RU204535U1

RU204535U1 - WATER WHEEL

Info

Publication number: RU204535U1
Application number: RU2019140397U
Authority: RU
Inventors: Виктор Гаврилович Краснов; Татьяна Борисовна Кочина; Дмитрий Сергеевич Карелин; Алайбек Джумабекович Обозов
Original assignee: Виктор Гаврилович Краснов
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-05-31

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению, к гидромашиностроению.Полезная модель представляет собой водяное колесо - механическое устройство для преобразования энергии движущейся воды (гидроэнергии) в энергию вращательного движения для того, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. Лопатки (лопасти) водяного колеса на роторе установлены с возможностью регулирования положения (колесо с подвижными лопатками). Может функционировать в качестве гребного колеса.Водяное колесо содержит диск. Диск на оси установлен на опоре. На ободе колеса с возможностью вращения эксцентрично и жестко каждая на своей оси установлены лопатки. Между ободом и ступицей неподвижно относительно опоры установлен кулачок. Каждая лопатка через свою ось кинематически связана с кулачком посредством предназначенных для этого рычага и шарнирно соединенного с ним поводка. Кулачок имеет средство для направления по нему (по его поверхности) движения поводка.Водяное колесо рассчитано на функционирование с большей угловой скоростью при не уменьшении радиуса момента силы.The utility model relates to mechanical engineering, to hydraulic engineering. The utility model is a water wheel - a mechanical device for converting the energy of moving water (hydropower) into rotational energy so that work can be done on the wheel axis. The blades (blades) of the water wheel on the rotor are installed with the ability to adjust the position (wheel with movable blades). Can function as a paddle wheel. The water wheel contains a disc. The disc on the axle is mounted on a support. On the wheel rim, blades are mounted eccentrically and rigidly each on its own axis with the possibility of rotation. A cam is installed between the rim and the hub with respect to the support. Each blade through its axis is kinematically connected to the cam by means of a lever intended for this and a leash pivotally connected to it. The cam has a means for guiding along it (along its surface) the movement of the leash. The water wheel is designed to operate at a higher angular velocity without reducing the radius of the moment of force.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, к гидромашиностроению.The utility model relates to mechanical engineering and hydraulic engineering.

Полезная модель представляет собой водяное колесо - механическое устройство для преобразования энергии движущейся воды (гидроэнергии) в энергию вращательного движения для того, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. Для увеличения к.п.д., лопатки (лопасти) водяного колеса на роторе установлены с возможностью регулирования положения (колесо с подвижными лопатками).The utility model is a water wheel - a mechanical device for converting the energy of moving water (hydropower) into the energy of rotary motion so that work can be done on the wheel axis. To increase the efficiency, the blades (blades) of the water wheel on the rotor are installed with the ability to adjust the position (wheel with movable blades).

Для преобразования кинетической энергии рабочего тела (жидкости, воды) в механическую работу на валу, устройство может быть использовано автономно (без соплового аппарата), либо в конструкции лопаточной машины (турбины), как ее подвижная часть.To convert the kinetic energy of the working fluid (liquid, water) into mechanical work on the shaft, the device can be used autonomously (without a nozzle apparatus), or in the design of a blade machine (turbine), as its moving part.

Устройство может быть использовано для обратного превращения энергии в движение, т.е. для превращения мощности внешнего двигателя в кинетическую энергию рабочего тела, например, в качестве движителя (гребного колеса) для привидения в движение судна. В этом случае, не вода приводит колесо в движение, а колесо используется для движения.The device can be used for converting energy back into motion, i. E. for converting the power of an external engine into the kinetic energy of the working fluid, for example, as a propeller (paddle wheel) to set the ship in motion. In this case, it is not the water that drives the wheel, but the wheel is used to drive.

Устройство может быть использовано в качестве привода электрического генератора на гидроэлектростанции, как составная часть привода на речном, морском транспорте, в гидродинамических передачах, в гидронасосах, для привода других различных узлов и механизмов.The device can be used as a drive for an electric generator at a hydroelectric power plant, as an integral part of a drive in river, sea transport, in hydrodynamic transmissions, in hydraulic pumps, to drive various other units and mechanisms.

Известны устройства (например, гребное колесо SU 1184741, опубликовано 15.10.1985 г.) с регулированием плицов посредством установленного на диске гребного колеса эксцентрика. Недостатком этого, а также подобных устройств, является статическая и динамическая неуравновешенность колеса, что приводит к повышению нагрузок на опоры. Следствием устранения этих недостатков является увеличение массы гребного колеса.Known devices (for example, paddle wheel SU 1184741, published on October 15, 1985) with adjustment of the plates by means of an eccentric paddle wheel mounted on the disk. The disadvantage of this, as well as similar devices, is the static and dynamic imbalance of the wheel, which leads to an increase in the loads on the supports. The consequence of eliminating these disadvantages is an increase in the mass of the paddle wheel.

Известно «Гидроагрегат» (RU 2020261, опубликовано: 30.09.1994 г.), устройство выбрано в качестве прототипа.It is known "Hydroagregat" (RU 2020261, published: 09/30/1994), the device is selected as a prototype.

Гидроагрегат содержит корпус, размещенное в последнем на горизонтальном валу рабочее колесо с поворотными лопастями, имеющими оси, механизм поворота лопастей, выполненный в виде кулачка с тангенциальным пазом и установленным в нем прижимным болтом, посредством которого кулачок закреплен на корпусе, и поводков, кинематически связанных с лопастями и снабженных роликами, установленными с возможностью взаимодействия с кулачком, рабочее колесо выполнено в виде двух плоских дисков, между которыми расположены лопасти, последние жестко закреплены на осях, которые установлены с возможностью свободного вращения в диске и жестко соединены с поводками, при этом кулачок выполнен круглым с кольцевым пазом, ролики поводков размещены в пазу кулачка и в последнем, выполнены дополнительные тангенциальные пазы с прижимными болтами, обеспечивающими с основными тангенциальным пазом и болтом жесткое крепление и возможность вращения кулачка с эксцентриситетом относительно вала.The hydroelectric unit contains a housing located in the latter on a horizontal shaft, an impeller with rotary blades having axes, a blade rotation mechanism made in the form of a cam with a tangential groove and a clamping bolt installed in it, by means of which the cam is fixed on the housing, and leashes kinematically connected with blades and equipped with rollers installed with the ability to interact with the cam, the impeller is made in the form of two flat discs, between which the blades are located, the latter are rigidly fixed on axes that are installed with the possibility of free rotation in the disc and are rigidly connected to the leashes, while the cam is made round with an annular groove, the rollers of the drivers are placed in the groove of the cam and in the latter, additional tangential grooves with clamping bolts are made, which provide rigid fastening with the main tangential groove and the bolt and the possibility of rotation of the cam with eccentricity relative to the shaft.

