close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6776

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6776
(13) C1
(19)
7
(51) G 01P 5/06
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ГИДРОМЕТРИЧЕСКАЯ ВЕРТУШКА
(21) Номер заявки: a 20010415
(22) 2001.05.03
(46) 2005.03.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Автор: Комиссаров Феликс Давидович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт радиобиологии Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
BY 6776 C1
(57)
1. Гидрометрическая вертушка, включающая корпус, лопастной винт, ось, опоры вращения, клемму, полость с маслом, противовес и хвостовое оперение, отличающаяся тем,
что лопастной винт выполнен в виде ротора с тремя полыми сквозными лопастями, в передней части которого содержится цилиндрический входной канал, выполненный в виде
трубки Вентури, на выходе которого размещена на горизонтальной оси жестко связанная
с полыми сквозными лопастями турбинка с продольными направляющими изогнутыми
пластинами, плавно переходящими в вертикальные пластины на входе в полые сквозные
лопасти, контактирующие с внешней средой, ось установлена на опорах в шариковых
подшипниках в полости с маслом и содержит в передней части на выходе из полости с
маслом к ротору конический притертый выступ-ограничитель выбросов масла в окружающую среду через лабиринтный зазор, прижимаемый свободной шайбой и оканчивающийся фторопластовым сальником, расположенным между осью и корпусом в районе
расположения ротора, в задней торцевой части оси выполнен выступ в форме диска, с
размещенным на нем колоколом, в дно которого вставлен конический подпятник, причем
Фиг. 1
BY 6776 C1
задняя торцевая часть оси через подпятник опирается на острие опорного центра, который
ввинчен в размещенную в камере с маслом опору, при этом содержит устройство подачи
масла внутрь корпуса под давлением, включающее эластичную емкость и регулируемый
по весу груз, расположенное вне корпуса на штанге и сообщенное с заполняемой маслом
полостью по гибкому трубопроводу через штуцер, установленный на месте размещения
опорного центра между опорой и диском оси, образующими камеру повышенного давления масла, причем на одной или нескольких полых сквозных лопастях ротора размещена
металлическая мишень, отражающая гамма-излучение от источника, расположенного в
коллиматоре на штанге, на датчик регистрации гамма-излучения, установленный за источником гамма-излучения, при этом датчик регистрации гамма-излучения связан с расположенным вне водной среды счетным одноканальным прибором с помощью разъемного
электрического кабеля.
2. Гидрометрическая вертушка по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона полых
сквозных лопастей ротора относительно набегающего потока выбирается в зависимости
от диапазона измеряемых скоростей потока.
(56)
Бурцев П.Н. Гидрометрическая вертушка ВБ-57: Труды Государственного гидрологического института. - Ленинград, ГИМИЗ. - Вып. 77, 1960. - С. 108-111.
SU 1103152 A, 1984.
SU 1786439 A1, 1993.
SU 808938, 1981.
Изобретение относится к гидрометрическим приборам и предназначено для измерения
направления и величины скорости потока в натурных условиях.
Для измерения малых скоростей потоков было необходимо создание вертушки с минимальной начальной скоростью вращения. Эта задача решалась в двух направлениях: а)
снижение момента трения в опорах за счет уменьшения веса деталей ходовой части и
применения прецессионных шарикоподшипников; б) частичное снятие момента сопротивления в ходовой части вибрацией. В результате исканий в первом направлении были
созданы такие типы вертушек, как морская вертушка с облегченным ротором, вертушка
"Малютка", гидрометрическая вертушка с повышенной чувствительностью, предложенная
Железняковым. Морская вертушка относится к сетевым приборам, а вертушка Железнякова и Козанской - к лабораторным приборам. Искания во втором направлении привели к
созданию нового типа малогабаритных вертушек с минимальной начальной скоростью.
Была сконструирована вертушка Е.И. Кудиновым, в которой трение в опорах ходовой
части снижалось применением пульсирующих опор. По мнению ряда специалистов можно получить движение без трения при вращении вала, прибегнув к вращению вкладышей
подшипников в противоположные стороны и, таким образом, создать два противоположных момента сил трения на валу так, что моменты эти взаимно уничтожаются. Используя
эти принципы, возможно только в гироскопических подшипниках свести трение до минимума. Однако в гидрометрических вертушках эксплуатационные условия работы подшипников намного жестче. Поэтому необходимо искать решение задачи не только в снижении
трения, но и в создании таких опор, трение которых оставалось бы величиной постоянной
при любых обстоятельствах. Все это выдвигает к гидрометрическим вертушкам дополнительные требования, когда они должны обладать минимальной начальной скоростью с постоянством тарировочной зависимости даже в криволинейной части графика V = f(n) [1].
Для исследования турбулентности натурных русловых потоков, а также в ряде других
исследований, например, при изучении инерционности стандартных вертушек типа ГР-21;
2
BY 6776 C1
ГР-55 на их показания при измерении осредненного значения скорости турбулентного потока широко используются специальные малогабаритные и малоинерционнные вертушки
с лопастным винтом и электрическим преобразователем оборотов вращения винта. Основными качествами, которыми должна обладать такая вертушка, являются малая инерционность лопастного винта, зависящая от его геометрии, материала и размеров, малая
постоянная времени всей схемы регистрации, высокая компонентность, обусловленная
также геометрией лопастного винта, достаточная чувствительность к малой скорости течения и стабильная работа при больших скоростях течения. Зависимости характеристик
вертушек от их геометрических параметров глубоко исследованы в работах [2, 3]. Важнейшим узлом вертушки является преобразователь оборотов винта в электрический сигнал.
Преобразователи вертушек отличаются конструкционными решениями. Большое распространение нашли резистивные преобразователи. Применяются также преобразователи индукционные, токовихревые. Из известных конструкций несколько более сложными, но
значительно более надежными являются индукционные преобразователи. Одной из трудностей создания такого преобразователя является получение надежного и достаточного по
уровню сигнала при малых оборотах винта (при малых скоростях течения). Однако с появлением усилителей на интегральных микросхемах это обстоятельство уже не вызывает
затруднений в разработке конструкции [2].
