WO2016036277A1 - Device for converting water energy into rotational mechanical energy - Google Patents
Device for converting water energy into rotational mechanical energy Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016036277A1 WO2016036277A1 PCT/RU2015/000513 RU2015000513W WO2016036277A1 WO 2016036277 A1 WO2016036277 A1 WO 2016036277A1 RU 2015000513 W RU2015000513 W RU 2015000513W WO 2016036277 A1 WO2016036277 A1 WO 2016036277A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- rotors
- water
- teeth
- chambers
- energy
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B17/00—Other machines or engines
- F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
- F03C2/00—Rotary-piston engines
- F03C2/08—Rotary-piston engines of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Definitions
- the invention relates to hydropower and can be used in hydropower plants in a wide range of heads and capacities.
- Patent FR 2300235 describes a device with two water wheels, the efficiency of which is enhanced by a system of fixed guides of complex shape at the input and output of the device.
- WO2008018087 describes a hydraulic installation with two water wheels whose axles are parallel to each other.
- the wheels are enclosed in a body that repeats the shape of the wheels and forms two chambers.
- the water supply and discharge pipes are perpendicular to the axles of the wheels and have dimensions that overlap only half of each of the wheels.
- water enters the wheel blades facing each other. It does not fall on the opposite blades, since they are closed by the walls of the chamber.
- the device has large parasitic water leaks, sharply increasing during non-synchronous rotation of the wheels.
- a device for converting water energy into rotational energy RU252431 1 is known, in which two identical water wheels are also used.
- the wheels are located in the housing symmetrically with respect to the vertical axis of the water supply pipe at a distance of the radius of the water wheel. Water enters the blades located between the wheels.
- the end plates of the body are connected by water-retaining elements curved along the radius of the wheel, which together with the body form chambers for the wheels in their working area.
- the synchronization of rotation of the wheels is of fundamental importance, since otherwise there will be large water losses between the wheels. Synchronized wheel rotation is provided their kinematic connection with each other through a gear transmission, which complicates and increases the cost of the device.
- a device for converting water energy into rotational energy is known, the so-called hydraulic turbine DB RRBelova RU 21 13593, with two rotors with blades moving in the radial direction.
- the rotors are mounted parallel to each other in the cylindrical chambers of the housing with end caps at a distance from each other equal to the length of the two blades. In this case, the blades completely overlap the gap between the rotors, but do not touch each other during operation.
- Radially movable blades are mounted in radial guide rotors and move due to the interaction of the pins on the free ends of the blades with the profile grooves on the inner ends of the housing.
- Hydroturbine RU 2147078 is also known, in which the movable blades have a curved shape and are pivotally attached to the rotors at one end and slide in the grooves of the covers with the help of pins.
- the remaining structural elements of this turbine are similar to the previous one.
- the rotors are mounted parallel to each other in the housing chambers, having the shape of half-cylinders, at a distance from each other equal to two radii of the rotors.
- Each rotor is made with curved grooves along the longitudinal axis of the rotor, and the shape of these grooves corresponds to the shape of the moving blades.
- both of the above turbines have a common disadvantage, namely, that they reliably and stably operate only at low rotor speeds, i.e. with small pressures.
- the task of creating a simple and reliable device that effectively converts the energy of water into mechanical energy of rotational motion in a wide range of heads and capacities remains relevant.
- the technical result achieved by the invention is to reduce unproductive losses of water, to expand the range of heads and capacities in which the design works efficiently, as well as to reduce the number of interacting parts, which increases the reliability and durability of the device.
- the device for converting water energy into rotational energy like the prototype, contains a housing with an internal cavity, which has the form of two cylindrical-shaped and intersecting chambers. On the opposite sides of the housing symmetrically to the chambers, the inlet and outlet pipes for water are made. Two rotors are installed in the chambers, and a streamlined guide is installed in the center of the inlet pipe, dividing the water flow into two, and directing it to the opposite side walls of the cylindrical chambers. Unlike the prototype, the rotors are made in the form of helical gears with curved teeth that are meshed.
- the profile of the working sections of the teeth of one of the wheels in the end section is outlined by arcs of circles eccentrically offset relative to the axis of the wheel.
- Mating tooth sections of another wheel in the same sections are outlined by sections of the fronts of cycloidal curves.
- the inlet and outlet nozzles for water are displaced along the rotors to their ends in opposite directions.
- the inlet pipe should be positioned obliquely to a plane passing through the axis of both rotors, so as to direct the flow of water normally to the helical surface of the teeth of the rotors. This will increase the utilization of the kinetic energy of water.
- the invention is illustrated in graphic materials.
- FIG. 1 shows a general view of a device for converting water energy into mechanical energy of rotational motion with nozzles arranged obliquely to a plane in which the axes of both rotors lie.
- FIG. 3 and 4 schematically illustrate the principle of operation of the device.
- FIG. Figure 3 shows the end section of the rotors, for greater clarity, combined in one plane with the sections of the inlet and outlet nozzles located in a different structure in different planes.
- FIG. 4 shows a longitudinal section through the device through both inclined nozzles.
- FIG. 5 shows a real cross section of the device.
- FIG. 6 in section along the axes of both rotors shows one of the possible options for connecting the inventive device with electric generators in one unit.
- the device is a housing 1 made of lower 2 and upper
- the housing can be made, as in the prototype, of two end caps connected by a shell.
- the inner part of the housing 1 is a cavity in the form of two parallel chambers 5 and 6 of a cylindrical shape.
- the cylinders of the chambers intersect with each other, so that in the center of the chamber 5 and 6 are open towards each other.
- In chambers 5 and 6 are located the rotors 7 and 8, planted in the housing with bearings. The ends of the rotors fit snugly against the end walls of the chambers.
- An inlet pipe for water 9 is made on top of the housing 1, and an outlet pipe 10 is made at the bottom of the housing.
- the chambers with rotors 7 and 8 are located symmetrically with respect to each of the pipes 9 and 10.
- the rotors 7 and 8 are made in the form of gears with curved teeth 1 1 and 12, which are engaged with each other (see Figs. 2, 3 and 5).
- the teeth of the rotors have a different shape.
- the rotor 7 has curved teeth 1 1 in the end section of the gear the wheels have on the working sections 13 the shape of an arc of a circle 14, which is eccentrically offset by a distance D from the axis of rotation of the wheel 1 1.
- the mating working sections 15 of the teeth 12 of the other wheel in the same end sections are formed by sections of the fronts of the cycloidal curves 16.
- the cycloidal curves in this case are equidistant epicycloid.
- a helical profile of the wheels is formed during continuous rotation and axial displacement of these mating profiles 13 and 15. This gearing is called an eccentric - cycloidal or EC gearing (see RU 2416748).
- a streamlined guide 17 is installed along the axis of the inlet pipe 9 (see Fig. 3). This guide divides the entire stream 18 of water in the pipe 9 into two parts 19 and 20, and directs these flows to the outer teeth of the rotors 7 and 8.
- the nozzles 9 and 10 are offset in opposite directions to the ends of the rotors, as shown in FIG. 4. Such a displacement of the nozzles ensures the supply of water into the space between the helical teeth of the adjacent rotors until the locking contact of the teeth 1 1 and 12. Otherwise, when water is supplied in the center of the chamber, part of the water will fall into the space after the locking contact of the teeth 1 1 and 12, and spill into the outlet pipe without doing useful work.
- the axis of the inlet pipe 9 is inclined at an angle a to the plane of the axes of the rotors.
- the angle a depends on the angle of inclination of the oblique teeth 1 1 and 12 of the rotors 7 and 8 and is selected so that the water flows 19 and 20 formed after the separation of the stream 18 are directed normally to the helical surfaces of the teeth 12 and 13 of the rotors 7 and 8, which increases the dynamic pressure of water on the teeth of the rotors. In this case, the greatest degree of utilization of the kinetic energy of the water flow is achieved.
- the axis of the outlet pipe 10 can be located at any angle, but from the point of view of minimal changes in the direction of movement of the water flow, it is better to make it coincide with the axis of the inlet pipe 9, as shown in FIG. 4.
- the rotors 7 and 8 are connected to the output shafts 21 and 22.
- the output shafts are made in one piece with gear rotors 7 and 8.
- the output shafts are connected to the input shafts with couplings 23 and 24. electric generators 25, 26. It is also possible to use one, more powerful generator. Then the rotation from the shafts 21 and 22 should be transmitted to the generator shaft using an additional gear transmission (it is not shown in the figures).
- the proposed device operates as follows.
- the flow of water 18 through the inlet pipe 9 is divided into two streams 19 and 20 of the streamlined guide 17.
- These flows due to the inclination of the inlet pipe are directed at approximately right angles to the helical side surface of the teeth 12 and 13, located to the right and left of the common center of the rotors.
- the pressure of these water flows creates forces that cause the rotors 7 and 8 to rotate in opposite directions. Since the rotors are connected by gearing, they rotate synchronously, and practically no water leaks in the center of the device between the rotors.
- the lack of friction between the wheels allows the rotors to rotate at high speeds, and work at high water pressures.
- the proposed design is operable in a very wide range of rotation speeds (up to up to 3000 rpm). Such a rotation speed is quite sufficient for the power of standard generators up to 10 MW.
- the proposed device can replace a whole gamut of hydraulic units of various designs, each of which works effectively in a fairly narrow range of heads and capacities.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Hydraulic Turbines (AREA)
Abstract
A device for converting water energy into rotational mechanical energy relates to hydroelectric power generation and can be used in hydroelectric power units of hydroelectric power stations. The device contains a housing (1) having an internal cavity which is in the form of two parallel and intersecting cylindrical chambers (5, 6). The chambers (5, 6) have rotors (7, 8) installed therein. At the center of a fitting (9) there is mounted a streamlined guide (17) which divides a flow of water (18) into two flows. The rotors (7, 8) are in the form of helical gears having meshed curvilinear teeth (11, 12). The profile of the face section of the working portions of the teeth (11) of one of the gears is defined by arcs of circles (14) which are eccentrically offset relative to the gear axis. The mated portions of the teeth of the other gear are defined, in the same cross-sections, by edge portions of cycloidal curves (16). At opposite ends of the housing (1), symmetrically to the chambers (5, 6), inlet and outlet fittings (9, 10) are provided, which are offset in opposite directions from the ends of the rotors (7, 8).
Description
Устройство для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения Device for converting water energy into mechanical energy of rotational motion
Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в гидроагрегатах ГЭС в широком диапазоне напоров и мощностей. The invention relates to hydropower and can be used in hydropower plants in a wide range of heads and capacities.
Наиболее простыми по конструкции и надежными в работе являются устройства на основе водяного колеса с неподвижными лопатками. Однако такие конструкции работают только в диапазоне небольших скоростей вращения и имеют крайне низкий коэффициент использования энергии водяного потока. Для его увеличения используют схему с двумя параллельно установленными водяными колесами, вращающимися в противофазе. В патенте FR 2300235 описано устройство с двумя водяными колесами, КПД которого повышен за счет системы неподвижных направляющих сложной формы на входе и выходе устройства. The simplest in design and reliable in operation are devices based on a water wheel with fixed blades. However, such designs work only in the range of low rotational speeds and have an extremely low coefficient of utilization of the energy of the water flow. To increase it, use a circuit with two parallel mounted water wheels rotating in antiphase. Patent FR 2300235 describes a device with two water wheels, the efficiency of which is enhanced by a system of fixed guides of complex shape at the input and output of the device.
В заявке WO2008018087 описано гидроустановка с двумя водяными колесами оси которых расположены параллельно друг другу. Колеса заключены в корпус, повторяющий форму колес и образующий две камеры. Водоподводящий и отводящий патрубки расположены перпендикулярно к осям колес и имеют размеры, перекрывающие только половину каждого из колес. Таким образом, вода поступает на лопасти колес, обращенные друг к другу. На противоположные лопасти она не попадает, так как они закрыты стенками камеры. Устройство имеет большие паразитные протечки воды, резко увеличивающиеся при несинхронном вращении колес. WO2008018087 describes a hydraulic installation with two water wheels whose axles are parallel to each other. The wheels are enclosed in a body that repeats the shape of the wheels and forms two chambers. The water supply and discharge pipes are perpendicular to the axles of the wheels and have dimensions that overlap only half of each of the wheels. Thus, water enters the wheel blades facing each other. It does not fall on the opposite blades, since they are closed by the walls of the chamber. The device has large parasitic water leaks, sharply increasing during non-synchronous rotation of the wheels.
Известно устройство для преобразования энергии воды во вращательную энергию RU252431 1 , в котором также применены два идентичных водяных колеса. Колеса расположены в корпусе симметрично относительно вертикальной оси водоподводящего патрубка на расстоянии радиуса водяного колеса. Вода поступает на лопасти, расположенные между колесами. В этом устройстве, в отличие от предыдущего, для уменьшения протечек и удержания воды в карманах водяного колеса торцевые пластины корпуса соединены изогнутыми по радиусу колеса водоудерживающими элементами, которые вместе с корпусом образуют камеры для колес в их рабочей области. В данной конструкции принципиальное значение имеет синхронность вращения колес, так как в противном случае будут присутствовать большие потери воды между колесами. Синхронное вращение колес обеспечивается
кинематической связью их друг с другом посредством зубчатой передачи, которая усложняет и удорожает устройство. A device for converting water energy into rotational energy RU252431 1 is known, in which two identical water wheels are also used. The wheels are located in the housing symmetrically with respect to the vertical axis of the water supply pipe at a distance of the radius of the water wheel. Water enters the blades located between the wheels. In this device, unlike the previous one, to reduce leaks and retain water in the pockets of the water wheel, the end plates of the body are connected by water-retaining elements curved along the radius of the wheel, which together with the body form chambers for the wheels in their working area. In this design, the synchronization of rotation of the wheels is of fundamental importance, since otherwise there will be large water losses between the wheels. Synchronized wheel rotation is provided their kinematic connection with each other through a gear transmission, which complicates and increases the cost of the device.
Известно устройство для преобразования энергии воды во вращательную энергию - так называемая гидротурбина БД РРБелова RU 21 13593, с двумя роторами с лопастями, подвижными в радиальном направлении. Роторы установлены параллельно друг другу в цилиндрических камерах корпуса с торцевыми крышками на расстоянии друг от друга, равном длине двух лопастей. При этом лопасти полностью перекрывают просвет между роторами, но не задевают друг друга при работе. Подвижные в радиальном направлении лопасти установлены в радиальных направляющих роторов и перемещаются за счет взаимодействия штырей на свободных концах лопастей с профильными канавками на внутренних торцах корпуса. На корпусе с противоположных сторон перпендикулярно плоскости, проходящей через оси вращения обоих роторов, выполнены два патрубка для входа и выхода потока воды. Во входном патрубке установлена обтекаемая направляющая, которая разделяет поток воды на два и направляет эти потоки на лопасти, расположенные с внешних сторон смежных роторов. Воздействие этих потоков на лопасти вызывает вращение роторов в противоположные стороны. В описании не указана необходимость синхронизации вращения роторов, однако без неё турбина будет работать с очень большими непроизводительными потерями воды. Важнейший недостаток этой конструкции заключается в наличии больших сил трения подвижных лопастей в радиальных направляющих. A device for converting water energy into rotational energy is known, the so-called hydraulic turbine DB RRBelova RU 21 13593, with two rotors with blades moving in the radial direction. The rotors are mounted parallel to each other in the cylindrical chambers of the housing with end caps at a distance from each other equal to the length of the two blades. In this case, the blades completely overlap the gap between the rotors, but do not touch each other during operation. Radially movable blades are mounted in radial guide rotors and move due to the interaction of the pins on the free ends of the blades with the profile grooves on the inner ends of the housing. On the body from opposite sides perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of both rotors, two nozzles are made for the inlet and outlet of the water flow. A streamlined guide is installed in the inlet pipe, which divides the water flow into two and directs these flows to the blades located on the outer sides of adjacent rotors. The impact of these flows on the blades causes the rotors to rotate in opposite directions. The description does not indicate the need to synchronize the rotation of the rotors, however, without it, the turbine will work with very large unproductive water losses. The most important drawback of this design is the presence of large friction forces of the moving blades in the radial guides.