Центр паза может быть смещен относительно центра вала.The center of the groove can be offset from the center of the shaft.

Недостатки устройства:Disadvantages of the device:

ось лопастей входит в три кинематические пары пятого класса, что в соответствии с формулой подвижности W=3n-2p, получим: W=3x1-2x3=-2. Результат показывает наличие избыточных связей, которые, как известно, приводят механизм в не рабочее состояние.the axis of the blades is included in three kinematic pairs of the fifth class, which, in accordance with the mobility formula W = 3n-2p, we obtain: W = 3x1-2x3 = -2. The result shows the presence of redundant links, which are known to render the mechanism inoperative.

В рассматриваемом устройстве это отягощается большими линейными размерами между опорами осей с дисками и кулачком, а также большими расстояниями от каждой опоры до оси вала, которые приводят к большим моментам, действующим на ось, и склонности ее к заклиниванию.In the device under consideration, this is burdened by large linear dimensions between the supports of the axles with discs and the cam, as well as large distances from each support to the shaft axis, which lead to large moments acting on the axis, and its tendency to jam.

Лопасти колеса сконструированы без учета возможного применения в малогабаритных (небольших диаметров) колесах без потери последними в моменте силы. Следствием большого радиуса водяного колеса является уменьшение угловой скорости.The wheel blades are designed without taking into account the possible use in small-sized (small diameters) wheels without losing the latter in the moment of force. A consequence of the large radius of the water wheel is a decrease in the angular velocity.

Все это является препятствием для использования такого водяного колеса, например, в конструкциях турбин, в том числе даже для тихоходных генераторов.All this is an obstacle to the use of such a water wheel, for example, in turbine designs, including even for low-speed generators.

Задачей заявленной полезной модели является водяное колесо (гребное колесо) с регулируемыми по нормали к потоку лопатками. При не уменьшении снимаемого с оси (с вала) колеса момента (а в случае гребного колеса, при не уменьшении момента, передаваемого от вала колеса) колесо должно быть рассчитано на большую угловую скорость.The objective of the claimed utility model is a water wheel (paddle wheel) with blades adjustable along the normal to the flow. If the moment removed from the axle (from the shaft) of the wheel does not decrease (and in the case of a paddle wheel, if the moment transmitted from the wheel shaft does not decrease), the wheel must be designed for a high angular velocity.

Задача достигается за счет уменьшения радиуса водяного колеса при не уменьшении радиуса момента силы, а также, дополнительно, за счет самоустанавливаемости углов давления и передачи движения.The task is achieved by reducing the radius of the water wheel while not reducing the radius of the moment of force, and also, additionally, due to the self-alignment of the pressure angles and transmission of motion.

Задача достигается тем, чтоThe task is achieved by the fact that

согласно полезной модели, водяное колесо содержит диск, посредствам оси установленный на опоре,according to the utility model, the waterwheel contains a disc mounted on a support by means of an axle,

на ободе колеса с возможностью вращения жестко каждая на своей оси установлены лопатки,on the wheel rim, with the possibility of rotation, each blade is rigidly mounted on its axis,

между ободом и ступицей, неподвижно относительно опоры установлен кулачок, имеющий средство для направления по нему (по его поверхности) движения,between the rim and the hub, a cam is fixedly relative to the support, which has means for guiding movement along it (along its surface),

каждая лопатка через свою ось кинематически связана с кулачком посредством предназначенных для этого рычага и соединенного с ним поводка,each blade through its axis is kinematically connected to the cam by means of a lever intended for this and a leash connected to it,

отличается тем, чтоdiffers in that

каждая лопатка на своей оси установлена эксцентрично,each blade on its axis is set eccentrically,

в каждой паре - рычаг-поводок, последние соединены шарнирно.in each pair there is a lever-leash, the latter are connected by a hinge.

Рабочая плоскость каждой лопатки условно может быть разделена осью лопатки на две разные по площади части, при этом часть лопатки площадью от 51 до 90% от общей площади рабочей плоскости занимает положение внутри (в пределах) обода колеса, соответственно, часть лопатки площадью от 49 до 10% занимает положение снаружи обода (находится за пределами обода);The working plane of each blade can be conditionally divided by the axis of the blade into two parts of different area, while a part of the blade with an area of 51 to 90% of the total area of the working plane occupies a position inside (within) the wheel rim, respectively, a part of the blade with an area of 49 to 10% is located outside the rim (outside the rim);

на ободе колеса, каждая лопатка может быть установлена на своей оси посредством двух опор;on the wheel rim, each blade can be mounted on its axis by means of two supports;

каждая лопатка может быть выполнена в виде пластины, прямоугольной формой;each blade can be made in the form of a plate, rectangular in shape;

подвижное соединение в каждой паре - рычаг-поводок, может представлять собой шаровой шарнир;a movable joint in each pair - a lever-leash, can be a ball joint;

средство для направления по кулачку движения может иметь поверхность, выполненную по синусоидальному закону движения;the means for guiding the cam movement may have a sinusoidal surface;

кулачок для направления движения по своей поверхности может иметь паз,the cam for guiding movement along its surface may have a groove,

в этом случае, для взаимодействия с пазом кулачка, каждый поводок снабжен шипом с роликом;in this case, to interact with the cam groove, each leash is equipped with a spike with a roller;

