ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ)
CONVERTER OF FLUID MEDIUM ENERGY (VERSIONS)

Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно ветровой и гидроэнергии, и преобразования их в другие виды, преимущественно в электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка (RU №2125182 С1, 20.01.1999, F03D 5/04) с использованием основного рабочего элемента в виде паруса, установленного на платформе. Платформы соединены, в свою очередь, в состав, начало и конец которого соединены вместе, то есть образуют кольцо. Состав устанавливается на соответствующий размерам платформ круговой путь. Парус имеет наибольший коэффициент использования ветровой энергии. Мощность, развиваемая установкой, отбирается от вала колес платформы.
Недостаток указанной ветроэнергетической установки заключается в механической (ручной) первоначальной установке ориентации паруса в зависимости от направления ветра и ручной корректировки его положения при изменении направления ветра. Кроме того, ориентация паруса меняется синхронно на всем протяжении времени прохода платформы по кольцевому пути. За это время парус делает полуоборот (180°) вокруг своей оси (стойки). Такое изменение ориентации лопасти (паруса) на подавляющем отрезке прохождения платформы по кольцевому пути не обеспечивает эффективного отбора энергии ветра.
Известен также ветродвигатель (RU №2224135 С1, 20.02.2004, F03D 5/00), который по своим конструктивным признакам может быть указан в качестве прототипа предлагаемого преобразователя энергии.
Прототип содержит круговую дорогу, платформу, стойку, лопасть, флюгер, узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти.
Платформы вращаются вокруг вертикального центрального вала, от которого движение передается электрогенератору или водяному насосу.
К недостаткам прототипа относится сложность конструкции узла изменения ориентации и фиксации лопасти, что затрудняет его применение. Кроме того, конструкция прототипа не позволяет использовать ее в гидродвигателях.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции преобразователя и расширение области его применения в гидроэнергетических установках.
Поставленная задача по первому варианту достигается в преобразователе энергии текучей среды, содержащем каркас и кинематически связанные между собой первую и вторую, третью и четвертую лопасти, первую и вторую обгонные муфты, установленные на центральном валу, электрогенератор, магниты, установленные на лопастях, согласно изобретению он снабжен конической парой шестерен, взаимодействующих с мультипликатором и электрогенератором, первой, второй, третьей и четвертой центральными звездами, взаимодействующими друг с другом первыми и вторыми узлами раскрытия и закрытия лопасти, а также третьей и четвертой обгонными муфтами, обоймы которых связаны с соответствующими центральными звездами, а ступицы неподвижно установлены на центральном валу, первой, второй, третьей и четвертой цепями, при этом первая - четвертая лопасти установлены на каркасе с возможностью совершения возвратно-поступательного движения по направлению течения среды и взаимодействия через первую - четвертую цепи с соответствующими центральными звездами, работа второй пары лопастей сдвинута относительно работы первой пары на четверть периода (90°), причем каждая лопасть содержит вертикальную стойку и две складывающиеся половины, на верхнем торце каждой половины лопасти установлены пара подшипников, взаимодействующих с узлами раскрытия и закрытия лопасти, причем магнит установлен на каждой половине лопасти, а стойка лопасти связана неподвижно с цепью, при этом в конце рабочего хода каждая половина лопасти через подшипники выполнена взаимодействующей с соответствующими узлами закрытия лопасти, а в конце пассивного хода сложенные половины лопасти выполнены взаимодействующими с соответствующими узлами раскрытия лопасти.
Преобразователь снабжен узлами регулировки угла раскрытия лопасти, взаимодействующими со складывающимися половинами лопастей и установленными на верхнем и нижнем концах стойки, при этом верхний конец стойки с помощью перемычки шарнирно связан с двумя роликами, свободно катающимися по грани уголка верхней рамы каркаса, а нижний конец стойки шарнирно связан с третьим роликом, катающимся по грани уголка нижней рамы каркаса.
Каждый узел регулировки угла раскрытия лопасти содержит соосные и шарнирно установленные на стойке лопасти внешнюю и внутреннюю втулки с наклонными противоположно направленными прорезами, неподвижно связанные соответственно с правой и левой половинами лопасти, а также скобу, один наконечник которой выполнен взаимодействующим с наклонными прорезами втулок, а другой конец связан с кольцом, установленным на стойке лопасти с возможностью свободного продольного перемещения и через пружину взаимодействующим с ограничительным кольцом, установленным неподвижно на стойке лопасти.
Преобразователь содержит дополнительно первую и вторую герметичные камеры, неподвижно связанные с торцевыми сторонами каркаса.
Узел раскрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом через первую пружину внутреннюю и внешнюю втулки, клин и ограничительные пластины, причем внешняя втулка неподвижно связана с клином и ограничительными пластинами и имеет возможность только продольного смещения относительно внутренней втулки, неподвижно связанной с вертикальной стойкой.
Узел закрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом две пары подшипников, пару магнитов, пару подпружиненных упоров, шарнирно установленных на двух кронштейнах, неподвижно связанных с каркасом.
Поставленная задача по второму варианту достигается в преобразователе энергии текучей среды, содержащем кинематически связанные между собой первую и вторую, третью и четвертую лопасти, первую и вторую обгонные муфты, установленные на центральном валу, электрогенератор, магниты, установленные на лопастях, согласно изобретению он снабжен конической парой шестерен, взаимодействующих с мультипликатором и электрогенератором, первой, второй, третьей и четвертой центральными звездами, взаимодействующими друг с другом первыми и вторыми узлами раскрытия и закрытия лопасти, двумя параллельными смежными трубами, в середине которых установлена герметичная камера, внутри каждой трубы установлены по две лопасти, состоящие из двух половин, две вертикальные стойки лопастей, на которых шарнирно установлены соответствующие звезды, на стенках разветвленных участков труб с помощью кронштейнов шарнирно установлены дополнительно четыре звезды, а в герметичной камере установлена вертикально центральная стойка с возможностью свободного вращения, на которой, в свою очередь, неподвижно установлены ступицы первой, второй, третьей и четвертой центральных звезд, каждая из которых с помощью первой - четвертой цепи связаны отдельно с первой, второй, третьей и четвертой лопастями соответственно, при этом каждая половина лопасти выполнена полукруглой формы с парой подшипников, шарнирно установленных на верхнем и нижнем концах каждой стойки лопасти, связанных горизонтальными перемычками, магниты установлены в горизонтальном сечении половин лопастей, а параллельно цепям, неподвижно связанным со стойками лопастей, натянуты первый и второй тросы, свободно пропущенные через стойки лопастей.
На фиг.1 представлен вид сверху на первый вариант преобразователя энергии текучей среды, где:
1 - каркас;
2 - стойки вертикальные;
3 - первая и вторая герметичные камеры;
4 - тросы;
5 - рама верхняя;
6 - звезды;
7 - кронштейны;
8 - верхняя платформа;
9 - узел раскрытия лопасти;
10 - узел закрытия лопасти;
11 - подшипники;
12 - магниты;
13 - первая звезда;
14, 15, 16, 17 - первая, вторая, третья и четвертая складывающиеся лопасти;
18, 19 - первая и вторая цепи.
На фиг.2 представлен разрез А-А преобразователя энергии по фиг.1, где позиции 1-19 те же, что на фиг.2;
20 - звезды центральные;
21 - муфты обгонные;
22 - подшипники;
23 - узел регулировки угла раскрытия лопасти;
24 - ведущая коническая шестерня;
25 - ведомая коническая шестерня;
26 - рама нижняя;
27 - нижняя платформа;
28 - верхние и нижние цепи;
29 - вал центральный;
30 - перемычки;
31 - ролики.
На фиг.3 представлен разрез В-В по фиг.1, где:
32 - верхняя платформа;
33 - горизонтальный общий выходной вал;
34, 35, 36, 37 - первая, вторая, третья и четвертая обгонные муфты со звездами 38;
39, 40, 41,42 - первая, вторая, третья и четвертая цепи;
43, 44 - нижний и верхний подшипники;
45, 46 - ведущая и ведомая конические шестерни;
47 - пятая обгонная муфта;
48 - маховик;
49 - кронштейны.
На фиг.4 представлен разрез Д-Д по фиг.3, где позиции 6-42 те же, что на фиг.3.
На фиг.5 представлена конструкция складывающейся лопасти 15, где:
50 - упорное кольцо;
51, 52 - первое, второе установочные кольца;
53 - правая, складывающееся половина лопасти;
54 - стеклопластика;
55, 56 - внешняя и внутренняя втулки с наклонными прорезами;
57 - перемычки вторые;
58 - подвижное кольцо;
59 - скоба;
60 - кольцо ограничительное;
61 - стопорный болт;
62 - первая пружина;
63 - кронштейны;
64 - ролики;
65 - ось вращения;
66 - угольник рамы;
67 - цепь;
68 - стойка лопасти;
69 - кольцо направляющее;
70 - стержень;
71 - шарнирное соединение.