Известна также гидротурбина RU 2147078, в которой подвижные лопасти имеют изогнутую форму и одним концом шарнирно прикреплены к роторам, а другим концом с помощью штырей скользят в канавках крышек. Остальные элементы конструкции этой турбины подобны предыдущей. Роторы установлены параллельно друг другу в камерах корпуса, имеющих форму полуцилиндров, на расстоянии друг от друга, равном двум радиусам роторов. Каждый ротор выполнен с криволинейными пазами вдоль продольной оси ротора, причем форма этих пазов соответствует форме подвижных лопастей. На корпусе с противоположных сторон перпендикулярно плоскости, проходящей через оси вращения обоих роторов, выполнены два патрубка для входа и выхода потока воды. Во входном патрубке установлена обтекаемая направляющая, которая разделяет поток воды на два и направляет эти потоки на лопасти, расположенные с внешних сторон смежных роторов. В этой конструкции за
счет шарнирного крепления подвижных лопастей к ротору уменьшены силы трения между лопастями и ротором. Однако обе вышеописанные гидротурбины имеют общий недостаток, заключающийся в том, что они надежно и устойчиво работают только при небольших скоростях вращения роторов, т.е. при небольших напорах. При увеличении скорости сказывается трение штырей о стенки канавок, что приводит к заклиниванию отдельных лопастей и их поломке. Гидротурбины с подвижными лопастями имеют увеличенное количество деталей, обеспечивающих подвижность лопастей, и достаточно сложную конструкцию, что снижает надежность и долговечность их работы. Кроме того, в гидротурбине все-таки остаются значительными непроизводительные потери воды, которая протекает между направляющей и лопатками по оси симметрии устройства, особенно без синхронизации вращения роторов. Hydroturbine RU 2147078 is also known, in which the movable blades have a curved shape and are pivotally attached to the rotors at one end and slide in the grooves of the covers with the help of pins. The remaining structural elements of this turbine are similar to the previous one. The rotors are mounted parallel to each other in the housing chambers, having the shape of half-cylinders, at a distance from each other equal to two radii of the rotors. Each rotor is made with curved grooves along the longitudinal axis of the rotor, and the shape of these grooves corresponds to the shape of the moving blades. On the body from opposite sides perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of both rotors, two nozzles are made for the inlet and outlet of the water flow. A streamlined guide is installed in the inlet pipe, which divides the water flow into two and directs these flows to the blades located on the outer sides of adjacent rotors. In this design for due to the articulation of the movable blades to the rotor, the friction forces between the blades and the rotor are reduced. However, both of the above turbines have a common disadvantage, namely, that they reliably and stably operate only at low rotor speeds, i.e. with small pressures. With increasing speed, the friction of the pins affects the walls of the grooves, which leads to jamming of individual blades and their breakage. Hydroturbines with movable blades have an increased number of parts ensuring the mobility of the blades, and a rather complex design, which reduces the reliability and durability of their work. In addition, in the turbine still significant unproductive losses of water that flows between the guide and the blades along the axis of symmetry of the device, especially without synchronizing the rotation of the rotors.
Таким образом, задача создания простого и надежного устройства, эффективно преобразующего энергию воды в механическую энергию вращательного движения в широком диапазоне напоров и мощностей, остаётся по-прежнему актуальной. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении непроизводительных потерь воды, в расширении диапазона напоров и мощностей, в котором конструкция работает эффективно, а также в уменьшении количества взаимодействующих деталей, что повышает надежность и долговечность работы устройства. Thus, the task of creating a simple and reliable device that effectively converts the energy of water into mechanical energy of rotational motion in a wide range of heads and capacities remains relevant. The technical result achieved by the invention is to reduce unproductive losses of water, to expand the range of heads and capacities in which the design works efficiently, as well as to reduce the number of interacting parts, which increases the reliability and durability of the device.
Для достижения указанного технического результата устройство для преобразования энергии воды в энергию вращения, как и прототип, содержит корпус внутренней полостью, которая имеет форму двух параллельно расположенных и пересекающихся камер цилиндрической формы. С противоположных сторон корпуса симметрично камерам выполнены входной и выходной патрубки для воды. В камерах установлены два ротора, а во входном патрубке по центру установлена обтекаемая направляющая, разделяющая поток воды на два, и направляющая его к противолежащим боковым стенкам цилиндрических камер. В отличие от прототипа, роторы выполнены в виде косозубых зубчатых колес с криволинейными зубьями, находящихся в зацеплении. Причем профиль рабочих участков зубьев одного из колес в торцовом сечении очерчен дугами окружностей, эксцентрично смещенных относительно оси колеса. Сопрягаемые участки зубьев другого колеса в тех же
сечениях очерчены участками фронтов циклоидальных кривых. Входной и выходной патрубки для воды смещены вдоль роторов к их концам в противоположные стороны. To achieve the specified technical result, the device for converting water energy into rotational energy, like the prototype, contains a housing with an internal cavity, which has the form of two cylindrical-shaped and intersecting chambers. On the opposite sides of the housing symmetrically to the chambers, the inlet and outlet pipes for water are made. Two rotors are installed in the chambers, and a streamlined guide is installed in the center of the inlet pipe, dividing the water flow into two, and directing it to the opposite side walls of the cylindrical chambers. Unlike the prototype, the rotors are made in the form of helical gears with curved teeth that are meshed. Moreover, the profile of the working sections of the teeth of one of the wheels in the end section is outlined by arcs of circles eccentrically offset relative to the axis of the wheel. Mating tooth sections of another wheel in the same sections are outlined by sections of the fronts of cycloidal curves. The inlet and outlet nozzles for water are displaced along the rotors to their ends in opposite directions.
Входной патрубок целесообразно расположить наклонно к плоскости, проходящей через оси обоих роторов, с тем, чтобы направлять поток воды нормально к винтовой поверхности зубьев роторов. Это увеличит степень использования кинетической энергии воды The inlet pipe should be positioned obliquely to a plane passing through the axis of both rotors, so as to direct the flow of water normally to the helical surface of the teeth of the rotors. This will increase the utilization of the kinetic energy of water.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами. The invention is illustrated in graphic materials.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения с патрубками, расположенными наклонно к плоскости, в которой лежат оси обоих роторов. In FIG. 1 shows a general view of a device for converting water energy into mechanical energy of rotational motion with nozzles arranged obliquely to a plane in which the axes of both rotors lie.
На фиг. 2 то же, со снятой верхней частью корпуса. In FIG. 2 the same, with the upper part of the body removed.
Фиг. 3 и 4 схематически иллюстрируют принцип действия устройства. На фиг. 3 представлено торцевое сечение роторов, для большей наглядности совмещенное в одной плоскости с сечениями входного и выходного патрубков, расположенных в реальной конструкции в разных плоскостях. На фиг. 4 показан продольный разрез устройства через оба наклонных патрубка. FIG. 3 and 4 schematically illustrate the principle of operation of the device. In FIG. Figure 3 shows the end section of the rotors, for greater clarity, combined in one plane with the sections of the inlet and outlet nozzles located in a different structure in different planes. In FIG. 4 shows a longitudinal section through the device through both inclined nozzles.
На фиг. 5 дан реальный поперечный разрез устройства. На фиг. 6 в разрезе вдоль осей обоих роторов показан один из возможных вариантов соединения заявляемого устройства с электрогенераторами в один агрегат. In FIG. 5 shows a real cross section of the device. In FIG. 6 in section along the axes of both rotors shows one of the possible options for connecting the inventive device with electric generators in one unit.
Устройство представляет собой корпус 1 , выполненный из нижней 2 и верхней The device is a housing 1 made of lower 2 and upper
3 части с крепежными отверстиями 4 для соединения частей друг с другом. В принципе, корпус может быть выполнен, как и в прототипе, из двух торцевых крышек, соединяемых обечайкой. Внутренняя часть корпуса 1 представляет собой полость в виде двух параллельно расположенных камер 5 и 6 цилиндрической формы. Цилиндры камер пересекаются друг с другом, так что в центре камеры 5 и 6 открыты в сторону друг друга. В камерах 5 и 6 расположены роторы 7 и 8, посаженные в корпусе с помощью подшипников. Торцы роторов плотно прилегают к торцевым стенкам камер. Сверху на корпусе 1 выполнен входной патрубок для воды 9, а снизу корпуса выходной патрубок 10. Камеры с роторами 7 и 8 расположены симметрично относительно каждого из патрубков 9 и 10. 3 parts with mounting holes 4 for connecting the parts to each other. In principle, the housing can be made, as in the prototype, of two end caps connected by a shell. The inner part of the housing 1 is a cavity in the form of two parallel chambers 5 and 6 of a cylindrical shape. The cylinders of the chambers intersect with each other, so that in the center of the chamber 5 and 6 are open towards each other. In chambers 5 and 6 are located the rotors 7 and 8, planted in the housing with bearings. The ends of the rotors fit snugly against the end walls of the chambers. An inlet pipe for water 9 is made on top of the housing 1, and an outlet pipe 10 is made at the bottom of the housing. The chambers with rotors 7 and 8 are located symmetrically with respect to each of the pipes 9 and 10.
