RU2109171C1

RU2109171C1 - Fluid medium stream shaping device

Info

Publication number: RU2109171C1
Application number: RU95113242A
Authority: RU
Inventors: Андрей Игоревич Шевченко
Original assignee: Андрей Игоревич Шевченко
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: energy conversion; water propellers. SUBSTANCE: device has case, shaft 1 carrying cylindrical or conical rotor formed by rear end plate 4 with outlet nozzle 5 arranged coaxially to the latter, and blades 3 installed for turning about their fastening points to control angle of inclination to plane radial to axis of rotor revolution; slot-type duct 6 is formed between adjacent blades 3 that functions as rotor inlet duct. Total area of slot-type ducts 6 is adjustable and is much greater than sectional area of outlet nozzle 5. Flat straightening members are fixed relative to shaft and are placed radially inside and/or outside the rotor at certain angle to radial plane. Ends of blades 3 are also secured in front end plate 2 for turning. EFFECT: improved design. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к общему машиностроению, конкретнее - к устройствам для формирования потока текучей среды. The invention relates to general engineering, and more particularly, to devices for forming a fluid flow.

Наиболее успешно изобретение может быть использовано в качестве водометного движителя плавучих средств и в насосах в качестве турбины, как автоматическая бесступенчатая коробка передач в транспортных средствах, а также как двигатель. Most successfully, the invention can be used as a water-jet propulsion device for floating vehicles and in pumps as a turbine, as an automatic continuously variable transmission in vehicles, and also as an engine.

Известные водометные движители содержат проточную часть той или иной формы, поток воды внутри которой ускоряется с помощью насоса или сжатым воздухом. Насосы, как правило, механического типа - центробежные или осевые. Проточная часть водометного движителя осевого типа состоит из последовательно соединенных водозаборника, насосной части и сопла. Поскольку форма водозаборника чаще эллиптическая, а форма насосной части - круглая, между ними располагают переходный участок для плавного сочленения. Known water-jet propulsors contain a flow part of one form or another, the flow of water inside which is accelerated by a pump or compressed air. Pumps, as a rule, are of mechanical type - centrifugal or axial. The flowing part of the axial type water jet propeller consists of a series-connected water intake, a pump part and a nozzle. Since the shape of the water intake is often elliptical, and the shape of the pumping part is round, a transition section is located between them for smooth articulation.

Водозаборники водоизмещающих и глиссирующих судов размещают в днище судна, они вытянуты в продольном или поперечном направлении. В судах на подводных крыльях водозаборник располагают вне корпуса, его отверстие может быть направлено против потока (полнонапорный водозаборник) или вниз. Intakes of displacement and planing vessels are placed in the bottom of the vessel, they are elongated in the longitudinal or transverse direction. In hydrofoil vessels, the water intake is located outside the hull; its opening can be directed against the flow (full-pressure water intake) or down.

Во всех известных водометных движителях насос расположен выше водозаборного отверстия, поэтому в районе переходного участка проточный трубопровод имеет поворотное колено, через которое вводится вал насоса. In all known water-jet propulsors, the pump is located above the water intake opening; therefore, in the area of the transition section, the flow pipe has a rotary elbow through which the pump shaft is introduced.

Осевой насос состоит из одного-трех рабочих колес, установленных на одной оси. За рабочим колесом обычно устанавливают направляющие аппараты (контрпропеллеры). На выбросе водометного движителя расположено сопло - устройство для поджатия струи, обеспечивающее заданную скорость истечения воды. При внутреннем поджатии в конце проточной части трубопровода вводят конический участок, а при внешнем поджатии на продолжении ступицы колеса размещают цилиндрическое или коническое тело. An axial pump consists of one to three impellers mounted on one axis. Guiding devices (counterpropellers) are usually installed behind the impeller. At the ejection of the water-jet propulsion, a nozzle is located - a device for compressing the jet, which provides a predetermined flow rate of water. With an internal preload, a conical section is introduced at the end of the flowing part of the pipeline, and with an external preload, a cylindrical or conical body is placed on the continuation of the wheel hub.

Водометные движители с центробежным насосом по схеме работы близки к осевым. Разница в том, что форма трубопровода в места расположения насоса более сложная, трубопровод имеет несколько дополнительных поворотных колен. Направления забора и выброса воды не совпадают (часто перпендикулярны), что облегчает оперативное изменение направления выброса воды. Water-jet propulsion with a centrifugal pump according to the scheme of operation are close to axial. The difference is that the shape of the pipeline at the pump location is more complex, the pipeline has several additional rotary elbows. The directions of water intake and discharge do not coincide (often perpendicular), which facilitates the operational change in the direction of water discharge.

