RU2816858C1 - Способ создания крутящего момента на валу - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано для привода в воде различных технических средств и агрегатов. Для создания крутящего момента на валу вал закрепляют на роторе, где ротор выполнен в виде тела вращения и помещен в воду. Ротор имеет вертикально-ориентированные каналы, каждый канал ротора имеет входное отверстие, расположенное снизу ротора, и выходное отверстие, расположенное сверху ротора. Каналы искривлены таким образом, что выходное отверстие каждого канала смещено относительно входного отверстия на некоторый угол назад относительно направления вращения ротора. Снизу ротора во входные отверстия каналов подают мелкодисперсную пену, которая воздействует на внутренние стенки каждого канала так, что вся совокупность воздействий на внутренние стенки всех каналов создает результирующий крутящий момент на валу. Достигается обеспечение в расширении области применения, поскольку наличие на валу крутящего момента может быть использовано для различных целей, в частности для привода гребного винта, для привода различных вспомогательных инструментов и агрегатов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано для перекачки воды и пульпы, а также привода в воде различных технических средств и агрегатов [B63H 25/00].

Из уровня техники известен ВОДОМЕТНЫЙ ТУРБОДВИГАТЕЛЬ НА ЭНЕРГИИ ВОЗДУХА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОДИСПЕРСНОЙ ВОЗДУШНО-ВОДЯНОЙ СМЕСИ [RU 204438 U1, опубл. 25.05.2021], содержащий трубу, на внутренней стороне которой расположены форсунки, выполненные с возможностью подачи сжатого воздуха, внутри трубы за форсунками соосно размещены турбины, отличающийся тем, что труба состоит из двух коаксиально соединенных между собой сегментов, при этом каждый из сегментов трубы выполнен на входной части расширяющимся, а на выходной части - сужающимся, при этом сужающийся конец первого сегмента трубы размещен в расширяющемся сегменте второй трубы с образованием зазора между секциями трубы.

Недостатком этого решения является ограниченная область применения, поскольку решение может быть использовано только для горизонтального прямолинейного перемещения.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА [RU 2764312 C1, опубл. 17.01.2022], характеризующийся тем, что из емкости для хранения сжатого углекислого газа, посредством насоса высокого давления, углекислый газ подают на форсунки первого сегмента трубы, в котором создается избыточное давление и поток газово-водяной смеси ускоряется вдоль трубы и воздействует на турбины, тем самым вращая их, затем на выходе из первого сегмента трубы, под действием силы тяготения газово-водяной поток разделяется на два - водяной поток, который проходит в направлении сопла и выходит за пределы турбодвигателя, создавая реактивную силу, и поток углекислого газа, который поднимается вверх вдоль наклонной поверхности второго сегмента трубы в газозаборник, и затем посредством насоса попадает в емкость, и далее через компрессор, попадает в емкость для хранения сжатого углекислого газа, образуя тем самым замкнутый цикл движения углекислого газа, что позволяет использовать двигатель в подводном положении без пополнения газом извне.

Недостатком данного способа является ограниченная область применения, поскольку решение может быть использовано только для прямолинейного перемещения в горизонтальной плоскости.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И КОРРЕКЦИИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПЛАВСРЕДСТВА [RU 2799688 C1, опубл. 10.07.2023], характеризующийся тем, что вокруг подводной части плавучего средства в одной горизонтальной плоскости размещают и жестко закрепляют несколько десятков движителей, использующих для создания реактивной силы энергию сжатого воздуха, который проходит через систему форсунок и уже в виде мелкодисперсной пены воздействует на закрепленную внутри каждого движителя наклонную плоскость, при этом вся совокупность движителей создает реактивную силу, результирующий вектор которой может быть направлен в любом направлении в горизонтальной плоскости, а управление указанными движителями осуществляется посредством компьютерной системы, которая оценивает отклонение от заданной точки и формирует управляющие сигналы для точной коррекции местоположения плавучего средства, при этом управление движителями осуществляется за счет того, что компьютерная система задает абсолютные значения импульса для каждого движителя, которые прямо пропорциональны пропущенному объему воздуха.