Роторы 7 и 8 выполнены в виде зубчатых колес с криволинейными зубьями 1 1 и 12, находящихся в зацеплении друг с другом (см. фиг. 2, 3 и 5). Зубья роторов имеют различную форму. У ротора 7 криволинейные зубья 1 1 в торцовом сечении зубчатого
колеса имеют на рабочих участках 13 форму дуги окружности 14, которая эксцентрично смещена на расстояние D от оси вращения колеса 1 1. Сопряженные рабочие участки 15 зубьев 12 другого колеса в тех же торцовых сечениях образованы участками фронтов циклоидальных кривых 16. Циклоидальными кривыми в данном случае являются эквидистанты эпициклоид. Косозубый профиль колес образуется при непрерывном повороте и осевом смещении этих сопряженных профилей 13 и 15. Такое зацепление получило название эксцентриково - циклоидального или ЭЦ зацепления (см. RU 2416748). The rotors 7 and 8 are made in the form of gears with curved teeth 1 1 and 12, which are engaged with each other (see Figs. 2, 3 and 5). The teeth of the rotors have a different shape. The rotor 7 has curved teeth 1 1 in the end section of the gear the wheels have on the working sections 13 the shape of an arc of a circle 14, which is eccentrically offset by a distance D from the axis of rotation of the wheel 1 1. The mating working sections 15 of the teeth 12 of the other wheel in the same end sections are formed by sections of the fronts of the cycloidal curves 16. The cycloidal curves in this case are equidistant epicycloid. A helical profile of the wheels is formed during continuous rotation and axial displacement of these mating profiles 13 and 15. This gearing is called an eccentric - cycloidal or EC gearing (see RU 2416748).
Для того чтобы поток воды воздействовал только на внешние периферийные зубья роторов, являющиеся рабочими, по оси входного патрубка 9 установлена обтекаемая направляющая 17 (см. фиг. 3). Эта направляющая делит весь поток 18 воды в патрубке 9 на две части 19 и 20, и направляет эти потоки к внешним зубьям роторов 7 и 8. In order for the water flow to affect only the external peripheral teeth of the rotors that are working, a streamlined guide 17 is installed along the axis of the inlet pipe 9 (see Fig. 3). This guide divides the entire stream 18 of water in the pipe 9 into two parts 19 and 20, and directs these flows to the outer teeth of the rotors 7 and 8.
В продольном направлении патрубки 9 и 10 смещены в противоположные стороны к концам роторов, как это показано на фиг. 4. Такое смещение патрубков обеспечивает подачу воды в пространство между винтовыми зубьями соседних роторов до запирающего контакта зубьев 1 1 и 12. В противном случае при подаче воды по центру камеры, часть воды будет попадать в пространство после запирающего контакта зубьев 1 1 и 12, и проливаться в выходной патрубок без совершения полезной работы. In the longitudinal direction, the nozzles 9 and 10 are offset in opposite directions to the ends of the rotors, as shown in FIG. 4. Such a displacement of the nozzles ensures the supply of water into the space between the helical teeth of the adjacent rotors until the locking contact of the teeth 1 1 and 12. Otherwise, when water is supplied in the center of the chamber, part of the water will fall into the space after the locking contact of the teeth 1 1 and 12, and spill into the outlet pipe without doing useful work.
Ось входного патрубка 9 расположена наклонно под углом а к плоскости расположения осей роторов. Угол а зависит от угла наклона косых зубьев 1 1 и 12 роторов 7 и 8 и выбирается из условия, чтобы потоки воды 19 и 20, образующиеся после разделения потока 18, были направлены нормально к винтовым поверхностям зубьев 12 и 13 роторов 7 и 8, что увеличивает динамическое давление воды на зубья роторов. При этом достигается наибольшая степень использования кинетической энергии водяного потока. Ось выходного патрубка 10 может быть расположена под любым углом, но с точки зрения минимальных изменений направления движения потока воды, её лучше сделать совпадающей с осью входного патрубка 9, как это показано на фиг. 4. Роторы 7 и 8 соединены с выходными валами 21 и 22. В описываемой конструкции выходные валы выполнены за одно целое с зубчатыми роторами 7 и 8. Выходные валы с помощью муфт 23 и 24 соединены с входными валами
электрогенераторов 25, 26. Возможно использование и одного, более мощного генератора. Тогда вращение от валов 21 и 22 должно передаваться на вал генератора с помощью дополнительной зубчатой передачи (на рисунках она не показана). The axis of the inlet pipe 9 is inclined at an angle a to the plane of the axes of the rotors. The angle a depends on the angle of inclination of the oblique teeth 1 1 and 12 of the rotors 7 and 8 and is selected so that the water flows 19 and 20 formed after the separation of the stream 18 are directed normally to the helical surfaces of the teeth 12 and 13 of the rotors 7 and 8, which increases the dynamic pressure of water on the teeth of the rotors. In this case, the greatest degree of utilization of the kinetic energy of the water flow is achieved. The axis of the outlet pipe 10 can be located at any angle, but from the point of view of minimal changes in the direction of movement of the water flow, it is better to make it coincide with the axis of the inlet pipe 9, as shown in FIG. 4. The rotors 7 and 8 are connected to the output shafts 21 and 22. In the described design, the output shafts are made in one piece with gear rotors 7 and 8. The output shafts are connected to the input shafts with couplings 23 and 24. electric generators 25, 26. It is also possible to use one, more powerful generator. Then the rotation from the shafts 21 and 22 should be transmitted to the generator shaft using an additional gear transmission (it is not shown in the figures).
Использование в качестве роторов колес с сопряженными профилями (т.е. с профилями, образующими зубчатое зацепление), во-первых, без установки дополнительных устройств синхронизует вращение роторов, а во-вторых создает постоянный запирающий контакт между роторами в центре устройства. И тот и другой эффекты служат уменьшению непроизводительных протечек воды. The use of wheels with mating profiles as rotors (i.e., with profiles forming a gearing), firstly, without installing additional devices, synchronizes the rotation of the rotors, and secondly, creates a permanent locking contact between the rotors in the center of the device. Both of these effects serve to reduce unproductive water leaks.
Однако здесь нельзя использовать зубчатые зацепления любого профиля, поскольку большинство из них либо очень чувствительны к перекосам колес (зацепление Новикова), либо имеют значительные потери на трение (эвольвентное зацепление). В отличие от них, ЭЦ зацепление малочувствительно к перекосам колес и неточностям установки межцентрового расстояния (см. Казакявичюс СМ., Становской В. В., Ремнева Т. А. и др. Работоспособность эксцентриково-циклоидального зацепления при изменении межосевого расстояния колес. Модификация вершин и впадин зубьев // Вестник машиностроения - 201 1. - Ns3, стр. 7-9). Кроме того, подбором параметров ЭЦ зацепления можно добиться полюсного зацепления, при котором профили перекатываются друг по другу, и скольжение сведено к минимуму (см. В. В. Становской, СМ. Казакявичюс и др. Полюсный контакт в эксцентриково- циклоидальном зацеплении.// Сб. трудов Международного симпозиума «Теория и практика зубчатых передач» 21-23 января 2014 г. Ижевск, с. 220-226). However, gearing of any profile cannot be used here, since most of them are either very sensitive to skewed wheels (Novikov gearing), or have significant friction losses (involute gearing). In contrast, EC gearing is insensitive to wheel misalignment and inaccuracies in setting the center distance (see Kazakevichyus SM., Stanovskaya V.V., Remneva T.A. et al. Efficiency of the eccentric-cycloidal gearing when changing the center distance of the wheels. Modification of the vertices and tooth cavities // Bulletin of mechanical engineering - 201 1. - Ns3, p. 7-9). In addition, by selecting the parameters of the EC engagement, it is possible to achieve pole engagement, in which the profiles roll over each other, and slip is minimized (see V.V. Stanovskaya, SM. Kazakevicius and others. Pole contact in an eccentric-cycloidal engagement. // Collected Works of the International Symposium "Theory and Practice of Gears" January 21-23, 2014 Izhevsk, pp. 220-226).
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Поток воды 18 через входной патрубок 9 разделяется на два потока 19 и 20 обтекаемой направляющей 17. Эти потоки за счет наклона входного патрубка направлены приблизительно под прямым углом к винтовой боковой поверхности зубьев 12 и 13, расположенных справа и слева от общего центра роторов. Напор этих потоков воды создает силы, заставляющие вращаться роторы 7 и 8 в противоположные стороны. Поскольку роторы зубчатым зацеплением связаны между собой, то они вращаются синхронно, и протечек воды по центру устройства между роторами практически не происходит. Отсутствие трения между колесами позволяет роторам вращаться с высокими скоростями, и работать при больших напорах воды. Как показали наши исследования, предлагаемая конструкция работоспособна в очень широком диапазоне скоростей вращения (вплоть
до 3000 об/мин). Такая скорость вращения вполне достаточна для мощностей стандартных генераторов вплоть до 10 МВт. The proposed device operates as follows. The flow of water 18 through the inlet pipe 9 is divided into two streams 19 and 20 of the streamlined guide 17. These flows due to the inclination of the inlet pipe are directed at approximately right angles to the helical side surface of the teeth 12 and 13, located to the right and left of the common center of the rotors. The pressure of these water flows creates forces that cause the rotors 7 and 8 to rotate in opposite directions. Since the rotors are connected by gearing, they rotate synchronously, and practically no water leaks in the center of the device between the rotors. The lack of friction between the wheels allows the rotors to rotate at high speeds, and work at high water pressures. As our studies have shown, the proposed design is operable in a very wide range of rotation speeds (up to up to 3000 rpm). Such a rotation speed is quite sufficient for the power of standard generators up to 10 MW.
Таким образом, предлагаемое устройство может заменить целую гамму гидроагрегатов различной конструкции, каждый из которых эффективно работает в достаточно узком диапазоне напоров и мощностей.
Thus, the proposed device can replace a whole gamut of hydraulic units of various designs, each of which works effectively in a fairly narrow range of heads and capacities.
Claims
1. Устройство для преобразования энергии воды в механическую энергию вращательного движения, содержащее корпус с двумя камерами в форме параллельно расположенных рядом и пересекающихся цилиндров и установленные в камерах роторы, с противоположных сторон корпуса симметрично камерам выполнены входной и выходной патрубки для воды, во входном патрубке по центру установлена обтекаемая направляющая, разделяющая поток воды на два, отличающееся тем, что роторы выполнены в виде зубчатых колес с криволинейными зубьями, находящихся в зацеплении, причем профиль рабочих участков зубьев одного из колес в торцовом сечении очерчен дугами окружностей, эксцентрично смещенных относительно оси колеса, сопрягаемые участки зубьев другого колеса в тех же сечениях очерчены участками фронтов циклоидальных кривых, а входной и выходной патрубки для воды смещены вдоль осей к концам роторов в противоположные стороны. 1. A device for converting water energy into mechanical energy of rotational motion, comprising a housing with two chambers parallel to each other and intersecting cylinders and rotors installed in the chambers, on the opposite sides of the housing symmetrically to the chambers, the inlet and outlet pipes for water are made, in the inlet pipe through a streamlined guide is installed in the center, dividing the water flow into two, characterized in that the rotors are made in the form of gears with curved teeth engaged moreover, the profile of the working sections of the teeth of one of the wheels in the end section is outlined by arcs of circles eccentrically offset relative to the axis of the wheel, the mating sections of the teeth of the other wheel in the same sections are outlined by sections of the fronts of the cycloidal curves, and the inlet and outlet pipes for water are displaced along the axes to the ends of the rotors in opposite directions.
2. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что входной патрубок расположен наклонно по отношению к плоскости, проходящей через оси обоих роторов.
2. The device according to p. 1, characterized in that the inlet pipe is located obliquely with respect to the plane passing through the axis of both rotors.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014135944 | 2014-09-02 | ||
RU2014135944/06A RU2570959C1 (en) | 2014-09-02 | 2014-09-02 | Device for conversion of water energy into mechanical power of rotation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2016036277A1 true WO2016036277A1 (en) | 2016-03-10 |
Family
ID=54871206
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2015/000513 WO2016036277A1 (en) | 2014-09-02 | 2015-08-17 | Device for converting water energy into rotational mechanical energy |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2570959C1 (en) |
WO (1) | WO2016036277A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019025430A1 (en) * | 2017-08-03 | 2019-02-07 | Robert Bosch Gmbh | Positive-displacement machine |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1993014314A1 (en) * | 1992-01-07 | 1993-07-22 | Snell (Hydro Design) Consultancy Limited | Water turbines or pumps |
EA200901568A1 (en) * | 2007-07-09 | 2010-06-30 | Закрытое Акционерное Общество "Технология Маркет" | GEARED WHEELING (OPTIONS) AND PLANETARY GEAR MECHANISM ON ITS BASIS (OPTIONS) |
JP2013533425A (en) * | 2010-07-16 | 2013-08-22 | コーパワー オーシャン アーベー | Energy conversion unit and energy conversion system comprising energy conversion unit |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2147078C1 (en) * | 1998-02-23 | 2000-03-27 | Белов Константин Михайлович | Hydraulic turbine |
-
2014
- 2014-09-02 RU RU2014135944/06A patent/RU2570959C1/en active
-
2015
- 2015-08-17 WO PCT/RU2015/000513 patent/WO2016036277A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1993014314A1 (en) * | 1992-01-07 | 1993-07-22 | Snell (Hydro Design) Consultancy Limited | Water turbines or pumps |
EA200901568A1 (en) * | 2007-07-09 | 2010-06-30 | Закрытое Акционерное Общество "Технология Маркет" | GEARED WHEELING (OPTIONS) AND PLANETARY GEAR MECHANISM ON ITS BASIS (OPTIONS) |
JP2013533425A (en) * | 2010-07-16 | 2013-08-22 | コーパワー オーシャン アーベー | Energy conversion unit and energy conversion system comprising energy conversion unit |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019025430A1 (en) * | 2017-08-03 | 2019-02-07 | Robert Bosch Gmbh | Positive-displacement machine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2570959C1 (en) | 2015-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6364419B2 (en) | Rotary lobe pump with direct drive | |
RU2336437C2 (en) | Rotary screw machine and method of motion conversion in it | |
RU2570959C1 (en) | Device for conversion of water energy into mechanical power of rotation | |
KR100777063B1 (en) | Wind force generator system having three-dimensional type blade and driving unit | |
RU2468209C2 (en) | Rotary engine operating on compressed medium | |
KR101653373B1 (en) | Dual turbine assembly for low-head hydropower generation | |
RU2513057C2 (en) | Rotary hydraulic machine | |
RU2527277C1 (en) | Hydroelectric plant | |
JP6347380B1 (en) | Eccentric rotating water turbine equipped with a speed booster for small hydropower generation | |
KR20110077808A (en) | Wind power generator with a outer-housing | |
KR102563972B1 (en) | High efficiency sine rotary engine | |
KR20190120552A (en) | Turbine Device | |
RU139028U1 (en) | ROTARY HYDRAULIC MACHINE | |
CN213684251U (en) | High-efficiency double-rotor expansion machine | |
CN212535767U (en) | High-efficiency stable rotor expander | |
CN210422765U (en) | Energy conversion device based on fluid volume change | |
CN210422767U (en) | Energy conversion device based on fluid volume change | |
JP2023090178A (en) | Fluid energy conversion device | |
RU99064U1 (en) | MULTI-PHASE ROTOR-PISTON MACHINE | |
RU35370U1 (en) | ROTARY POWER INSTALLATION | |
RU2567347C1 (en) | Hydroelectric power station, generation of electric power and hydraulic actuator to be used at hydroelectric power station (heps) | |
NL2016675B1 (en) | Displacement machine. | |
CN104100302B (en) | Turbine | |
RU2338861C2 (en) | Dudin twin rotor stepping turbine | |
RU2482280C2 (en) | Roller-paddle gear machine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15838926 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15838926 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |