УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)
FLOW ACCELERATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области технических средств, применяемых в аэро- и гидродинамике для регулирования скорости потока текучих сред, и может быть использовано в энергетике, а также других областях техники.
Известно (RU, патент 2281883) воздушное тормозное устройство, содержащее сопла и технические средства для получения воздуха с заданными параметрами. Известное устройство также снабжено средством энерговозбуждения воздуха, в корпусе устройства размещен по вертикали ускоритель потока воздуха, поступающего снизу вверх, состоящий из не менее двух сужающихся сопел на одной оси, герметично соединенных между собой, каждое сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено коаксиально в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между соплами по крайней мере одной полости, в которой размещены впускные клапаны на ее стенке и средства энерговозбуждения воздуха, в полостях размещены датчики давления, в верхней части корпуса устройства воздушный поток, поступающий из ускорителя, разветвляется и направляется по воздуховодам к двум или более выходным вертикальным соплам, расположенным под углом 180° к вертикали, а также к одному или нескольким горизонтальным соплам, для управления потоками воздуха из ускорителя предусмотрены датчики скорости движения самого устройства в трех направлениях и датчики скорости потока на выходе из всех сопел, кроме этого имеются исполнительные механизмы привода створок в воздуховодах и блок управления работой устройства.
Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения.
Известен также (RU, патент 2059839) ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащий выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой - через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба. Указанный ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные каналы вторичного эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на n секторов (n>2), эжектор образован кольцевой профильной щелью между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения газов. Предпочтительно проточные каналы выполнены по винтовой линии и сообщены с поверхностями конуса, раструба и переходника. Выходное сечение раструба обычно бывает выполнено в виде сопла Лаваля.
Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения - только автомобильный транспорт.
Известно также (RU, патент 2138684) устройство для преобразования воздушных потоков в электрическую энергию, содержащее напорную трубу, соосно с центральным стволом шахты которой установлен ветровой электрический генератор с ветровым лопастным колесом, а в основании напорной трубы размещен накопитель энергии. Ветровое лопастное колесо электрического генератора снабжено присоединенной инерционной массой, которая размещена в периферийной части ветрового лопастного колеса.
Также недостатком известного устройства следует признать его низкую эффективность, обусловленную отсутствием возможности концентрации энергии поступающего воздушного потока.
Техническая задача, решаемая путем использования разработанного устройства, состоит в локальном увеличении скорости потока текучей среды.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в расширении возможности использования природных и техногенных потоков текучих сред с низкой кинетической энергией в различных областях техники.
1
2
1
2
1
2
Для достижения указанного технического результата предложено использовать ускоритель потока, содержащий, по меньшей мере, первый элемент, по меньшей мере, две поверхности которого предпочтительно расположены параллельно, причем каждая из указанных параллельных поверхностей представляет собой окружность или многоугольник, выполненный вокруг окружности, при этом диаметры окружностей не равны, при сечении окружностей плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую центры указанных окружностей, причем указанная прямая лежит в этой плоскости, точка O, соответствующая месту пересечения плоскостью окружности меньшего диаметра и принятая за точку отсчета - точку начала двухмерной системы координат, причем ось абсцисс OX направлена по плоскости параллельно прямой, соединяющей центры указанных окружностей в сторону окружности большего диаметра, ось ординат OY направлена перпендикулярно оси абсцисс ОХ по плоскости в сторону от прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точка M, соответствующая месту пересечения той же плоскостью окружности большего диаметра, расположены по одну сторону плоскости, относительно прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точки O и M связаны соотношением, согласно которому координаты точки M в этой плоскости расположены выше оси абсцисс OX и правее оси ординат OY в области, ограниченной с одной стороны дугой AB окружности радиуса R=0,6 D, причем D равно диаметру меньшей окружности, со второй стороны отрезком BC прямой, которая параллельна оси абсцисс OX и расположена выше нее на расстоянии 0,7 D, с третьей стороны ограниченной дугой СЕ окружности радиуса R=2,0 D и с четвертой стороны ограничена отрезком EA прямой, которая параллельна оси абсцисс OX и расположена выше нее на расстоянии 0,1 D, причем центры окружностей с радиусами R и R находятся на положительной полуоси оси ординат OY, на расстоянии, соответственно 0,6 D и 2,0 D от точки O начала координат. На Фиг.1 представлено сечение окружностей меньшего и большего диаметра плоскостью, проходящей через центры этих окружностей. Точки O и O' - точки сечения плоскостью окружности меньшего диаметра. Расстояние между точками О и О' равно диаметру меньшей окружности, равной D. Точка O - точка начала двухмерной системы координат. Точки M и M' - точки сечения плоскостью окружности большего диаметра. Расстояние между точками М и М' равно диаметру большей окружности. Пунктирной линией КК' обозначена прямая, соединяющая центры указанных окружностей. Дуга AB образована окружностью радиуса R, дуга CE образована окружностью радиуса R. Отрезки BC и EA образованы прямыми, находящимися на расстоянии 0,7 D и 0,1 D соответственно от оси абсцисс ОХ. Точка М расположена внутри многоугольника АВСЕ.
Указанный первый элемент в предпочтительном варианте реализации представляет собой усеченную пирамиду или усеченный конус, причем в наиболее предпочтительном варианте образующая усеченного конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую. Форма кривой (парабола, гипербола, ломаная линия и т.д.), как было экспериментально установлено, значительного влияния на указанный технический результат не оказывает, но наиболее предпочтительным вариантом реализации является дуга окружности OM, как показано на Фиг.1. В предпочтительном варианте реализации прямая, соединяющая центры окружностей большего и меньшего диаметра, вокруг которых описаны указанные выше элементы, является осью симметрии устройства и совпадает с направлением набегающего потока. Указанный технический результат достигается при использовании элементов любого вида.
Ускоритель потока может дополнительно содержать цилиндрический элемент или многогранник, описанный вокруг цилиндрического элемента, касающийся плоскости поверхности многогранника, представляющего собой окружность меньшего диаметра или многоугольник, выполненный вокруг окружности меньшего диаметра.
На Фиг.2 показан один из вариантов соединения путем примыкания цилиндрического элемента или многогранника, описанного вокруг цилиндрического элемента, с указанным элементом, выполненным, в предпочтительном варианте реализации, в форме усеченного конуса с образующей в форме дуги окружности OM при сечении их плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую оси симметрии конуса и цилиндрического элемента, лежащего в основе дополнительного многогранника, причем указанная прямая лежит в этой плоскости. Пунктирной линией ТТ' на Фиг.2 обозначена прямая, соединяющая ось симметрии усеченного конуса и ось симметрии цилиндрического элемента. OMM'O' - сечение плоскостью элемента в виде усеченного конуса. OVV'O' - сечение плоскостью цилиндрического элемента. Стрелками 1 на Фиг.2 показано одно из направлений набегающего потока, совпадающее с осью симметрии устройства в данном варианте соединения.
3
4
3
4
3
4
Указанный технический результат может быть получен и использованием ускорителя потока, содержащего, по меньшей мере, второй элемент, по меньшей мере, две поверхности которого предпочтительно расположены параллельно, каждая из указанных поверхностей представляет собой окружность или многоугольник, выполненный вокруг окружности, при этом диаметры окружностей не равны, но один из них равен диаметру меньшей окружности, при сечении окружностей плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую центры указанных окружностей, причем указанная прямая лежит в этой плоскости, точка O, соответствующая месту пересечения плоскостью окружности меньшего диаметра и принятая за точку отсчета - точку начала двухмерной системы координат, причем ось абсцисс OX направлена по плоскости параллельно прямой, соединяющей центры указанных окружностей в сторону окружности большего диаметра, ось ординат OY направлена перпендикулярно оси абсцисс ОХ по плоскости в сторону от прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точка N, соответствующая месту пересечения той же плоскостью окружности большего диаметра, расположены по одну сторону плоскости, относительно прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и связаны соотношением, согласно которому координаты точки N' в этой плоскости расположены выше оси абсцисс ОХ и правее оси ординат OY в области, ограниченной с одной стороны дугой FG окружности радиуса R=0,5 D, причем D равно диаметру меньшей окружности, со второй стороны отрезком GH прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,4 D, с третьей стороны ограниченной дугой HJ окружности радиуса R=1,6 D и с четвертой стороны ограничена отрезком JF прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,05 D, причем центры окружностей с радиусами R и R находятся на положительной полуоси оси ординат OY, на расстоянии, соответственно, 0,5 D и 1,6 D от точки О начала координат. На Фиг.3 представлено сечение окружностей меньшего и большего диаметра плоскостью, проходящей через центры этих окружностей. Точки O и O' - точки сечения плоскостью окружности меньшего диаметра. Расстояние между точками O и О' равно диаметру меньшей окружности, равной D. Точка О - точка начала двухмерной системы координат. Точки N и N' - точки сечения плоскостью окружности большего диаметра. Расстояние между точками N и N' равно диаметру большей окружности. Пунктирной линией РР' обозначена прямая, соединяющая центры указанных окружностей. Дуга FG образована окружностью радиуса R, дуга HJ образована окружностью радиуса R. Отрезки GH и JF образованы прямыми, находящимися на расстоянии 0,4 D и 0,05 D соответственно от оси абсцисс OX. Точка N расположена внутри многоугольника FGHJ.
Указанный элемент в предпочтительном варианте реализации также представляет собой усеченную пирамиду или усеченный конус, причем в наиболее предпочтительном варианте образующая усеченного конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую. Форма кривой (парабола, гипербола, ломаная линия и т.д.), как было экспериментально установлено, значительного влияния на указанный технический результат не оказывает, но наиболее предпочтительным вариантом реализации является дуга окружности ON, как показано на Фиг.3. В предпочтительном варианте реализации прямая, соединяющая центры окружностей большего и меньшего диаметра, является осью симметрии устройства и совпадает с направлением набегающего потока. Указанный технический результат достигается при использовании элементов любого вида.
На Фиг.4 показан один из вариантов соединения первого и второго элементов в предпочтительном варианте реализации в виде усеченных конусов с образующей в виде дуги окружности при сечении их плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую оси симметрии этих конусов, причем указанная прямая лежит в этой плоскости. OMM'O' - сечение плоскостью первого усеченного конуса. ONN'O' - сечение плоскостью второго усеченного конуса. Пунктирной линией TT' на Фиг.4 обозначена прямая, соединяющая оси симметрии усеченных конусов, являющаяся осью симметрии устройства и совпадающая с направлением потока в данном варианте соединения.
На Фиг.5 показан один из вариантов соединения первого элемента в предпочтительном варианте реализации в виде усеченного конуса с образующей в виде дуги окружности, цилиндрического элемента, примыкающего к первому элементу, и второго элемента в предпочтительном варианте реализации в виде усеченного конуса с образующей в виде дуги окружности, примыкающего к цилиндрическому элементу при сечении их плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую оси симметрии усеченных конусов и цилиндрического элемента, причем указанная прямая лежит в этой плоскости. OMM'O' - сечение плоскостью первого усеченного конуса. OVV'O' - сечение плоскостью цилиндрического элемента. VNN'V' - сечение плоскостью второго усеченного конуса. Пунктирной линией TT' на Фиг.5 обозначена прямая, соединяющая оси симметрии усеченных конусов и цилиндрического элемента, являющаяся осью симметрии устройства и совпадающая с направлением потока в данном варианте соединения.
Любой из указанных элементов может содержать дополнительный элемент, расположенный между первым или вторым элементом, и осью его симметрии. Указанный дополнительный элемент в предпочтительном варианте реализации представляет собой усеченную пирамиду, а в наиболее предпочтительном варианте - усеченный конус, образующая которого может иметь формулу параболы, гиперболы, дуги окружности или ломаной линии.
На Фиг.6 показан один из вариантов соединения первого элемента в предпочтительном варианте реализации в виде усеченного конуса с образующей в виде дуги окружности. OMM'O' - сечение плоскостью первого усеченного конуса. OUU'O' - сечение плоскостью вложенного усеченного конуса. Причем 0,3 D<L<3,0 D. Больший диаметр вложенного усеченного конуса меньше большего диаметра внешнего конуса.
На Фиг.7 приведена конструкция первого и второго состыкованных элементов, в один из которых вложен дополнительный элемент.
Разработанная конструкция ускорителя потока может иметь различные применения.
В первом случае, при применении устройства в энергетике, возможно его использование при строительстве ветро-гидроэлектростанций.
Ветроэнергетические установки имеют широкое применение в районах с высокой среднегодовой скоростью ветра. Как правило, все производители ветровых турбин рассчитывают на номинальную скорость ветра выше 10-11 м/с. Поэтому создание класса ветроустановок с номинальной скоростью ветра 5-6 м/с открывает возможности для использования ветроустановок в большинстве районов мира. С другой стороны, ускорение потока в плоскости ветроколеса способно снизить размеры ветроустановок при сохранении мощности либо существенно - более чем в 9-12 раз увеличить мощность имеющихся установок.
Устройство применимо при использовании в ветро- и гидроэнергетических установках с осью вращения ветро- или гидроколеса, параллельной оси набегающего потока (горизонтально осевые установки). В этом случае разработанное устройство позволяет увеличить скорость набегающего на него потока в 2,28 раза. Ветро- и/или гидроколесо располагается перпендикулярно (или под небольшим углом) к потоку и за счет вращения лопастей ветро- и/или гидроколеса через электрическую машину (например, генератор электрического тока) преобразует кинетическую энергию потока в месте расположения ветроколеса в электрическую энергию.
У ветро- и/или гидроэнергетических установок с горизонтальной, но перпендикулярной набегающему потоку, осью ветро- и/или гидроколеса располагают таким образом, чтобы вращение колеса происходило в зоне наибольшей скорости.
Устройство также применимо для вертикально осевых турбин и способно одновременно преодолеть 2 основные проблемы существующих вертикально осевых турбин: высокая скорость потока, необходимого для страгивания (начала работы) и преодоление лопастями сопротивления прошедшего через ветро- и/или гидроколесо потока. Применяя разработанное устройство вокруг вертикально осевой турбины, можно в области турбины, которая «встречает» набегающий поток со скоростью в 5 м/с, создавать повышенную скорость (например, 11 м/с). Когда поток пройдет эту область, «выйдет» из устройства, сравняется по скорости с окружающим потоком и снова «войдет» в устройство, но уже с противоположной стороны турбины, в этой области турбины скорость потока будет ниже - почти равна набегающему потоку, а при определенных параметрах и ниже скорости набегающего потока. При этом лопасти, которые находятся в этой области турбины, будут преодолевать значительно меньшее сопротивление проходящего через них с уменьшенной скоростью потока, чем если бы через них проходил поток с той же скоростью, что проходит через лопасти, которые «встречают» набегающий поток. Из-за комбинированного действия - уменьшение потребной скорости набегающего потока, необходимого для страгивания ветро- и/или гидроколеса, а также увеличение скорости потока на «встречающих» поток лопастях и уменьшение скорости потока, прошедшего через колесо, возможно существенное увеличение эффективности использования вертикально осевых турбин.
Кроме применения в энергетике (при создании ветровых и гидротурбин для ускорения движущегося потока и, таким образом, либо увеличения мощности равновеликих турбин, либо эффективной работе равновеликих турбин при более низких скоростях набегающего потока), оно может быть также использовано в различных областях техники, где необходимо увеличивать либо локальную скорость потока, либо количество забираемой через определенный диаметр текучей среды (воздуха, жидкости и т.д.).
Использование разработанного устройства в ряде случаев позволяет собирать поток с площади, большей, чем занимает само устройство. Это значит, что при нахождении устройства в неподвижном потоке и создании искусственной разницы давлений перед устройством и внутри него внутрь устройства попадет значительно больше окружающей среды, чем попало бы в обычную трубу.
Изобретение может быть иллюстрировано следующим примером реализации.
Обычная ветровая турбина с диаметром ротора 20 метров с установленной мощностью 50 кВт может вырабатывать 7-8 кВт электроэнергии при скорости ветра в 5 м/с и/или 45-50 кВт при скорости ветра в 10 м/с. Применение разработанного устройства при строительстве ветровой турбины с таким же размером ротора позволит получать 75-80 кВт при скорости ветра 5 м/с и/или свыше 500 кВт при скорости ветра в 10 м/с при соответствующей модернизации генератора электрического тока.
При реализации разработанного ускорителя потока для набегающего потока воздуха со скоростью 5 м/с при интенсивности турбулентности до 20% и характерном размере энергонесущего вихря до 1 м в устройстве получена средняя скорость потока 10,9-11,4 м/с.