Основные достоинства водометных движителей в сравнении с винтовыми и крыльчатыми - легкость маневра, большая надежность при работе в условиях мелководья и загрязненной акватории. Эффективность водометных движителей при больших скоростях близка к эффективности гребных винтов. The main advantages of water jets in comparison with screw and wing propellers are ease of maneuver, great reliability when working in shallow water and contaminated waters. The efficiency of jet propulsion at high speeds is close to the efficiency of propellers.

Водометные движители с центробежными насосами обеспечивают большой напор при малом расходе, Обычно они подключаются параллельно для увеличения расхода. Движители осевые обеспечивают большой расход при малых напорах. Для увеличения напора их соединяют последовательно, ступенчато. При этом полный напор насоса определяют как сумму напоров отдельных ступеней. Water jets with centrifugal pumps provide high pressure at low flow rates. Usually they are connected in parallel to increase flow. Axial thrusters provide high flow at low pressures. To increase the pressure, they are connected in series, stepwise. In this case, the total pressure of the pump is determined as the sum of the pressure of the individual stages.

Общими недостатками известных водометных движителей являются:
1) наличие кавитации. Для эффективной работы и осевых и центробежных водометных движителей необходима высокая скорость вращения гребных лопаток. В центробежном движителе решить эту проблему невозможно, а в осевом известные решения, снижающие кавитацию с применением многоступенчатых насосов, очень сложны и дороги;
2) большая сложность, обусловленная введением вала двигателя внутрь проточного трубопровода, сложной формой трубопровода для сочленения его с насосом и валом движителя, системой сопряжения последовательных ступеней в осевом движителе и параллельных - в центробежном;
3) большие габариты, обусловленные тем, что для получения большого напора в осевых движителях включают несколько ступеней последовательно, тем самым увеличивая его общую длину, а для получения большого расхода в центробежных движителях их включают параллельно, увеличивая его общую ширину;
4) излишние гидравлические потери, связанные с необходимостью подъема воды выше ватерлинии и прогона ее по изогнутым трубопроводам.Common disadvantages of known jet propulsion devices are:
1) the presence of cavitation. For the effective operation of both axial and centrifugal water-jet propulsors, a high speed of rotation of the propeller blades is required. It is impossible to solve this problem in a centrifugal propeller, and in the axial known solutions that reduce cavitation using multistage pumps are very complex and expensive;
2) the great complexity due to the introduction of the motor shaft into the flow pipe, the complex shape of the pipe for connecting it to the pump and the propulsion shaft, the system of coupling of sequential steps in the axial propeller and parallel in the centrifugal;
3) large dimensions, due to the fact that to obtain a large pressure in the axial thrusters include several stages in series, thereby increasing its total length, and to obtain a large flow rate in centrifugal thrusters they are turned on in parallel, increasing its total width;
4) excessive hydraulic losses associated with the need to raise water above the waterline and run it through bent pipelines.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство, описанное патенте US N 4735045, кл. B 63 H 11/00. Двунаправленный водометный движитель содержит вращающийся ротор, на наружной поверхности которого смонтированы лопасти. Корпус охватывает ротор, располагаясь около первого участка периферии лопастей. В корпусе соосно с ротором выполнено впускное отверстие. Круглая защитная крышка установлена соосно с ротором. Поджатая крышка удерживается в закрытом положении, герметизируя впускное отверстие, когда движитель находится в нерабочем положении. Нажимающее усилие меньше усилия входящей воды, чтобы открыть крышку, когда движитель находится в рабочем состоянии. Рядом с вторым участком периферии радиальных лопастей находится ограниченная выпускная поверхность. The closest technical solution to the proposed device, selected as a prototype, is the device described in patent US N 4735045, class. B 63 H 11/00. The bi-directional water-jet propulsion device contains a rotating rotor, on the outer surface of which the blades are mounted. The housing covers the rotor, located near the first section of the periphery of the blades. The inlet is made coaxially with the rotor in the housing. The round protective cover is mounted coaxially with the rotor. The prepressed cap is held closed, sealing the inlet when the propulsion device is in the off position. The pressing force is less than the force of the incoming water to open the cover when the mover is in working condition. Near the second portion of the periphery of the radial blades is a limited outlet surface.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для формирования потока текучей среды, в котором кавитация и гидравлические потери были бы минимальны, а само устройство имело бы простую конструкцию. The basis of the invention is the task of developing a device for forming a fluid flow, in which cavitation and hydraulic losses would be minimal, and the device would have a simple design.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования потока текучей среды по изобретению ротор размещен ниже ватерлинии и образован лопостями, закрепленными своими концами в передней и задней торцевых пластинах и установленными параллельно или под некоторым углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора с образованием между соседними лопостями щелевидного канала, являющегося входным каналом ротора, а его выходное сопло установлено соосно в задней торцевой пластине, при этом ротор выполнен цилиндрическим или конусообразным. The problem is solved in that in the device for forming a fluid flow according to the invention, the rotor is located below the waterline and is formed by blades fixed at their ends in the front and rear end plates and installed parallel or at some angle to a plane radial to the axis of rotation of the rotor with the formation between adjacent blades of the slit-like channel, which is the input channel of the rotor, and its output nozzle is mounted coaxially in the rear end plate, while the rotor is cylindrical or conical shaped.

Для улучшения условий забора воды лопасти установлены с возможностью поворота вокруг их осей крепления для регулирования угла наклона лопастей относительно плоскости, радиальной к оси вращения ротора. Здесь и далее по тексту под радиальной плоскостью следует понимать плоскость, проведенную через ось вращения ротора и ось, образованную точками крепления лопасти 3 к торцевым пластинам 2 и 4. To improve the conditions of water intake, the blades are mounted with the possibility of rotation around their mounting axes to adjust the angle of inclination of the blades relative to a plane radial to the axis of rotation of the rotor. Hereinafter, the radial plane should be understood as the plane drawn through the axis of rotation of the rotor and the axis formed by the attachment points of the blades 3 to the end plates 2 and 4.

Суммарная площадь щелевидных каналов ротора существенно больше площади сопла и выполнена регулируемой. The total area of the slit-like channels of the rotor is significantly larger than the area of the nozzle and is made adjustable.

Для уменьшения закручивания потока воды внутри и/или снаружи ротора размещают плоские спрямляющие элементы, установленные неподвижно относительно вала радиально или под углом, к радиальной плоскости. To reduce the twisting of the water flow inside the and / or outside of the rotor, flat straightening elements are installed, which are mounted motionless relative to the shaft radially or at an angle to the radial plane.

Ротор может быть размещен внутри дополнительного ротора большего диаметра, образованного лопастями, расположенными под углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора, при этом оба ротора могут вращаться с одинаковыми или разными скоростями в одну или противоположные стороны относительно друг друга. The rotor can be placed inside an additional rotor of a larger diameter, formed by blades located at an angle to a plane radial to the axis of rotation of the rotor, while both rotors can rotate at the same or different speeds in one or opposite directions relative to each other.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство с цилиндрическим ротором; на фиг.2 - то же, что на фиг. 1,с ротором конусообразной формы; на фиг. 3 - то же, что на фиг.1, с плоскими спрямляющими элементами, вид со стороны передней торцевой пластины ротора; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - предлагаемое устройство с двумя роторами. Figure 1 schematically shows the proposed device with a cylindrical rotor; figure 2 is the same as in fig. 1, with a cone-shaped rotor; in FIG. 3 is the same as in FIG. 1, with flat straightening elements, a view from the side of the front end plate of the rotor; figure 4 is a section aa in figure 3; figure 5 - the proposed device with two rotors.

Предлагаемое устройство, используемое в качестве водометного движителя, содержит вращающийся вал 1 (фиг.1), на котором установлена передняя торцевая пластина 2. К этой пластине крепятся одним концом лопасти 3, образующие ротор, другой конец этих лопастей 3 крепится к задней торцевой пластине 4, в которой соосно ротору установлено выходное сопло 5. Лопасти 3 устанавливаются или параллельно оси вращения ротора (ротор цилиндрической формы, фиг. 1), или под некоторым углом к этой оси вращения (ротор конусообразной формы, фиг.2) При этом лопасти 3 установлены с возможностью поворота вокруг их осей крепления в торцевых пластинах 2 и 4, что обеспечивает регулировку угла наклона лопастей 3 относительно плоскости, радиальной оси вращения ротора. Между соседними лопастями 3 имеются щелевидные каналы 6, являющиеся входными каналами ротора. Суммарная площадь этих каналов 6 выполнена регулируемой и существенно больше площади сечения сопла 5, которая также выполнена регулируемой. The proposed device used as a water-jet propulsion device includes a rotating shaft 1 (Fig. 1), on which a front end plate 2 is mounted. To this plate are attached one end of the blade 3, forming a rotor, the other end of these blades 3 is attached to the rear end plate 4 in which the output nozzle 5 is installed coaxially with the rotor. The blades 3 are mounted either parallel to the axis of rotation of the rotor (cylindrical rotor, Fig. 1), or at a certain angle to this axis of rotation (cone-shaped rotor, Fig. 2) mounted with the possibility of rotation around their mounting axes in the end plates 2 and 4, which provides adjustment of the angle of inclination of the blades 3 relative to a plane radial to the axis of rotation of the rotor. Between adjacent blades 3 there are slit-like channels 6, which are the input channels of the rotor. The total area of these channels 6 is adjustable and substantially larger than the cross-sectional area of the nozzle 5, which is also adjustable.

В устройстве предусмотрены плоские спрямляющие элементы 7 (фиг.3), которые имеют участок 8, расположенный внутри ротора, и участок 9, расположенный снаружи ротора. Спрямляющие элементы 7 соединены осью 10 (фиг.4), которая посредством подшипника 11 крепится на валу 1 со стороны торцевой пластины 2. Участки 9 спрямляющих элементов 7 крепятся к корпусу 12 движителя. The device provides flat rectifying elements 7 (figure 3), which have a section 8 located inside the rotor, and a section 9 located outside the rotor. The straightening elements 7 are connected by an axis 10 (Fig. 4), which, by means of a bearing 11, is mounted on the shaft 1 from the side of the end plate 2. The sections 9 of the straightening elements 7 are attached to the housing 12 of the propulsion device.

На фиг. 5 изображено предлагаемое устройство, когда ротор установлен внутри дополнительного ротора большего диаметра и образованного лопастями 13, расположенными под углом к плоскости, радиальной к оси вращения ротора, причем оба ротора могут вращаться с одинаковыми или разными скоростями в одну или противоположную стороны, относительно друг друга. In FIG. 5 shows the proposed device when the rotor is installed inside an additional rotor of a larger diameter and formed by blades 13 located at an angle to a plane radial to the axis of rotation of the rotor, both rotors can rotate at the same or different speeds in one or opposite directions relative to each other.

Движитель работает следующим образом,
При вращении вала 1 движителя вращается торцевая пластина 2, увлекая за собой весь ротор. Лопасти 3 забирают воду внутрь ротора через щелевидные каналы 6, нагнетая ее под давлением. Внутри ротора образуется избыточное давление, выход для которого только один - через сопло 5 задней торцевой пластины 4. Величина давления определяется скоростью вращения лопастей 3 и их углом атаки: они ориентированы или параллельно оси вращения ротора или под некоторым углом к этой оси.The mover works as follows,
When the shaft 1 of the propeller is rotated, the end plate 2 rotates, carrying along the entire rotor. The blades 3 take water into the rotor through the slit-like channels 6, pumping it under pressure. Overpressure is formed inside the rotor, the output for which is only one - through the nozzle 5 of the rear end plate 4. The pressure is determined by the speed of rotation of the blades 3 and their angle of attack: they are oriented either parallel to the axis of rotation of the rotor or at some angle to this axis.

Этот способ создания избыточного давления эффективнее, чем в прототипе (центробежный вариант), где большая часть энергии затрачивается на трение стенки ротора. Увеличить скорость истечения воды из сопла 5 можно, кроме увеличения скорости вращения ротора, выбором соотношения между площадями щелевидных каналов 6 ротора и сопла 5. This method of creating excess pressure is more effective than in the prototype (centrifugal version), where most of the energy is spent on friction of the rotor wall. You can increase the rate of water outflow from the nozzle 5, in addition to increasing the rotor speed, by choosing the ratio between the areas of the slot-like channels 6 of the rotor and the nozzle 5.

При использовании предлагаемого устройства в качестве турбины, забор жидкости происходит через впускное сопло 5, а выброс - через щелевидные каналы 6 ротора, при этом лопасти могут быть выполнены только с наружной стороны. When using the proposed device as a turbine, the intake of fluid occurs through the inlet nozzle 5, and the release through the slot-like channels 6 of the rotor, while the blades can be made only from the outside.

При использовании предлагаемого устройства в качестве насоса на передней торцевой пластине 2 могут быть выполнены отверстия для протекания рабочей среды. When using the proposed device as a pump on the front end plate 2 can be made holes for the flow of the working medium.

При использовании предлагаемого устройства как двигателя внутрь ротора помещают форсунку, а отверстия на передней и задней торцевых пластинах отсутствуют или могут быть сохранены для подачи топлива и окислителя в форсунку. When using the proposed device as an engine, a nozzle is placed inside the rotor, and the holes on the front and rear end plates are absent or can be saved to supply fuel and oxidizer to the nozzle.

Claims

1. A device for forming a fluid flow comprising a housing, a shaft mounted on a shaft with a cylindrical or conical rotor formed by a rear end plate coaxial with which the outlet nozzle is located, and blades that are mounted for rotation around their mount to adjust the angle of inclination relative to the plane located radially to the axis of rotation of the rotor, and with the formation between the adjacent blades of the slit-like channel, which is the input channel of the rotor, the total area of the slit-like channels of the mouth The ora is made adjustable and significantly larger than the cross-sectional area of the output nozzle, characterized in that it is provided with a front end plate, in which the ends of the blades are also rotatably fixed, and flat straightening elements mounted motionless relative to the shaft and placed radially inside and / or outside the rotor under angle to the radial plane.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional rotor of a larger diameter with blades located at an angle to a plane located radially to the axis of rotation of the rotor, both rotors mounted for rotation in one or in opposite directions relative to each other .