Пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую

 

Устройство предназначено для преобразования силы осевого гидростатического давления в электрическую энергию. В состав преобразователя входят: корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена снабженная бесконечной лентой система перемещения открытых емкостей, каждая из которых содержит вихревую камеру, и пневмосистема с патрубком подачи сжатого газа, снабженным механическим дозатором порционной подачи сжатого газа. Стенки вихревой камеры служат стенками открытой емкости. Механический дозатор выполнен в виде внешнего полого цилиндра с пазом в форме кольцевого сегмента и сопряженного с ним внутреннего цилиндра в форме роторного золотника с продольными пазами, снабженного выступами на торцах, которые взаимодействуют с перемещающимися открытыми емкостями, и фиксаторами положения. Конструкция преобразователя позволяет повысить КПД устройства. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в пневмогидравлических преобразователях механической энергии в электрическую с рабочим органом в виде бесконечной ленты, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в диапазоне от нескольких кВт до нескольких сотен кВт.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью в которой размещена система перемещения открытых емкостей, состоящая из размещенных на разной высоте валов с передающими элементами и бесконечной ленты, охватывающей передающие элементы, на внешней поверхности которой закреплены открытые емкости, пневмосистему с патрубком подачи сжатого газа, размещенным в нижней части корпуса, и генератор электроэнергии, соединенный с валом (заявка ФРГ N 2408682, кл. F 03 B 9/00. оп. 1975). В известном преобразователе открытые емкости выполнены в виде колоколообразных поплавков, передающие элементы валов имеют форму зубчатых колес с выемками, а патрубок подачи сжатого воздуха размещен вблизи нижнего зубчатого колеса.

Недостатком известного пневмогидравлического преобразователя является его низкая эффективность, обусловленная тем, что в качестве полезной движущей силы, вызывающей вращение вала, соединенного с генератором электроэнергии, используется лишь архимедова сила, определяемая объемом колоколообразных поплавков, заполненных сжатым воздухом. Кроме того при работе известного преобразователя из патрубка сжатого газа поступает постоянная струя сжатого воздуха, то время как емкости, предназначенные для заполнения их сжатым воздухом, поступают к патрубку поочередно. Вследствие этого часть поступающего сжатого воздуха расходуется непроизводительно, что приводит к снижению суммарного коэффициента преобразования энергии, т.е. к снижению эффективности преобразователя.

Задачей изобретения является повышение эффективности пневмогидравлического преобразователя механической энергии в электрическую.

Решение указанной задачи обеспечивается новым пневмогидравлическим преобразователем механической энергии в электрическую, содержащем, корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, состоящая из размещенных на разной высоте валов с передающими элементами и бесконечной ленты, охватывающей передающие элементы, на внешней поверхности которой закреплены открытые емкости, пневмомосистему с патрубком подачи сжатого газа, размещенным в нижней части корпуса, и генератор электроэнергии, соединенный с валом, при этом в состав каждой открытой емкости входит вихревая камера, соединенная с внутренней полостью этой емкости, патрубок пневмосистемы снабжен, по крайней мере, одним механическим дозатором порционной подачи сжатого газа, выполненным в виде концентрично расположенных сопряженных цилиндров, при этом внешний полый цилиндр соединен с патрубком и снабжен пазом в форме кольцевого сегмента, а внутренний цилиндр выполнен в виде роторного золотника с продольными пазами и фиксаторами положения, снабженного на торце выступами, взаимодействующими с перемещающимися открытыми емкостями, причем длина продольного паза превышает ширину кольцевого сегмента. Предпочтительно: механический дозатор выполнять с двумя пазами, имеющими форму кольцевых выступов, и с двумя системами выступов, расположенных на противолежащих торцах роторного золотника; окончание патрубка пневмосистемы выполнять разветвленным и ответвления размещать симметрично относительно центра механического дозатора; фиксатор положения роторного дозатора выполнять в виде подпружиненных шариков, расположенных в цилиндрическом пазу роторного золотника, и отверстий в стенке полого цилиндра, равномерно распределенных в полости ортогональной оси золотника и проходящей через центры шариков; вихревую камеру выполнять в виде округлой стенки, двух боковых и одной пологой стенки, при этом округлая стенка и боковые стенки служат стенками открытой емкости, а пологая стенка выполнена с отверстиями и соединяет округлую стенку с кромкой открытой емкости; пологую стенку выполнять в виде трапеции, большая сторона которой соединяется с округлой стенкой, а меньшая - соединяется с кромкой открытой емкости; объем вихревой камеры должен составлять 60-70% от общего объема открытой емкости; донную стенку открытой емкости выполнять округлой.

