volume of water is 4.95 m ³ / h.

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.The essence of the utility model is that the horizontal impeller wheel containing the wheel with the blades, the device for controlling the position of the blades and the skeleton of mounting the nodes additionally has a roller support mounted on the free end of the shaft of the blade, consisting of two rollers, covering the boundary tape fixed on the skeleton of the device, having a variable radius of curvature on the transitional sections of the wheel rotation, as well as attachment points and clamps that exclude its skew, while the roller bearing, moving sinking along the restrictive belt at the transitional sections, it radially moves the shaft of the blade mounted in two shell supports, while rotating it through an angle of 90 ° due to the sliding of the finger mounted on the shaft along the helical groove of the shell, while the shaft rotates without turning the roller support it is provided by connecting it to the attachment point of the rollers with the help of a ball bearing, as well as with the simultaneous radial movement of the pump shaft to supply water to a predetermined level, the roller bearing of which moves along the same restrictive tape as the roller bearing of the blade shaft.

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.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of the arrangement of the main units of the installation with the image of only two wheel blades and one pump, Fig. 2 shows the docking unit of the shaft of the blades with a restrictive tape in the transition section, and Fig. 3 shows the truncated side view of the water supply unit with pumps.

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.A horizontal impeller 1, consisting of two rims connected by shells 2 of the shafts of the blades 3, spars and a bearing assembly 4, is mounted on the river bottom on the vertical axis of the core 5 with rotation. The boundary tape 6 is fixedly attached to the skeleton 5. The blade 7 is fixed to the shaft 3, which is mounted in the cylindrical shell 2 on two supports 8. The shaft 3 moves in the radial direction and also rotates about its axis. A roller support 9 periodically moves along the restrictive belt 6, consisting of two bearings 10, covering the belt 6 and installed in the attachment unit 11. A pin 12 is mounted on the shaft 3 of the blade 7, which moves along the groove 13 of the shell. The rotation of the shaft 3 relative to the roller bearing 9 is carried out using a ball bearing 14. Using the clamps 15 at the transitional sections, the skews of the bearings 9 are prevented. The roller bearings 16 are used to drive the pump 17. Water from the pump 17 is supplied through a pipe 18 to the storage tank 19 and the receiver 20 connected to the outlet pipe 21. The tightness of the connection is provided by cuffs 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 П₂ 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 П₁П₂ 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 С₁С₂С₃. 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.The principle of operation of the device is as follows. The skeleton 5 of the device is placed and fixed at the bottom of the river. A horizontal wheel is mounted on the axis of the skeleton, which rotates relative to the skeleton in the bearing assembly 4. In the zones Г ₁ Г ₂ Г ₃ , the water flow partially braking on the blades 7 causes the wheel 1 to rotate. When the wheel 1 rotates, the roller bearing 9 moves along the fixed belt 6. At the point P _{1, the} bearing 9 starts moving from the center of the wheel 1. Due to this, the shaft 3 of the blade 7 moves longitudinally, and the blade 7 moves away from the rim of the wheel 1. When the shaft is longitudinally moved 3, the finger 12 mounted on it slides along the screw groove 13 and rotates the shaft 3, and with it the blade 7 through an angle of 90 °. When the roller bearing 9 reaches the point P _{2 of the} transition section, the finger 12 reaches the end of the groove 13, and the plane of the blade 7 takes a vertical position. From this moment, the blade 7 is removed from the rim of the wheel 1 by the provided distance h ₀ . This position is maintained on the site G ₁ G ₂ G ₃ . The shaft of the blade 3 on the one hand is fixed by the emphasis of the finger 12 at the end of the groove 13, and on the other hand by a roller support 9, moving along a tape of constant radius in the area P ₂ P ₃ . The rotation of the shaft 3 relative to the roller bearings 9 in the transition sections P ₁ P ₂ and P ₃ P _{4 is} carried out using the ball bearings 14. Following the roller bearings 9 in the area of the plot P ₁ P ₂ gets support 16 of the pump shaft 17, the piston of which moves to direction from the center of the wheel 1 and sucks water through the inlet valve into the cylinder of the pump 17. In this state, the pump 17 is located to the point P ₃ , starting from which to the point P _{4 of the} tape 6, the piston throws a portion of water into the storage tank through the exhaust valve and inlet pipe 18 tank 19 and remains in such a standing to point P ₁ . The required pressure is created in the storage tank 19, which ensures the supply of water through the nozzle of the tank of the water receiver 20 to the outlet pipe 21 to the consumer. Tightness of the connection in the receiver 20 is provided by the sleeve 22. On the portion of the tape 6 from point P ₃ to point P _{4, the} shaft 3 and the blade 7 begin to move longitudinally to the center of the wheel 1. The finger 12, sliding along the screw groove 13, rotates the blade 7 into a horizontal position, which is stored on the site With ₁ With ₂ With ₃ . In this section, the plane of the blade 7 is horizontal relative to the average direction of the water flow, due to which the resistance to rotation of the wheel decreases. In addition, in the considered area r _m <r _B.

Для выбора переходных участков предлагаемой модели необходимо определить значения следующих параметров:To select the transition sections of the proposed model, it is necessary to determine the values of the following parameters:

1 - угловое значение переходного участка П₁П₂ - α₀, в виде:1 - the angular value of the transition section P ₁ P ₂ - α ₀ , in the form:

где υ_p - средняя скорость потока воды; υ_l - линейная скорость точек, лежащих на грани лопасти при ее вращении относительно своей оси. При расчетах принято, что υ₁≈(1,5-2)υ_p.where υ _p is the average water flow rate; υ _l is the linear velocity of the points lying on the edge of the blade during its rotation about its axis. In the calculations, it was assumed that υ ₁ ≈ (1.5-2) υ _p .

2 - угла наклона паза 13 - β в виде:2 - the angle of inclination of the groove 13 - β in the form:

где r_ob - радиус оболочки 2.where r _ob is the radius of the shell 2.

Claims

A horizontal impeller wheel containing a wheel with blades, a device for controlling the position of the blades and a skeleton for attaching knots, characterized in that a roller support is installed on the free end of the shaft of the blade, consisting of two rollers covering a restrictive tape fixedly mounted on the skeleton of the device and having transition sections of rotation the wheels have a variable radius of curvature, as well as attachment points and clamps, eliminating the skew of the roller support, while the roller bearing moving along the boundary tape on the lane traveling sections, carries out radial movement of the shaft of the blade installed in two bearings of the shell, while rotating it through an angle of 90 ° due to the sliding of a finger mounted on the shaft along the helical groove of the shell, while the shaft rotates without turning the roller support by connecting it to the assembly fixing the rollers with a ball bearing.