В отделе русловых процессов ГГИ была разработана специальная гидрометрическая
вертушка, предназначенная для исследований крупномасштабной турбулентности руслового потока в натурных условиях. В ее конструкции предусмотрены компонентность лопастного винта, малая инерционность, малое временное и пространственное усреднение
измеряемого элемента, хорошие параметры обтекания прибора потоком, надежный преобразователь оборота винта, а также удобная для обработки и качественного анализа форма регистрации. Гидродинамическим преобразователем разработанной вертушки является
двухлопастной пластмассовый винт с горизонтальной осью вращения и индукционным
вторичным преобразователем. Конструкция прибора построена на роторной схеме. Вертушка состоит из двухлопастного винта, корпуса, ротора, статора, оси, вращающейся в
радиальных шарикоподшипниках, крепежного винта. Лопастной винт вертушки изготавливается из капролона, отчего уменьшается масса винта и увеличивается чувствительность вертушки к пульсациям скорости. Вращение винта преобразуется в электрический
сигнал, вырабатываемый индукционным преобразователем. Принцип работы индукционного преобразователя основан на перемагничивании сердечника катушками статора пульсирующим магнитным полем, в результате чего в последней наводится ЭДС, частота
синусоидального сигнала которой пропорциональна угловым скоростям винта, т.е. скорости потока [3].
Известна гидрометрическая вертушка, содержащая лопастной винт, корпус, тахометрический преобразователь, выполненный в виде высокочастотного генератора на одном
полупроводниковом триоде, обмотки которого и цепи обратных связей расположены на
ферритовом сердечнике, помещенном в полый ферритовый цилиндр, диск обтюратора,
которые размещены в отдельной камере. Торцы ферритового стержня имеют форму трехгранной призмы для сконцентрирования силовых линий магнитного потока, прерываемого
металлическими лепестками, что приводит к увеличению числа импульсов, выдаваемых
генераторным бесконтактным преобразователем за один оборот лопастного винта [4].
Вертушка работает следующим образом. При опускании вертушки в поток металлические лепестки, связанные с валом вертушки, прерывают магнитный поток, создаваемый
ферритовым сердечником генератора, вызывая при каждом перекрытии импульс тока.
Частота следования этих импульсов пропорциональна скорости потока с амплитудой, независящей от нее и приблизительно равной напряжению источника питания.
К недостаткам такой конструкции прибора следует отнести следующие: 1) размещение тахометрического преобразователя, выполненного в виде высокочастотного генерато3
BY 6776 C1
ра в отдельной камере, обмотки которого и цепи обратных связей расположены на призматическом ферритовом стержне с плоскими торцами, срыв или генерация которого осуществляется металлическими лепестками, связанными с осью вертушки. Это требует
некоторых затрат энергии на трение вращающихся частей и прерывание электромагнитных полей, вырабатываемых высокочастотным генератором.
Известна "Гидрометрическая вертушка", предназначенная для измерения скорости течения в реках с повышенным содержанием взвешенных наносов. Гидрометрическая вертушка состоит из лопастного винта с осью, установленной на опорах вращения в корпусе,
где размещен контактный механизм, соединенный с клеммой. Имеется заполненная смазочным маслом полость, которая соединена с окружающей средой через бесконтактное
уплотнение между осью и корпусом вертушки. Устройство подачи масла внутрь корпуса
вертушки под давлением выполнено в виде эластичной емкости, заключенной в кожух,
имеющий отверстия для сообщения внутренней полости кожуха с внешней средой. Подача масла из эластичной емкости происходит через зажим на кожухе по гибкому трубопроводу через штуцер в полость подшипников корпуса вертушки и наружу для защиты от
проникновения воды с наносами внутрь корпуса вертушки, и при этом работа системы
подачи масла осуществляется под давлением, создаваемым разностью давлений в кожухе
и в полости корпуса вертушки, при размещении кожуха ниже оси вращения вертушки или
с помощью силы тяжести плиты, размещенной в кожухе на поверхности эластичной емкости, при условии размещения кожуха по оси вертушки [5].
К недостаткам устройства можно отнести следующие: 1) с целью защиты от проникновения наносов внутрь корпуса вертушки, при работе в условиях повышенного содержания взвесей в потоке, в вертушке сделана гидравлическая защита зазора между корпусом
вертушки и осью лопастного винта за счет подачи масла под избыточным давлением в полость корпуса с последующим его изливанием в окружающее пространство. Такая защита
зазора от проникновения загрязняющих взвесей внутрь корпуса не несет смысловой нагрузки, так как обеспечение защиты полостей вертушки от проникновения загрязняющих
веществ возможно и без потерь масла, применяя для этих целей другие способы защиты
как, например, установка сальника на выходе оси из корпуса вертушки, или применение
для защиты от взвешенных частиц очищенной воды, которая может подаваться непосредственно в зазор между корпусом вертушки и лопастным винтом, а не в зазор между осью
и корпусом; 2) работа системы подачи масла в полость подшипников корпуса заключается
в том, что емкость с маслом располагают в водном потоке ниже оси вертушки, при этом
образуется разность давлений в этой емкости и в полости корпуса вертушки, что и приводит к выдавливанию масла через зазор между осью лопастного винта и втулкой корпуса, и
масло выходит наружу через этот зазор, препятствуя проникновению воды с наносами
внутрь корпуса вертушки, что приводит к загрязнению окружающей среды, причем потери масла значительны и достигают величин 92 см3/ч; второй способ подачи масла в полость вертушки под постоянным действием веса плиты на сильфон приводит к тому, что
давление для подачи масла в корпус вертушки строго постоянно, что не учитывает условия эксплуатации вертушки в различных водоемах при разном количественном загрязнении потока взвесями.