каждая вращательная кинематическая пара - ось лопатки-обод колеса, может быть выполнена как пара скольжения;each rotary kinematic pair - the axis of the blade-wheel rim, can be made as a pair of sliding;

каждый элемент водяного колеса может быть выполнены из материала:each element of the water wheel can be made of material:

долговременно, в воздухе, при атмосферном давлении от 640 до 820 мм рт.ст., при температуре от -20 до +70 град. С, при относительной влажности от 0,1 до 100%, способного не поддаваться изменению заданной для изделия из него формы и размеров;long-term, in air, at atmospheric pressure from 640 to 820 mm Hg, at temperatures from -20 to +70 degrees. C, at a relative humidity of 0.1 to 100%, capable of resisting changes in the shape and size specified for a product made of it;

стойкого к воздействию веществ, способных менять химические и/или физические свойства материала, а именно, жидких сред, жидких сред под давлением;resistant to the effects of substances that can change the chemical and / or physical properties of the material, namely, liquid media, liquid media under pressure;

возможные дополнительные требования к материалу: обладание повышенной химической стойкостью, обуславливающей стабильность изделий под воздействием порошкообразных веществ, гелеобразных веществ, в том числе стерилизующих жидкостей, разбавленных, концентрированных кислот, щелочей;possible additional requirements for the material: possession of increased chemical resistance, which determines the stability of products under the influence of powdery substances, gel-like substances, including sterilizing liquids, dilute, concentrated acids, alkalis;

при этом диск с ободом, опоры, лопатки могут быть выполнены из пластика (полимера);the disc with the rim, supports, blades can be made of plastic (polymer);

при этом полимером для изготовления диска с ободом, опор, лопаток может быть поликетон;in this case, the polymer for the manufacture of a disc with a rim, supports, blades can be polyketone;

элементы конструкции, относящиеся к звеньям кривошипно-кулачкового привода, могут быть выполнены из полимерного композитного материала;structural elements related to the links of the crank-cam drive can be made of polymer composite material;

при этом, полимерным композитным материалом может быть углепластик;in this case, the polymer composite material can be carbon fiber;

каждая ось каждого шарнира может быть выполнена из полимера;each axis of each hinge can be made of polymer;

при этом полимером может являться поликетон.in this case, the polymer can be polyketone.

Полезная модель поясняется фигурами.The utility model is illustrated with figures.

Фиг. 1 - водяное колесо, вид сбоку; фиг. 2 - водяное колесо, вид спереди (сзади); фиг. 3 - водяное колесо, кривошипно-кулачковый механизм; фиг. 4 - водяное колесо, кинематическая связь поводка с пазом кулачка; фиг. 5 - взаимодействие лопатки с потоком при ограниченной глубине.FIG. 1 - water wheel, side view; fig. 2 - water wheel, front view (back); fig. 3 - water wheel, crank-cam mechanism; fig. 4 - water wheel, kinematic connection of the leash with the cam groove; fig. 5 - interaction of the blade with the flow at a limited depth.

Водяное колесо содержит диск с ободом 1, установленный на оси (на валу 2). На оси диск может быть установлен с возможностью вращения, либо диск может быть закреплен на оси жестко, соответственно, диск с осью могут вращаться одновременно, в опорах.The water wheel contains a disc with a rim 1 mounted on an axle (on a shaft 2). The disk can be mounted on the axis with the possibility of rotation, or the disk can be rigidly fixed on the axis, respectively, the disk with the axis can rotate simultaneously, in the supports.

В зависимости от исполнения, для соединения обода со ступицей, водяное колесо может содержать спицы.Depending on the version, the waterwheel may contain spokes to connect the rim to the hub.

Вал 2 может быть установлен в опорах 3 или на опоре консольно, например, на подшипниках (качения, скольжения). На ободе 1, с возможностью вращения (поворота) установлены лопатки (лопасти, плицы) 4, при этом каждая из них установлена на своей оси вращения 5. Каждая лопатка может быть установлена консольно, либо на двух опорах.Shaft 2 can be installed in supports 3 or on a support cantilever, for example, on bearings (rolling, sliding). On the rim 1, with the possibility of rotation (rotation), blades (blades, plates) 4 are installed, with each of them mounted on its own axis of rotation 5. Each blade can be cantilevered or on two supports.

В наиболее простом варианте исполнения каждая лопатка 4 представляет собой пластину. По отношению к рабочей плоскости лопатки ось 5 может иметь любое положение, кроме перпендикулярного. Рабочая плоскость лопатки - плоскость, предназначенная для восприятия энергии потока (рабочего тела). На фигурах показана лопатка 4, ось 5 которой занимает параллельное положение плоскости лопатки.In the simplest embodiment, each blade 4 is a plate. With respect to the working plane of the blade, the axis 5 can have any position except perpendicular. The working plane of the blade is a plane designed to perceive the energy of the flow (working fluid). The figures show a blade 4, the axis 5 of which is parallel to the plane of the blade.

Рабочая плоскость каждой лопатки 4 условно разделена осью 5 на две разные по площади части. Часть лопатки большей площади занимает положение внутри обода колеса (в пределах обода 1), соответственно, часть лопатки меньшей площади занимает положение снаружи обода 1 (за пределами обода 1).The working plane of each blade 4 is conventionally divided by the axis 5 into two parts that are different in area. Part of the blade with a larger area occupies a position inside the wheel rim (within the rim 1), respectively, a part of the blade with a smaller area occupies a position outside the rim 1 (outside the rim 1).

Часть лопатки, находящаяся внутри обода колеса может иметь любую, большую по размеру площадь, чем часть лопатки, находящаяся снаружи обода.The portion of the blade inside the rim of the wheel can have any larger area than the portion of the blade outside the rim.

Например, часть лопатки, находящаяся внутри обода колеса может иметь площадь от 51 до 90% от общей площади рабочей плоскости лопатки, соответственно, часть лопатки, находящаяся снаружи обода может иметь площадь от 49 до 10% от общей площади рабочей плоскости.For example, the part of the blade located inside the wheel rim can have an area of 51 to 90% of the total area of the working plane of the blade, respectively, the part of the blade located outside the rim can have an area of 49 to 10% of the total area of the working plane.

