К.т.н. Толубаева К.К.

Восточно-Казахстанский Государственный технический университет им. Д. Серикбаева, Республика Казахстан

Синтез зубчато-рычажного механизма гидротурбины с самоориентирующими лопастями

В энергетике на основе роторных систем спроектированы многие виды гидротурбин и ветротурбин. Повышение производительности гидротурбины карусельного типа связано с ориентацией лопастей по направлению потока воды. В статье предлагается конструкция гидротурбины с самоориентирующими лопастями на базе зубчато-рычажного механизма. В результате получается роторная гидротурбина с существенным смещением центра тяжести. На основе математического моделирования были получены уравнения динамики роторной гидротурбины с самоориентирующими лопастями.

Анализ положений лопастей, которые могут наиболее оптимально воздействовать потоком воды, показал, что если одна точка лопасти двигается по окружности, то другая ее точка вычерчивает кривую, называемую улиткой Паскаля.

Перспективным является конструкция гидротурбины с лопастями ориентирующими под водой на базе четырехзвенника, основанная на зубчато-рычажном механизме, который представлен на рисунке 1. Механизм состоит из четырехзвенника ОАВД, на котором установлены зубчатое колесо 5 жестко закрепленное с шатуном 2 и колесо-лопасть с центром в точке С, принадлежащей кривошипу-гидротурбине 1.

Рисунок 1- Зубчато-рычажный механизм

Положение лопасти имитирует отрезок СК, и траектория точки К является улиткой Паскаля, а точка С вычерчивает окружность. При этом радиусы зубчатых колес 4 и 5 находятся в соотношении , при этом колесо 4 вращается по отношению к кривошипу 1 и колесо 5 закреплено к шатуну 2 рычажного механизма.

Приведем методику синтеза зубчато-рычажного механизма, реализующего улитку Паскаля. Для этого получим основные соотношения между геометрическими параметрами механизма. Напишем уравнения кинематики четырехзвенного механизма, которые связывают угловые положения и постоянных длин звеньев

(1)

Решение уравнений (1) записываются как

, (2)

. (3)

где

(4)

при этом .

Передаточные функций механизма будут равны

, (5)

при этом справедливы соотношения между угловыми скоростями

и . (6)

Далее определим передаточную функцию зубчатой передачи, используя метод обращения движения. Придадим вращению всей системе угловую скорость равную , тогда звено 1 остановится, а остальные звенья будут иметь скорость .

Колесо 5 жестко связано со звеном 2 и имеет угловую скорость равную , а звено 4 вращается с угловой скоростью , при этом вращение колес происходят относительно «неподвижных» осей. Значит, передаточная функция равна

. (7)

Сократим отношение скоростей на и с учетом (5) имеем

, (8)

где .

Для того, чтобы точка рабочего колеса 4 вычерчивала улитку Паскаля и само колесо работало как лопасть, из аналогии с двухзвенной кинематической цепью, следует, что , т.е. .

. (9)

Это передаточное число должна быть постоянно и равно

, (10)

- числа зубьев колес.

Получается, что при синтезе механизма должно выполняться соотношение

(11)

Рассматриваемый зубчато-рычажный механизм на базе четырехзвенника как передаточный механизм, однозначно определяется восьмью параметрами: длина четырех звеньев кривошипно-коромыслового механизма, две координаты точки С на кривошипе, расстояние СК, и отношение радиусов и установочный угол колеса 5 в начальном положении механизма. Один из восьми параметров может быть выбран произвольно.

Можно написать условие существования кривошипно-коромыслового механизма

, (12)

где - относительные длины четырехзвенника.

По отношению к рассматриваемому случаю, по аналогии с двухзвенной цепью[1], можно предположить, что базисное (треугольное) звено 1 будет иметь сторону .

Синтез механизма позволил установить следующие значения параметров механизма, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1- Параметры зубчато-рычажного механизма гидротурбины

ОА/мм/	ОС/мм/	АС/мм/	АВ/мм/	ВД/мм/	ОД/мм/
9	18	12	20	20	24

Рисунок 2 – Эскиз поплавковой гидротурбины с механизмом поворота лопастей

Конструкция гидротурбины с зубчато-рычажным механизмом поворота лопастей с поплавком имеет вид, как это показано на эскизной схеме (рисунок 2). На этой схеме введены обозначения: 1– поплавок, 2– основание для крепления гидротурбины, 3– лопасти, 5– зубчатое колесо, закрепленное с шатуном 4– четырехзвенника.

Гидротурбина состоит из нескольких секций, в каждой секции по 2 лопасти, расположенные вдоль образующей цилиндра-зоны работы гидротурбины, в результате по окружности цилиндра (с торца) будет работать 6-8 лопастей гидротурбины, соответственно в 3–4 секциях.