При выборе вертикального или горизонтального расположения оси не было выяснено
подавляющих преимуществ какого-либо одного из них. Выбор вертикального расположения оси ротора был сделан для обеспечения меньшего момента трения в опорах вертушки
"Малютка". Для малогабаритной вертушки, предназначенной для работы на малых скоростях, необходимо иметь, при прочих равных условиях, наибольшее число оборотов ротора
на единицу скорости и достижение в роторе наибольшего вращательного момента и его
постоянства в пределах оборота ротора. При определении качества применения моделей
ротора с трехчашечным ротором или с шестичашечным было отдано предпочтение для
применения шестичашечной модели по причине уменьшения колебаний вращающего мо4
BY 6776 C1
мента в пределах оборота ротора. А в тех вертушках, где некоторое увеличение толщины
измеряемого слоя не имеет большого значения, применение шестичашечного ротора, составленного из двух трехчашечных турбинок, приведет к резкому повышению вращающего момента и сделает устойчивой работу вертушки на малых скоростях. В вопросе
уменьшения трения в опорах ротора вертушки решение находят путем подбора формы и
материала опор, дающих наименьший коэффициент трения, изысканием путей замены
трения скольжения трением качения, то есть возможности применения шарикоподшипников и уменьшения веса ротора. Исключительно перспективным для повышения начальных
скоростей гидрометрических вертушек предлагается использование эффекта снижения
трения вибрацией опор. Некоторые эксперименты дают основание надеяться, что, заставляя вибрировать концевые опоры, можно построить вертушку, пригодную для измерения
скоростей, начиная с нескольких миллиметров в секунду. Повышение массы ротора вертушки приводит к снижению ее начальной скорости, а облегчение же ротора приводит к
увеличению начальной скорости. К материалам, используемым для изготовления ротора
вертушек, относятся полистирол и легкие сплавы алюминия с удельным весом 2,6-2,8 или
из электромагнитного сплава с удельным весом 1,8. Некоторые экспериментальные вертушки снабжались лопастями из пластмассы с удельным весом 1,1-1,3. Масса ротора может
быть облегчена и за счет создания в конструкции ротора герметизированных лопастей.
Предложено в построении чувствительных малогабаритных вертушек использование раструба Вентури. Предложено для снижения начальной скорости вертушки к оси ротора
приложить постоянный момент вращения, который может компенсировать момент трения
в опорах, как, например, осуществлять это действие при помощи груза, подвешенного на
тонкой нити, обвитой вокруг оси вертушки, или введением в вертушку электромотора, который при включении тока создает момент вращения, компенсирующий момент силы
трения в опорах [6].
Вентури трубка, расходомер Вентури, - устройство для определения скорости или
расхода жидкости, пара или газа по измерению перепада давления. Поскольку потеря давления в Вентури трубке меньше, чем в измерительных диафрагмах и соплах, то ее применяют там, где недопустимы большие потери давления [7].
Наиболее близкой по своей технической сущности является гидрометрическая вертушка ВБ-57, которая рассчитана на измерение скорости течения воды в потоке в диапазоне от 0,01 до 3 м/с. Ходовая часть вертушки снабжена компенсирующим устройством,
которое обеспечивает постоянство тарировочного графика в процессе эксплуатации и делает ее пригодной для работы на относительно малых скоростях течения водного потока.
В корпусе вертушки имеются две камеры: закрытая и герметизированная. В закрытой помещается ходовая часть вертушки, а в герметизированной - компенсирующее устройство.
Отдельно от них на корпусе размещается камера контактной группы. Ходовая часть вертушки состоит из лопастного винта, оси, распорной втулки, гильзы, двух шарикоподшипников, червяка и ведомого магнита. Лопастной винт, червяк и ведомый магнит ходовой
части вертушки неподвижно закреплены относительно оси. При вращении лопастного
винта червяк вращает червячную шестерню контактного устройства, размещенного в отдельной камере, которое состоит из червячной шестерни, контактного штифта, контактной
группы, винта контактного и токосъемной пластины. Устройство дает одно замыкание в
сигнальной сети за один полный оборот червячной шестерни, т.е. двадцати оборотам лопастного винта соответствует одно замыкание в цепи. Для обеспечения "относительного
постоянства" торировочного графика и надежной работы на малых скоростях (от V = 0,01
до 0,25 м/с) вертушка имеет компенсирующее устройство, состоящее из асинхронного
электродвигателя и магнитной муфты. Асинхронный электродвигатель с помощью магнитной муфты передает ходовой части вертушки дополнительный вращательный момент,
которым и компенсируется момент силы трения ходовой части, кроме того, вертушка имеет
хвостовое оперение для ориентирования ее в потоке жидкости перпендикулярно набегаю5
BY 6776 C1
щему потоку, которое закреплено на противовесе, а также клемму для соединения подводного кабеля с кабелем передачи сигнала регистрирующему устройству [8].
К недостаткам конструкции указанной вертушки можно отнести следующие: 1) наличие на оси вертушки в ее ходовой части червяка, который при вращении винта вращает
червячную шестерню контактного устройства, на что затрачивается значительная энергия,
которую следует отнести к невосполнимым затратам; 2) применение для компенсации невосполнимых затрат энергии компенсирующего устройства, состоящего из асинхронного
электродвигателя и магнитной муфты, ведомый магнит которой жестко закреплен на оси
ходовой части прибора, в то время как ведущий диск муфты закреплен на валу асинхронного двигателя. Асинхронный двигатель с помощью магнитной муфты передает ходовой
части вертушки дополнительный вращающий момент, которым и компенсируется момент
сил трения ходовой части. Но только эта компенсация производится предварительно на
холостом ходу вертушки и ей сообщается некоторое постоянное число оборотов при холостом ходе. При эксплуатации вертушек в натурных условиях полученный опыт исследователей говорит о том, что необходимо производить компенсацию потерь на трение в
зависимости от условий среды, в которой работает вертушка (скорости потока и наличия
загрязняющих взвесей), а такую компенсацию потерь энергии в данном устройстве осуществить невозможно.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое исключило бы недостатки прототипа, и с учетом вышеизложенных исследований и предложений
специалистов по развитию и совершенствованию измерительных приборов создать новый
тип вертушки.
Поставленная задача решается тем, что предложенная гидрометрическая вертушка
включает корпус, лопастной винт, ось, опоры вращения, клемму, полость с маслом, противовес и хвостовое оперение.
Отличительной особенностью является то, что лопастной винт выполнен в виде ротора с тремя полыми сквозными лопастями, в передней части которого содержится цилиндрический входной канал, выполненный в виде трубки Вентури, на выходе которого
размещена на горизонтальной оси жестко связанная с полыми сквозными полостями турбинка с продольными направляющими изогнутыми пластинами, плавно переходящими в
вертикальные пластины на входе в полые сквозные лопасти, контактирующие с внешней
средой, ось установлена на опорах в шариковых подшипниках в полости с маслом и содержит в передней части на выходе из полости с маслом к ротору конический притертый
выступ-ограничитель выбросов масла в окружающую среду через лабиринтный зазор,
прижимаемый свободной шайбой и оканчивающийся фторопластовым сальником, расположенным между осью и корпусом в районе расположения ротора, в задней торцевой части оси выполнен выступ в форме диска, с размещенным на нем колоколом, в дно которого
вставлен конический подпятник, причем задняя торцевая часть оси через подпятник опирается на острие опорного центра, который ввинчен в размещенную в камере с маслом
опору, при этом содержит устройство подачи масла внутрь корпуса под давлением, включающее эластичную емкость и регулируемый по весу груз, расположенное вне корпуса на
штанге и сообщенное с заполняемой маслом полостью по гибкому трубопроводу через
штуцер, установленный на месте размещения опорного центра между опорой и диском
оси, образующими камеру повышенного давления масла, причем на одной или нескольких
полых сквозных лопастях ротора размещена металлическая мишень, отражающая гаммаизлучение от источника, расположенного в коллиматоре на штанге, на датчик регистрации
гамма-излучения, установленный за источником гамма-излучения, при этом датчик регистрации гамма-излучения связан с расположенным вне водной среды счетным одноканальным прибором с помощью разъемного электрического кабеля, отличающееся тем, что
угол наклона полых сквозных лопастей ротора относительно набегающего потока подбирается в зависимости от диапазона измеряемых скоростей потока.
6
BY 6776 C1
На фиг. 1 изображена гидрометрическая вертушка вместе с устройством подачи масла
в корпус и датчиком регистрации гамма-излучения, продольный разрез.
На фиг. 2 изображен коллиматор источника гамма-излучения в разрезе.
На фиг. 3 изображена схема датчика регистрации гамма-излучения.
На фиг. 4 изображена блок схема регистрирующего устройства.
Гидрометрическая вертушка содержит корпус 1, ось 2, опоры вращения 3, клемму 4,
полость с маслом 5, противовес 6 и хвостовое оперение 7, ротор 8 с тремя полыми сквозными лопастями 9, цилиндрический входной канал 10, трубку Вентури 11, турбинку 12,
продольные направляющие изогнутые пластины 13, вертикальные пластины 14, шариковые
подшипники 15, конический притертый выступ-ограничитель 16 выбросов масла, лабиринтный зазор 17, свободную шайбу 18, фторопластовый сальник 19, коническое отверстие 20, статор 21, выступ в форме диска 22, колокол 23, конический подпятник 24, острие 25
опорного центра 26, опору 27, устройство подачи масла 28 под давлением, эластичную
емкость 29 и регулируемый по весу груз 30, рычаг с ручкой 31, штангу 32, гибкий трубопроводу 33, штуцер 34, камеру 35 повышенного давления масла, металлическую мишень
36, источник гамма-излучение 37, коллиматор 38, датчик 39 регистрации гамма-излучения,
разъемный электрический кабель 40, шторку 41, оргстекло 42, защитный экран 43, коллиматорное отверстие 44, гидроизоляционную прокладку 45, хомут 46, тросик 47.
Гидрометрическая вертушка работает следующим образом. Вертушку в сборе вместе с
устройством подачи масла 28 прикрепляют к штанге 32, с прикрепленным к штанге 32 с
противоположной стороны противовесом 6 и хвостовым оперением 7 и опускают ее в выбранном для измерения скорости потока месте на заданную глубину входным отверстием 10
устройства перпендикулярно створу. При погружении вертушки набегающий поток воды
с внешней стороны полых сквозных лопастей 9 надавливает на скосы полых сквозных лопастей и заставляет ротор 8 начать вращение на своей оси 2 в направлении, противоположном скосу плоскостей. А в это время, поток воды, входящий в цилиндрический
входной канал 10, проходит по трубке Вентури 11 и встречает на своем пути продольные
направляющие изогнутые пластины 13 и вертикальные пластины 14 турбинки 12. Поступающие во входной канал 10 струи потока своим напором надавливают на стенки изогнутых пластин 13 и вертикальных пластин 14 турбинки 12, имеющих некоторый скос в
противоположную сторону вращения полых сквозных лопастей, и заставляют турбинку 12
поворачиваться. Сила вращения турбинки 12 дополняет силу вращения полых сквозных
лопастей 9 под действием набегающего потока и тем уменьшает относительные потери
энергии на трение в движущихся частях вертушки. А сообщение полых сквозных лопастей 9 на своих концах с внешней средой позволяет струям потока, выходящим из полых
сквозных лопастей 9, отталкиваться от окружающей среды и тем самым дополнять энергию вращения. Таким образом, энергия потока, проходящего через внутренние полости и
действующего на продольные направляющие изогнутые пластины 13 и на вертикальные
пластины 14 турбинки 12, и энергия отталкивания струй воды, выходящих из полых
сквозных лопастей 9, и энергия набегающего потока, действующего на поверхность полых
сквозных лопастей 9, превращается в энергию вращения ротора 8. Поступление масла из
устройства подачи масла 28 внутрь корпуса 1 в полость 5 с маслом обеспечивается из заполненной маслом эластичной емкости 29 по гибкому трубопроводу 33 через штуцер 34.
Регулирование давления масла в полости 5 с маслом осуществляется под весом груза 30,
состоящего из ряда пластин и рычага 31, который обеспечивает плавную регулировку давления масла в полости с маслом 5. Наличие масла в полости с маслом 5 уменьшает трение
поверхностей вращения вертушки. Из устройства подачи масла 28 по гибкому трубопроводу 33 через штуцер 34 масло поступает непосредственно в камеру 35 повышенного давления масла, где повышенное давление масла, действуя на задний выступ 22 оси 2, смещает
ось 2 в левую сторону и тем самым разрывается контакт конический подпятник 24 - острие
25 опорного центра 26, и тем самым уменьшается трение между вращающимися и непод7
BY 6776 C1
вижными деталями вертушки, так как вращение происходит непосредственно на тонком
слое масла. В передней части вертушки вращение оси 2 осуществляется на шариковых
подшипниках 15, находящихся в масле, и на слое масла между коническим притертым
выступом-ограничителем 16 выбросов масла и коническим отверстием 20 в свободной
шайбе 18.
Гидрометрическая вертушка представляет собой устройство, в котором преобразование оборотов ротора 8 с полыми сквозными лопастями 9 в электрический сигнал осуществляется при помощи датчика 39 регистрации гамма-излучения, преобразующего энергию
гамма-квантов источника 37 гамма-излучения, отраженных от металлической мишени 36,
размещенной на одной или нескольких полых сквозных лопастях 9, в электрический сигнал.
Источник 37 гамма-излучения установлен в коллиматоре 38, закрепленном на штанге 32,
и перекрывается шторкой 41, а датчик 39 регистрации гамма-излучения размещен позади
его.
Подсчет оборотов лопастного винта осуществляется при регистрации гамма-квантов,
отраженных от металлической мишени 36 датчиком регистрации гамма-излучения 39, состоящим из счетчика СТС-5 и P1C1 цепочки, преобразующей энергию гамма-квантов в
импульсы постоянного тока счетным одноканальным прибором. На фиг. 1 показан герметичный разъем с клеммами 4 для подсоединения разъемного электрического кабеля 40
счетного одноканального прибора, что позволяет производить счет оборотов ротора 8 вертушки и определять скорость водного потока при соответствующей ее тарировке. Как показано на фиг. 1, пунктирными линиями, гамма-кванты, исходящие из источника 37
гамма-излучения, достигнув металлической мишени 36, отражаются от нее и попадают на
датчик 39 регистрации гамма-излучения только в том случае, когда полая сквозная лопасть 9, на которой размещена металлическая мишень 36, устанавливается на мгновение
напротив датчика 39 регистрации гамма-излучения. Таким образом, при каждом прохождении металлической мишени 36 мимо датчика 39 происходит регистрация импульса тока,
поступившего из датчика 39 гамма-излучения счетным одноканальным прибором. При
установке на нескольких полых сквозных лопастях 9 по одной металлической мишени 36
счетный одноканальный прибор за один оборот ротора 8 регистрирует столько импульсов,
сколько мишеней 36 прошло мимо датчика 39 регистрации гамма-излучения. А так как
между датчиком 39 регистрации гамма-излучения и металлической мишенью 36 нет механического контакта, то потери энергии на регистрацию оборотов ротора 8 не имеют места
и, следовательно, это не увеличивает безвозвратные потери энергии на трение вращающихся деталей вертушки.
На фиг. 2 изображен коллиматор источника гамма-излучения в разрезе. Коллиматор 38
изображен с приподнятой при помощи тросика 47 шторкой 41, закрепленным на штанге 32
при помощи хомутов 46. Источник 37 гамма-излучения размещен в цилиндрическом гнезде коллиматора 38 и прикреплен по месту установки при помощи воздухоэквивалентного
материала и гидроизолирован. Перед источником гамма-излучения расположен слой оргстекла 42, которое прижато к гнезду с источником при помощи защитного экрана 43 с
коллиматорным отверстием 44 и гидроизолировано.
Для обеспечения зазора между коллиматором 38 и датчиком 39 регистрации гаммаизлучения установлена пластина оргстекла 42 на расстоянии, обеспечивающем попадания
максимального количества гамма-квантов, отраженных от металлической мишени 36 на
датчик 39 регистрации гамма-излучения. Шторка 41 в закрытом состоянии защищает персонал от облучения. При открытой шторке 41 гамма-кванты от источника 37 гаммаизлучения свободно проходят через узкое окно коллиматорного отверстия 44 и распространяются прямолинейно в окружающем пространстве. При размещении перед коллиматорным отверстием 44 металлической мишени 3 они отражаются от нее и попадают на
датчик 39 регистрации гамма-излучения.
На фиг. 3 изображена схема датчика БДБ-2-03 регистрации гамма-излучения.
8
BY 6776 C1
Датчик состоит из счетчика СТС-5, R1C1 цепочки и трансформатора T1. Постоянное
напряжение +400 В через резистор R1 приложено к аноду счетчика СТС-5 и по цепи R1,
C1, обмотка трансформатора, земля заряжает конденсатор C1. Переменная составляющая
со вторичной обмотки трансформатора через разделительную емкость С2 подается на базу
транзистора T1, который включен по схеме с общим эмиттером. С коллектора транзистора
сигнал подается на пересчетное устройство.
Датчик БДБ 2-03.
Работа схемы. Постоянное напряжение +400 вольт через резистор R1 приложено к аноду счетчика ионизирующего излучения СТС-5 и одновременно по цепи R1, C1, обмотка
трансформатора, земля заряжает конденсатор C1. В момент прохождения гамма-кванта
ионизирующего излучения через рабочий объем счетчика в нем создаются условия для
протекания тока и конденсатор C1 разряжается по цепи анод-катод счетчика, земля, первичная обмотка трансформатора. Счетчик запирается и после перезаряда конденсатора по
цепи R1 готов к приему следующего гамма-кванта. Переменная составляющая со вторичной
обмотки трансформатора через разделительную емкость С2 подается на базу транзистора T1,
включенного по схеме с общим коллектором, обладающей большим коэффициентом усиления. С коллектора транзистора сигнал подается на пересчетное устройство.
На фиг. 4 изображена принципиальная электронная блок-схема устройства регистрации оборотов вертушки.
Принципиальная электронная блок-схема предлагаемого устройства состоит из датчика с газовыми счетчиками типа СТС-5, СТС-6, с RC цепочкой, подстроечной интегрирующей цепочкой, определителя вершины, одновибратора, выдающего одиночный
импульс, который выдается на пересчетную схему, эмиттерного повторителя, пересчетного прибора.
Блок-схема работает следующим образом: при попадании гамма-кванта в объем счетчика возникает электрический импульс на выходе из датчика. За время прохождения источника мимо датчика прибора возможно получение на выходе из датчика нескольких
импульсов, которые поступают на определитель вершины, в котором происходит определение окончания серии импульсов, и, при завершении процесса поступления импульсов,
этот блок вырабатывает сигнал, запускающий одновибратор, который формирует прямоугольный сигнал и выдает его на эмиттерный повторитель, с которого он и подается на
пересчетный прибор, подсчитывающий количество поступивших импульсов и, следовательно, количество прохождений источника мимо датчика, т.е. количество оборотов полых
сквозных лопастей 9 вертушки. Подстроечное сопротивление интегрирующей цепочки в
схеме позволяет настраивать ее работу в зависимости от скорости водного потока и, следовательно, количества оборотов винта вертушки при данной скорости потока, т.е. этим
выбирается диапазон измерений.
Описание работы вертушки с учетом совместной работы ее ходовой части и электронного оснащения.
Гидрометрическая вертушка работает следующим образом. Вертушку в собранном
виде вместе с устройством подачи масла 28 прикрепляют к штанге 32, с прикрепленным к
штанге 32 с противоположной стороны противовесом 6 и хвостовым оперением 7. Подсоединяют к клеммам 4 датчика 36 регистрации гамма-излучения электрический кабель
40, а к обратному концу кабеля 40 подсоединяют пересчетный прибор, например ПСО2-4,
и подключают его к сети электрического напряжения. Вертушку опускают в выбранном
месте на заданную глубину входным отверстием 10 устройства перпендикулярно створу.
При погружении вертушки набегающий поток воды с внешней стороны полых сквозных
лопастей 9 надавливает на скосы полых сквозных лопастей 9 и заставляет ротор 8 начать
вращение на своей оси 2 в направлении, противоположном скосу плоскостей. А в это время
поток воды, входящий в цилиндрический входной канал 10, встречает на своем пути продольные направляющие изогнутые пластины 13 и вертикальные пластины 14 турбинки 12,
9
BY 6776 C1
и поступающие во входной канал 10 струи потока своим напором надавливают на стенки
продольных направляющих изогнутых пластин 13, вертикальных пластин 14 турбинки 12,
имеющих некоторый скос в противоположную сторону вращения полых сквозных лопастей 9, и заставляют турбинку 12 поворачиваться. И сила вращения турбинки 12 дополняет силу вращения полых сквозных лопастей 9 и тем уменьшает относительные потери
энергии на трение в движущихся частях вертушки. Для начала отсчета оборотов лопастного винта вертушки поднимают посредством тросика 47 шторку 41 коллиматора 38. При попадании гамма-квантов на металлическую мишень 36 и их отражении от металлической
мишени 36 на датчик 39 регистрации гамма-излучения в гамма-счетчике происходит
регистрация гамма-квантов и формируется электрический сигнал. Электрический импульс
поступает по кабелю к пересчетному прибору и регистрируется схемой пересчетного прибора. По количеству импульсов в единицу времени определяют скорость водного потока
по графику тарировки. После окончания измерений опускают защитную шторку 41 коллиматора 38 и извлекают прибор на поверхность. Отсоединяют коллиматор 38 от штанги 32 и
помещают его в свинцовый контейнер на хранение. Снимают со штанги 32 устройство для
подачи масла 28, отсоединяют от штуцера 34 гибкий трубопровод 33, предварительно перекрыв вентиль на трубопроводе. Вертушку осматривают, очищают от наносов, промывают, протирают и укладывают в упаковочный ящик на хранение.
Выполнение ротора 8 с тремя полыми сквозными лопастями 9, имеющего в передней
своей части цилиндрический входной канал 10, исполненный в виде трубки Вентури 11,
на входе которого размещена на горизонтальной оси 2 турбинка 12 с продольными направляющими изогнутыми пластинами 13, плавно переходящими в вертикальные 14 на
входе в полые сквозные лопасти 9, позволяет при погружении гидрометрической вертушки, закрепленной на штанге 32, устанавливаться цилиндрическим входным каналом 10
против потока, за счет действия потока на хвостовое оперение 7, расположенное на противовесе 6. А ротору 8 начать свое вращение на оси 2 в направлении, противоположном
скосу передних поверхностей полых сквозных лопастей 9. При этом струи потока, входящие во входной канал 10, своим напором надавливают на продольные направляющие изогнутые пластины 13 и вертикальные пластины 14 турбинки 12, имеющие некоторый скос
в противоположную сторону вращения лопастей, и дополняют своей энергией энергию
вращения лопастей 9. А сообщение полых лопастей 9 на своих концах с внешней средой
позволяет струям потока, выходящим из полых сквозных лопастей 9, отталкиваться от окружающей среды, и тем самым дополнять энергию вращения ротора 8. Таким образом,
энергия потока, проходящего через внутренние полости и действующего на продольные
направляющие изогнутые пластины 13, вертикальные пластины 14 турбинки 12, и энергия
отталкивания струй воды, выходящих из полых лопастей 9, и энергия набегающего потока, действующего на поверхность полых сквозных лопастей 9, превращается в энергию
вращения ротора 8.
Установка полых сквозных лопастей 9 позади трубки Вентури 11 обеспечивает малое
падение давления при прохождении жидкости по ее объему и не препятствует жидкости
свободно входить в объем полых сквозных лопастей 9, а вращение ротора 8 под давлением напора набегающего потока превращает эту гидравлическую систему в водяной насос,
который прокачивает воду через свой внутренний объем и выбрасывает ее с большой скоростью в окружающую среду.
Выполнение полых сквозных лопастей 9 на своих концах с косым срезом или их загиб
в противоположную сторону хода вращения обеспечивает поворот исходящих из полостей
струй воды и их отталкивание от окружающей среды и тем дает дополнительный импульс
вращательному движению ротора 8.
Использование ротора 8 с полыми сквозными лопастями 9 в гидрометрической вертушке
обеспечивает получение дополнительной энергии по сравнению с обычными вышеописанными аналогами и прототипом и позволяет уменьшить относительную величину потерь
10
BY 6776 C1
энергии за счет трения, что и отвечает рекомендациям, предложенным специалистами в
работе [1].