На фиг.6 представлен узел регулировки угла раскрытия лопасти 23, где: позиции 50-71 те же, что на фиг.5;
72 - левая половина лопасти;
73, 74 - прорезы во внешней 55 и внутренней 56 втулках.
На фиг.7 представлена конструкция узла раскрытия лопасти 9, где: позиция 2, 14 те же, что на фиг.1;
75 - хомут;
76 - внутренний стакан;
77 - внешний стакан;
78 - паз;
79 - клин;
80 - пружина;
81 - ограничительные пластины;
82 - болт.
На фиг.8 представлена конструкция узла закрытия лопасти 10, где:
83 - планка, установочная с хомутом;
84 - упоры;
85 - вторые пружины;
86 - кронштейны;
87, 88 - первая и вторая пара подшипников.
На фиг.9 представлен разрез Д-Д по фиг.10, где:
89 - магистральный газопровод (нефтепровод);
90 - левое и правое разветвления;
91 - стойка лопасти;
92 - складывающиеся лопасти;
93 - подшипники;
94 - узлы раскрытия лопасти;
95 - цепь;
96 - звезды;
97 - кронштейны;
98 - стойки;
99 - вторые кронштейны;
100 - звезды центральные;
101 - узлы закрытия лопасти;
102 - герметичная камера.
На фиг.10 представлен разрез С-С по фиг.9, где:
103, 104 - верхняя и нижняя крышки;
105, 106 - левая и правая стойки лопастей;
107, 108 - левая и правая складывающиеся лопасти;
109 - звезды;
110, 111, 112, 113 - первая, вторая, третья и четвертая центральные звезды;
114 - цепь;
115, 116, 117, 118 - первая, вторая, третья и четвертая обгонные муфты;
119 - подшипники;
120, 121 - ведущая и ведомая конические шестерни;
122 - мультипликатор;
123 - электрогенератор;
124 - подшипники;
125 - кронштейны;
126 - центральный вал.
На фиг.11 представлен вид складывающейся круглой лопасти, где:
127 - левая и правая половины лопасти;
128, 129 - верхний и нижний подшипники;
130 - кронштейны;
131 - упорное кольцо;
132 - установочные кольца;
133 - упоры узла закрытия лопасти;
134 - цепь;
135 - трос направляющий;
136 - подшипники;
137 - кронштейны.
Принцип работы преобразователя энергии текучей среды, конструкция которой представлена на фиг.1 - фиг.8, заключается в следующем.
Преобразователь энергии предназначен преимущественно для преобразования энергии текучей реки в электрическую или механическую энергию. Конструкция преобразователя состоит из жесткого каркаса, формы прямоугольного параллелепипеда. Верхняя 5 и нижняя 26 прямоугольные рамы сварены из металлического уголка. У удлиненных боковых сторон рам прямоугольные грани уголков 69 направлены вверх и вниз. Рамы соединены друг с другом с помощью шести вертикальных стоек 2 и образуют жесткий каркас 1.
Для обеспечения положительной плавучести преобразователя энергии при его погружении в воду к торцевым уголкам верхней рамы неподвижно крепятся первая и вторая герметичные камеры (понтоны) 3. Объем герметичных камер подбирается таким, чтобы верхняя платформа 19 и установленные на ней механизмы (позиции 5-25) оказались в надводном положении.
С помощью двух тросов 4 преобразователь энергии крепится к штырям, забитым в землю с двух сторон реки. К вертикальным стойкам 2 с помощью кронштейнов 7 шарнирно крепятся звезды 6. Звезды установлены на четырех уровнях. Через звезды накинуты и натянуты четыре цепи 28. Они образуют четыре прямоугольных контура. Два из них находятся вверху, два внизу. В каждом контуре цепь дополнительно обхватывает центральные звезды 20, установленные на соответствующих обгонных муфтах 21, ступицы которых неподвижно закреплены на центральном валу шестерен 29.
