УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR CONVERSION OF FLUID ENERGY

Изобретение предназначено для преобразования энергии текущей среды в электрическую и относится к гидроэнергетике, например, рек, приливно-отливных и других течений, а также энергии перемещения воздушных масс в электрическую или механическую для вращения различных устройств.
Известно устройство для преобразования энергии текущей среды, выполненное в виде двигателя для утилизации энергии текущей среды, погруженного в последнюю поперек сечения потока и имеющего рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочими ветвями, охватывающими шкивы и снабженными лопастями, расположенными под углом по направлению потока текущей среды (SU 1810598).
Недостатками известного устройства является то, что занимаемое достаточную площадь устройство мешает возможному движению судов, имеет сложный механизм с множеством деталей, что снижает надежность работы, открытое движение верхних лопастей может тормозиться встречным ветром, снижая КПД, а также проблематичность эксплуатации в зимнее время.
Известен двигатель для утилизации энергии текущей среды, погруженный в последнюю вдоль течения потока и содержащий рабочий орган в виде бесконечной гибкой цепи, охватывающей шкивы, жестко связанные с валами, один из которых является валом отбора мощности, а также лопасти, расположенные перпендикулярно направлению потока и выполненные с возможностью складывания по типу книжки относительно оси, связанной с бесконечной гибкой цепью, и раскрытия под напором потока среды (US 5134305, F03D 5/02, опубл. 28.07.1992).
Недостатком данного решения является недостаточная позиционная устойчивость лопасти относительно цепи, охватывающей шкивы. При движении лопасти в пространстве между шкивами цепь изгибается и скручивается, в результате чего лопасть наклоняется и теряет свое положение относительно направления текущей среды.
Известно устройство для утилизации энергии текущей среды, погруженное в последнюю вдоль течения потока и содержащее рабочий орган в виде бесконечной гибкой цепи, охватывающей шкивы, жестко связанные с валами, один из которых является валом отбора мощности, а также лопасти, расположенные перпендикулярно направлению потока и выполненные с возможностью складывания по типу книжки относительно оси, связанной с бесконечной гибкой цепью, и раскрытия под напором потока среды, бесконечная гибкая цепь выполнена в виде гибких элементов, охватывающих шкивы на концах валов и скрепленных между собой передней штангой, с которой соединена ось лопастей и откосина, одним концом закрепленная перпендикулярно центру перекрестья оси лопастей, а другим, с возможностью свободного хода в продольном направлении, - с задней штангой, соединяющей гибкие элементы (RU №2206786, F03B 9/00, F03B 17/06, F03D 5/02, опубл. 2003.06.20).
Недостатком данной конструкции является ее громоздкость, обусловленная тем, что используются парные передний и задние шкивы и две бесконечные цепи, что приводит к необходимости решения сложной задачи позиционирования развитой пространственной конструкции устройства в турбулентном потоке текучей среды.
Техническим результатом заявленного устройства является упрощение конструкции, позволяющей наиболее полно извлекать энергию при минимальной сложности конструкции. Данное устройство выполнено без механизмов для принудительного управления положением лопастей, которые складываются и раскладываются произвольно в зависимости от направления падающего на них потока.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования энергии текущей среды, погруженном вдоль течения потока и содержащем рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей и холостой ветвями, охватывающей передний и задний шкивы или звездочки, связанные с валами отбора мощности и выполненные с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов цепи, при этом к бесконечной цепи гибких элементов прикреплены как минимум три лопастных элемента, состоящих из осей, на каждой из которых имеются лопасти с возможностью при рабочем ходе под напором текучей среды разворачиваться по типу книжки поперек потока, а на холостом ходу складываться, становясь ребрами к потоку, передний и задний шкивы или звездочки связаны между собой рамной конструкцией, по которой вдоль следования лопастей расположены направляющие элементы для лопастей, которые выполнены свободно поворачивающимися на разнесенных в стороны относительно шкивов или звездочек осях и имеют растяжки из тросов или шарнирно связанных тяг, связывающие лопасти между собой для ограничения их раскрытия на заданный угол, а для позиционирования в потоке рамная конструкция смонтирована на опорах, или связана тросами с ними, или снабжена понтонами.
Указанные признаки существенны и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков для получения требуемого технического результата.
Кроме того, в двигателе гибкий элемент бесконечной цепи может быть выполнен в виде тросов.
Настоящее изобретение иллюстрируется схемами.
На фиг.1 изображена общая схема устройства в аксонометрии;
на фиг.2 - то же, что на фиг.1, пример исполнения с понтонами;
на фиг.3 - вид спереди на устройство по фиг.2;
фиг.4 - вид снизу на устройство по фиг.2;
фиг.5 - крепление лопастной рамки.
Согласно настоящему изобретению устройство для утилизации энергии текущей среды погружается в последнюю вдоль течения потока. Это устройство (фиг.1) содержит рабочий орган в виде бесконечной гибкой цепи, состоящей из гибких элементов, образующих рабочую и холостую ветви, охватывающие передний и задний шкивы или звездочки, по крайней мере один из которых связан с одним валом отбора мощности (все шкивы могут быть связаны с валами отбора мощности). Шкивы выполнены с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов, образующих бесконечную цепь. Таким образом, конструкция представляет собой одноцепную или одноременную передачу с двумя разнесенными шкивами или звездочками. Такая конструкция не создает повышенного сопротивления потоку, что облегчает ее крепление либо к понтонам (поплавкам) (фиг.2), либо к опорам.
К гибким элементам цепи прикреплены как минимум три лопастных элемента, состоящих из осей, на каждой из которых имеются лопасти с возможностью при рабочем ходе под напором текучей среды разворачиваться по типу книжки поперек потока, а на холостом ходу складываться, становясь ребрами к потоку.
Передний и задний шкивы связаны между собой рамной конструкцией, по которой вдоль следования лопастей расположены направляющие элементы для лопастей. Лопасти выполнены свободно поворачивающимися на разнесенных в стороны относительно шкивов осях и имеют растяжки из тросов или шарнирно связанных тяг, связывающие лопасти между собой для ограничения их раскрытия на заданный угол.
Для позиционирования в потоке рамная конструкция смонтирована на опорах, или связана тросами с ними, или снабжена понтонами.
Ниже приводится пример конкретного исполнения изобретения.
Устройство, погруженное вдоль потока текучей среды, например водного потока, содержит рабочий орган 1 в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей нижней и холостой верхней ветвями, охватывающими передний 2 и задний 3 шкивы, с которых с одного или с каждого снимается полезная мощность (крутящий момент посредством связи с валом отбора мощности). На рабочем органе закреплены лопасти 4, крепящиеся на гибких элементах посредством лопастных рамок 5. Шкивы могут иметь элементы зацепления для ответных элементов зацепления на гибких элементах 4. Шкив может иметь ручеек под клиновидный ремень или быть выполнен в виде звездочки.
Лопастная рамка 5 выполнена Т-образной формы из жестко связанных между собой тяг, центральная из которых крепится на гибком элементе цепи, а концы двух других тяг несут вертикально направленные оси 6 (по одной для каждой лопасти). Крепление центральной тяги к гибкому элементу осуществляется двумя шарнирными звеньями, разнесенными по длине тяги: первое из которых - пятка 7, второе - поводок 8 (фиг.5). Поводок 8 нужен для возможности изменения расстояния крепления к цепи лопастной рамки 5 при ее прохождении по криволинейным участкам шкивов.
Лопасти 4, соединенные петлями с осями 6, при рабочем ходе произвольно под напором текучей среды разворачиваются на определенный угол поперек потока, удерживаемые растяжками 9, которые позволяют лопастям раскрыться по типу книжки, но при этом ограничивают по углу их раскрытие, а на холостом ходу так же произвольно складываются, причем растяжки имеют возможность убираться, что предохраняет их от попадания на цепь или шкив 2 за счет пружинного или резинового складывателя 10 (представляет собой пружину, подтягивающую растяжку к тягам или к лопастям).
Оси 6 лопастей разнесены в стороны по отношению к шкивам и цепи, что обеспечивает беспрепятственное прохождение между ними шкивов и цепи. Шкивы 2 и 3 располагаются на рамной конструкции (раме 11), которая может иметь направляющие элементы 12, компенсирующие боковые крутящие моменты. Также рама 11 может иметь поплавки или понтоны 13 при погружном или наплавном позиционировании в потоке текучей среды, которые связаны посредством тросов 14 с опорами или монтируются непосредственно на опорах.
Устройство работает следующим образом.
Находясь в погруженном состоянии вдоль течения потока, например, реки, на некоторой глубине, достаточной для беспрепятственного прохода судов, лопасти 4, раскрытые под напором потока среды, давят на лопастную рамку 5, передавая усилие через гибкие элементы цепи на охватываемые ими шкивы 2 и 3, которые вращают через вал отбора мощности электрогенератор или другое устройство, например помпу (не показано).
По мере продвижения лопастной рамы 5 на криволинейном участке гибких элементов 5 раскрытые лопасти 4 на осях 6 посредством свободного вращения вокруг осей плавно меняют заданный угол раскрытия (который определяется длиной растяжки и ее пружиной - складывателя) по отношению к направлению потока на угол 0° и становятся параллельно направлению потока, как это показано на фиг.1 для лопастей на верхней холостой ветви цепи. При этом лопасть, оказывая минимальное сопротивление в сложенном виде, возвращается на холостом ходу назад. По мере продвижения сложенной лопасти 4 на оси 6 по кривой вокруг шкивов 2 и 3 лопасти попадают в поток, который их раскрывает, и они, оказывая давление через лопастную раму на цепь, передают свое перемещение на цепь, которая приводит во вращение шкивы.
Диаметр шкивов, угол между лопастями при их раскрытом положении, количество лопастей на цепи, их ширина определяются возможностью дать наибольшую суммарную площадь лопастей под нагрузку и исключения их затенения, находя оптимальный вариант с учетом общей длины цепи и ее лобового сопротивления потоку. Оптимальный угол открытия лопастей определяется возможностью приблизить ее конфигурацию к криволинейной, чтобы получить наибольшее сопротивление потоку, в то же время добиваясь наибольшей проекции ее на рабочий поток. Если добиться, что сложенные, гладкостенные, свободно закрепленные лопасти, проходя встречную ветвь потока, дают сопротивление движению только трением, то оценочные расчеты показывают, что эта сила более чем в 40 раз меньше силы, получаемой от потока открытой лопастью на рабочей ветви.
Установка устройств в отдаленных местах расширит добычу и обработку сырья на месте. Если сузить русло реки или спрямить излучину деривационным каналом, то установленные здесь несколько таких устройств вдоль потока и суммированные на одном здании дадут электроэнергию промышленного значения.
Натурные испытания с вертикальной осью для лопастей показали, что привлечение в работу потока с обеих сторон изделия криволинейной жесткой лопастью и применение низкооборотного электрогенератора дают хороший коэффициент преобразования энергии потока, проходящего непосредственно через лопасти: ~0,65.