Размещение оси 3 вертушки на шариковых подшипниках 15 позволяет уменьшить
энергию трения оси 2 по сравнению со скользящими подшипниками в обычном их исполнении.
Размещение в полости с маслом 5 вертушки оси 2, на задней торцевой части которой
имеется задний выступ 22 в форме диска и колокол 23, в дно которого вставлен конический подпятник 24, опирающийся на острие 25 опорного центра 26, который размещен в
полости с маслом 5 вертушки напротив штуцера 34, способствует, при нагнетании масла в
полость с маслом 5 в район расположения выступа 22 оси 2 и колокола 23, разделению
полости 5 на две зоны: с более высоким и более низким давление масла. В этой части полости с маслом 5 создается повышенное давление масла, т.е. образуется камера повышенного давления масла 35, отделенная от всей полости с маслом 5. Это давление несколько
выше, чем в передней части полости с маслом 5 по причине того, что выступ 22 оси 2 размещен практически с минимальным зазором от боковой стенки корпуса вертушки и от
опоры 27 опорного центра 26, что приводит к тому, что создается в этой камере 35 избыточное давление, которое становится несколько выше давления в остальной полости с
маслом 5. Под действием создавшегося повышенного давления масла в этой камере повышенного давления масла 35, при вращении оси 2 образуется зазор между опорой 27 выступом 22 оси 2, и торцевой выступ 22 отталкивается от опоры 27 и вращается практически
на тонком слое масла. Таким образом уменьшаются затраты энергии на трение оси 2 о
острие 25 опорного центра 26.
Размещение в передней части полости 5, при выходе из корпуса 1 вертушки, лабиринтного зазора 17, оканчивающего фторопластовым сальником 20, обеспечивает малые
утечки масла при нагнетании его в полость с маслом 5 через зазор между фторопластовым
сальником 20 и осью 2.
Обеспечение устройства подачи масла 28 внутрь корпуса 1 эластичной емкостью 29 и
соединение ее гибким трубопроводом 33 через штуцер 34 с корпусом 1 вертушки обеспечивает сообщение с этой емкости 29 с полостью с маслом 5. А обеспечение устройства
подачи масла 28 регулируемым по весу грузом 30, состоящим из ряда тяжелых пластин, и
расположение устройства вне корпуса 1 на штанге 32 обеспечивает регулировку подачи
масла в полость с маслом 5 по необходимости. Например, по причине повышенного загрязнения потока взвесями или при измерении скорости стремительного потока, когда сила давления потока на лопасти вертушки увеличивается, или при погружении вертушки на
большую глубину, когда давление воды на этой глубине может превосходить давление
масла в полости с маслом 5. Это дает возможность оператору, сменой груза 30, повысить
давление в полости с маслом 5, а наличие рычага 31 обеспечивает дополнительно плавную ручную регулировку подачи масла в полость с маслом 5.
Размещение в цилиндрическом входном канале 10 ротора 8 вставки (см. фиг. 1), образующей со стенками входного канала трубку Вентури 11, обеспечивает малый перепад
давления при проходе воды по ее объему, а сужение в ее средней части обеспечивает хороший захват водного потока продольными направляющими изогнутыми пластинками 13
турбинки 12, причем, за счет размещения в объеме цилиндрического входного канала 10
разного внутреннего диаметра вставок, можно получить нужную производительность устройства, что, естественно, сказывается на точности измерения скорости водного потока
при различных его параметрах.
Выполнение полых сквозных лопастей 9 на своих концах с косым срезом, или загиб
их в противоположную сторону от хода вращения ротора 8, и их сообщение с внешней
средой позволяет струям потока, выходящим из полых сквозных лопастей 9, отталкиваться от окружающей среды и тем самым дополнять энергию вращения ротора 8. Таким образом кинетическая энергия потока, проходящего через внутренние полости, давление
11
BY 6776 C1
потока на турбинку 12 и кинетическая энергия набегающего потока, действующего на поверхность полых сквозных лопастей 9, суммируются и превращаются в энергию вращения
ротора 8.
Использование для подсчета оборотов лопастного винта регистрирующей системы,
состоящей из датчика 39 регистрации гамма-излучения, источника гамма-излучения 37,
металлической мишени 36, позволяет производить регистрацию пакета гамма-квантов,
отраженных от металлической мишени 36, датчиком 39 регистрации гамма-излучения, и
их счет регистрирующим одноканальным стандартным прибором, например, ПСО2-4, что
не требует применения всевозможных счетных устройств, датчики которых размещены
непосредственно на оси вертушки, или переходных механизмов с датчиками, размещенными в корпусе вертушки, как это имеет место в аналогах и прототипе, что усложняет
устройство вертушки и требует затрат некоторого количества энергии вращающегося лопастного ротора 8 на преодоление сопротивления вращению, т.е. напрасных затрат энергии на преодоление трения в системе вращающихся деталей и устройств.
Использование в качестве регистрирующего обороты ротора 8 датчика 39 регистрации
гамма-излучения, не имеющего механического контакта с ротором 8, и размещение на полых сквозных лопастях 9 ротора 8 металлических мишеней 36 исключает контакт между
регистрирующим прибором и счетчиком оборотов ротора 8 и, следовательно, не вызывает
увеличения затрат энергии на трение вращающихся частей вертушки.
Размещение датчика регистрации гамма-излучения 39 непосредственно на штанге 32,
а коллиматора 38 с источником 37 гамма-излучения впереди датчика 39 регистрации гаммаизлучения позволяет пакету гамма-квантов, прошедших через отверстие 44 коллиматора 38
узким пучком при открытой защитной шторке 41, достичь металлической мишени 36, и
при расположении полой сквозной лопасти 9 с металлической мишенью 36 против отверстия 44 коллиматора 38 отразиться от этой мишени 36, и возвратиться на датчик 39 регистрации гамма-излучения.