Первый вариант преобразователя энергии содержит четыре лопасти, которые состоят из двух складывающихся прямоугольных половин. Обе половины лопасти шарнирно устанавливаются на вертикальной стойке лопасти 68 с возможностью поворота в пределах от 0 до 90°. На стойке 68 сверху и снизу лопасти устанавливаются узлы регулировки угла раскрытия лопасти 23. Над обеими половинами лопасти шарнирно устанавливаются подшипники 11. В конце рабочего хода лопасти указанные подшипники взаимодействуют с упорами узла закрытия лопасти 10, которые прижимают две половины лопасти друг к другу. Магниты 12, установленные в наконечниках двух половин лопасти, сохраняют такое сложенное положение лопасти до конца пассивного (обратного) хода лопасти против течения реки. В конце пассивного участка подшипники 11 наталкиваются на острие клина узла раскрытия лопасти 9, который, преодолевая силы притяжения магнитов, отделяет левую и правую половины лопасти друг от друга. Дальнейшему раскрытию лопасти помогает сжатая первая пружина 62 узла регулировки угла раскрытия лопасти и надвигающийся поток воды. Однако ограничительные пластины 81 узла раскрытия лопасти 9 препятствуют полному раскрытию лопасти до момента полного закрытия второй лопасти, находящейся в рабочем положении.
В то время, когда вторая (правая) 15 лопасть находится в пассивном (сложенном) положении, первая (левая) 14 лопасть находится в рабочем (раскрытом) положении.
Переключение лопастей из рабочего активного положения в пассивное, и наоборот, происходит почти одновременно.
Для обеспечения синхронной работы генератора, когда лопасти преобразователя энергии находятся в «метровой точке», может быть использован маховик 48, установленный на общем выходном валу 33.
В данной конструкции для этой же цели, а также для увеличения мощности используется вторая пара лопастей, движение которых сдвинуто относительно движения первой пары на 90° (см. фиг.2 и фиг.3). В каждый момент времени хотя бы одна лопасть находится в раскрытом, т.е. в рабочем положении. В рабочем положении находятся две лопасти, по одной с правой и левой сторон каркаса. Моменты, создаваемые давлением воды на рабочие лопасти, суммируются на общем выходном валу 33. При этом возрастает синхронность вращения выходного вала. Для повышения выходной мощности возможно параллельное включение большого количества подобных преобразователей энергии. Для этой цели на вертикальном валу 29 устанавливается ведущая коническая шестерня 45, которая передает вращение на ведомую шестерню 46, установленную на общем валу 33, проходящую через центры параллельно или последовательно установленных преобразователей энергии.
На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1. По уголку верхней рамы 5 катятся ролики 31, соединенные друг с другом перемычкой 30. Перемычка неподвижно связана с верхним концом стойки лопасти 68. На нижнем конце стойки лопасти также неподвижно установлен третий ролик, который катится по уголку нижней рамы 26. На стойке шарнирно установлена лопасть, состоящая из двух половинок. Обе половины лопасти взаимодействуют с верхним и нижним узлами регулировки угла раскрытия лопасти 23. Данные узлы регулируют угол раскрытия двух половинок лопасти в пределах от 0 до ±180° в зависимости от скорости течения реки.
Преобразователь энергии состоит из двух частей, симметричных относительно центрального вала 29. Каждая часть содержит по две лопасти и восемь звезд 6, установленных в два яруса. Звезды шарнирно установлены по углам прямоугольника и с помощью соответствующих кронштейнов связаны с вертикальными стойками 2 каркаса 1. Через звезды верхних и нижних ярусов перекинуты цепи 39-42, взаимодействующие с двумя верхними и двумя нижними центральными звездами 38, соответственно. Центральные звезды неподвижно установлены на обоймах соответствующих обгонных муфт 34-37, ступицы которых неподвижно установлены на центральном валу 29. Обгонные муфты установлены на валу так, что при вхождении в сцепление первой и третьей обгонных муфт вторая и третья обгонные муфты выходят из сцепления и наоборот. Независимо от этого переключения центральный вал 29 вращается постоянно в одном и том же направлении.
Таким образом, независимо от направления перемещения лопастей 8 и вращения центральных звезд 38 моменты вращения четырех центральных звезд попарно складываются и передаются на общий выходной вал 33. Цепная передача исключает проскальзывание и обладает высоким КПД.