Основной технической проблемой прототипа является возможность использования его только для перемещения объектов в горизонтальной плоскости.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в расширении области применения, поскольку наличие на валу крутящего момента может быть использовано для различных целей, в частности, для привода гребного винта, для привода различных вспомогательных инструментов (фреза, сверло и т.д.) и агрегатов.

Технический результат достигается за счет того, что способ создания крутящего момента на валу, заключается в том, что вал закреплен на роторе, который выполнен в виде тела вращения и помещен в воду, ротор имеет вертикально ориентированные каналы, каждый из которых имеет входное отверстие, расположенное снизу ротора и выходное отверстие, расположенное сверху ротора, при этом каналы искривлены таким образом, что выходное отверстие каждого канала, смещено относительно входного отверстия на некоторый угол назад относительно направления вращения ротора, при этом снизу ротора во входные отверстия каналов подают мелкодисперсную пену, которая воздействует на внутренние стенки каждого канала так, что вся совокупность воздействий на внутренние стенки всех каналов создает результирующий крутящий момент на валу.

В частности, ротор выполнен в виде цилиндра или в виде усеченного конуса.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показаны варианты выполнения ротора с каналами.

На фиг. 2 показан общий вид ротора с вертикальными каналами.

На фиг. 3 показан ротор сверху.

На фиг. 4 показана схема осуществления способа.

На фигурах обозначено: 1 - ротор, 2 - канал, 3 - входное отверстие, 4 - выходное отверстие, 5 - пена, 6 - средство отвода жидкости, 7 - вал.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для создания крутящего момента на валу 7 используется ротор 1, который выполнен в виде тела вращения, например, в виде цилиндра или в виде ученного конуса. Ось тела вращения совпадает с осью вращения ротора 1 и с осью вращения вала 7.

В роторе 1 выполнено некоторое количество вертикальных каналов 2. Форма поперченного сечения каналов может быть различной. Каждый канал 2 имеет входное отверстие 3, в которое подается мелкодисперсная пена 5, и выходное отверстие 4, из которого мелкодисперсная пена 5 выходит. Соответственно, входное отверстие 3 выполнено в нижнем основании тела вращения, а выходное отверстие 4 выполнено в верхнем основании тела вращения. Сам ротор при этом размещается в воде.

Верхнее отверстие 4 каждого канала 2 смещено на некоторый угол α относительно нижнего отверстия 3 этого же канала назад относительно направления вращения ротора. На фигуре 3 показано вращение ротора по часовой стрелке, при этом верхнее отверстие 4 смещено на угол α против часовой стрелки относительно входного отверстия 3.

Такое искривление канала 2 создает силу F, которая приложена к стенкам этого канала. Данная сила возникает ввиду нижеследующего.

Поток воды или пены, под действием силы Архимеда в наклонном канале будут вызывать реакции силы в вертикальной и горизонтальной плоскости. При наклоне канала направо поток будет в горизонтальной плоскости вызывать реакцию силы, направленную влево (см. силу F2 на фиг. 2). С противоположной стороны ротора канал имеет подобный наклон, но сила будет направлена в противоположную сторону. Соответственно, для этого канала поток будет в горизонтальной плоскости вызывать реакцию силы, направленную вправо (см. силу F1 на фиг. 2). То есть силы с противоположных сторон образуют пару сил, которые вызывают вращение ротора по часовой стрелке, если смотреть сверху.

Таким образом, если к основанию ротора (нижняя плоскость) подвести сжатый газ, и пропустить его через тонкие форсунки, то снизу будет образовываться мелкодисперсная пена, которая, поднимаясь, будет превращать накопленную энергию сжатого газа в механическую энергию на валу 7. Поток воды в конечной точке своей траектории при выходе из ротора за счет центробежных сил будет двигаться радиально, и с помощью емкости для отвода жидкости 6 будет направляться для дальнейшего использования. В этом смысле ротор, помимо вращения вала, еще работает как насос.

