Эксцентриковая гидромашина

http://www.eprussia.ru/tech/articles/194.htm

Анатолий КУЗИН
Энергетика и промышленность России
28.04.08

В январе 2002 года в государственном реестре изобретений Российской Федерации зарегистрирован патент № 2178106 на изобретение «Эксцентриковый шатун», выданный автору настоящей статьи.

Суть изобретения – в замене коленчатого вала прямым цельным цилиндрическим валом, при этом вместо коленчатого вала применен диск-эксцентрик, жестко закрепленный на прямом цилиндрическом валу. На наружный диаметр диска-эксцентрика насажены средства качения, шарнирно взаимосвязанные со звеном шатуна, в результате чего открываются новые направления в промышленности, определяющие новые возможности в технике XXI века.

Эксцентриковый шатун может эффективнейшим образом повлиять на развитие техники. Он может применяться на современных двигателях внутреннего сгорания, других движителях, прессах, металлорежущих, деревообрабатывающих станках и на других устройствах, имеющих коленчатые валы.

При этом – придавая им новые функциональные возможности, повышая КПД, увеличивая в несколько раз их мощность и уменьшая расход топлива и электроэнергии.



Возможности применения

Если учесть, что во всем мире перечисленное оборудование исчисляется миллиардами единиц, то с внедрением эксцентрикового шатуна мы получаем следующие преимущества:

1. Упрощаются конструкции технического оборудования, технологии его изготовления, уменьшается расход материалов при изготовлении техники.

2. Необходимое число оборотов или движений в единицу времени всех силовых элементов уменьшается в несколько раз, а мощность при этом увеличится.

3. Уменьшается расход топлива и электроэнергии.

4. Увеличивается работоспособность техники.

5. Снижается негативное влияние промышленности на окружающую среду, уменьшается ее загазованность.

Кроме перечисленных преимуществ, эксцентриковый шатун дает возможность создания новых изобретений, машин и устройств.

В числе таких изобретений – разработанная автором «гидромашина» (патент РФ № 2234617).

Суть этого изобретения в следующем.

До настоящего времени преобразование силы напора воды в механическую или электрическую энергию производится посредством гидротурбин.

ГЭС, оснащенные гидротурбинами, требуют слишком больших затрат на строительство огромных сооружений в виде высоких плотин и многокилометровых водохранилищ. При этом водой заливаются огромные площади полезной земли. А гидротурбины имеют слишком большой расход воды в единицу времени. Половина объема воды проходит бесполезно. Без преобразования энергии воды. Кроме того, за три месяца весеннего паводка через створы существующих ГЭС проходит в среднем 60 процентов годового стока воды. При этом от 10 до 25 процентов годового стока воды приходится сбрасывать вхолостую из‑за отсутствия регулирующей емкости водохранилища. Это, в первую очередь, касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, в результате чего в течение года и особенно во время весенних паводков заливаются слишком большие площади полезных земель.

Изобретенная автором гидромашина позволяет заменить любые гидротурбины. При этом мощность будет увеличена в несколько раз, а расход воды будет в несколько раз меньше.

Следовательно, объемы воды и площади, залитые водой, на существующих и вновь строящихся водохранилищах будут меньше, а выработка электростанциями, оснащенными гидротурбинами, электроэнергии будет больше. Например, это особенно актуально для Нижнекамского водохранилища, площадь затопления которого водой в настоящее время равна 88 тысячам гектаров полезных земель трех республик – Татарстана, Башкортостана и Удмуртии. Названная площадь затопления водой обеспечивает выработку электроэнергии Нижнекамской ГЭС только на 48 процентов от проектной мощности.

Для достижения проектной мощности необходимо поднять уровень Нижнекамского водохранилища еще на шесть метров до общей отметки в 68 метров. А для этого необходимо затопить водой еще дополнительно 90 тысяч гектаров полезных земель и переселить множество деревень на более возвышенные места обитания. Проблема не решается уже в течение многих лет.

Гидромашина может быть одноэтажной или многоэтажной в зависимости от плотины, ее высоты и уровня верхнего бьефа.

Это поршневое устройство, которое имеет поршни на всех этажах, при этом преобразование энергии воды в механическую или электрическую энергию производится одновременно на всех этажах.



Параметры

Общая конструкция авторской гидромашины представлена в российском патенте на изобретение № 2234617.

Одна сторона гидромашины со стороны верхнего бьефа нагнетает воду, а другая – со стороны нижнего бьефа – отсасывает ее. Гидромашина преобразует возвратное вертикально-прямолинейное движение поршней в крутящий момент прямого цилиндрического вала посредством эксцентриковых шатунов. При этом каждые 10 метров высоты столба нагнетающей стороны гидромашины действуют на каждый квадратный метр рабочей площади поршня с силой 10 тонн. Суммарные рабочие площади всех поршней многовариантных гидромашин могут исчисляться несколькими десятками квадратных метров, а высота напора воды может достигать нескольких сотен метров. Кроме этого, на отсасывающей стороне гидромашины на каждый квадратный метр суммарных рабочих площадей поршней одновременно действует суммарная сила падающей воды с высоты уровней рабочих площадей поршней до уровня нижнего бьефа. К названным суммарным силам прибавляется одновременно суммарная архимедова сила всех поршней, двигающихся вверх, и суммарная сила веса всех поршней, двигающихся вниз. Все названные суммарные силы одновременно совпадают по направлению их действий – суммируются в одну общую суммарную силу гидромашины, которая, умножаясь на двойной радиус кривошипа посредством эксцентриковых шатунов, преобразуется в общий крутящий момент прямого цилиндрического вала с наивысшим значением КПД.

Если, например, в двухтактных двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл осуществляется при полном обороте коленчатого вала, а в четырехтактных двигателях при двух полных оборотах коленчатого вала, то в гидромашине при каждом обороте прямого цилиндрического вала осуществляется два суммарных рабочих цикла одновременно, умноженных на количество всех работающих поршней в единицу времени.

Следовательно, до настоящего времени во всем мире не было и нет никаких гидромашин, в которых перечисленные природные даровые силы могли бы преобразовываться в крутящий момент прямого цилиндрического вала – дважды при каждом обороте названного интервала в единицу времени. Только «гидромашина», согласно российскому патенту № 2234617, обладает такой уникальной возможностью – посредством эксцентриковых шатунов, а поэтому гидромашина обладает наивысшим КПД и еще не известной пока всему человечеству небывалой мощностью. Следовательно, может быть получена не известная ранее максимальная даровая энергия.

Масштаб изготовления и применения гидромашин может быть велик: от детской игрушки до огромных гидромашин небывалой мощности при любой высоте напора воды, при оптимальном уменьшении площадей затопления водой полезной земли – в существующих и вновь создаваемых водохранилищах.

Положительная работа экспериментальной гидромашины возвестила бы всему миру о необходимости начать перевооружение всех электростанций, в первую очередь – в России, а затем – в других странах, с целью максимального увеличения выработки электроэнергии как на освоенных, так и еще не освоенных малых и больших реках, приливных берегах морей и океанов.

С целью оправдания таких широкомасштабных заявлений автором проведен «Сопоставительный и сравнительный расчет параметров 15 гидротурбин с параметрами 30 гидромашин», а также проведен расчет 36 гидромашин по максимальному расходу воды в 15 гидротурбинах. Расчеты подтверждают технические возможности гидромашин, согласно следующему «Перечню гидротурбин, сопоставленных с гидромашинами».

Этих параметров двух сопоставленных гидротурбин с сопоставленными расчетными параметрами гидромашин вполне достаточно, чтобы убедиться в том, что в зависимости от мощности и от расхода воды меняются только размеры конструкции гидромашин, а принцип их работы не меняется, что дает возможность изготавливать гидромашины в серийных производствах и дает возможность полностью использовать природную мощность любых рек.

Максимальному увеличению мощности гидромашин, увеличению общего количества вырабатываемой электроэнергии способствуют и другие уникальные достоинства и возможности гидромашин по сравнению с гидротурбинами. Например, следующие.



Преимущества технологии

Известно, что при подводе воды к рабочему колесу гидротурбины только половина всей энергии используется полезно, а другая половина расходуется на потери. Четверть всей энергии остается в уходящем потоке воды, а другая четверть расходуется на удар при входе в канал. Крутящий момент на валу рабочего колеса гидротурбины создается в основном кинетической энергией мощного потока воды, омывающей рабочие лопасти рабочего колеса с большой скоростью. Потенциальная энергия столба воды высотой от нижнего бьефа до верхнего бьефа не создает полезного крутящего момента, действует вдоль вала рабочего колеса, уменьшая тем самым КПД гидротурбины.

В гидромашине же полностью используется одновременно потенциальная и кинетическая энергия, а вес упомянутого столба воды воспринимается каркасом и фундаментом гидромашины. При этом потоки воды, проходящие сквозь соседние гидромашины, уравновешены попарно между собой.

Следовательно, энергия напора любой высоты оптимального столба воды полностью преобразуется в механическую или в электрическую энергию от каждого кубометра воды и от всего объема воды, проходящего сквозь гидромашину.

Таким образом, результаты проведенных расчетов показывают, что разработанные гидромашины позволяют в несколько раз повысить мощность любых ГЭС и в несколько раз сократить расход воды по сравнению с гидротурбинами.

Изобретенные гидромашины при их широком внедрении могут оказаться открытием фактических мощностей любых рек, о которых еще не знает все человечество.

В настоящее время в общем объеме производства электроэнергии в России доля ГЭС не превышает 21 процента при износе оборудования российских ГЭС около 80 процентов.

Внедрение многовариантных гидромашин позволит посредством постепенной замены изношенных морально и физически, устаревших гидротурбин и ускоренного оснащения ГЭС новыми, более мощными гидромашинами, а также строительства новых ГЭС на еще не освоенных реках с меньшими затратами и в короткие сроки довести в ближайшие годы долю производства электроэнергии на ГЭС в России до 80 процентов. Следовательно, появится возможность прекратить строительство новых тепловых электростанций, а многие в настоящее время действующие электростанции остановить в качестве резерва, тем самым сэкономив уголь, нефть и газ.



Механическая лестница

Механическая лестница является новым видом вертикального транспорта, создание которого стало возможным только после изобретения «эксцентрикового шатуна», и предназначена для подъема‑спуска людей (пассажиров) с одного уровня на другой уровень.

Конструкция механической лестницы защищена пятью авторскими свидетельствами СССР (№ 1248928, № 1341141, № 377237, № 1495258, № 1684223). В приводах изобретений, защищенных этими свидетельствами, использовались кривошипно-шатунные механизмы, что затрудняло применение механических лестниц. Но после замены этих механизмов на эксцентриковые шатуны или на упрощенный вариант эксцентрикового шатуна, согласно патенту № 2199045 на изобретение «Механизм преобразования вращательного движения в вертикально-поступательное перемещение», стало возможным осуществить рациональную и экономически выгодную механизацию подъема‑спуска пассажиров.

Механическая лестница предназначена для замены лифтов, фуникулеров, эскалаторов и в первую очередь для применения там, где невозможно применить названную технику. Она бесшумна при работе, абсолютно безопасна, в десятки раз меньше потребляет электроэнергии, чем любой лифт, ее несложно производить.

Электросхема ее чрезвычайно проста, а поэтому она в течение многих лет безотказна в работе без всякого ремонта. По количеству деталей и элементов, по принципу работы механическая лестница в десятки раз меньше и проще любого лифта и любого эскалатора – соответственно, уменьшаются затраты на изготовление, ремонт и обслуживание.

В статическом положении механическая лестница представляет собой обычную стационарную лестницу, подобную той, что размещена в каждом подъезде многоквартирного дома. По конструкции лестничная клетка механической лестницы также содержит этажные и межэтажные площадки, между которыми размещены ступенчатые марши, содержащие ступени, половина из которых подвижны и закреплены на подвижных рамах, каждая пара из которых уравновешена по принципу весов. Остальные ступени неподвижны и являются силовыми элементами неподвижного силового каркаса лестничной клетки.