В заявленном пневмогидравлическом преобразователе в состав каждой открытой емкости вводится вихревая камера, что позволяет в процессе заполнения открытой емкости сжатым газом разворачивать гидрогазовый поток, образующийся за счет захвата частиц жидкости струей газа, и тем самым формировать реактивное движение при инжекции этого потока. При этом в вихревом потоке возникает радиально направленный градиент давления, который передается на поверхность вихревой камеры, обеспечивая дополнительное усилие, способствующее подъему открытой емкости. Проведенные эксперименты позволили установить, что введение в состав открытой емкости выхревой камеры, которая соединяется с внутренней полостью этой емкости, позволило получить помимо архимедовой силы дополнительную подъемную силу и тем самым повысить эффективность преобразователя. Предпочтительно вихревую камеру выполнять в виде составной части открытой емкости, например, округлая стенка и две боковых стенки вихревой камеры могут одновременно служить стенками открытой емкости, при этом пологая стенка вихревой камеры, разделяющая открытую емкость на две части, выполняется с отверстиями, что обеспечивает заполнение всей внутренней полости открытой емкости сжатым газом. Предпочтительно пологую стенку выполнять в виде трапеции, соединяя большую сторону трапеции с округлой стенкой, а меньшую сторону - с кромкой открытой емкости, так как наряду с упрощением конструкции при этом обеспечивается равномерное заполнение емкости сжатым газом. Предпочтительно вихревую камеру выполнять объемом, составляющим 60-70% от общего объема открытой емкости, поскольку при объеме менее 60% снижается величина дополнительной подъемной силы, обусловленной вихревым потоком, а при объеме более 70% усложняется конструкция открытой емкости. Донную стенку открытой емкости следует выполнять округлой, поскольку при этом уменьшается гидравлическое сопротивление при перемещении открытых емкостей и тем самым снижаются непроизводительные потери в процессе преобразования механической энергии. Введение в пневмосистему одного или нескольких механических дозаторов, размещаемых на патрубке подачи сжатого газа, позволяет дополнительно повысить эффективность преобразователя, за счет того, что каждая порция сжатого газа, поступающая из дозатора в открытую емкость строго соответствует объему этой емкости и тем самым практически устраняются непроизводительные потери сжатого газа. Механический дозатор выполняется в виде концентрично расположенных сопряженных цилиндров, при этом внешний полый цилиндр соединен с патрубком, что обеспечивает поступление сжатого газа внутрь этого цилиндрами снабжен пазом в форме кольцевого сегмента, из которого выводится сжатый газ. Внутренний цилиндр выполняется в виде роторного золотника с продольными пазами, при этом длина продольного паза превышает ширину кольцевого паза внешнего цилиндра, что позволяет сформировать при пересечении этих пазов направленную струю щелевой формы. На торце роторного золотника имеются выступы, которые установлены с возможностью взаимодействия их с кромкой открытой емкости при ее перемещении в зоне расположения дозатора, при этом обеспечивается вращение роторного золотника. В состав роторного золотника входят фиксаторы его положения. Предпочтительно фиксатор положения выполнять в виде размещенных в пазу роторного золотника, пружины сжатия с шариками, размещенными на концах пружины, и отверстий в стенке внешнего цилиндра, равномерно распределенных по окружности и расположенных в плоскости ортогональной оси золотника и проходящей через центры шариков. При совмещении шариков с отверстиями происходит фиксация положения роторного золотника. Механический дозатор фактически выполняет функцию датчика положения открытой емкости, поскольку начало поворота роторного золотника происходит при взаимодействии кромки открытой емкости с выступом дозатора, а также функцию автоматического регулятора, так как подача сжатого газа практически прекращается, когда кромка открытой емкости прерывает контакт с выступом дозатора. Предпочтительно механический дозатор выполнять с двумя пазами, имеющими форму кольцевых выступов, размещая их симметрично относительно центра дозаторами, и с двумя системами выступов, расположенных на противолежащих торцах роторного золотника. Тем самым достигается равномерное заполнение внутренних полостей вихревой камеры и открытой емкости и одновременно повышается эксплуатационная надежность за счет равномерного распределения механических усилий на роторный золотник. Этому же способствует и выполнение окончания патрубка пневмосистемы, разветвленным с размещением ответвлений симметрично относительно центра механического дозатора.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 - общий вид пневмогидравлического преобразователя, фиг. 2 - открытая емкость с вихревой камерой (поперечное сечение), фиг. 3 - то же (вид сбоку), фиг. 4 - механический дозатор порционной подачи сжатого газа (вид сбоку), фиг. 5 - то же (поперечное сечение).

Пневмогидравлический преобразователь содержит: корпус-1, частично заполненный жидкостью-2, в которой размещена система-3 перемещения открытых емкостей, состоящая из размещенных на разной высоте валов-4 (верхний вал не указан) с передающими элементами-5 (верхний передающий элемент не указан), которые охватываются бесконечной лентой-6 и закрепленные на ее внешней поверхности открытые емкости-7, фиксируемые с помощью элементов крепления-8; в состав каждой открытой емкости входит вихревая камера-9, состоящая из округлой стенки 10, двух боковых стенок-11, 12 и пологой стенки-13, имеющей трапециидальную форму; опорные элементы-14, пневмосистему-15 с патрубком-16 подачи сжатого газа, на котором установлен, по крайней мере, один механический дозатор-17 порционной подачи сжатого газа, состоящий из двух концентрично расположенных сопряженных цилиндров, при этом внешний полый цилиндр-18 снабжен пазом-19 в форме кольцевого сегмента, а внутренний цилиндр, выполненный в виде роторного золотника-20, имеет продольные пазы-21 и выступы-22 на торцах; механический дозатор снабжен фиксаторами положения-23, каждый из которых содержит два шарика 24,25 и пружину-26, расположенные в цилиндрическом пазу-27 золотника и отверстий-28 в стенке внешнего цилиндра, равномерно распределенных пол окружности и размещенных в плоскости ортогональной оси золотника и проходящей через центры шариков; и газовый рессивер-29.

Корпус 1 предпочтительно выполнять в виде цилиндрической емкости с крышкой, которая приподнята над ней (см. фиг. 1). В качестве жидкости 2 может быть использована вода или солярка. В качестве сжатого газа, поступающего из пневмосистемы 15, можно использовать воздух, нейтральный газ или газовые смеси, при этом требуется соблюдать основное требование - удельный вес жидкости 2, частично заполняющей корпус 1, должен превышать удельный газ сжатого газа. Предпочтительно использовать воздух при давлении более 1.5 ати. Система 3 перемещения открытых емкостей 7 выполняется в виде двух или нескольких (при повышенных мощностях преобразователя) валов 4, снабженных опорными элементами 5, которые охватываются бесконечной лентой 6. Возможно использование нескольких бесконечных лент, например, использование нескольких цепей с соответствующим количеством опорных элементов. Бесконечная лента 6 может быть выполнена в виде набора находящихся в зацеплении подвижных элементов, например, в виде гусеницы трактора или танка. Передающие элементы 5, которыми снабжаются валы 4 выполняются в виде шестерен, зубчатых колес или выпуклых рифленых поверхностей. Открытые емкости 7 равномерно распределяются вдоль бесконечной ленты 6 и крепятся к ее внешней поверхности при помощи элементов крепления 8. Для повышения эксплуатационной надежности можно использовать несколько крепежных элементов, распределенных по ширине бесконечной ленты 6. Ограничители 14 могут выполняться в виде трубчатых элементов или набора стержней. Вихревые камеры 9 могут быть выполнены в виде самостоятельных узлов, которые встраиваются в открытые емкости 7 и соединяются с их внутренними полостями. Однако предпочтительно выполнять вихревую камеру 9, как составную часть открытой емкости 7, например, использовать округлую стенку 10 (см. фиг. 2) и боковые стенки 11, 12 вихревой камеры (см. фиг. 3) в качестве стенок открытой емкости (см. фиг. 1). Пологую стенку 13 вихревой камеры 9 выполняют с отверстиями, соединяющими ее с внутренней полостью открытой емкости. Предпочтительно выполнять пологую стенку 13 в виде трапеции (см. фиг. 3). Механический дозатор 17 содержит внешний цилиндр 18, в стенке которого выполняется паз 19 в форме кольцевого сегмента (см. фиг. 5), и сопряженный с ним внутренний цилиндр, выполненный в виде роторного золотника 20 (см. фиг. 4) с продольными пазами 21. Внешний цилиндр 18 изготавливают из металла, роторный золотник 20 из металла или пластмассы. Роторный золотник 20 по торцам имеет выступы 22, выполненные, например, в виде стержней. В зависимости от формы открытой емкости может использоваться различное количество выступов. Предпочтительно использовать четыре выступа в форме стержней, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Для повышения механической прочности механического дозатора 17 предпочтительно выполнять его с двумя пазами, имеющих форму кольцевых сегментов 19, а патрубок 16 выполнять разветвленным (см. фиг. 4). При значительной мощности преобразователя может быть использовано несколько механических дозаторов 17, которые равномерно распределяются вдоль линии, соответствующей длине кромки открытой емкости 7.