Соединение датчика 39 регистрации гамма-излучения со счетным прибором электрическим кабелем посредством клемм 4 герметичных разъемов, размещенных на датчике 39
регистрации гамма-излучения, позволяет производить счет оборотов ротора 8 и при соответствующей тарировке вертушки определять скорость водного потока по графику тарировки.
Обеспечение коллиматора 38 защитной шторкой 41 обеспечивает защиту персонала от
облучения при производимых измерениях и при переноске и установке коллиматора 38 на
место крепления на штанге 32.
Важнейшим узлом вертушки является преобразователь оборотов винта в электрический сигнал. Одной из трудностей создания такого преобразователя является получение
надежного и достаточного по уровню сигнала при малых оборотах винта, т.е. при малых
скоростях течения потока. К такому роду преобразователей следует отнести преобразователь гамма-излучения в электрический сигнал, состоящий из источника излучения и регистрирующего это излучение гамма-счетчика и счетного одноканального прибора. Датчик 39
регистрации гамма-излучения состоит из счетчика гамма-излучения и защитного корпуса.
К датчикам регистрации гамма-излучения относятся приборы типа БДБ-2-03, в которых
для регистрации гамма-излучения устанавливаются газорязрядные счетчики СТС-5, СТС-6
и которые хорошо себя зарекомендовали при применении в ядерной технике.
В качестве счетного прибора может использоваться промышленный счетный одноканальный прибор типа ПСО2-4 eM2.801.022, который предназначен для: измерения статистически или равномерно распределенных импульсов в течение заданного интервала
времени; измерения времени набора заданного числа статистически или равномерно распределенных импульсов; измерения частоты следования периодических импульсов или
синусоидальных сигналов.
В качестве источников гамма-излучения возможно применение 60Co и 137Cs типов
ГИК-1-5, ГИК-2-7 и ГCS7.012.3, ГCS7.012.4, ГCS7.012.5 соответственно, которые подби12
BY 6776 C1
раются индивидуально в зависимости от расстояния от источника до мишени и датчика.
Назначенный срок службы источников гамма-излучения из 60Co - 10 лет и из 137Cs - 7 лет.
[Номенклатурный каталог. Образцовые источники. Москва: ЦНИИатоминформ, 1988].
По сравнению с прототипом предлагаемая вертушка имеет следующие достоинства.
1. Выполнение вертушки в виде трехлопастного ротора с полыми сквозными лопастями,
в передней своей части имеющего цилиндрический входной канал, исполненный в виде
трубки Вентури, и размещение в ней на горизонтальной оси турбинки с продольными направляющими изогнутыми пластинами, имеющими плавный переход в вертикальные пластины на входе в полые сквозные лопасти, и жесткое крепление турбики к ротору,
имеющему полые сквозные лопасти и их сообщение с внешней средой, обеспечивает вертушке возможность использовать всю энергию набегающего потока воды для вращения
ротора. А размещение в корпусе вертушки в полости с повышенным давлением масла
сложной по конфигурации оси ротора, вращающейся на шариковых подшипниках, обеспечивает малые затраты энергии вращения ротора на трение в ходовой части вертушки.
Таким образом, вышеописанное устройство вертушки имеет преимущество по уменьшению затрат энергии на преодоление трения движущихся деталей вертушки по сравнению с
устройством прототипа. То есть получена вертушка с минимальным моментом сил трения
в ходовой части.
2. Отказ от компенсирующего устройства, состоящего из асинхронного электродвигателя и магнитной муфты, которые дают дополнительный вращательный момент, которым
и корректируется момент силы трения на холостом ходу, и применение в качестве компенсирующего потери на трение устройства, состоящего из трехлопастной или шестилопастной турбинки, обеспечивает постоянную компенсацию потерь по всему диапазону
скоростей потока, что обеспечивает постоянство тарировочного графика в процессе эксплуатации вертушки, и делает ее пригодной для работы на относительно малых скоростях
течения водного потока.
3. Исключение из устройства червячной шестерни и контактной группы, предназначенных для сокращения количества сигналов, поступающих на счетный прибор, обеспечивает уменьшение потерь за счет трения этого механизма, а замена этого устройства на
устройство, состоящее из источника гамма-излучения и датчика регистрации гамма-излучения исключает потери на трение и производит качественную регистрацию импульсов
известными электронными пересчетными устройствами.
4. Размещение в цилиндрическом входном канале ротора вставки, образующей со
стенками входного канала трубку Вентури, обеспечивает малый перепад давления при
проходе воды по ее объему, а сужение в ее средней части обеспечивает хороший захват
водного потока продольными направляющими изогнутыми пластинками турбинки, причем за счет размещения в объеме цилиндрического входного канала разного внутреннего
диаметра вставок можно получить нужную производительность устройства, что, естественно, сказывается на точности измерения скорости водного потока при различных его
параметрах.
5. Изготовление ротора из сверхлегких материалов, таких как капролон, и изготовление из этого материала полых лопастей ротора уменьшает потери на трение за счет малого
веса ротора.
Источники информации:
1. Бурцев П.Н. Гидрометрическая вертушка с компенсацией трения // Труды Государственного гидрологического института (ГГИ). Вып. 64. - Л.: Гидрометеоиздат. 57.
2. Фридман Б.А., Орлов А.С., Морозенков B.C. Измерение структуры речного течения
// Водные ресурсы. - 1963. - №6. - С. 107-117.
3. Труды ГГИ выпуск 235. Гидрометеоиздат. 1978. H.Я. Соловьев. Гидрометрическая
вертушка ГР-59.
13
BY 6776 C1
4. А.с. SU 337717, G 01P 1/10, 05.05.1972 // Бюл. №15.
5. A.c. SU 808938, G 01P 5/08, 1981.28.02 // Бюл. № 8.
6. Труды ГГИ вып. 11(65).1948.Гидрометеоиздат / Е.И. Кудинов, и Н.Н. Сысоев. "Гидрометрическая вертушка "Малютка".
7. Политехнический словарь. - Москва, Советская энциклопедия, 1989. - С. 75.
8. Труды Государственного гидрологического института. Вып. 77. Л.: 1960. П.Н. Бурцев. Гидрологическая вертушка БН-57.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
253 Кб
Теги
by6776, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа