ПЛАВУЧАЯ ПРИБРЕЖНАЯ ГИДРОВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
FLOATING COASTAL HYDRO WAVE POWER PLANT

Изобретение относится к сфере гидроволновой энергетики, в частности - к генераторам, элементам их конструкций и элементам их магнитной цепи; к элементам конструкции обмоток, кожухов, корпусов и опор; к устройствам для регулирования механической энергии, конструктивно сопряженными с электрическими машинами; к асинхронным и синхронным генераторам; в т.ч. с постоянными магнитами; к коллекторным генераторам постоянного, или пульсирующего постоянного, или переменного тока с механической или бесконтактной коммутацией, к униполярным генераторам, к генераторам постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом; с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек или какого-либо иного элемента магнитной цепи.
Известны устройства для преобразования энергии поверхностных волн воды в электрическую энергию, основанные на использовании различных их физических свойств (эффектов), которые можно разделить на четыре группы. К первой относится прямое преобразование энергии волн в электрическую энергию. Устройства этой простейшей схемы состоят только из генератора электрической энергии, которому волны непосредственно отдают свою энергию, такая схема - идеальный случай для преобразования. Ее реализация возможна, например, на основе пьезоэлектрического эффекта (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана. - М.: Наука, 1986. - С. 28).
Однако энергетических установок, использующих пьезоэффект для выработки электроэнергии, пока не существует. Одна из главных причин - ничтожно малая мощность пьезоэлектрических источников, связанная с малым значением пьезоэлектрического модуля - размерного коэффициента, связывающего количество выделяемого электричества с силой давления на пьезокристалл. Если учесть очень низкую частоту колебания поверхностных волн, на этом пути пока не приходится рассчитывать на получение важных практических результатов. Немного электрической энергии будет выделяться в момент удара гребней волн о пьезопреобразователь, а в остальное время напряжения практически не будет (см. там же, стр.29-30).
Двухэлементным устройством является генератор электрического тока, его варианты и способы их установки (см. патент на изобретение Российской Федерации МПК H02K 19/00 №2396673, Генератор электрического тока, его варианты и способы их установки. Заявка №2009100832/09 от 12.01.09. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №22 от 10.08.10.). Генератор содержит ротор и статор с общей продольной осью, расположенной горизонтально, у которых сердечники с катушками и системой возбуждения обеспечивают выработку электрического тока, при этом центры масс ротора или статора выполнены эксцентрично смещенным относительно продольной оси их вращения, а для обеспечения возможности качания статически неуравновешенных роторов или статоров, они свободно установлены, а парные им роторы или статоры жестко закреплены в плавающем средстве, имеющем возможность колебаний на угол ±α при движении волн на воде и возможность разворота по нормали к действию волн за счет формы своего корпуса или вертикального оперения. При этом генераторы могут быть установлены фронтальными рядами, или рядами друг за другом, а для восприятия колебаний плавающих средств во взаимно перпендикулярных направлениях, генераторы могут быть встроены перпендикулярно в полый трубчатый ротор внешнего генератора, у которого ротор или статор выполнены статически неуравновешенными, и за счет их свободного подвеса в направлении к центру Земли, они имеют возможность, совершать колебания относительно закрепленных на. плавающем средстве парных им роторов и статоров, при действии на него волн, в т.ч в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, для чего роторы или статоры могут быть закреплены, в одни или более ярусов, на горизонтальной поворотной платформе, установленной на плавающем средстве и имеющей возможность свободного поворота вокруг своей вертикальной оси, а на самой поворотной платформе и прилегающих к ней поверхностях плавающего средства могут быть установлены сердечники с катушками и системой возбуждения, которые обеспечивают выработку электрического тока. Роторы или статоры также могут быть подвешены к горизонтальной платформе, в т.ч. в несколько ярусов. Действие генераторов переменного тока основано на базе закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем, в котором индуктируемая электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока (см. книгу: Вершинский Н.В. Энергия океана. - М.: Наука, 1986. - С. 31).
Недостатками данных генераторов являются малая сила, движущая его ротор или статор только за счет эксцентриситета их масс, и малая скорость колебаний ротора относительно статора, что снижает его мощность.
Устранение указанных недостатков является задачей данной заявки, решение которой возможно путем увеличения скорости движения магнитного потока и смещения центра масс ротора за счет изменения его конструкции.
В предлагаемой заявке на изобретение поставленная задача решена путем установки поперек или вдоль оси корпуса качаемого волнами на угол ±α плавающего средства, в различных комбинациях, пар параллельных друг-другу зубчатых реек с горизонтально расположенными зубьями, на которых установлены с возможностью свободного качения генераторы электрического тока, которые введены в зацепление с зубьями этих реек реверсивными и/или нереверсивными шестернями, установленными в различных комбинациях на торцах статоров и на валах роторов. При этом количество генераторов может быть более одного, а также они могут быть установлены в несколько ярусов.
Предлагаемые конструкции гидроволновых плавучих электрических станций, их генераторы и варианты их исполнений показаны на чертежах.
На фиг.1 показана плавучая прибрежная гидроволновая электростанция с генераторами 1 электрического тока, установленными в этом плавающем средстве на параллельных зубчатых рейках 2 в трюмах 3 между бортами 4, поперек (исполнение 1) или вдоль оси (исполнение 2) корпуса 5, у которого днищевая секция с основанием 6, поперечные 7 и палубные перегородки 8 обеспечивают требуемую прочность и жесткость, а ходовой электродвигатель 9 с приводом 10 ходового винта - возможность увода плавающего средства в укрытие при сильном шторме. Отвод на берег выработанной электрической энергии обеспечивается кабелем 11 с катушкой 12, или иным способом, в т.ч. преобразованием ее в луч СВЧ, и затем его обратным преобразованием в электрический ток приемником на берегу. Погружение плавающего средства ограничено ватерлинией 13.
В исполнении 1 корпус плавающего средства развернут каким-либо бортом параллельно к фронту подхода волн, а в исполнении 2 - носом или кормой к фронту подхода волн и удерживается в таком положении якорями и/или иными средствами, например, главным ходовым двигателем 9, и/или специальными стабилизационными и/или подруливающими двигателями. При этом во всех случаях разворота корпуса, торцы зубчатых реек к фронту подхода волн расположены перпендикулярно.
Генераторы 1 имеют статоры 14 и роторы 15 с общей продольной осью О их вращения (исполнение 3), расположенной горизонтально поперек пары параллельных зубчатых реек 2, закрепленных на основании 6 корпуса, вал ротора с обеих сторон имеет выступающие концы 16, на которых закреплены шестерни 17, введенные в зацепление с зубьями реек 2. При этом свободно навешенные на роторы статоры имеют постоянную ориентацию к центру Земли за счет смещения центра их масс относительно оси их вращения.
Для ограничения осевых сдвигов генератора поперек зубчатых реек 2 при качании корпуса плавающего средства фронтом волн в направлении неперпендикулярном к торцам этих реек, на торцах вала ротора могут быть закреплены винтами боковые крышки, или в канавки, выполненные у торцов валов, могут быть введены пружинные кольца, а между обоими торцами корпуса генератора, шестернями 17 и рейками 2 могут быть установлены промежуточные антифрикционные шайбы или упорные подшипники 18, диаметр которых близок, или больше делительного диаметра шестерен.
Для упрощения синхронизации работы всех генераторов электрической станции, они могут быть снабжены индивидуальной системой аккумуляторов или конденсаторов для накопления электрического тока, разрядка которых выполнена дополнительными полупроводниковыми или иными устройствами подачи тока импульсами в заданном частотном режиме. Эти системы также могут служить дополнительным грузом для смещения центра масс статора относительно оси О их качания.
Возможна также установка генераторов на рейки статорами через закрепленные на обоих их торцах шестерни, которые введены в зацепление с зубьями реек, при этом свободно установленные в статорах роторы имеют постоянную ориентацию к центру Земли за счет смещения центра их масс относительно оси их качания, например, подвешиванием на концах их валов дополнительных грузов, которыми могут служить системы синхронизации электрического тока, аккумуляторы или конденсаторы для его накопления, Однако это усложняет конструкцию, и она подробно не рассматривается.
На фиг.2 показаны варианты установка генераторов 1 электрического тока, содержащего статор 14 и ротор 15 в трюмах плавающего средства поперек его корпуса 5 шириной b между бортами 4 (исполнение 1), или вдоль его осина длине l между перегородками 7 трюма (исполнение 2). Шестерни 17, которые закреплены на концах валов 16 роторов и введены в зацепление с зубьями закрепленных на основании 6 реек 2, обеспечивают вращение ротора 15 генератора при наклонах корпуса плавающего средства волнами на угол ±α. Для предохранения от ударов генератора в конце пути их качения по рейкам о борта корпуса, у них установлены упругие упоры 19.
Принцип работы таких электростанций при выработке электрического тока следующий.
При наклонах корпуса 5 плавающего средства под действием волн на угол ±α, возникает возвратно-поступательное перемещение генератора 1, а по рейкам 2 происходит качение, с прямым и обратным вращением введенных в контакт с их зубьями шестерен 17, которые закреплены на концах валов 16 и передают такое же вращение роторам 15 генераторов 1. При этом свободно подвешенный на валу ротора статически несбалансированный статор 14, за счет эксцентриситета массы относительно центра О его вращения, обретает стабильную ориентацию к центру Земли и он остается в этом положении (за исключением некоторого поворота от реактивного момента) при наклонах корпуса плавающего средства в пределах угла ±α, что обеспечивает вращение ротора относительно статора и выработку электрического тока. Чем меньше количество зубьев шестерен 17, и чем больше длина рейки 2 и количество зубьев, которое шестерни проходят по ней при качении, тем выше частота вращения ротора, а также, чем больше радиус ротора генератора, тем выше скорость изменения магнитного потока в его катушках и тем выше мощность генератора, ее ограничителем является лишь сила волн и реактивный момент, компенсируемый, в данном случае, эксцентриситетом массы статора.
Аналогичный принцип действия для генераторов, у которых статор установлен на рейки и введен в зацепление с его зубьями, закрепленными на его торцах шестернями, а свободно установленный в нем ротор снабжен дополнительным грузом.
Недостатком таких электростанций является недостаточная мощность, развиваемая одним генератором, установленным на рейках, а при свободном подвешивании статоров или роторов, недостатком этих генераторов является появление реактивного момента от поворота их магнитным полем ротора, который может снижать мощность генераторов до 50%.
На фиг.3 показаны варианты установки генераторов, устраняющие указанные недостатки. При этом количество генераторов 1, устанавливаемых на зубчатых рейках 2, может быть увеличено до двух и более. Однако длина хода генераторов по рейке, при увеличении их количества, сокращается, что требует оптимизационных решений с учетом размеров генераторов, углов наклона ±α и ширины b или длины l трюма корпуса плавающего средства.
В исполнении 1 на зубчатых рейках 2 установлена пара генераторов, развернутых друг к другу опорными элементами, например лапками, которые соединены между собой винтами, или болтами с гайками, или планками, или скобами, или иными элементами крепления, что исключает поворот статоров от действия реактивного момента электромагнитных сил и в 1,5…2 раза повышает эффективность их работы. Остальные конструктивные элементы аналогичны приведенным на фиг.2.
В исполнении 2 генераторы 1, в количестве двух и более, установлены в плотном контакте их корпусами, с возможностью качения шестерен 17 на зубчатых рейках 2. Для этого с обеих сторон генераторов на концах валов 16 могут быть установлены связующие планки 20, в отверстия которых введены концов валов 16 с возможностью свободного их вращения. Кроме того, контакт корпусов генераторов между собой может быть обеспечен внешней обвязкой их хомутами 21.
Связующие планки 20 с элементами их крепления установленными на торцах валов роторов и закрепленными винтами боковыми крышками, или пружинными кольцами, введенными в канавки, выполненные у торцов валов, также могут быть ограничителями осевых сдвигов генераторов поперек реек от действия качки волнами, неперпендикулярными к их торцам. Остальные конструктивные элементы аналогичны предыдущему исполнению.
Принцип работы таких электростанций при выработке электрического тока аналогичен предыдущим исполнениям. Отличия имеются лишь в том, что статоры удерживаются в направленном положении относительно центра Земли, не только силами тяготения, но и контактом корпусов генераторов, что повышает их кпд за счет исключения реактивного момента статора от действия электромагнитных сил. При этом общая мощность электростанции растет за счет увеличения количества генераторов и за счет этого эффекта.
На фиг.4 показано развитие конструкций плавучей электростанции, у которой генераторы 1, чрез закрепленные на концах с обеих сторон валов 16 их роторов 15 шестерни 17, введены в зацепление с парными зубчатыми рейками 2, и имеют возможность вращения и поступательного движения на них за счет наклонов корпуса плавающего средства волнами на угол ±α, а для повышения собственной мощности генераторов, их статоры 14 выполнены с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению их роторов 15. Для этого на корпусах генераторов 1, в средней их части или у торцов, закреплены зубчатые венцы 22 (исполнение 1), а с ними введена или введены в зацепление паразитные шестерни 23, закрепленные вне корпуса статора на общей оси 24, на концах которой также закреплены паразитные шестерни 25, введенные в зацепление с зубьями реек 2 с возможностью их вращения на общей оси 24, которая связана с концами валов 16 роторов 15 планками 26, в отверстия которых они введены свободно. Эти планки также могут служить ограничителями осевого смещения генераторов, в т.ч. при качке плавающего средства, неперпендикулярной к торца его реек, а для фиксации планок в осевом направлении, на торцах валов 16 и оси 24 могут быть закреплены боковые крышки, или пружинные кольца, введенные в канавки, выполненные у торцов этих валов и оси, или установлены иные крепежные средства. Все остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущему исполнению, показанному на фиг.3.
Дальнейшее увеличение частоты вращения статора 14 относительно ротора 15 генератора 1, обеспечивается в исполнении 2. Для этого на обоих торцах корпуса генератора закреплены малого диаметра ведомые шестерни 27, с которыми введены в зацепление большого диаметра ведущие зубчатые колеса 28, установленные на полуосях 29 паразитных блоков с шестернями 25, введенными в зацепление с зубчатыми рейками 2. При этом связующие планки 26, в отверстия которых свободно введены концы валов 16 роторов 15 и полуоси 29, могут быть установлены с внутренней стороны реек 2 между шестернями. 27 и 17 статоров и роторов, и между зубчатыми колесами 28 и шестернями 25 паразитных блоков. Или же планки 26 могут быть свободно установлены на концах валов 16 и полуосей 29 снаружи реек 2, а для фиксации планок и паразитных блоков зубатых колес в направлении осей генераторов, на торцах валов 16 и полуосей 29 могут быть закреплены крышки, или пружинные кольца, введенные в канавки, выполненные у торцов валов, или установлены иные крепежные средства. Планки 26 также могут служить ограничителями осевого смещения генераторов при качке плавающего средства фронтом волн, неперпендикулярными к торцам реек.
Принцип работы генераторов (исполнение 1) аналогичен предыдущему - при наклонах корпуса 5 плавающего средства под действием волн на угол ±α, происходит аналогичный наклон рейки 2 и сдвиг генераторов 1 в ту или иную сторону с поворотом пар шестерен 17, закрепленных с двух сторон на валах 16 роторов 15 генераторов, и закрепленных на оси 24 пар паразитных шестерен 25, которые через шестерни 23 и зубчатые венцы 22, закрепленные на корпусах в середине статоров или у их торцов, вращают статоры 14 в сторону, противоположную прямому и обратному направлениям вращения роторов 15. При этом частота и скорость вращения роторов относительного статоров повышаются, а реактивные моменты на статорах от действия сил магнитного потока исключаются, что адекватно повышает мощность каждого генератора и электрической станции в целом.
Принцип работы генератора (исполнение 2) отличается от предыдущего лишь увеличением частоты прямого и обратного вращения его корпуса с помощью закрепленных на его торцах шестерен 27, введенных в зацепление с зубчатыми колесами 28 паразитных блоков с введенными в зацепление с рейками 2 шестернями 25, закрепленными на полуосях 29, которые свободно введены в отверстия на планках 26, При этом за счет увеличения диаметра зубчатых колес 28 и уменьшения диаметра шестерни 27, частота вращения корпуса генератора повышается и адекватно возрастает его мощность.
Для отвода электрического тока от статора, на его корпусе или на торце может быть закреплено связанное с катушками статора токоотводящее кольцо или диск, изолированные от корпуса статора и введенные в контакт качения с установленной над или под ними горизонтальной электропроводной шиной, а для компенсации износа этой контактной пары, шина может быть подвешена сверху кольца или диска с возможностью небольшого сдвига под действием собственного веса, или установлена снизу кольца или диска на пружинах. Возможна также установка в корпусе генератора системы возбуждения магнитного поля, с постоянными магнитами или катушками с проводниками и их сердечниками, а на валу в корпусе - установка катушек с проводниками и сердечниками системы генерации электрического тока, при этом отводящие электрический ток проводники могут быть введены в отверстие вала, а их коны соединены с закрепленным на конце этого вала токоотводящим диском или кольцом, изолированным от вала и введенным в контакт качения с установленной над или под ним горизонтальной электропроводной шиной, с такой же системой компенсации износа контактных пар.
На фиг.5 показано дальнейшее развитие предыдущих конструкций плавучих электростанций, у которых на основании 6 корпуса закреплены параллельно друг другу пары зубчатых реек 2, с установленными на них генераторами 1, содержащими статоры 14 и роторы 15, а для исключения их реверса при прямом и обратном качании по рейкам, на концах валов роторов 16 и на торцах корпусов генераторов установлены нереверсивные шестерни 30 и 31 с зубчатыми механизмами обгонного типа, имеющими возможность передачи вращения в лишь одном направлении, а на полуосях паразитных блоков закреплены реверсивные шестерни, имеющие возможность передачи вращения в прямом и обратном направлениях. При этом со стороны правых торцов генераторов 1, с правой зубчатой рейкой 2 введены в зацепление нереверсивные шестерни 30 и закрепленная на полуоси 29 паразитного блока реверсивная шестерня 25 (исполнение 1), которые могут быть заменены общей с этой полуосью валом-шестерней 32 (исполнение 2), веденной свободно в среднее отверстие планки 26, соединяющей своими крайними отверстиями концы валов 16 роторов. Со стороны левых торцов генераторов - со второй рейкой 2 введены в зацепление нереверсивные шестерни 31, установленные на торцах корпусов генераторов и реверсивная шестерня 25 с полуосью 29 (исполнение 1) или общая вал-шестерня 32 паразитного блока (исполнение 2), которая свободно ведена в среднее отверстие связующей планки 26, соединяющей своими крайними отверстиями концы валов 16 роторов. За планками 26 реверсивная шестерня 25 через полуось 29, или вал-шестерня 32 паразитного блока связана с зубчатым колесом 28, которое со стороны правых торцов генераторов введено в зацепление с нереверсивными шестернями 31, установленными на торцах корпусов генераторов, а со стороны левых торцов генераторов - введены в зацепление с нереверсивными шестернями 30, установленными на концах валов 16 роторов. Для передачи вращения концам валов 16 лишь в одну сторону, у нереверсивных шестерен 30 (исполнение 3), на поверхности центральных отверстий выполнены зубцы 33, а между ними и цилиндрическими поверхностями на концах валов 16, введены шарики или ролики 34. У пар нереверсивных шестерен 31 (исполнение 4), установленных своими отверстиями 35 с возможностью свободного вращения на валах 16 роторов, на наружной поверхности ступиц 36 выполнены зубцы 37, которые введены в отверстия закрепленных на торцах корпусов генераторов колец 38, между которыми и между зубцами 37 введены шарики или ролики 34. В этих исполнениях ориентация зубцов 33 и 37 в парах шестерен 30 и 31, при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов, должна быть одинаковой.
Связующие планки 26, при вынесении их за рейки 2, могут служить ограничителями для осевых смещений генераторов при качке плавающего средства фронтом волн, неперпендикулярным к торцам зубчатых реек, для чего со стороны правых торцов генераторов планка 26 установлена перед входящими в зацепление с рейкой 2 шестернями 30 и 25, или шестернями 30 и валом-шестерней 32.
Принцип работы генераторов отличается от предыдущих исполнений исключением реверса вращения роторов и статоров при смене направления качания корпуса 5 плавающего средства. При подъеме его правого борта, за счет наклона реек 2 генераторы 1 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов (исполнение 2), введенные в зацепление с рейкой шестерни 30 валов 16 и паразитная вал-шестерня 32 начнут вращение против часовой стрелки. Шестерни 30, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях (исполнение 3), через шарики или ролики 34 заклинят концы валов 16, которые соответственно приведут во вращение роторы 15 против часовой стрелки. Вал-шестерня 32 паразитного блока передаст свое вращение против часовой стрелки связанному с ней паразитному колесу 28, которое введено в зацепление с шестернями 31 и приведет их во вращение по часовой стрелке. При этом за счет левого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 37 на ступицах 36 шестерен 31 (исполнение 4), шарики или ролики 34 заклинят их в отверстиях колец 38, которые жестко закреплены на торцах корпусов статоров и, соответственно, приведут их во вращение по часовой стрелке.
Со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с левой рейкой 2 шестерни 31, установленные на корпусе генератора и паразитная вал-шестерня 32 начнут свое вращение в том же направлении, что и с правой стороны (против часовой стрелки - при взгляде на них со стороны правых торцов этих генераторов). При этом ступицы 36 шестерен 31, за счет левого направления вершин зубцов 37, выведут из зацепления шарики или ролики 34 с кольцами 38, закрепленными на левых торцах корпусов генераторов и не будут препятствовать ранее созданному со стороны правых торцов вращению статоров по часовой стрелке. Паразитная вал-шестерня 32 передаст вращение против часовой стрелки (при взгляде на нее со стороны правых торцов этих генераторов) паразитному колесу 28, введенному в зацепление с шестернями 30, которым оно сообщит вращение по часовой стрелке и, за счет правого направления вершин их зубцов 33, они выведут из зацепления шарики или ролики 34 с осями 16 роторов и не будут препятствовать ранее созданному со стороны правых торцов их вращению против часовой стрелки.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2, генераторы 1 начнут поступательное движение вправо, при этом со стороны правых торцов генераторов, шестерни 30 и паразитная вал-шестерня 32 в блоке с колесом 28 начнут вращение по часовой стрелке, и шестерни 30, за счет правого (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях (исполнение 3), выведут из зацепления шарики или ролики 34 с валами 16, и не будут препятствовать прежнему вращению роторов против часовой стрелки, а связанное с валом-шестерней 32 и вращающееся по часовой стрелке паразитное колесо 28, вращает против часовой стрелки введенные с ним в зацепление шестерни 31, у которых ступицы 36, за счет левого направления вершин зубцов 37, выйдут из зацепления с отверстиями колец 38 и не будут препятствовать прежнему вращению статора по часовой стрелке. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с рейкой 2 шестерни 31 и паразитная вал-шестерня 32 также начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов), что введет зубцы 37 ступиц 36 шестерен 31 через шарики или ролики 34 в зацепление с отверстиями колец 38, закрепленных на торцах корпусов генераторов и продолжит прежнее вращение статоров по часовой стрелке, а вал-шестерня 32 паразитного блока далее приведет во вращение паразитное колесо 28, введенное в зацепление с шестернями 30, придав им вращение против часовой стрелки (при взгляде на нее со стороны правых торцов генераторов), что введет их зубцы 33 через шарики или ролики 34 в зацепление со своими валами 16 роторов и проложит их прежнее направление вращения. Затем оба этих цикла повторяются.
Таким образом, направление вращения роторов и статоров, на любом этапе качания плавающего средства волнами, остается неизменным: роторов - против часовой стрелки, а статоров - по часовой стрелке.
На фиг.6 показано дальнейшее развитие предыдущих конструкций плавучих электростанций и генераторов 1, у которых со стороны их правых торцов (исполнение 1) нереверсивными выполнены введенные в зацепление с правой рейкой 2 шестерни 30, установленные на концах валов 16 роторов и одинаковая с ними паразитная шестерня 39, установленная на полуоси 40 в блоке с зубчатым колесом 28, введенным в зацепление с шестернями 27, свободно надетыми своими отверстиями на концы валов 16 и закрепленными на выступах или на кольцах 41 правых торцов корпусов генераторов. Для передачи вращения шестернями 30,39 лишь в одну сторону (исполнение 2), в их центральных отверстиях выполнены зубцы 33, между которыми и между цилиндрическими поверхностями концов валов 16 или полуосей 40, введены шарики или ролики 34. При этом выступы или кольца 41 на торцах корпусов генераторов и торцы зубчатых колес 28, а также связующие планки 26 могут быть ограничителями осевых сдвигов генераторов поперек реек от действия на корпус плавающего средства волн, неперпендикулярных к торцам реек.
Со стороны левых торцов генераторов (исполнение 1) нереверсивными выполнены введенные в зацепление с зубьями левой рейки 2 шестерни 31, установленные на торцах корпусов генераторов 1, и паразитная шестерня 39, установленная на полуоси 40 в блоке с зубчатым колесом 28, введены передачи вращения шестернями 31 лишь в одну сторону (исполнение 3), они свободно установлены отверстиями 35 на валах 16 роторов, а их ступицы 36, с выполненными на них зубцами 37, введены в отверстия закрепленных на торцах корпусов генераторов колец 38, между которыми и между зубцами 37 введены шарики или ролики 34.
Все остальные конструктивные элементы генераторов и плавающего средства аналогичны предыдущему исполнению, показанному на фиг.5.
Для облегчения компоновки обгонных механизмов, предложена новая конструкция генераторов (исполнение 4), которая отличается от предыдущей тем, что в паразитных блоках в зацепление с рейками 18 введены валы-шестерни 32, а нереверсивными выполнены установленные на них зубчатые колеса 42, на центральных отверстиях которых выполнены зубцы 33, а между ними и цилиндрическими поверхностями концов валов-шестерен 32 введены шарики или ролики 34 (исполнение 5). Остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущему исполнению.
Принцип работы новых генераторов (исполнение 1) отличается от предыдущего исполнения лишь выполнением нереверсивными введенных в зацепление с рейкой 2 паразитных шестерен 39, установленных на полуосях 40 в блоках с зубчатыми колесами 28, из которых установленное с правой стороны торцов генераторов введено в зацепление с обычными шестернями 27, закрепленными на правых торцах корпусов генераторов, а установленное с левой стороны торцов генераторов - введено в зацепление с обычными шестернями 17, закрепленными на левых концах валов 16 роторов.
При подъеме правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с рейкой шестерни 30 валов 16 и паразитная шестерня 39 начнут вращение против часовой стрелки и, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, через шарики или ролики 34 они заклинятся с концами валов 16, или полуоси 40, которые, соответственно, приведут во вращение против часовой стрелки роторы и зубчатое колесо 28 паразитного блока, а оно далее приведет во вращение по часовой стрелке введенные с ним в зацепление и закрепленные на торцах корпусов генераторов шестерни 27. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление со второй рейкой 2 шестерни 31 и 39 также начнут вращение против часовой стрелки (при взгляде со стороны правых торцов генераторов), но в шестернях 31, за счет левого направления вершин зубцов 37 ступиц 36, шарики или ролики 34 выйдут из зацепления с отверстиями своих колец 38, которые закреплены на левых торцах корпусов статоров и, соответственно, не будут препятствовать предыдущему вращению их по часовой стрелке, а паразитная шестерня 39, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в ее отверстии, выведет шарики или ролики 34 из зацепления с концом полуоси 40, и сделает свободным вращение закрепленного на ней зубчатого колеса 28, которое не будет препятствовать прежнему вращению роторов против часовой стрелки.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение вправо. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с рейкой шестерни 30 валов 16 и паразитная шестерня 39 начнут вращение по часовой стрелке и, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, шарики или ролики 34 выйдут из зацепления с концами валов 16, или полуосей 40, и не будут препятствовать предыдущему направлению вращения против часовой стрелки роторов и зубчатого колеса 28 паразитного блока и, соответственно, предыдущему вращению по часовой стрелке введенных с ним в зацепление шестерен 27, закрепленных на правых торцах корпусов генераторов. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с левой рейкой 2 шестерни 31 и 39 также начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов), и шестерни 31, за счет левого направления вершин зубцов 37 на ступицах 36, введут в зацепление шарики или ролики 34 с отверстиями своих колец 38, которые закреплены на левых торцах корпусов статоров и, соответственно, продолжат их предыдущее вращение по часовой стрелке, а паразитная шестерня 39, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, введет шарики 34 в зацепление с концом полуоси 40, и передаст вращение по часовой стрелке закрепленному на ней паразитному зубчатому колесу 28, которое продолжит прежнее вращение против часовой стрелки введенных с ним в зацепление шестерен 17, закрепленных на валах 16 роторов. Затем оба этих цикла повторяются.
Принцип работы новых генераторов 1 (исполнение 4) отличается от предыдущего исполнения лишь установкой паразитных блоков, в которых подобно нереверсивным шестерням 30, нереверсивными выполнены зубчатые колеса 42 (исполнение 5), связанные через шарики или ролики 34 со своими валами-шестернями 32, введенными в зацепление с рейками 2, из которых колесо 42, установленное с правой стороны торцов генераторов, введено в зацепление с обычными шестернями 27, закрепленными на правых торцах корпусов генераторов, а колесо 42, установленное с левой стороны торцов генераторов - введено в зацепление с шестернями 17, закрепленными на концах валов 16 роторов.
При подъеме правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с рейкой шестерни 30 валов 16 и паразитная вал-шестерня 32 начнут вращение против часовой стрелки и шестерни 30, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, через шарики или ролики 34, заклинятся с концами валов 16, и приведут во вращение против часовой стрелки роторы, а зубчатое колесо 42 паразитного блока, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, через шарики или ролики 34, заклинится связанным с ним валом-шестерней 32 и приведет во вращение по часовой стрелке введенные с ним в зацепление шестерни 27, закрепленные на правых торцах корпусов генераторов. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление со второй рейкой 2 шестерни 31 и вал-шестерня 32 также начнут вращение против часовой стрелки (при взгляде со стороны правых торцов генераторов), но в шестернях 31 (исполнение 3), за счет левого направления вершин зубцов 37 на ступицах 36, шарики или ролики 34 выйдут из зацепления с отверстиями своих колец 38, которые закреплены на левых торцах корпусов статоров и, соответственно, не будут препятствовать предыдущему их вращению по часовой стрелке, а зубчатое колесо 42 паразитного блока, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в его отверстии, выведет шарики или ролики 34 из зацепления с валом-шестерней 32 и оно получит возможность свободного вращения и не будет препятствовать предыдущему вращению роторов против часовой стрелки.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение вправо. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с рейкой шестерни 30 валов 16 и паразитная вал-шестерня 32 начнут вращение по часовой стрелке и в шестернях 30, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, шарики или ролики 34 выйдут из зацепления с концами валов 16, и не будут препятствовать предыдущему вращению против часовой стрелки роторов, а зубчатое колесо 42 паразитного блока за счет правого (при взгляде на него со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в его отверстии, выведет шарики или ролики 34 из зацепления с валом-шестерней 32, и не будет препятствовать предыдущему вращению по часовой стрелке введенных с ним в зацепление шестерен 27, закрепленных на правых торцах корпусов генераторов, также вращающихся по часовой стрелке, При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с левой рейкой 2 шестерни 31 и вал-шестерня 32 также начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде со стороны правых торцов генераторов), и шестерни 31, за счет левого направления вершин зубцов 37 на ступицах 36, введут в зацепление шарики или ролики 34 с отверстиями колец 38, которые жестко закреплены на торцах корпусов статоров и, соответственно, продолжат предыдущее их вращение по часовой стрелке, а вал-шестерня 32 паразитного блока, связанная с зубчатым колесом 42, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в его отверстии, введет с ним в зацепление шарики или ролики 34 и передаст ему вращение по часовой стрелке, которое продолжит прежнее направление вращения против часовой стрелки введенных с ним в зацепление шестерен 17, закрепленных на валах 16 роторов. Затем оба этих цикла повторяются.
Таким образом, направление вращения роторов и статоров, на любом этапе качания плавающего средства волнами, остается неизменным: роторов - против часовой стрелки, а статоров - по часовой стрелке.
Возможны также любые иные комбинации нереверсивных шестерен 30, 31, 39 и зубчатых колес 42 для исключения реверса роторов и статоров, например при реализации сочетаний исполнений 1 и 2 (фиг.5), исполнений 1 и 4 (фиг.6), а также исполнений 1 (фиг.5) и исполнений 1 или 4 (фиг.6), или исполнений 2 (фиг.5) и исполнений 1 или 4 (фиг.6), и других сочетаний.
Возможно также увеличение количества пар размещаемых на зубчатых рейках генераторов, соединенных в гирлянды установленными на концах их валов соединительными планками подобно звеньям цепных передач.
На фиг.7 показано дальнейшее развитие предыдущих конструкций плавучих электростанций и генераторов, у которых, для исключения реверса роторов и статоров при прямом и обратном качаниях корпуса плавающего средства волнами, с обоих торцов генераторов 1 (исполнение 1) на концах валов 16 роторов установлены нереверсивные шестерни 30 с зубчатыми обгонными механизмами (исполнение 2), а в отверстиях закрепленных на торцах корпусов генераторов колец 38 установлены нереверсивные шестерни 31 с зубчатыми обгонными механизмами (исполнение 3), с которыми введено в зацепление зубчатое колесо 28 реверсивного паразитного блока с шестерней 25, закрепленной на их общей полуоси, которая введена с возможностью свободного вращения в центральное отверстие связующей планки 26, в крайние отверстия которой также введены концы валов 16 роторов, а для упрощения реверса роторов и статоров, с одной стороны торцов генераторов, с реверсивными шестернями 30 на концах валов роторов и с шестерней 25 нереверсивного паразитного блока введена в зацепление снизу закрепленная на основании 6 корпуса плавающего средства зубчатая рейка 2, а с другой стороны торцов генераторов в зацепление с такими же шестернями введена сверху аналогичная зубчатая рейка 43, напротив которой, для поддержки снизу этих сторон генераторов, на основании 6 корпуса плавающего средства закреплена опорная планка 44, которая введена в контакт с концами валов 16 роторов, например, через установленные на них подшипники 46, и может быть размещена между нереверсивными шестернями 31 с зубчатым колесом 28 паразитного блока и связующей планкой 26, или между связующей планкой 26 и нереверсивными шестернями 30 и шестерней 25 нереверсивного паразитного блока, для чего с этой стороны торцов генераторов концы валов 16 роторов и полуось 45 паразитного блока удлинены на ширину опорной планки 44. Все остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущему исполнению, показанному на фиг.6.
Для сокращения номенклатуры нереверсивных шестерен и упрощения конструкции генераторов 1, в исполнении 4 нереверсивными выполнены шестерни 30 концов валов 16 роторов и шестерни 39 паразитных блоков, у которых зубчатые обгонные механизмы аналогичны исполнению 2, а на выступах 41 торцов корпусов генераторов закреплены реверсивные шестерни 27, которые введены в зацепление с зубчатыми колесами 28 паразитных блоков. При этом в зацепление с нереверсивными шестернями 30, 39 с одной стороны торцов генераторов введена закрепленная на основании корпуса плавающего средства рейка 2 снизу, а с другой стороны торцов генераторов - закрепленная в корпусе плавающего средства аналогичная рейка 43 сверху. Остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущему исполнениям 1, показанным на фиг.5 и 6.
Принцип работы новых генераторов отличается от всех предыдущих исполнений установкой с одной стороны их торцов - зубчатых реек 2 снизу, а с другой стороны - зубчатых реек 43 сверху введенных с ними в зацепление установленных на концах валов 16 роторов нереверсивных шестерен 30 и реверсивных шестерен 25 (исполнение 1), или нереверсивных шестерен 39 (исполнение 4) паразитных блоков с закрепленными на их полуосях 40 и 45 зубчатыми колесами 28, введенными в зацепление со связанными с торцами корпусов генераторов нереверсивными шестернями 31 (исполнение 1), или с реверсивными шестернями 27 (исполнение 4), а также установкой напротив верхней рейки 43 дополнительной опорной планки 44, на которую опираются концы валов 16 роторов через установленные на них подшипники 46, которая может быть размещена между зубчатым колесом 28 и введенными с ним в зацепление нереверсивными 31 (исполнение 1) или реверсивными шестернями 27 (исполнение 4) и соединительной планкой 26, или между этой планкой и реверсивными шестернями 25 и нереверсивными шестернями 30.
При подъеме правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы 2 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов (исполнение 1), введенные в зацепление с верхней рейкой 43 нереверсивные шестерни 30 концов валов 16 роторов начнут вращение по часовой стрелке и, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, выведут шарики или ролики 34 из зацепления с концами валов 16 и не будут влиять на вращение роторов. Введенная в зацепление с верхней рейкой 43 паразитная шестерня 25 и установленное на ее полуоси 45 зубчатое колесо 28 также начнут вращение по часовой стрелке и передадут его нереверсивным шестерням 31, ступицы 36 которых введены в отверстия 35 колец 38, закрепленных на торцах корпусов генераторов, и, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 37 в их отверстиях, выведут шарики или ролики 34 из зацепления с отверстиями колец 38 и не будут влиять на вращение статоров. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 18 нереверсивные шестерни 30 и шестерня 25 паразитного блока начнут вращение против часовой стрелки (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и, за счет правого направления вершин зубцов 33, шарики или ролики 34 шестерен 30 введут в зацепление валы 16 роторов, придав им вращение против часовой стрелки, а связанное полуосью 40 с шестерней 25 паразитного блока зубчатое колесо 28, приведет во вращение по часовой стрелке введенные с ним в зацепление нереверсивные шестерни 31, ступицы 36 которых введены в отверстия 35 закрепленные на торцах корпуса колец 38, и за счет левого направления вершин зубцов 37, шарики или ролики 34 шестерен 31 войдут в зацепление с отверстиями колец статоров, придав им вращение по часовой стрелке.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы начнут поступательное движение вправо. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с верхней рейкой 43 шестерня 25 паразитного блока и нереверсивные шестерни 30 начнут вращение против часовой стрелки и, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, шарики или ролики 34 войдут в зацепление с концами валов 16 роторов генераторов и продолжат вращение против часовой стрелки, а связанное полуосью 45 с шестерней 25 паразитного блока зубчатое колесо 28, приведет во вращение по часовой стрелке введенные с ним в зацепление нереверсивные шестерни 31, ступицы 36 которых введены в отверстия 35 закрепленных на торцах корпуса колец 38, и за счет левого направления вершин зубцов 37, шарики или ролики 34 шестерен 31 войдут в зацепление с отверстиями колец статоров, продолжив их вращение по часовой стрелке. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 2 шестерня 25 паразитного блока и нереверсивные шестерни 30 начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и, за счет правого направления вершин их зубцов 33, шарики или ролики 34 выведут их из зацепления с валами 16 роторов и не будут препятствовать их предыдущему вращению против часовой стрелки. А связанное полуосью 40 с шестерней 25 паразитного блока зубчатое колесо 28 приведет во вращение против часовой стрелки введенные с ним в зацепление нереверсивные шестерни 31, ступицы 36 которых введены в отверстия 35 закрепленных на торцах корпуса колец 38, и за счет левого направления вершин зубцов 37, шарики или ролики 34 шестерен 31 выйдут из зацепления с отверстиями колец статоров, не препятствуя их прежнему вращению по часовой стрелке. Затем оба этих цикла повторяются.
В исполнении 4, при подъеме правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов введенные в зацепление с верхней рейкой 43 нереверсивные шестерни 30 концов валов 16 роторов и паразитная шестерня 39 начнут вращение по часовой стрелке и, за счет правого (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, выведут шарики или ролики 34 из зацепления с концами валов 16 и полуоси 45, и не будут влиять на вращение роторов и статоров генераторов. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 2 нереверсивные шестерни 30 и шестерня 39 паразитного блока, также начнут вращение против часовой стрелки (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и, за счет правого направления вершин зубцов 33, шарики или ролики 34 шестерен 30 введут в зацепление валы 16 роторов, придав им вращение против часовой стрелки, а паразитная шестерня 39, связанная полуосью 40 с зубчатым колесом 28, введенным в зацепление с реверсивными шестернями 27, закрепленными на торцах корпуса, приведет их во вращение по часовой стрелке и связанные с ними статоры генераторов.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы начнут поступательное движение вправо. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с верхней рейкой 43 нереверсивные шестерни 30 и шестерня 39 паразитного блока начнут вращение против часовой стрелки, и введенные в них шарики или ролики 34, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 33 в их отверстиях, войдут в зацепление с концами валов 16 и с полуосью 40. За счет этого шестерни 30 продолжат вращение роторов генераторов против часовой стрелки, а зубчатое колесо 28 связанное полуосью 45 с шестерней 39 и введенное в зацепление с шестернями 27, закрепленными на торцах корпусов генераторов, передаст им вращение по часовой стрелке (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов), которые продолжат прежнее вращение статоров. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 2 нереверсивные шестерни 30 и шестерня 39, также начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и, за счет правого направления вершин их зубцов 33, шарики или ролики 34 выведут их из зацепления с валами 16 роторов и с полуосью 40, исключив препятствия их предыдущему вращению, для роторов - против часовой стрелки, а статоров - по часовой стрелке. Затем оба этих цикла повторяются.
Таким образом, направление вращения роторов и статоров, на любом этапе качания плавающего средства волнами, остается неизменным: роторов - против часовой стрелки, а статоров - по часовой стрелке.
На фиг.8 показано дальнейшее развитие предыдущих конструкций плавучих электростанций и генераторов 1, у которых для исключения реверса роторов и статоров, с одной стороны торцов генераторов зубчатая рейка 2 закреплена на основании 6 корпуса плавающего средства снизу, а с другой стороны аналогичная зубчатая рейка 43 закреплена сверху введенных с ними в зацепление нереверсивных шестерен 31, установленных на торцах корпусов генераторов, и шестерен 39 паразитных блоков (исполнение 1), связанных через полуоси 40 и 45 и зубчатые колеса 28 с шестернями 17, закрепленными на концах валов 16 роторов, а для поддержки генераторов снизу, напротив рейки 43 закреплена дополнительная опорная планка 44, которая введена в контакт с валами 16 через установленные на них подшипники 46 и может быть размещена между планками 26, соединяющими концы валов 16 роторов и закрепленными на них шестернями 17, с введенным с ними в зацепление зубчатым колесом 28. При этом шестерни 39 установлены на своих полуосях 40 и 45 (исполнение 2) с направлением вершин зубцов 33 влево, при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов. Остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущему исполнению, показанному на фиг.7.
Новая установка генераторов 1 на плавающем средстве (исполнение 4) отличается от предыдущей лишь выполнением нереверсивными в паразитном блоке зубчатых колес 42. При этом с рейками 2 и 43 могут быть введены в зацепления паразитные блоки, у которых с одой стороны торцов генераторов выполнена вал-шестерня 32, а с другой - вал-шестерня 47. Все остальные конструктивные элементы плавающего средства и генераторов аналогичны предыдущим исполнению, показанному на фиг.7.
Принцип работы электрической станции и генераторов в исполнении 1 отличается от предыдущего введением в зацепление с нижней 2 и с верхней 43 зубчатыми рейками нереверсивных шестерен 31, связанных с торцами корпусов статоров и нереверсивных шестерен 39 паразитных блоков, которые через свои полуоси 40 и 45 связаны с зубчатыми колесами 28, введенными в зацепление с шестернями 17, закрепленными на концах валов 16 роторов.
При подъеме правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы 1 начнут поступательное движение влево. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с верхней рейкой 43 нереверсивные шестерни 31, связанные с корпусом генераторов, и паразитная шестерня 39 начнут вращение по часовой стрелке и, за счет левого направления вершин зубцов 37 на ступице 36 и зубцов 33 в их отверстиях (при взгляде на них со стороны правых торцов генераторов), их шарики или ролики 34 войдут в зацепления с кольцами 38, закрепленными на торцах корпусов генераторов и с полуосью 45, поэтому шестерни 31 будут вращать статоры генераторов по часовой стрелке, а закрепленное на полуоси 45 паразитное зубчатое колесо 28 начнет вращать против часовой стрелки введенные с ним в зацепление шестерни 17, закрепленные на концах валов 16 роторов. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 2 нереверсивные шестерни 31 и шестерня 39 паразитного блока начнут вращение против часовой стрелки (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и за счет правого направления вершин зубцов 37 и 33 шарики или ролики 34 выведут их из зацепления с кольцами 38 статоров и полуосью 40 зубчатого колеса 28, не препятствуя ранее полученным со стороны правых торцов генераторов направлениям вращения: статоров - по часовой стрелке, а роторов - против часовой стрелки.
При опускании правого борта плавающего средства, за счет наклона реек 2 и 43 на угол ±α, генераторы начнут поступательное движение вправо. При этом со стороны правых торцов генераторов, введенные в зацепление с верхней рейкой 43 нереверсивные шестерни 31 и шестерня 39 паразитного блока начнут вращение против часовой стрелки и введенные в них шарики или ролики 34, за счет правого (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) направления вершин зубцов 37 и 33, выведут их из зацепления с кольцами 38, закрепленными на торцах статоров, и с полуосью 45, исключив препятствие предыдущему вращению роторов и статоров генераторов. При этом со стороны левых торцов генераторов, введенные в зацепление с нижней рейкой 18 нереверсивные шестерни 31 и шестерня 39, начнут вращение по часовой стрелке (при взгляде со стороны правых торцов генераторов) и, за счет правого направления вершин их зубцов 37 и 33, шарики или ролики 34 войдут в зацепления с закрепленными на торцах корпусов генераторов кольцами 38 и полуосью 40, продолжив предыдущее вращение статоров по часовой стрелке, а закрепленное на полуоси 40 зубчатое колесо 28 передаст вращение против часовой стрелки введенным с ним в зацепление шестерням 17, закрепленным на концах валов 16 роторов генераторов. Затем оба этих цикла повторяются.
Принцип работы генераторов в новом варианте установки на зубчатых рейках 2 и 43 (исполнение 4) отличается от предыдущего исполнения 1 лишь заменой в паразитном блоке нереверсивных шестерен 39, нереверсивными зубчатыми колесами 42, связанными со стороны нижней рейки 18 - с валом-шестерней 32, а со стороны верхней рейки 43 - с валом-шестерней 47. При этом ввод и вывод из зацепления зубчатых колес 42 полностью идентичен вводу и выводу из зацепления нереверсивных шестерен 39 в исполнении 1.
Таким образом, направление вращения роторов и статоров в любом исполнении, показанном на фиг.8, на любом этапе качания плавающего средства волнами, остается неизменным: роторов - против часовой стрелки, а статоров - по часовой стрелке.
Возможны также любые иные комбинации нереверсивных шестерен 30, 31, 39 и зубчатых колес 42 и установки реек 2 и 43 для исключения реверса роторов и статоров.
i
min
На фиг.9 показано дальнейшее развитие ряда предыдущих исполнений плавучих электростанций, у которых для предохранения ударов генераторов 1 о борта 4 корпуса 5 при качании их волнами, на основании 6 выполнены укороченные зубчатые рейки 48, а у бортов установлены направленные вверх зубчатые секторы 49 дуговой или криволинейной формы, которые являются продолжением зубчатых реек 48, а их высота превышает высоту h подъема генераторов по инерции при максимальной высоте волны, воспринимаемой плавающим средством. Для улучшения динамики входа генераторов с реек 48 на зубчатые секторы 49 и схода с них, криволинейная форма секторов может иметь переменный радиус кривизны, который плавно уменьшается от ∞ у рейки, до минимального r в верхней его части, равного радиусу входящих с ними в зацепление шестерен 17 и 27, или 30 и 31. Для исключения выхода этих шестерен из зацепления с зубьями секторов 49 при обратном ходе с верхней точки, с вершинами зубьев шестерен 17 или 30, или с концами валов 16 роторов могут быть введены в контакт дополнительные направляющие 50, установленные на концах секторов 49 и эквидистантные им. Для обеспечения зацепления шестерен 25 или 32, или 39 с рейками на криволинейных участках секторов, объединяющие валы 16 роторов и полуоси 29 или 40 паразитных блоков соединительные планки 51 выполнены разъемными, с сопряжением их заподлицо по выемкам 52 (исполнение 1) или внахлест соединительными планками 53, с крайними промежуточными шайбами 54 (исполнение 2), в т.ч. при установке пар генераторов в большем количестве, чем одна. Остальные конструктивные элементы электрических станций и генераторов аналогичны исполнениям, показанным на фиг.4, 5 и 6.
i
Принцип работы новых электростанций и генераторов при выработке электрического тока аналогичен предыдущему, отличия имеются лишь при движении генераторов на дуговых или криволинейных секторах 49 у бортов корпуса плавающего средства, на которых они гасят свою кинетическую энергию, полученную при качении вправо или влево, за счет потенциальной энергии подъема на высоту h. Вторым отличием является наличие гибкой связи соединительными планками 51 или 53, установленными между валами 16 пар генераторов и полуосями 29 или 40 паразитных блоков с шестернями 25, или 32, или 39, что позволяет им повторять при движении форму секторов 49 от входа, до выхода с него. При этом вход в зацепление со своими валами, полуосями и зубчатыми венцами, и выход из них шестерен 17, 30, 27, 31, 25, 32, 39 и зубчатых колес 28, 42 в любых вариантах комбинаций совпадает с предыдущими исполнениями, рассмотренными для фиг.4-6.
На фиг.10, для повышения общей мощности электрической станции, показаны варианты установки любых предыдущих исполнений генераторов 1 в трюмах корпуса 5 шириной b между стенками 4 плавающего средства на основании 6 и промежуточных палубах 55, на которых установлены парами зубчатые рейки 2 и упругие опорные элементы 19 (исполнение 1). При этом плавающее средство имеет возможность качания фронтом волн на угол ±α, а генераторы 1, валы 16 их роторов, установленные на них реверсивные 17 или нереверсивные 30 шестерни, а также установленные на корпусах статоров реверсивные 27 или нереверсивные 31 шестерни, с приводом их от реек или паразитных блоков с реверсивными 25 или нереверсивными 39 шестернями, связанными с реверсивными 29 или нереверсивными 42 зубчатыми колесами, установленными на полуосях 29 или 40, или связанных с реверсивными валами шестернями 32, установленными на планках 26, соединяющих эти полуоси и концы валов роторов, идентичны всем предыдущим вариантам исполнений, показанным на фиг.4-6.
iн
В исполнении 2 показана многопалубная или многоярусная компоновка генераторов 1, установленных на ширине b между бортами 4 на основании 6 корпуса 5 плавающего средства, качаемого фронтом волн на угол ±α, которая является развитием приведенного на фиг.9 варианта, с зубчатыми рейками 48 и их продолжением - направленными вверх зубчатыми секторами 49 дуговой или криволинейной формы, на концах которых закреплены эквидистантные их кривизне дополнительные направляющие 50, высота которых превышает высоту h подъема генераторов по инерции при максимальной высоте волны, воспринимаемой плавающим средством, а для сопряжения с этими секторами генераторов 1 и паразитных блоков, они гибко соединены между собой по осям планками 51 или 53.
iн
iв
iн
Отличием от исходного варианта (фиг.9) является установка верхнего яруса укороченных реек 56 с направленными вверх зубчатыми секторами 57 дуговой или криволинейной формы, являющихся продолжением зубчатых реек 56 с установленными на концах секторов 57 новыми эквидистантными им дополнительными направляющими 58 высота которых превышает высоту h подъема верхнего яруса генераторов 1 по инерции при максимальной высоте волны, воспринимаемой плавающим средством. При этом установка реек 56 верхнего яруса выполнена на перекрытиях 59, размещенных между торцами соседних рядов генераторов, а секторов 57 - на боковые упоры 60. Учитывая, что ход генераторов на рейках 56 верхнего яруса меньше хода генераторов на рейках 48 нижнего яруса, их инерция и высота подъема h будет меньше высоты h их подъема на нижнем ярусе. Остальные параметры совпадают с предыдущими исполнениями, показанными на фиг.4-6 и 9. На верхних ярусах возможно уменьшение размеров и количества генераторов.
Многоярусная и многопалубная установка генераторов возможна также для всех исполнений, показанных на фиг.2-9. Количество палуб, ярусов и генераторов может быть увеличено, в зависимости от размеров генераторов, корпуса плавающего средства и его остойчивости, при этом следует учесть, что установка реек и генераторов ниже метацентра корпуса плавающего средства уменьшает его качку волнами, а выше метацентра - увеличивает.
Принцип работы новых электростанций и генераторов (исполнение 1) при выработке электрического тока аналогичен предыдущим исполнениям, показанным на фиг.2-8, отличия имеются лишь при установке и движениях генераторов на верхних палубах 55, которые совпадают с принципом работы и их движениями на нижней палубе.
Принцип работы новых электростанций и генераторов (исполнение 2) при выработке электрического тока аналогичен предыдущему, показанному на фиг.9, в т.ч. исполнениям, показанным на фиг.2-8, отличия имеются лишь при установке и движениях генераторов на верхних ярусах, на которых их разгон и кинетическая энергия уменьшаются, по сравнению с генераторами нижнего яруса, за счет сокращения длины реек 56, в результате чего может быть адекватно уменьшена высота боковых секторов 57, однако характер работы генераторов верхнего яруса полностью совпадает с принципом их работы и движениями на нижней палубе.
На фиг.11 показано развитие всех предыдущих исполнений генераторов 1, конструкция которых упрощена за счет исключения паразитных блоков шестерен и зубчатых колес. Для этого в реверсивном варианте изготовления генераторов (исполнение 1) пары зубчатых реек 2 закреплены на основании 6 корпуса плавающего средства и введены зацепление снизу с шестернями 27, которые соосно закреплены с обеих сторон на торцах корпусов статоров 14, а одна зубчатая рейка 43 закреплена в корпусе плавающего средства над шестернями 17, закрепленными на концах валов 16 роторов и введена с ними в зацепление сверху, а связующая их планка 20 установлена с возможностью свободного вращения этих валов в ее отверстиях, и вместе с шестернями 27 или 17 может быть ограничителем осевых смещений генераторов при качании плавающего средства фронтом волн в направлении, неперпендикулярном к торцам зубчатых реек. Остальные конструктивные элементы электрических станций и генераторов аналогичны исполнениям, показанным на фиг.2, 9, 10.
В исполнении 2 показана еще более простая конструкция генераторов 1 и их установка в трюме корпуса плавучей электростанции, в которой чего количество нижних реек 2 сокращено до одной, введенной в зацепление с шестернями 27, закрепленными на одной из сторон торцов статоров 14, а на противоположных торцах статоров закреплены кольца или диски 61, которые установлены с возможностью качения на опорной планке 62, закрепленной на основании 6 трюма корпуса плавающего средства. При этом канавки 63, выполненные на этих кольцах или на дисках, и адекватные им выступы на головке опорной планки, могут служить ограничителями осевого смещения генераторов при качке плавающего средства волнами, неперпендикулярными к торцам зубчатых реек. Для вращения роторов генераторов в направлении, противоположном вращению статоров, на концах валов 16 роторов могут быть закреплены шестерни 17, над которыми в корпусе плавающего средства закреплена зубчатая рейка 43 и введена с ними в зацепление сверху. При этом одна из сторон канавки кольца может служить для статоров токосъемниками 64, которые введены в контакт с электропроводной шиной 65, установленной на опорной планке, при необходимой их изоляции прокладками 66 и 67. Генераторы могут быть объединены между собой в пары или в гирлянды связующими планками 20, которые надеты своими крайними отверстиями на концы валов 16 роторов с возможностью их свободного вращения в этих отверстиях. Для разделения потоков электрического тока при прямом и обратном качении генератора, канавка на диске может быть выполнена с зазором, который обеспечивает возможность сдвига генератора поперек этих реек и планки при качке корпуса плавающего средства фронтом волн, неперпендикулярным к их торцам, с адекватным этому сдвигу переменным контактом электродов диска и шин. При этом на обеих сторонах канавки диска закреплены изолированные токоотводящие кольцевые электроды, которые введены в контакт качения с установленными с двух сторон на опорной планке электропроводными шинами, изолированными от опорной планки прокладками.
Возможна также многопалубная или многоярусная установка таких генераторов, аналогично исполнениям, показным на фиг.9 и 10.
При работе в исполнении 1, генераторы 1, с введенными в зацепление с нижними рейками 2, шестернями 27 статоров, и с введенными в зацепление с верхними рейками 43, шестернями 17 роторов, при подъеме правого борта плавающего средства генераторы начнут на нижних рейках поступательное движение влево, а их шестерни 27 начнут вращение против часовой стрелки и приведут в такое же вращение статоры генераторов, а шестерни 17 и связанные с ними роторы начнут вращение по часовой стрелке, т.е. в противоположном статору направлении, что суммирует частоту их взаимного вращения и исключит реактивный момент между ними. При подъеме левого борта плавающего средства генераторы начнут поступательное движение вправо на нижних рейках 2, а шестерни 27, 17 начнут вращение в сторону, противоположную предыдущему их вращению и введут в такое же вращение статоры и роторы генераторов. Далее на волнах все эти циклы движений повторяются. При введении в зацепление с нижними рейками 2 шестерен 17 роторов, а с верхними рейками 43 - шестерен 27 статоров, все направления их вращения меняются на противоположные рассмотренным выше.
Принцип работы в исполнении 2 отличается от предыдущего только заменой с одной стороны торцов корпусов генераторов шестерен 27 на диски 61, а рейки 2 - на опорную планку 62, которые обеспечивают токоотвод.
На фиг.12 показаны нереверсивные варианты исполнения генераторов. В исполнении 1 генераторы 1 установлены сверху на пару закрепленных на основании 6 корпуса плавающего средства зубчатых реек 2, которые введены снизу в зацепление с нереверсивными шестернями 31, установленными в кольцах 38, закрепленных на обоих торцах корпусов статоров 14. Подобные пары зубчатых реек 43, закрепленные в корпусе плавающего средства сверху, ведены в зацепление с нереверсивными шестернями 30, установленными на обоих концах валов 16 роторов. Установка нереверсивных шестерен 30 и 31 в исполнениях 3 и 4, адекватных исполнениям 3 и 4, показанным на фиг.5, при этом с противоположных торцов они должны быть установлены зеркально симметрично. Возможна установка генераторов в пары или в гирлянды, за счет соединения концов валов роторов планками 26, а также многоярусная и многопалубная установка. Остальные конструктивные элементы генераторов аналогичны предыдущим исполнениям, показанным на фиг.5-10.
В исполнении 2 генераторов 1, одна пара зубчатых реек 2 закреплена на основании 6 корпуса плавающего средства снизу, а вторая пара зубчатых реек 43 закреплена в корпусе плавающего средства сверху введенных с ними в зацепление нереверсивных шестерен 30 и 31, выполненным в шахматном порядке для каждой из этих пар реек - с одной стороны торцов генераторов - с установленными на концах валов 16 роторов, а с противоположной стороны - с установленными на торцах корпусов статоров 14 в кольцах 38. При этом направление зубцов 33 в отверстиях шестерен 30 и зубцов 37 на ступицах 36 шестерен 31 должно быть взаимно противоположным (исполнения 3 и 4).
Для съема электрического тока, на одной из сторон статоров на кольцах 38 могут быть установлены кольцевые электроды 64, а на ближайшей к ним зубчатой рейке - токоотводящие шины 65, изолированные прокладками 66 и от колец 38 и прокладками 67 от рейки. Остальные конструктивные элементы генераторов аналогичны предыдущим исполнениям, показанным на фиг.5-10.
Принцип работы электрической станции и генераторов 1 отличается от предыдущего введением в зацепление в различных комбинациях, с нижней 2 и с верхней 43 парами зубчатых реек нереверсивных шестерен 30 и 31, обеспечивающих взаимно противоположное вращение роторов и статоров.
В исполнении 1, при подъеме правого борта корпуса плавающего средства генераторы 1 начнут на нижних рейках 2 поступательное движение влево, шестерни 31 начнут вращение против часовой стрелки, а шестерни 30, введенные в зацепление с верхними рейками 43, начнут вращение по часовой стрелке. При этом с правых сторон генераторов, шестерни 31, за счет правого направления вершин зубцов 37, выполненных на их ступицах 36, и шестерни 30, за счет правого направления зубцов 33, выполненных в их отверстиях, выйдут из зацепления с кольцами 38 статоров и с концами валов 16 роторов, а зеркально установленные с левых сторон генераторов шестерни 31 и 30 - войдут в зацепление с кольцами статоров и с концами валов роторов, придав вращение статору против часовой стрелки, ротору - по часовой. При подъеме левого борта корпуса плавающего средства генераторы 1 начнут на нижних рейках 2 поступательное движение вправо, шестерни 31 начнут вращение по часовой стрелке, а шестерни 30, введенные в зацепление с верхними рейками 43, начнут вращение против часовой стрелки, что обеспечит им зацепление со статором и с концами валов в порядке, обратном предыдущему, и они продолжат вращение статора против часовой стрелки, а ротора - по часовой. Далее на новых волнах все эти циклы движений повторяются.
В исполнении 2, пары нижних 2 и верхних реек 43, установленные в шахматном порядке с противоположных торцов генераторов 1, и зеркально симметрично введенные в зацепление с нереверсивными шестернями 31 и 30, установленными в закрепленных на торцах корпусов статоров кольцах 38 и на концах валов 16 роторов, при подъеме правого борта корпуса плавающего средства обеспечат генераторам поступательное движение на нижних рейках влево. При этом введенные в зацепление с нижними рейками нереверсивные шестерни 31 и 30 начнут вращение против часовой стрелки и, за счет правого направления вершин зубцов 37 на ступицах 36, введут в зацепление шарики 35 с отверстием закрепленных на торцах корпусов генераторов колец 38, и приведут во вращение против часовой стрелки статоры, а шестерни 30, за счет правого направления вершин зубцов 33 в их центральных отверстиях, выведут из зацепления шарики 35 с наружной поверхностью концов валов 16 роторов и не будут их вращать. Введенные в зацепление с верхними рейками 43 нереверсивные шестерни 31 и 30 начнут вращение по часовой стрелке и, за счет правого направления вершин зубцов 37 выполненных на их ступицах 36, выведут из зацепления шарики 35 с отверстием закрепленных на торцах корпусов генераторов колец 38, не препятствуя прежнему вращению против часовой стрелки статоров, а шестерни 30 за счет правого направления вершин зубцов 33 в их центральных отверстиях, введут в зацепление шарики 35 с наружной поверхностью концов валов 16 роторов и обеспечат их вращение по часовой стрелке. При подъеме левого борта корпуса плавающего средства генераторы 1 начнут на нижних рейках поступательное движение вправо, шестерни 30 и 31 начнут вращение в направлениях, противоположных предыдущим, поэтому введут и выведут из зацепления со своими статорами и роторами в порядке, противоположном предыдущему и они продолжат вращение статора против часовой стрелки, а ротора - по часовой. Далее на новых волнах все эти циклы движений повторяются.
Для увеличения частоты вращения роторов и/или статоров, внутри и/или снаружи корпусов генераторов могут быть дополнительно установлены блоки зубчатых колес или редукторы.
Для исключения превышения допустимых скоростей относительного вращения роторов и статоров, между ними и зубчатыми рейками могут быть установлены инерционные центростремительные или центробежные тормоза, или тормоза иных конструкций, в т.ч. с электронным управлением.
Все приведенные исполнения генераторов могут быть выполнены при продольной их установке в корпусе плавающего средства.
Совокупность всех перечисленных признаков у приведенных на фиг.1…12 исполнений генераторов и вариантов их установки в электростанциях, позволяет характеризовать их, как неизвестные ранее технические решения, неочевидные из базового уровня развития техники. Реализация их возможна в условиях реального промышленного производства, поскольку конструкции секторов роторов, генераторов и систем их установки аналогичны известным, они лишь имеют иные размеры и приспособлены к новым условиям их установки и работы. При этом все исполнения роторов, генераторов и их размещение в трюмах корпуса плавающего средства, являются развитиями предыдущих вариантов исполнений, логически вытекающими друг из друга, что обеспечивает единство замысла предлагаемой заявки на изобретение. Таким образом, возможна классификация всех предложенных в данной заявке технических решений, как изобретений, отвечающих всем предъявляемым к ним требованиям.
Все предлагаемые исполнения генераторов и варианты их установки на плавающем средстве позволяют обеспечить стабильное качение и вращение статоров относительно роторов, в зависимости от частоты и амплитуды колебания плавающего средства волнами. При этом обеспечивается высокая мощность каждого генератора за счет высокой частоты вращения статора и ротора и линейной скорости, обусловленной их большими размерами, и за счет большого количества воспроизводящих электрический ток элементов, что улучшает показатели работы генератора при высокой надежности всей системы и обеспечивает положительный эффект от их применения.
Реальные варианты исполнения предлагаемых волновых электрических станций и генераторов возможны при любом виде и размерах их базовых конструкций, что облегчает их выбор, проектирование и изготовление. Отличия имеются лишь в установке в трюмах плавающих средств зубчатых реек, с которыми введены в зацепление роторы и статоры, через шестерни, зубчатые колеса и обгонные механизмы, параметры которые вытекают из реальных размеров используемых для электрических станций генераторов, плавающих средств и условий их работы.
г
г
г
-1
Пример конкретного исполнения предлагаемой электрической станции рассмотрен на базе фиг.10 и 14 (исполнения 2, 1),с многоярусной установкой генераторов СГ-200, высотой h=1,38 м, шириной b=1,5 м, длиной l=1,67 м, массой 3,4 т и мощностью 200 кВт при частоте вращения 500 мин.
в
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mn>0,17</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>4</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,4</mn><msqrt><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
Считаем, что для плавучей прибрежной электростанции килевая качка предпочтительна, т.к. облегчает удержание ее якорями, а до увода в укрытие она выдерживает высоту волн до 7 м. Морские волны высотой h от 1 до 7 м имеют:
длину м или от 10,6 до 142 м, полупериоды колебаний
или от 1,3 до 4,8 с.
к
в
в
в
в
к
Для реализации всего энергетического потенциала этих волн принимаем длину корпуса электростанции L=70 м, ширину 24 м, высоту борта 10 м, осадку 6 м (большие размеры корпуса нецелесообразны, т.к. снижают его чувствительность к качке), длину 4-х трюмов по 15 м, высоту 8 м. При килевой качке корпуса волнами и его равномерной загрузке периоды τ качки будут одинаковыми с волновыми, а угол α наклона корпуса относительно точки центра его тяжести составит α≈arctg(2h/L), или от 1,64° до 11,31°.
к
p
с
р
к
к
p
к
р
к
Потенциальная энергия подъема и опускания генераторов во всех трюмах одинаковой длины - одинаковы, т.к. зависит от разности высот, т.е от углов ±α, а не от номинальных высот подъемов и опусканий трюмов, размещенных вдоль оси корпуса. При длине трюмов l=15 м, высоте зубчатых реек h=0,5 м, длине и высоте боковых криволинейных секторов l=0,5 м длина прямолинейных участков реек составит: l=15-2×0,5-2×0,5=13 м, а разность высот при их наклоне на угол α составит: h=ltgα, или от 0,37, до 2,6 м. Потенциальная энергия при подъеме на эту высоту 1 генератора массой 3,4 т составит величину: Е=mgh, или от 12,3 до 86,6 кДж за 1 наклон корпуса, которая затем переходит в кинетическую энергию вращения ротора и статора с учетом потерь на трение 2%, и в электрическую энергию, с учетом кпд генераторов η=0,9, что адекватно мощности:
pmin
N≈0,98×0,9×12,3 (кДж)/1,3(с)≈8,35 (кВт),
pmax
N≈0,98×0,9×86,6 (кДж)/4,8(с)≈15,9 (кВт).
-1
-1
max
pmin
pmax
ш
ш
ш
pmax
pmax
ш
Такую мощность исходные генераторы развивают при уменьшении количества их оборотов в секунду до величин: νmin≈500/60×8,35/200≈0,35 с, ν≈500/60×15,9/200≈0,66 с. За период в 2×1,3 и 2×4,8 с, роторы совершат рабочие числа оборотов: ν≈0,35×2×1,3≈0,91 об, ν≈0,66×2×4,8≈6,3 об. Тогда, при делительном диаметре нереверсивных шестерен d=200 мм и их модуле m=10 мм, или 0,01 м, количество зубьев составит z=d/m=20 шт, а максимальный путь, который генератор пройдет по зубчатой рейке за 6,3 оборота, составит: l=πmνz=π×0,01×20×6,3=4 м.
pmin
pmax
На длине 13 м прямолинейного участка рейки можно расположить в гирлянду генераторы в количестве: n=13/1,5=9 штук, что приведет к их суммарной мощности: N=9×8,35=75,1 кВт, N=9×15,9=143 кВт.
mах
u
max
2
2
Общая масса 9 генераторов составит 9×3,4=30,6 т, с учетом шестерен и связующих звеньев ≈35 т, что обеспечивает им избыток энергетической энергии Е=mυ/2=35(3,1/4,8)/=7,3 кДж, который при переходе ее в потенциальную, обеспечит возможность подъема крайнего генератора на высоту h=E/mg=7,37(35×9,8)=0,021 м. Выход крайних генераторов на боковые криволинейные участки реек погасит их избыточную энергию при высоте волн до 7 м, а при высоте волн более 7 м электрическую станцию следует укрыть в бухте.
min
чmax
Общая мощность электростанции. В одноярусной компоновке при высоте реек 0,6 м, диаметре шестерен 0,2 м и высоте генераторов 1,38 м, высота яруса составит 1,4 м, однако для удобства обслуживания генераторов высота ярусов может быть принята 2 м. Тогда в трюме высотой 8 м может быть размещено 4 яруса. При длине генераторов 1,67 м и ширине проходов между ними 0,57 м, в трюмах шириной 23 м может быть размещено 10 рядов таких генераторов по 9 штук в каждом, а на 4 ярусах может быть размещено по 360 таких генераторов в каждом из 4-х трюмов. Тогда их общая мощность составит: минимальная - ∑W=360×4×8,35=12024 (кВт), максимальна ∑W=360×4×15,9=22896 (кВт).
При размещении предлагаемых электростанций в районах стабильного волнения моря со среднегодовой высотой волн от 3 до 7 м, их максимальная мощность в 22,9 МВт реализуется на 70%, что составляет весьма высокий энергетический потенциал ≈16 МВт. Полученные данные подтверждают целесообразность широкого внедрения подобных электрических станций и являются основой для их изготовления.
Расчет экономической эффективности предлагаемой электростанции показал, что при 24 часах ее работы в сутки, в течение года (или 365 суток), она позволяет выработать около 140000 МВт/ч, электроэнергии. При средней стоимости 1 кВт/ч электроэнергии 0,1 $, это обеспечит средний доход около 14 млн. $, что при средней стоимости такой электростанции около 25 млн. $, позволяет получить прибыль на второй год ее эксплуатации. По сравнению с ветровыми электрическими станциями такой же мощности, занимаемая ими площадь меньше в 5 раз, при этом они не занимают площадей на суше.
Предлагаемые гидроволновые электростанции и новые электрические генераторы позволяют полностью вытеснить все имеющиеся атомные и тепловые электростанции для выработки электрической энергии во всем мире, что при нынешнем ее среднегодовом потреблении ≈3500 млрд. кВт/ч, обеспечит годовой экономический эффект до 300 млрд. $, который может быть полностью получен через 10 лет, при производстве по 2000 штук таких электростанций в год. С учетом роста мировой потребности в электрической энергии, далее годовой эффект увеличится до 700 и более млрд. $ в год.
Кроме этого обеспечивается экономический эффект за счет сокращения затрат на добычу и транспортировку нефти и газа, а также на производство ядерного топлива, строительство и эксплуатацию электростанций с большим количеством дорогостоящих систем (котлов, парогенераторов, турбин и т.д.), требуемых для выработки электроэнергии, и на утилизацию их отходов, что дополнительно снижает экологическое давление на окружающую среду и фактически удваивает сумму получаемого экономического эффекта.
Совокупность приведенных данных подтверждает целесообразность широкого применения предлагаемых электрических станций.
В настоящее время ведется подготовка к изготовлению партии таких экспериментальных генераторов и плавающих средств на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.