Для установки центрального вала 29 мультипликатора и генератора используются верхняя 32 и нижняя 27 платформы. Эти платформы неподвижно крепятся к середине верхней и нижней рам. На центральном валу 29 неподвижно установлена ведущая коническая шестерня 45. Ведомая коническая шестерня 46 неподвижно установлена на обойме пятой обгонной муфты 47, ступица которой также неподвижно установлена на общем выходном валу 33. Вал может быть подключен к мультипликатору. От мультипликатора вращение передается на электрогенератор или на водяной насос (на фиг.2 не указаны).
Герметичные камеры (понтоны) 3 имеют обтекаемую форму и крепятся к середине торцевых сторон каркаса 1. Они обеспечивают необходимую положительную плавучесть преобразователя энергии в потоке воды. Кроме того, своими корпусами герметичные камеры делят поток воды на две части и направляют их на рабочие лопасти.
На фиг.4 представлена кинематическая цепная связь между звездами 6 и центральными звездами 38, установленными на обгонных муфтах 36-37.
На фиг.5 представлена конструкция складывающейся лопасти 14-17 совместно с двумя узлами регулировки угла раскрытия лопасти 23. Верхние ролики 64 с помощью кронштейнов 63 связаны с перемычкой 30. Центр перемычки неподвижно соединен со стойкой лопасти 68. Фактически лопасть подвешена к боковому уголку верхней рамы 1. Нижний конец стойки 68 с помощью кронштейна 63 связан с третьим нижним роликом 64. Ролик с кронштейном охватывают угольник нижней рамы 26. Такая установка лопастей обеспечивает их свободное возвратно-поступательное движение вдоль боковых ребер рам 5, 26.
На стойке 68 неподвижно устанавливаются два упорных кольца 50. Над упорными кольцами на стойке лопасти установлены первая 51 и вторая 52 установочные кольца с возможностью свободного поворота. С первым кольцом 51 с помощью второй перемычки 57 неподвижно соединена одна половина лопасти (например, левая 72). Со вторым кольцом 52 также с помощью перемычки неподвижно соединена другая (правая) половина лопасти 53.
При изменении скорости течения реки для регулировки эффективной площади лопасти используются узлы регулировки угла раскрытия лопасти 23, включающие в себя позиции 55-70.
Для удержания лопасти в закрытом положении используются два магнита 12. Магниты закрепляются на переднем краю двух половин лопасти с внутренних сторон. Контур каждой половины лопасти может быть изготовлен из трубы прямоугольного или круглого сечения, обтянут стеклотканью и покрыт стеклопластиком 54. При небольших размерах лопастей может быть использован только один узел 23, установленный над лопастью.
Узел регулировки угла раскрытия лопасти 23 состоит из внешней 55 и внутренней 56 втулок с наклонными прорезами. Эти втулки надеты на стойку лопасти 68 с возможностью свободного поворота. При этом внешняя втулка второй перемычкой 57 неподвижно соединена с правой половиной лопасти 53, а внутренняя втулка также с помощью перемычки неподвижно соединена с левой половиной лопасти 72 (см. фиг.6). Наклонные прорезы 73, 74 во втулках 55, 56 направлены в разные стороны - «крестообразно». Прорезы занимают по окружности втулок 90° с добавлением толщины наконечника скобы 59. Нижний наконечник скобы входит в прорезы обоих втулок 73, 74. Верхний наконечник скобы неподвижно соединен с подвижным кольцом 58. Над подвижным кольцом установлена первая цилиндрическая пружина 62. Один конец первой пружины упирается в ограничительное кольцо 60 со стопорным болтом 61. Второй конец данной пружины 62 упирается в торец подвижного кольца 58.
При закрытии лопасти в конце рабочего хода подшипники 11, установленные на верхнем торце каждой половины лопасти, наталкиваются на упоры узла закрытия лопасти 10. Угол между двумя половинами лопастей уменьшается от 180° до 0°. При этом наклонные прорезы 73, 74 во втулках 55, 56 выталкивают наконечник скобы 59 вниз. Пружина 62 способствует дальнейшему уменьшению угла между двумя половинами лопастей. Зажатое между ограничительным 60 и подвижным 58 кольцами пружина передвигает кольцо 58 и связанную с ним скобу 59 вниз. Наконечник скобы взаимодействует с наклонными прорезами и разворачивает втулки 55, 56, а так же связанные с ними правую и левую половину лопасти на встречу друг другу. Нижнее положение скобы 59 соответствует полному закрытию лопасти. Магниты 12 удерживают закрытое положение на всем участке пассивного хода лопасти.
Раскрытие лопасти осуществляется с помощью клина узла раскрытия лопасти 9, преодолевая магнитные силы притяжения между двумя магнитами 12, установленными на двух половинах лопасти. Угол между двумя половинами лопасти увеличивается. Этому процессу способствует встречный поток воды. При раскрытии двух половин лопасти связанные с ними втулки 55 и 56 разворачиваются во взаимно противоположных направлениях. Взаимодействие прорезов 73 и 74 с наконечником скобы 59 приводит к тому, что пружина 62 сжимается. Это приводит к предотвращению удара при раскрытии лопасти. Угол раскрытия лопасти возможно регулировать, передвигая ограничительное кольцо со стопорным болтом по стойке лопасти, а также подбирая жесткость пружины 62. Необходимость в изменении в эффективной площади лопастей возникает, когда меняется скорость течения реки. Изменение угла раскрытия двух половин лопасти позволит регулировать скорость вращения выходного вала, а следовательно, и электрогенератора в широком диапазоне изменения скорости течения среды (воды).
Установка двух узлов регулировки угла раскрытия лопасти 23 на двух концах стойки 68 позволяет повысить надежность работы преобразователя энергии при больших размерах лопастей.
Принцип работы узла раскрытия лопасти, конструкция которой представлена на фиг.7, заключается в следующем.
Узел крепится к стойке 2 каркаса с помощью хомута 75. Хомут неподвижно связан с внутренним стаканом 76. Внешний стакан 77 установлен на внутреннем стакане с возможностью свободного продольного смещения. Для этой цели во внешнем стакане предусмотрен продольный паз 78. Болт 82 свободно проходит по пазу и закручен в резьбовое отверстие во внутреннем стакане.
При этом к торцу внешнего стакана приварен плоский клин 79, ориентированный в горизонтальной плоскости. Пружина 80 работает на разжатие и отжимает стаканы друг от друга. Кроме того, в плоскости клина с двух сторон к боковым поверхностям внешнего стакана приварены ограничительные пластины 81.
При подходе закрытой лопасти в крайнее верхнее положение (см. фиг.2) его передние подшипники 11 наталкиваются на острие клина 79 узла раскрытия лопасти 9.
Вторая лопасть 16 в этот момент времени находится в полураскрытом положении.
Первые подшипники 11 взаимодействуют с упорами 84 узла закрытия лопасти 10. Однако эффективная площадь первой лопасти 14 больше, чем второй, и толкает вторую лопасть на острие клина 79. Преодолевая силы притяжения магнитов 12, клин раскрывает вторую лопасть 15. Боковые ограничительные пластины 81 придерживают вторую лопасть в полураскрытом положении пока, первая лопасть полностью не закроется и магниты 12 не зафиксируют это положение. В этот момент времени вторая лопасть сжимает пружину 80, сохраняет зазор между двумя половинами лопасти с помощью ограничительных пластин 81.
После закрытия первой лопасти 14 встречный поток воды, а также сжатая пружина 80 толкает вторую лопасть 15 в обратном направлении. Как только подшипники 11 второй лопасти 15 выйдут из зазора между пластинами 81 лопасть полностью раскроется.
После этого начинается обратное движение, и цепь тянет за собою закрытую первую лопасть 14.
После того как первая лопасть доходит до первого узла раскрытия лопасти 9, аналогичный процесс повторяется.
Таким образом, автоматически происходят процессы вывода лопастей из крайних «мертвых» точек.
Принцип работы узла закрытия лопасти 10, конструкция которой представлена на фиг.8, заключается в следующем.
Узел закрытия лопасти крепится к стойке 2 каркаса 1 с помощью горизонтальной установленной планки с хомутом 83.
В зависимости от размеров лопасти, которые определяются мощностью преобразователя, узлы могут быть установлены только сверху или одновременно с двух сторон - сверху и снизу.
Узел закрытия лопасти 10 включает в себя два упора S-образного профиля, шарнирно установленных на концах кронштейнов 86. Другие концы кронштейнов неподвижно связаны с установочной планкой 83, закрепленной на хомуте. В местах шарнирного соединения упоров 84 с кронштейнами 86 установлены вторые пружины 85, обеспечивающие прижатие нижних концов упоров друг к другу (см. фиг.8).
Первая 87 и вторая 88 пара подшипников установлены на верхних и нижних торцевых ребрах каждой из двух половин лопасти. Указанные подшипники взаимодействуют по очереди с упорами 84 узла закрытия лопасти 10.