Таким образом, каждая лопатка 4 установлена на своей оси 5 с эксцентриситетом (со смещением в сторону центра колеса).Thus, each blade 4 is mounted on its axis 5 with eccentricity (offset towards the center of the wheel).

По форме лопатка 4 может быть выполнена прямоугольной, квадратной, треугольной, круглой, криволинейной, другой формой. Для уменьшения обтекаемости, каждая лопатка может быть выполнена с вогнутостью по отношению к направлению потока.In shape, the blade 4 can be rectangular, square, triangular, round, curvilinear, or another shape. To reduce streamlining, each blade can be made with a concavity in relation to the direction of flow.

Каждая лопатка 4 снабжена рычагом 6. Для этого, каждый рычаг 6 жестко соединен с соответствующей ему осью 5 лопатки. Водяное колесо, между ободом 1 и ступицей содержит установленный неподвижно относительно опоры водяного колеса внутренний обод, имеющий поверхность переменной кривизны. За счет того, что внутренний обод относительно обода 1 является подвижным, внутренний обод можно представить, как кулачок 7.Each blade 4 is provided with a lever 6. For this, each lever 6 is rigidly connected to the corresponding axis 5 of the blade. The water wheel, between the rim 1 and the hub, contains an internal rim mounted immovably relative to the support of the water wheel and having a surface of variable curvature. Due to the fact that the inner rim is movable relative to the rim 1, the inner rim can be represented as a cam 7.

Кулачок 7 на торцевой поверхности имеет закольцованный криволинейный паз 8. Паз 8 выполнен с изменением радиуса кривизны относительно минимального радиуса кулачка 7.The cam 7 on the end surface has a circular curved groove 8. The groove 8 is made with a change in the radius of curvature relative to the minimum radius of the cam 7.

Изменение радиуса кривизны поверхности паза 8, соответственно, движение каждого поводка 9 определяется безударным законом движения, в нашем случае, синусоидальным законом движения.The change in the radius of curvature of the surface of the groove 8, respectively, the movement of each leash 9 is determined by the shockless law of motion, in our case, the sinusoidal law of motion.

Возможны и другие варианты выполнения кривой на поверхности кулачка, например, выполненной по закону, определяющему движение с «жестким» ударом; выполненной по закону, определяющему движение с «мягким» ударом (косинусоидальный закон). Наиболее предпочтительным, будет выполнение кривой по синусоидальному закону движения.Other variants of the curve on the cam surface are also possible, for example, made according to the law that determines the movement with a "hard" impact; executed according to the law defining motion with a "soft" impact (cosine law). The most preferable will be the execution of the curve according to the sinusoidal law of motion.

Известно, что синусоидальный закон движения применяется для достижения больших скоростей движения. Недостатком этого вида движения является медленный подъем толкателя в начале хода.It is known that the sinusoidal law of motion is used to achieve high speeds of motion. The disadvantage of this type of movement is the slow lifting of the pusher at the beginning of the stroke.

При синусоидальном законе движения графики скоростей и ускорений не имеют точек разрыва, поэтому движение происходит без ударов. В быстроходных механизмах движение толкателя должно быть безударным.With a sinusoidal law of motion, the graphs of velocities and accelerations have no break points, so the motion occurs without impacts. In high-speed mechanisms, the movement of the pusher must be shock-free.

В заявленном механизме, удары возможны только из-за погрешностей изготовления профиля паза 8.In the claimed mechanism, blows are possible only due to errors in the manufacture of the profile of the groove 8.

Поводок-толкатель 9 (далее, поводок 9), обеспечивает кинематическую связь своей лопатки 4 с кулачком 7. Кинематическую связь обеспечивается тем, что каждый поводок 9, на одном своем конце, снабжен роликом «ползуном» 10, другой конец поводка шарнирно (шаровой шарнир) соединен с рычагом 6, паз 8 предназначен для обеспечения возможности перемещения по нему ролика «ползуна» 10.The leash-pusher 9 (hereinafter, the leash 9) provides a kinematic connection of its blade 4 with the cam 7. The kinematic connection is ensured by the fact that each leash 9, at one end, is equipped with a roller "slider" 10, the other end of the leash is articulated (ball joint ) is connected to the lever 6, the groove 8 is designed to provide the ability to move the roller "slider" 10 along it.

В качестве средства для направления движения поводков (каждого из них) кулачок может иметь закольцованный шип (выступ), например, Т-образного поперечного сечения. Закольцованный шип, на кулачке, может находиться на его торцевой поверхности или на боковой поверхности. При конструкции кулачка с шипом, каждый поводок, на одном своем конце имеет средство охвата шипа (которое может быть снабжено роликами), либо для охвата шипа, выполнен соответствующей шипу конфигурацией.As a means for guiding the movement of the leashes (each of them), the cam can have a ringed tenon (protrusion), for example, of a T-shaped cross-section. The ringed tenon, on the cam, can be on its end surface or on the side surface. In the design of a cam with a tenon, each leash, at one of its ends, has a means for gripping the tenon (which can be equipped with rollers), or for covering the tenon, it is made in a configuration corresponding to the tenon.

Поводок 9 совершает возвратно-поступательное движение (шатун), с ним шарнирно связан рычаг 6 жестко соединенный с осью 5, они (кривошип) совершают вращательное движение.The leash 9 makes a reciprocating movement (connecting rod), a lever 6 is pivotally connected to it, rigidly connected to the axis 5, they (the crank) perform a rotational movement.

Возможность поводка 9 совершать поворотные движения повышает надежность передачи движения за счет самоустанавливаемости углов давления и передачи движения.The ability of the leash 9 to make pivotal movements increases the reliability of the movement transmission due to the self-alignment of pressure angles and movement transmission.

Для преобразования гидроэнергии в энергию вращательного движения заявленное водяное колесо способно функционировать как подливное (нижнебойное) или как среднебойное.To convert hydropower into rotational energy, the declared water wheel is capable of functioning as a gravity (bottom-piercing) or as a medium-piercing one.

При воздействии потока (рабочего тела) на лопатки 4 (на каждую из них), последние от действующих на них силы потока развивают момент на колесе, приводя его во вращение в опорах 3. При вращении колеса, рычаги 6 лопаток 4 через поводки 9 увлекают связанные с ними ползуны 10 в направлении вращения, по пазу 8.When the flow (working fluid) acts on the blades 4 (on each of them), the latter from the flow forces acting on them develop a moment on the wheel, bringing it into rotation in the supports 3. When the wheel rotates, the levers 6 of the blades 4 through the leashes 9 carry the tied with them, the sliders 10 in the direction of rotation, along the groove 8.

Сила сопротивления перемещению ползунам 10 (каждому из них) в пазе 8 передается через рычаги 6 на лопатки 4, в результате чего происходит отклонение каждой лопатки. В процессе вращения колеса, при изменении профиля кулачка 7 на уменьшенный радиус изменяется геометрия положения каждого поводка 9 относительно своего (соединенного с ним) рычага 6. Это приводит к повороту каждой лопатки 4, ориентируя ее по нормали к потоку.The force of resistance to movement of the sliders 10 (each of them) in the groove 8 is transmitted through the levers 6 to the blades 4, as a result of which there is a deflection of each blade. In the process of wheel rotation, when the cam 7 profile changes to a reduced radius, the geometry of the position of each driver 9 changes relative to its (connected to it) lever 6. This leads to rotation of each blade 4, orienting it along the normal to the flow.

При прохождении лопаткой 4 нижней точки, за счет несимметричности лопатки относительно оси ее поворота, возникает разница сил, действующих на разные по площади поверхности лопатки. В результате этого, момент, создаваемый на лопатке 4, превысит силу трения, возникающую в паре: ползун 10 - паз 8, что приведет к повороту лопатки 4 на оси 5 по направлению потока, на величину, ограниченную длиной поводка 9. Результатом переориентирования для каждой лопатки будет установление ее нормально к потоку.When the blade 4 passes the lower point, due to the asymmetry of the blade relative to the axis of its rotation, there is a difference in the forces acting on the different surface area of the blade. As a result of this, the moment created on the blade 4 will exceed the frictional force arising in the pair: slider 10 - groove 8, which will lead to rotation of the blade 4 on the axis 5 in the direction of flow, by an amount limited by the length of the driver 9. The result of reorientation for each the scapula will be setting it normal to the flow.

После выхода лопатки 4 из потока конец поводка 9 снабженный ползуном 10, за счет сил трения, замедлит свое перемещение по пазу 8 кулачка 7, рычаг 6 лопатки 4 опередит на некоторый угол точку качения, то есть произойдет изменение направления силы, от толкающей на тянущую.After the blade 4 leaves the flow, the end of the leash 9 equipped with the slider 10, due to the frictional forces, will slow down its movement along the groove 8 of the cam 7, the lever 6 of the blade 4 will advance by a certain angle the rolling point, that is, there will be a change in the direction of the force from pushing to pulling.

С подходом ползуна 10 к участку кулачка 7 меньшего радиуса описанный цикл начнет повторяться.With the approach of the slider 10 to the portion of the cam 7 with a smaller radius, the described cycle will begin to repeat.

Результат - ориентирование рабочей поверхности лопатки нормально к потоку достигается за счет использования в конструкции водяного колеса кривошипно-кулачкового привода и несимметричности лопатки относительно оси ее поворота (фиг. 3).The result - the orientation of the working surface of the blade normal to the flow is achieved due to the use of a crank-cam drive in the design of the water wheel and the asymmetry of the blade relative to the axis of its rotation (Fig. 3).

Эффективность передачи энергии потока лопатке можно вывести исходя из выражения:

The efficiency of the flow energy transfer to the blade can be derived from the expression:

Лопатка более эффективно работает, когда угол атаки к направлению водного потока максимально приближен к 90 градусам.The blade works more efficiently when the angle of attack to the direction of the water flow is as close as possible to 90 degrees.

Лопатка криволинейной формы (формы рабочей поверхности с большим коэффициентом сопротивления обтеканию) обеспечивает максимально близкое значение угла атаки к водяному потоку и наибольшую величину передаваемой энергии. Например, лопатка вогнутой формы, лопатка чашеобразной формы и т.п.A curved blade (the shape of the working surface with a high flow resistance coefficient) provides the closest value of the angle of attack to the water flow and the greatest amount of transmitted energy. For example, a concave blade, a bowl-shaped blade, etc.

С уменьшением радиуса водяного колеса его угловая скорость увеличивается. Для заявленного водяного колеса это возможно при не уменьшении радиуса момента силы, при не уменьшении возможности приложения момента силы к колесу (в случае гребного колеса, при не уменьшении возможности передачи момента от колеса). Колесо, рассчитанное на большую угловую скорость применимо в конструкциях турбин.As the radius of the water wheel decreases, its angular velocity increases. For the declared water wheel, this is possible without reducing the radius of the moment of force, without reducing the possibility of applying a moment of force to the wheel (in the case of a paddle wheel, without reducing the possibility of transferring moment from the wheel). A wheel designed for high angular velocity is applicable in turbine designs.

Кроме того, расположение рабочей плоскости лопатки ближе к центру водяного колеса позволяет использовать энергию верхних слоев с водного потока, что особенно важно при его ограниченной глубине, фиг. 5.In addition, the location of the working plane of the blade closer to the center of the water wheel makes it possible to use the energy of the upper layers from the water flow, which is especially important with its limited depth, Fig. five.

Механизм (фиг. 3) сочетает в себе свойства кривошипно-шатунного и кулачкового механизмов.The mechanism (Fig. 3) combines the properties of the crank and cam mechanisms.

В предлагаемом механизме рычаг 6 является кривошипом, поводок 9 - шатуном.In the proposed mechanism, the lever 6 is a crank, the leash 9 is a connecting rod.

При такой связи (степень подвижности W=3n-2p, где:With such a connection (degree of mobility W = 3n-2p, where:

n - число подвижных звеньев = 3 (равно трем),n - number of moving links = 3 (equal to three),

р - число кинематических пар = 4 (равно четырем)), W=1,p is the number of kinematic pairs = 4 (equal to four)), W = 1,

т.е. при заданном движении входного звена, движение других определенное.those. for a given movement of the input link, the movement of others is definite.

Особенность связи поводка 9 с рычагом 6 это их функциональная переориентация при вращении водяного колеса. Каждое звено за цикл (один оборот водяного колеса) выступает в роли ведущего звена и выступает в роли ведомого звена. В водяном колесе, в механизме поворота лопатки, роль толкателя выполняет поводок 9, который одним своим концом оббегает неподвижный кулачок 7 по его пазу 8.The peculiarity of the connection between the leash 9 and the lever 6 is their functional reorientation when the water wheel rotates. Each link per cycle (one revolution of the water wheel) acts as a leading link and acts as a driven link. In the water wheel, in the blade rotation mechanism, the leash 9 plays the role of the pusher, which runs around the fixed cam 7 along its groove 8 with one end.

Кинематическая связь поводка 9 с пазом 8 кулачка 7 может быть осуществлена, например, как показано на фиг. 4.The kinematic connection of the driver 9 with the groove 8 of the cam 7 can be realized, for example, as shown in FIG. four.

Вращательную кинематическую пару: поводок 9 - рычаг 6 целесообразно выполнить как пару скольжения (для каждой).Rotational kinematic pair: leash 9 - lever 6, it is advisable to perform as a pair of sliding (for each).

Вращательную кинематическую пару: ось 5 лопатки 4 - обод 1 целесообразно выполнить как пару скольжения (для каждой).Rotational kinematic pair: the axis 5 of the blade 4 - the rim 1, it is advisable to perform as a pair of sliding (for each).

Материалы для изготовления элементов водяного колеса.Materials for the manufacture of elements of the water wheel.

Элементы, детали водяного колеса могут быть изготовлены из полимера, пластика, термопласта, металла, дерева, из материала, обладающего светопропусканием.Elements, parts of the water wheel can be made of polymer, plastic, thermoplastic, metal, wood, from a material with light transmission.

Для каждого материала, соответственно изделия из этого материала, имеются свои допустимые (без изменения заданных характеристик изделия) для него условия эксплуатации. При этом одни из них допустимы долговременно, другие кратковременно.For each material, respectively, a product made of this material, there are permissible (without changing the specified characteristics of the product) operating conditions for it. At the same time, some of them are permissible for a long time, others for a short time.

Для решения поставленных задач водяное колесо следует рассматривать как твердое тело из любого, в том числе указанного, материала, возможного к применению.To solve the set tasks, the waterwheel should be considered as a solid body made of any material, including the indicated one, that can be used.

Основные требования, а также в некоторых случаях дополнительные требования к материалам для изготовления элементов, деталей водяного колеса:Basic requirements, as well as in some cases additional requirements for materials for the manufacture of elements, parts of the water wheel:

долговременно, в воздухе, при атмосферном давлении от 640 до 820 мм рт.ст., при температуре от -20 град. С до +70 град. С, при относительной влажности от 0,1 до 100% способность не поддаваться изменению заданной для материала формы и размеров;long-term, in air, at atmospheric pressure from 640 to 820 mm Hg, at temperatures from -20 degrees. From up to +70 deg. C, at a relative humidity of 0.1 to 100%, the ability to resist changing the shape and size specified for the material;

высокая прочность;high strength;

стойкость к водо-поглощению, т.е. низкая гигроскопичность; высокая устойчивость к истиранию;resistance to water absorption, i.e. low hygroscopicity; high abrasion resistance;

хорошее сопротивление ползучести, даже при высоких температурах;good creep resistance, even at high temperatures;

физиологическая безвредность для человека (при необходимости);physiological harmlessness to humans (if necessary);

стойкость к воздействию веществ, способных менять химические и/или физические свойства материала, а именно, повышенная химическая стойкость, обуславливающая стабильность изделий под воздействием порошкообразных веществ, гелеобразных веществ, жидких сред, жидких сред под давлением, в том числе стерилизующих жидкостей (при необходимости);resistance to the effects of substances that can change the chemical and / or physical properties of the material, namely, increased chemical resistance, which determines the stability of products under the influence of powdery substances, gel-like substances, liquid media, liquid media under pressure, including sterilizing liquids (if necessary) ;

стойкость к воздействию разбавленных, концентрированных кислот, щелочей (при необходимости);resistance to dilute, concentrated acids, alkalis (if necessary);

стойкость к нагреванию до +110 град. С (при необходимости);resistance to heating up to +110 degrees. C (if necessary);

стойкость к воздействию горячей воды, пара (при необходимости);resistance to hot water, steam (if necessary);

способность выдерживать тепловую стерилизацию (в том числе, автоклавирование), радиационную стерилизацию без изменения химических и/или физических свойств (при необходимости);the ability to withstand heat sterilization (including autoclaving), radiation sterilization without changing chemical and / or physical properties (if necessary);

инертность к загрязнителям (при необходимости);inertness to pollutants (if necessary);

отсутствие запаха (при необходимости);lack of smell (if necessary);

Такими материалами являются в том числе полимеры, пластики, термопласты инженерно-технического назначения, конструкционные термопласты, изделия из них могут быть получены методом литья.Such materials include polymers, plastics, engineering thermoplastics, structural thermoplastics, products from them can be obtained by casting.

К ним относятся:These include:

Полиамиды, в том числе, полиамид 11 (РАН), полиамид 12 (РА12), полиамид 121200 (PA12G), полиамид 66 (РА66).Polyamides, including polyamide 11 (RAS), polyamide 12 (PA12), polyamide 121200 (PA12G), polyamide 66 (PA66).

Нейлон / Полиамиды.Nylon / Polyamides.

Нейлон - синтетический полимер, изготавливаемый на основе полиамидов.Nylon is a synthetic polymer based on polyamides.

Детали, элементы водяного колеса могут быть изготовлены не из чистого полиамида, а из полимеров, полученных либо из смеси разных полиамидов, либо из смеси полиамидов с другими компонентами (полимеры этой группы называют также полиамидами, сополиамидами и гриламидами).Parts, elements of a water wheel can be made not from pure polyamide, but from polymers obtained either from a mixture of different polyamides, or from a mixture of polyamides with other components (polymers of this group are also called polyamides, copolyamides and grilamides).

Детали, элементы водяного колеса, выполненные из нейлона (полиамида) - очень легкие и прочные, обладают устойчивостью к воздействию высоких и низких температур (не меняют свою форму), устойчивы к образованию царапин.Parts, elements of the water wheel made of nylon (polyamide) are very light and durable, resistant to high and low temperatures (do not change their shape), and are resistant to scratches.

Литьевые термопластичные материалы, относящиеся по химическому составу к сложным полиэфирам (т.е. содержащие сложноэфирную группу) полибутилентерефталат (РВТ), поликарбонат (PC), термостойкий поликарбонат, сополикарбонат на основе бисфенола А и бисфенола ТМС (РС-НТ), полициклогександиметилентерефталат(полиэфир РСТ);Injection molded thermoplastic materials related to the chemical composition of complex polyesters (i.e. containing an ester group) polybutylene terephthalate (PBT), polycarbonate (PC), heat-resistant polycarbonate, copolycarbonate based on bisphenol A and bisphenol TMS ( RS-NT ), polyethylene terephthalate PCT);

Простые полиэфиры: полиацеталь (РОМ-Н; РОМ-С), РРО, МРРО, МРРЕ, PPO-m, PPO/PS, PPO/HIPS, PPE/SB.Polyethers: polyacetal (POM-N; POM-S), PPO, MPPO, MPPE, PPO-m, PPO / PS, PPO / HIPS, PPE / SB.

Полипропилен (РР), полиэтилен высокомолекулярный (РЕ-5), полиметилпентен (РМР).Polypropylene (PP), high molecular weight polyethylene (PE-5), polymethylpentene (PMP).

Поликетоны алифатические (РК), поликетон.Aliphatic polyketones (RK), polyketone.

Относятся к группе кристаллизующихся материалов (высокая скорость кристаллизации). Выдерживают кратковременный нагрев до 180 град. С. Температура плавления: 220 град. С. Температура хрупкости: -20 град. С. Обладают высокой стойкостью к ударным нагрузкам, ползучести. Имеют высокую износостойкость. Не стойки к УФ-излучению. Обладают высокой химической и гидролитической стойкостью. Имеют очень высокую стойкость к автомобильному топливу (выше, чем у РОМ). Стойки к углеводородам, органическим растворителям, разбавленным кислотам и щелочам, растворам солей. Отличаются очень низкой газопроницаемостью.They belong to the group of crystallizing materials (high crystallization rate). Withstand short-term heating up to 180 degrees. C. Melting point: 220 deg. C. Brittleness temperature: -20 deg. C. Possess high resistance to shock loads, creep. They have high wear resistance. Not UV resistant. They have high chemical and hydrolytic resistance. They have a very high resistance to automotive fuel (higher than that of POM ). Resistant to hydrocarbons, organic solvents, dilute acids and alkalis, salt solutions. They are characterized by very low gas permeability.

Характеристики ненаполненных марок: плотность (при 23 град. С): 1.24 г/см³; предел текучести при растяжении (при 23 град. С): 60 Мпа; модуль упругости при изгибе (при 23 град. С): 1400 Мпа.Characteristics of unfilled grades: density (at 23 degrees C): 1.24 g / cm ³ ; tensile yield strength (at 23 degrees C): 60 MPa; flexural modulus (at 23 deg. C): 1400 MPa.

Стирольные пластики, например, полистирол синдиотаксический.Styrene plastics such as syndiotaxic polystyrene.

Относятся к металлоценовым материалам. Температура плавления: 260-270 град. С. Температура стеклования: около 100 град. С. Устойчивы к действию бензина, дизельного топлива антифризам, спиртам, растворам солей, разбавленным кислотам, щелочам и др. Очень стойки к воде. Имеют высокую размерную стабильность. Рекомендуются для точного литья. Хорошо перерабатываются. Обычно применяются в виде стеклонаполненных, угленаполненных и др. композиций.Refers to metallocene materials. Melting point: 260-270 deg. C. Glass transition temperature: about 100 degrees. C. Resistant to the action of gasoline, diesel fuel, antifreezes, alcohols, salt solutions, dilute acids, alkalis, etc. Very resistant to water. They have high dimensional stability. Recommended for precision casting. Well processed. Usually used in the form of glass-filled, carbon-filled and other compositions.

Характеристики стеклонаполненных марок (30% стекловолокна):Characteristics of glass-filled grades (30% fiberglass):

плотность (23 град. С): 1.21-1.44 г/см³;density (23 degrees C): 1.21-1.44 g / cm ³ ;

прочность при растяжении (при 23 град. С): 100-125 Мпа;tensile strength (at 23 degrees C): 100-125 MPa;

модуль упругости при растяжении (при 23 град. С): 7580-10000 Мпа.tensile modulus (at 23 deg. C): 7580-10000 MPa.

Также возможны к применению ацетобутиратцеллюлозный и ацетил целлюлозный этролы.Cellulose acetate butyrate and cellulose acetyl etrols are also possible for use.

Для повышения физико-механических свойств возможна добавка 1-5% стеклянного волокна.To improve the physical and mechanical properties, it is possible to add 1-5% glass fiber.

Ацетат целлюлозы. Пластмассы на основе ацетат целлюлозы (этролы) используют для изготовления прочных пластмасс.Cellulose acetate. Cellulose acetate plastics (etrols) are used to make durable plastics.

Легкий и достаточно прочный, устойчив к механическим воздействиям при обычныхтемпературах, легко обрабатывается.Lightweight and strong enough, resistant to mechanical stress at normal temperatures, easy to process.

Углеволокно (углеродное волокно, карбон) - композитный материал, состоящий из волокон углерода, которые соединены между собой эпоксидными смолами и/или другими полимерами (полиэстер, нейлон), также и для пара-арамидного волокна.Carbon fiber (carbon fiber, carbon) is a composite material consisting of carbon fibers that are interconnected by epoxy resins and / or other polymers (polyester, nylon), also for para-aramid fiber.

Для повышения прочности волокна материала переплетают между собой под определенным углом и добавляют в них полимерные волокна и эпоксидные смолы.To increase the strength, the fibers of the material are intertwined with each other at a certain angle and polymer fibers and epoxy resins are added to them.

Также возможны к применению и другие композитные материалы, полимерные композитные материалы, относящиеся к: стеклопластикам, углепластикам, боропластикам, полимерам, наполненным порошками, текстадитам, композитные материалы с металлической матрицой, и др. Композитные материалы клеевые (КМК) представляют собой стекло-, углепластики, изготовленные из клеевых препрегов на основе стекло- и угленаполнителей и клеевой матрицы с регулируемой прочностью и теплостойкостью путем определенной укладки каждого монослоя.It is also possible to use other composite materials, polymer composite materials related to: fiberglass, carbon fiber reinforced plastics, boron plastics, polymers filled with powders, textadites, composite materials with a metal matrix, etc. Composite adhesive materials (CMC) are glass-, carbon-fiber reinforced plastics , made of adhesive prepregs based on glass and carbon fillers and an adhesive matrix with adjustable strength and heat resistance by a certain stacking of each monolayer.

Пропионаты.Propionates.

Этот тип полимеров по своим свойствам близок к ацетату целлюлозы. Детали водяного колеса можно получить литьем под давлением (методом инжекции).This type of polymer is similar in properties to cellulose acetate. Waterwheel parts can be obtained by injection molding.

Элементы, детали водяного колеса, выполненные из пропионата, будут прочнее, гибче и легче, чем элементы, детали водяного колеса, выполненные из ацетата целлюлозы.Elements, waterwheel parts made from propionate will be stronger, more flexible and lighter than elements, waterwheel parts made from cellulose acetate.

Металлы.Metals.

В дополнение к требованиям, изложенным выше, основными возможными требованиями к металлам, к стали и сплавам для производства деталей водяного колеса, могут быть:In addition to the requirements outlined above, the main possible requirements for metals, steels and alloys for the production of waterwheel parts may be:

высокая стойкость к общей, местной, контактной коррозии, коррозии под напряжением; высокие механические свойства и в первую очередь большая усталостная прочность, временное сопротивление разрыву; однофазная стабильная структура.high resistance to general, local, contact corrosion, stress corrosion; high mechanical properties and, first of all, high fatigue strength, temporary tensile strength; single phase stable structure.

Этим требованиям в различной мере отвечают:These requirements are met to varying degrees:

хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали; сплавы кобальта, тантала, титана; никель, серебро, титан; стали мартенситного класса марки 20X13, стали мартенситно-ферритного класса - 12X13; латуни с покрытием из хрома и никеля; хромоникелевые стали аустенитного класса 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; ферритные стали типа 1X17.chromium-nickel and chromium-nickel-molybdenum steels; alloys of cobalt, tantalum, titanium; nickel, silver, titanium; steels of the martensitic class of grade 20X13, steels of the martensitic-ferritic class - 12X13; chrome and nickel plated brass; chromium-nickel steels of the austenitic class 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; ferritic steels of type 1X17.

Для изготовления гибких элементов, элементов, которые должны обладать гибкостью (упругостью) водяного колеса можно использовать сталь, поставляемую по ГОСТ 9389-75.For the manufacture of flexible elements, elements that must have the flexibility (elasticity) of a water wheel, you can use steel supplied in accordance with GOST 9389-75.

Claims

1. A water wheel containing a disc mounted on a support by means of an axle,

on the rim of the wheel with the possibility of rotation, rigidly, each blade is mounted on its own axis,

a cam is installed between the rim and the hub with respect to the support, which has means for guiding movement along it,

each blade through its axis is kinematically connected to the cam by means of a lever intended for this and a leash connected to it,

characterized in that

each blade on its axis is set eccentrically,

in each pair, the lever is a leash, the latter are pivotally connected.

2. The water wheel according to claim 1, characterized in that the working plane of each blade is conditionally divided by the blade axis into two parts of different area, while a part of the blade with an area of 51 to 90% occupies a position within the wheel rim, respectively, a part of the blade with an area from 49 to 10% occupies a position outside the wheel rim, that is, it is outside the rim.

3. The water wheel according to claim. 1, characterized in that on the wheel rim, each blade is mounted on its axis on two supports.

4. The water wheel according to claim 1, characterized in that each blade is made in the form of a rectangular plate.

5. The water wheel according to claim 1, characterized in that the movable connection in each pair, the lever - the leash, is a ball joint.

6. The water wheel according to claim 1, characterized in that the means for guiding the movement along the cam has a surface made according to the sinusoidal law of movement.

7. The water wheel according to claim 1, characterized in that the cam has a groove for guiding movement along its surface, and for interaction with the groove of the cam, each driver is provided with a spike with a roller.

8. The water wheel according to claim. 1, characterized in that each rotary kinematic pair, the axis of the blade - the wheel rim, is made as a pair of sliding.

9. Waterwheel according to claim 1, characterized in that each element of the waterwheel is made of material:

long-term, in air, at atmospheric pressure from 640 to 820 mm Hg, at temperatures from -20 to +70 degrees. C, at a relative humidity of 0.1 to 100%, capable of resisting changes in the shape and size specified for a product made of it;

resistant to substances that can change the chemical and / or physical properties of the material, namely, liquid media, liquid media under pressure.

10. The water wheel according to claim 9, characterized in that the disc with the rim, supports, blades are made of polymer.

11. The water wheel according to claim 10, characterized in that the polymer for the manufacture of a disc with a rim, supports, blades is polyketone.

12. The water wheel according to claim 9, characterized in that the cam, levers, and levers are made of polymer composite material.

13. A water wheel according to claim 12, wherein the polymer composite material is carbon fiber.

14. The water wheel of claim. 9, characterized in that each axis of each hinge is made of polymer.

15. A water wheel according to claim 14, wherein the polymer is polyketone.