Пример осуществления изобретения.

В соответствии с заявленным изобретением был изготовлен опытный образец ротора, который был напечатан на 3D-принтере из ABS-пластика. Ротор был выполнен в виде цилиндра и имел диаметр основания 10 см, а высоту - 15 см.

В роторе было выполнено 6 сквозных каналов диаметром 8 мм каждый. Угол, на который было смещено выходное отверстие относительно входного составил 30 градусов.

Сверху ротора был прикреплен вал, также напечатанный на 3D-принтере из ABS-пластика. Высота вала составила 15 см. При этом для простоты эксперимента вал с ротором были посажены только на один подшипник скольжения, в качестве которого выступала сферическая металлокерамическая втулка. Подшипник был размещен на валу на расстоянии 2 см от верхней плоскости ротора.

Под ротором у нижней его плоскости были закреплены форсунки для создания из воздуха и воды мелкодисперсной пены. Форсунки представляют собой трубку диаметром 10 мм согнутую в кольцо диаметром 6 см с большим числом отверстий, каждое из которых имело диаметр до 0,1 мм. В эту трубку подавался сжатый воздух, который выходил через отверстия в форсунках с образованием пены.

Сам ротор при этом был помещен в воду.

Результаты измерений показали, что при давлении воздуха, подаваемого в форсунки, около 3 атмосферы, крутящий момент на валу составил около 2,8 Н*м, а при давлении 5 атмосфер крутящий момент на валу составил около 4,7 Н*м.

Таким образом, за счет того, что способ создания крутящего момента на валу заключается в том, что вал закреплен на роторе, ротор выполнен в виде тела вращения и помещен в воду, ротор имеет вертикально ориентированные каналы, каждый канал ротора имеет входное отверстие, расположенное снизу и выходное отверстие, расположенное сверху, при этом каналы искривлены таким образом, что выходное отверстие каждого канала, смещено относительно входного отверстия на некоторый угол назад относительно направления вращения ротора, при этом снизу ротора во входные отверстия каналов подается мелкодисперсная пена, которая воздействует на внутренние стенки каждого канала так, что вся совокупность воздействий на стенки всех каналов создает результирующий крутящий момент на валу и обеспечивает достижение следующих технических результатов:

- возможность использовать ротор для создания крутящего момента для работы специальных инструментов (фрезы, долота, фильтры) во время работы на нижнем уровне и с донными отложениями;

- в своем движении ротор работает как насос, т.е. одновременно поднимает нижние слои воды (или пульпы и мелкие донные отложения) на высоту своего вертикального размера;

- использование сжатого воздуха значительно снижает экологические риски при хранении и использовании, так как выбросы не токсичны и не засоряют окружающую среду;

- сжатый воздух является простым в производстве и хранении накопителем энергии (общеизвестный факт, уже в начале 20-го века делали городской транспорт на сжатом воздухе), не требует сложного оборудования для передачи, а для его получения могут быть использованы возобновляемые источники энергии.

Claims (6)

1. Способ создания крутящего момента на валу, заключающийся в том, что вал закреплен на роторе,

ротор выполнен в виде тела вращения и помещен в воду,

ротор имеет вертикально-ориентированные каналы,

каждый канал ротора имеет входное отверстие, расположенное снизу ротора, и выходное отверстие, расположенное сверху ротора, при этом каналы искривлены таким образом, что выходное отверстие каждого канала смещено относительно входного отверстия на некоторый угол назад относительно направления вращения ротора,

при этом снизу ротора во входные отверстия каналов подают мелкодисперсную пену, которая воздействует на внутренние стенки каждого канала так, что вся совокупность воздействий на внутренние стенки всех каналов создает результирующий крутящий момент на валу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде цилиндра или в виде усеченного конуса.