Вначале в контакт с раскрытыми концами упоров входит вторая пара подшипников 88. Упоры принудительно уменьшают угол между двумя половинами лопасти. После того, как вторая пара подшипников проходит место шарнирного соединения упоров с кронштейнами 86, они раздвигают сомкнутые концы упоров. В этот момент одновременно начинается процесс взаимодействия клина второго узла раскрытия лопасти с соответствующей лопастью. Дальнейшее взаимодействие вторых подшипников с криволинейными участками упоров 84 приводит к смыканию раскрытых передних концов упоров. Эти концы упоров наталкиваются на первую пару подшипников 11. Указанное взаимодействие приводит к закрытию лопасти. Магниты 12, установленные на передних краях двух половин лопасти, удерживают закрытое положение лопасти на всем протяжении его пассивного движения против течения среды.
На фиг.9 и фиг.10 представлена конструкция второго варианта преобразователя энергии, предназначенного для установки в магистральном газопроводе или нефтепроводе.
Для установки информационных датчиков вдоль магистральных газопроводов и нефтепроводов требуется разработка и создание автономных источников электроэнергии, мощностью около 300 Вт, при напряжении 9 В. Такие датчики должны быть установлены через 50 км вдоль магистрального газопровода (или нефтепровода) 89.
Для установки преобразователя энергии необходимо сделать отвод (аппендикс) от магистральной линии и ответвить необходимое количество газа или нефти. После отработки газ (или нефть) снова поступает в магистральную линию. Для этого необходимо установить в магистральной линии необходимые съемные заслонки (перегородки), увеличивающие сопротивление основному потоку.
Принцип работы второго варианта преобразователя энергии совпадает с первым вариантом, представленным на фиг.1 - фиг.8. Отличие заключается в изменении конструкции отдельных элементов, в частности, в отводе выходной мощности. Ответвленный поток газа (или нефти) в магистральном газопроводе (или нефтепроводе) 89 делится на два потока. Для этого левое и правое разветвления труб 90 соединяются параллельно друг другу и подключаются к отводной трубе. Преобразователь энергии содержит два идентичных механизма. Каждый из них содержит замкнутый прямоугольный контур из цепи 95. По углам двух четырехугольников с помощью кронштейнов 97 шарнирно устанавливаются восемь звезд 96. Средние четыре звезды шарнирно крепятся к стойкам 98, установленным вертикально внутри разветвленных параллельных участков труб 90. Четыре крайние звезды 96 с помощью кронштейнов 97 шарнирно крепятся к наклонным участкам труб. При этом крепление звезд должно быть таким, чтоб натянутая цепь проходила по геометрическим осям параллельных участков труб 90. Центральные ведущие звезды 110-113 устанавливаются на обоймах обгонных муфт 115-118, ступицы которых установлены на центральном валу 126 неподвижно. Для установки вала 126, а также мультипликатора и электрогенератора создается специальная герметичная камера 102, которая состоит из параллельных друг другу верхней, нижней и боковых стенок, приваренных со всех сторон к трубам 90. Давление внутри данной камеры устанавливается такое же, как внутри труб. Отвод выходной мощности возможно осуществить с помощью магнитной муфты. Для этого верхняя стенка должна быть выполнена из неферромагнитного материала. Складывающиеся лопасти 92 состоят из двух полукруглых половин. На середине обоих половин лопастей установлены подшипники 93, взаимодействующие с упорами узла закрытия лопасти 101. Указанные узлы установлены в центральном горизонтальном сечении труб.
Два узла раскрытия лопасти 94 первого контура крепятся рядом со звездами на наклонных участках труб. Два других узла раскрытия крепятся к стойкам 98 второго контура, также рядом со звездами 96. Левая и правая половины лопасти шарнирно устанавливаются на стойке лопасти 91 аналогично лопастям, представленным на фиг.5. В зависимости от мощности преобразования на каждой стойке лопасти могут быть установлен один (или два) узла регулировки угла раскрытия лопасти. Однако регулировку скорости вращения электрогенератора возможно осуществить, меняя давление газа или нефти, ответвляемого от магистральной линии в аппендикс.
Для придания вертикального положения стойкам лопастей 91 используется направляющий трос 135, натянутый параллельно цепи 95. Осевая цепь соединяется со стойками лопасти неподвижно. Трос 135 свободно проходит через отверстия в стойке лопасти и сохраняет ее вертикальное положение при возвратно-поступательном движении лопасти.
Верхний и нижний конец стойки лопасти 91 соединяются с горизонтальными перемычками, на концах которых с помощью кронштейнов 130 установлены по два подшипника 93, аналогично роликам 68 на фиг.5. Подшипники катятся по внутренней поверхности трубы, сохраняя вертикальное положение стоек лопастей 91. Таким образом, обеспечивается свободное возвратно-поступательное движение лопастей вдоль двух параллельных участков труб. В любой момент времени в раскрытом (рабочем) положении находятся две лопасти. При этом моменты нахождения лопастей в конечных «мертвых» точках в первом и втором контурах смещены во времени по фазе на 90°. При одинаковых звездах в обоих контурах такое смещение по фазе сохраняется постоянным. Это исключает совпадение во времени «мертвых» точек в четырех контурах.
Для повышения синхронности вращения электрогенератора на выходном валу через обгонную муфту может быть установлен массивный маховик (на фиг.10 не указан). На фиг.10 связь между стойками лопастей 105 (106) и центральным валом осуществляется с помощью цепной передачи. Для этого на центральном валу 126 неподвижно установлены первая - четвертая обгонные муфты 115-118, обоймы которых неподвижно связаны с соответствующими центральными звездами 110-113. Ступицы обгонных муфт неподвижно закреплены на центральном валу. При этом обгонные муфты 115-118 установлены так, что при вхождении в сцепление первой, третьей муфты, вторая и четвертая муфта выходит из сцепления, т.е. находится в нейтральном положении. При одинаковых размерах центральных звезд 110-113 и при кинематической схеме их включения, представленной на фиг.4, такая установка обгонных муфт обеспечивает постоянное направление вращения центрального вала 126, независимо от направления вращения центральных звезд 110-113. При установке мультипликатора с электрогенератором вне герметичной камеры 102 для передачи момента вращения центрального вала на ведущую коническую шестерню 120 может быть использована магнитная муфта.
Вращение от ведущей конической шестерни 120 передается на ведомую коническую шестерню 121 (см. фиг.10). Ведомая шестерня установлена на входном валу мультипликатора 122. Мультипликатор служит для повышения скорости вращения ведомой шестерни до номинальной скорости вращения электрогенератора 123. Электрогенератор с мультипликатором установлены на верхней стенке герметичной камеры 102.
Вращение от мультипликатора передается на электрогенератор. Если в качестве электрогенератора использовать синхронный трехфазный двигатель, его возможно разместить во внутренней полости герметичной камеры. В этом случае отпадает необходимость в использовании магнитной муфты. Для вывода трехфазного напряжения из герметичной камеры используются диэлектрические втулки и металлические стержни. Последние устанавливаются в стенках герметичной камеры, выполненной из металлической трубы, с помощью специальных уплотнительных прокладок.
Верхние муфты со звездами 110 и 111 с помощью первой цепи 95 взаимодействуют с первой 105 и второй 106 лопастями, а нижние муфты 117, 118 - со звездами 112, 113 с помощью второй и третьей цепей 114 - с третьей и четвертой лопастями, соответственно.
При этом обгонные муфты 115-118 установлены так, что, когда обойма входит в сцепление со ступицей первой, третьей муфт, обоймы второй, четвертой муфт выходят из сцепления со ступицей. Очередное сцепление муфт обеспечивает поворот центрального вала по часовой стрелке. В каждый момент времени две из четырех муфт находятся в сцеплении и передают момент вращения на центральный вал 126.
Моменты нахождения лопастей в «мертвых точках» должны быть сдвинуты по фазе на 90°. Когда первая и третья лопасти находятся в крайних положениях, т.е. в «мертвых» точках, другая пара лопастей должна находиться в раскрытом положении.
При таком сдвиге фаз в любой момент времени хотя бы одна из цепей (95 или 114) должна создать положительный момент вращения на центральном валу. Независимо от направления движения первой - четвертой цепей центральный вал 126 и установленная на нем ведущая коническая шестерня 120 вращаются по часовой стрелке.
Вращение ведомой шестерни через пятую обгонную муфту передается через мультипликатор на электрогенератор.
Для повышения синхронности вращения на валу мультипликатора может быть установлен массивный маховик.
Преобразователь энергии текучей среды может быть использован как автономный источник электрической энергии там, где нет централизованного электроснабжения.