Пневмогидравлический преобразователь работает следующим образом. При перемещении открытой емкости 7, заполненной жидкостью 2, в зону расположения механического дозатора 17 ее кромка контактирует с выступом 22 и начинает вращать роторный золотник 20. После пересечения продольного паза 21 с пазом 19, имеющим форму кольцевого сегмента, в вихревую камеру 9 поступает щелевой гидрогазовый поток. Происходит вытеснение жидкости, заполнявшей открытую емкость 7 и заполнение ее сжатым газом. Вихревая камера 9 разворачивает гидрогазовый поток и обеспечивает формирование дополнительного усилия на стенки камеры, увеличивая тем самым общую подъемную силу. После заполнения открытой емкости 7, кромка ее выходит из контакта с выступом 22 механического дозатора 17, при этом шарики 24, 25 отжимаются пружиной 26 в пазы 28 и происходит фиксация роторного золотника 17. Подъемная сила, создаваемая заполненными сжатым газом открытыми емкостями, расположенными по одну сторону бесконечной ленты 6 в сочетании с дополнительными усилиями, создаваемыми вихревыми камерами 9, обеспечивают ее непрерывное перемещение. После прохождения открытой емкости 7 над верхним передающим элементом (не указан) она вновь заполняется жидкостью 2. Перемещение бесконечной ленты 6 обеспечивает вращение вала 4 и соединенный с ним через редуктор-мультиплектор генератор электроэнергии (не указаны) вырабатывает электрический ток требуемой частоты.

Изготовлены и успешно прошли испытания опытные образцы заявленного пневмогидравлического преобразователя механической энергии в электрическую. Эффективность заявленного пневмогидравлического преобразователя более чем на 35% превышает эффективность известного за счет создания дополнительных подъемных сил, создаваемых вихревыми камерами, а также за счет устранения непроизводительного расхода сжатого газа посредством использования его дозированной подачи. Дополнительным преимуществом заявленного пневмогидравлического преобразователя является его высокая эксплуатационная надежность, обусловленная простотой конструкции и надежностью механического дозатора порционной подачи сжатого газа.

Формула изобретения

1. Пневмогидравлический преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью, в которой размещена система перемещения открытых емкостей, состоящая из размещенных на разной высоте валов с передающими элементами и бесконечной ленты, охватывающей передающие элементы, на внешней поверхности которой закреплены открытые емкости, пневмосистему с патрубком подачи сжатого газа, размещенным в нижней части корпуса, и генератор электроэнергии, соединенный с валом, отличающийся тем, что в состав каждой открытой емкости входит вихревая камера, соединенная с внутренней полостью этой емкости, патрубок пневмосистемы снабжен, по крайней мере, одним механическим дозатором порционной подачи сжатого газа, выполненным в виде концентрично расположенных сопряженных цилиндров, при этом внешний полый цилиндр соединен с патрубком и снабжен пазом в форме кольцевого сегмента, а внутренний цилиндр выполнен в виде роторного золотника с продольными пазами и фиксаторами положения, снабженного на торце выступами, взаимодействующими с перемещающимися открытыми емкостями, причем длина продольного паза превышает ширину кольцевого сегмента.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что механический дозатор выполнен с двумя пазами, имеющими форму кольцевых сегментов, и двумя системами выступов, расположенных на противолежащих торцах роторного золотника.

3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что окончание патрубка пневмосистемы выполнено разветвленным, при этом ответвления размещены симметрично относительно центра механического дозатора.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что фиксатор положения роторного золотника выполнен в виде подпружиненных шариков, расположенных в цилиндрическом пазу роторного золотника, и отверстий в стенке полого цилиндра, равномерно распределенных по окружности и размещенных в плоскости ортогональной оси золотника и проходящей через центры шариков.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вихревая камера содержит округлую стенку, две боковых и одну пологую стенки, при этом округлая стенка и две боковых стенки служат стенками открытой емкости, а пологая стенка выполнена с отверстиями и соединяет округлую стенку с кромкой открытой емкости.

6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что пологая стенка вихревой камеры имеет трапецеидальную форму, при этом большая сторона трапеции соединена с округлой стенкой, а меньшая - с кромкой открытой емкости.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что объем вихревой камеры составляет 60 - 70% от общего объема открытой емкости.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что донная стенка открытой емкости выполнена округлой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5