При работе механической лестницы визуально кажется, что все ступени движутся вертикально-возвратно на высоту один или два подступенка по синусоидальному закону. В моменты, когда проступи подвижных ступеней уровняются с проступями неподвижных ступеней, а также с этажными и межэтажными площадками лестничной клетки и скорость подвижных ступеней равна нулю, в эти моменты пассажиры переходят с предыдущих ступеней на последующие в нужном для них направлении одновременно вверх-вниз, как в виде одиночных пассажиров, так и в виде двух встречных непрерывных потоков. Следовательно, пассажиры, поднимающиеся вверх, и пассажиры, опускающиеся вниз, шагают по одним и тем же подвижным ступеням, шагая, по возможности, по всем ступеням.




Перспективы использования

Механическую лестницу можно построить как внутри зданий, так и снаружи – в виде пристроя к каждому подъезду. В результате чего высвободится полезная площадь, занимаемая лифтами и стационарными лестницами, которую можно будет использовать в качестве жилой площади. Тогда в любом городе появится возможность увеличить жилую площадь в масштабе города за короткое время, не нарушая конструкции домов, внедряя одновременно более рациональную и экономически выгодную механизацию подъема‑спуска жильцов с любого этажа и перехода на любой этаж в многоэтажных домах, не мешая друг другу пассажирам двигаться непрерывно в одну сторону.

Механическая лестница, кроме перечисленных достоинств и преимуществ, имеет ряд других:

1. Лифты, эскалаторы и фуникулеры имеют только одностороннее движение, тогда как механическая лестница имеет двустороннее движение пасссажиров, дав возможность даже двум встречным потокам одновременно двигаться в обе стороны вверх-вниз, не мешая друг другу.

2. Так как эскалаторы имеют только одностороннее движение, то для обеспечения непрерывной работы необходимо иметь три эскалатора: два – для движения вверх-вниз, а третий – для необходимого ремонта. Так как механическая лестница проста по конструкции, обладает двусторонним движением, то необходимость в больших ремонтах отпадает, а поэтому достаточно и одной механической лестницы.

3. Самым распространенным лифтом является лифт грузоподъ­емностью Qг = 320 кг, рассчитанный на подъем четырех пассажиров. Грузоподъемность механической лестницы может исчисляться десятками тонн, равномерно распределенных на 8 маршевых рам.

4. Каждый лифт содержит кабину с дверью и двери на каждом этаже. Безопасность пассажиров при движении и в лифтах над пропастью зависит от изнашивающихся тросов, а в эскалаторах – от движения непрерывной ленты, состоящей из множества тележек, каждая из которых катится на четырех катках.

Механическая лестница содержит восемь маршевых рам с подвижными ступенями, которые свободно подвешены на специальных подвесках. В случаях обрыва подвесок каждая подвижная ступень ложится на пару балок, которые являются силовыми элементами неподвижного каркаса механической лестницы, чем и обеспечивается абсолютная безопасность пассажиров.

5. Лифты и эскалаторы при работе создают большой шум. Механическая лестница лишена этого недостатка.

6. При одностороннем движении лифтов пассажиры входят в кабины и выходят их них только при остановках, открытых дверях кабины и этажных дверях, при освободившихся кабинах. В эскалаторах пассажиры поднимаются вверх одним эскалатором, а опускаются вниз с пересадкой другим эскалатором с одного уровня на другой уровень и наоборот, входят на движущуюся ленту и сходят с нее с большими трудностями некоторые категории пассажиров (дети, инвалиды, пожилые люди и т. д.).

Пассажиры при движении на механической лестнице, не останавливая ее, свободно входят на подвижные ступени и свободно сходят с них, когда вертикальная скорость их движения равна нулю или около нуля. Пассажиры выходят на любой этаж или сходят с любого этажа в любом направлении движения, независимо друг от друга для любой категории пассажиров.

7. При отключении электроэнергии, пожаре, землетрясении и т. п. пассажиры лишены возможности покинуть застрявшую между этажами кабину. При таких бедствиях лифты, эскалаторы и стационарные лестницы обрушивваются вместе со всем зданием, не позволяя жильцам покинуть его.

8. Почти никогда не механизируется подъем‑спуск людей посредством лифтов и эскалаторов на подземных и надземных переходах, на перекрестках улиц, на железнодорожных станциях.

С помощью механических лестниц можно механизировать такие переходы, причем этажные площадки и межэтажные пространства будут защищены от атмосферных осадков.

Статьи других авторов

На главную