ВОДНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
WATER POWER DEVICE

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к использованию потенциальной энергии накопленной в емкости воды, спускаемой по наклонной плоскости, и преобразованию ее в другие виды энергии, преимущественно в электрическую.
Известен преобразователь ветра и волн (Алиев А.С., Алиева Б.З. Преобразователь энергии ветра и волн, патент РФ №2254494 от 10092003 г., F03Д 5/04), который содержит связанные с помощью рычагов вращающейся платформы. На каждой платформе установлена лопасть. Преобразователь энергии содержит также кинетически связанные преобразователь движения и узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, взаимодействующий с флюгером.
Преобразователь движения через мультипликатор подключен к электрогенератору.
К недостаткам известного преобразователя энергии можно отнести сложность конструкции преобразователя и невозможность его применения на суше.
Известен также преобразователь энергии волн (Алиев А.С., Алиев Р.А. «Преобразователь энергии волн», патент РФ №230063 от 22.11.2005 г., F03B 13/12), который может быть указан в качестве ближайшего аналога изобретения (прототипа).
Прототип содержит кинетически связанные стойку, поплавковые камеры, раму, вал, мультипликатор и генератор. Кроме того, преобразователь дополнительно содержит взаимодействующие друг с другом второй вал, первую и вторую шестерни и не менее двух преобразователей движения.
При этом каждый преобразователь движения содержит вертикальный шток, установленный с возможностью вертикальных колебаний. На верхнем конце штока установлен первый блок, а нижнем - третья звезда, взаимодействующая с первым и вторым поплавками камерами.
В качестве недостатка прототипа можно указать конструктивную сложность преобразователя движения и невозможность его применения на суше для преобразования потенциальной энергии накопленной в емкости воды.
Техническая задача заключается в создании преобразователя энергии, преобразующего потенциальную энергию накопленной в емкостях воды, спускаемых по наклонной плоскости или по вертикали, в электрическую энергию.
Данная техническая задача решается путем создания принципиально новой конструкции водного энергетического устройства, которое содержит взаимодействующие друг с другом платформу, мультипликатор, электрогенератор, первый и второй валы, на которых установлены соответствующие шестерни, обгонные муфты и звезды, взаимодействующие с цепью, кроме того устройство дополнительно содержит первую и вторую емкости, связанные друг с другом цепью и снабженные выпускными водяными клапанами и установленные на соответствующих тележках с возможностью возвратно-поступательного движения. При этом в верхних точках емкости взаимодействуют с соответствующими вновь введенными впускными водяными клапанами и узлами фиксации положения, а в нижних точках - с концевыми упорами.
Во втором варианте водного энергетического устройства на первом и втором валах устанавливаются N-е количество обгонных муфт со звездами, взаимодействующих через цепи с соответствующими парами емкостей, установленных с возможностью совершения возвратно-поступательного движения по наклонным направляющим и взаимодействующих с соответствующими впускными водяными клапанами и узлами фиксации положения.
Принцип работы водного энергетического устройства (ВЭУ) поясняется чертежами, приведенными на фиг.1-6.
На фиг.1 представлен вид В-В по фиг.2 с торца на конструкцию ВЭУ,
где 1 - стойки наклонные;
2 - платформа;
3, 4 - первая и вторая емкости;
5, 6 - первая и вторая тележки;
7 - цепь;
8 - первый (основной) вал;
9 - второй (дополнительный) вал;
10, 11 - первая и вторая обгонные муфты;
12, 13 - первая и вторая звезды;
14, 15, 16 - первая, вторая и третья шестерни;
17 - ось вращения;
18, 19 - выпускной и впускной водяные клапаны;
20 - узел фиксации;
21 - защелка;
22 - поплавок;
23 - упор концевой;
24 - первые кронштейны;
25 - водопроводы.
На фиг.2 представлен вид А-А ВЭУ по фиг.1,
где позиции 1-25 те же, что на фиг.1;
26, 27 - третья и четвертая звезды, установленные на соответствующих обгонных муфтах;
28 - вторая цепь;
29, 30 - третья и четвертая емкости;
31 - второй водопровод;
32 - маховик;
33 - мультипликатор;
34 - электрогенератор.
На фиг.3 представлены в разрезе конструкции водяных клапанов 18, 19 и емкости 3 (4),
где позиции 1-21 те же, что на фиг.1;
35 - перемычка;
36 - верхний и нижний диски;
37 - стержень;
38 - резиновая прокладка;
39 - пружина;
40 - ролики;
41 - кронштейны вторые;
42 - сливное отверстие;
43 - рычаг;
44 - крючок.
На фиг.4 представлена конструкция третьего варианта ВЭУ,
где 54, 55 - третий и четвертый валы;
56, 57 - третья и четвертая обгонные муфты;
58, 59 - третья и четвертая звезды;
60, 61 - четвертая и пятая шестерни;
62 - третья цепь;
63 - кронштейны.
На фиг.5 представлен вид С на конструкцию третьего варианта ВЭУ по фиг.4,
где позиции 54-63 те же, что на фиг.4;
64 - мультипликатор;
65 - маховик;
66 - электрогенератор.
На фиг.6 представлена конструкция горного варианта ВЭУ, где горизонтальная платформа 67 закреплена на вершине горы.
Позиции 3-22 те же, что на фиг.1;
68 - крючки вторые;
69 - крюки;
70, 71 - первый и второй тросы;
72, 73 - первый и второй барабаны;
74 - третий рабочий трос;
75 - подвесные ролики.
Водное энергетическое устройство, представленное на фиг.1 и 2, функционирует следующим образом.
Горизонтальная платформа 2 установлена на определенной высоте с помощью не менее двух наклонных пар стоек 1. Одновременно они служат направляющими для роликов 40, на которых катаются первая 5 и вторая 6 тележки. На указанных тележках неподвижно закреплены соответствующие емкости для воды 3 и 4.
Верхние торцы емкостей открыты для набора воды. Поперек открытому торцу емкости неподвижно установлена перемычка 35. Цепь 7 связывает первую 5 и вторую 6 тележки друг с другом. Длина цепи подбирается такой, чтобы выпускной 18 и впускной 19 водяные клапаны сработали одновременно. Цепь кинематически связана с первой 12 и второй 13 звездами. Данные звезды установлены неподвижно на обоймах первой 10 и второй 11 обгонных муфт соответственно. При этом ступица первой муфты неподвижно установлена на первом (основном) валу 8, а ступица второй муфты - на втором (дополнительном) валу 9.
Обгонные муфты и кинематическая связь с помощью цепи 7 осуществляется так, что ведущими становятся по очереди то первый 8, то второй 9 вал.
В сцепление со ступицей входит обойма второй обгонной муфты 11, ведущим становится второй вал 9.
Для сохранения постоянного направления вращения валов 8, 9 на них неподвижно установлены соответствующие шестерни 14 и 15. Шестерни имеют одинаковые размеры и число зубьев и находятся постоянно в сцеплении с третьей шестерней 16, свободно вращающейся на оси 17.
Емкости 3, 4 неподвижно закреплены на соответствующих тележках 5 и 6 и катятся на роликах 40 во взаимно противоположных направлениях. Наклонные стойки могут быть выполнены из металлических уголков. При этом прямоугольные ребра двух параллельных стоек служат направляющими для двух пар роликов, шарнирно установленных с помощью вторых кронштейнов 41 на соответствующих тележках.
Перемычки 35, неподвижно установленные на верхних торцах емкостей 3 и 4, служат для взаимодействия с впускными водяными клапанами 18. Цепь 7 соединяет первую и вторую тележки друг с другом.
Когда полная вторая емкость 4 опускается вниз, цепь 7 с помощью первой обгонной муфты 10 приводит во вращение первый (основной) вал 8 против часовой стрелке. При этом обойма второй обгонной муфты 11 и установленная на ней вторая звезда 13 крутятся вхолостую.
Однако из-за сцепления шестерни 14, 15, 16 дополнительный вал 9 крутится против часовой стрелки.
При взаимодействии выпускного клапана 19 с концевым упором 23 клапан открывается и вода сливается из второй емкости 4 полностью.
Одновременно происходит взаимодействие перемычки 35 первой емкости 3 с соответствующим впускным клапаном 18. Впускной клапан открывается и происходит заполнение первой емкости. К моменту полного заполнения верхней емкости нижняя емкость должна быть пуста.
Для удержания неподвижного положения верхней емкости до полного его заполнения служит узел фиксации 20, который состоит из защелки 21, связанный с поплавком 22 с помощью рычага 43 (см. фиг.3). Защелка 21 шарнирно связана с платформой 2. Под весом поплавка и рычага наконечник его входит в сцепление с крючком 44. Крючки неподвижно установлены на стенке внутренней полости каждой емкости.
Узел фиксации удерживает открытое положение впускного водяного клапана до полного заполнения емкости. После заполнения емкости водой до установленного уровня поплавок 22 поднимается вверх и с помощью рычага 43 выводит наконечник защелки 21 из сцепления с крючком 44.
После этого происходит откат заполненной первой емкости 3 вниз. После чего впускной клапан 18 под воздействием пружины 39 закрывается.
При этом цепь 7 перемещается в обратном направлении. Теперь в сцепление входит вторая обгонная муфта 11. Ведущим становиться второй вал 9, который крутится против часовой стрелки. Причем третья шестерня 16 вращается по часовой стрелке и приводит во вращение первую шестерню 14 против часовой стрелки. Таким образом, первый вал 8 сохраняет прежнее свое направление вращения - против часовой стрелки.
Следовательно, независимо от направления перемещения цепи, т.е. независимо от того, какая из емкостей, наполненных водой, находится в рабочей фазе, направление вращения первого (основного) вала 8 сохраняется постоянным.
Мощность энергетического устройства зависит от объема воды в емкости и радиуса звезд и наклона стоек. КПД устройства определяется рабочим ходом емкости по наклонной плоскости. Чем больше рабочий ход емкости, тем меньше расход воды и выше КПД.
Для увеличения мощности устройства необходимо параллельно включить N-e количество однотипных преобразователей энергии, представленных на фиг.1. При этом выходной вал 8 является общим для всех преобразователей (см. фиг.2).
Для повышения синхронности вращения общего вала 8 работа однотипных преобразователей смешается по фазе, т.е. время заполнения емкостей запараллеленных преобразователей смещается во времени. Кроме того, на выходном валу 8 устанавливается маховик 32.
На фиг.2 приведена конструкция водного энергетического устройства, где запараллелена работа двух преобразователей.
На первом 8 и втором 9 валах дополнительно установлены третья 24 и четвертая 25 звезды с соответствующими обгонными муфтами.
Аналогично первой цепи 7 вторая цепь 28 взаимодействует с третьей и четвертой звездами и связывает третью 29 и четвертую 30 емкости друг с другом. Время заполнения емкостей 29, 30 смешено относительно времени заполнения первой 3 и второй 4 емкостей.
Независимо от числа запараллеленных преобразователей движения для сохранения постоянного направления вращения выходного вала используется только три шестерни 14, 15, 16.
Маховик 32 может быть установлен на общем выходном валу 8 или после мультипликатора 33. Если массивный маховик установить на выходе мультипликатора, то существенно повысится синхронность работы электрогенератора 34. Мультипликатор 33 служит для повышения скорости вращения выходного вала 8 до номинальной скорости вращения электрогенератора 34.
Подбирая вместимость емкостей, параметры звезд и шестерен, длину и наклон направляющих, а также число параллельно работающих преобразователей, возможно достичь необходимую номинальную мощность и скорость вращения электрогенератора 34.
На фиг.3 представлена конструкция узла фиксации 20 верхнего положения емкости, а также впускного 18 и выпускного 19 водяных клапанов. Защелка 21 жестко связана рычагом 43 с поплавком 22. После перехода порожной емкости в верхнее положение под весом поплавка, рычаг 43 прижимает наконечник защелки 21 к внутренней стенке емкости. При этом наконечник защелки зацепляется за крючок 44 и фиксирует таким образом верхнее положение емкости. При этом перемычка 35 давит на диск 36 впускного водяного клапана 18, в результате чего пружину 39 и через стержень 37 приподнимает верхний диск 36 с наклеенной резиновой прокладкой 38. Через открытый клапан вода поступает в емкость. Это продолжается до того момента, пока поплавок 22 не выведет защелку 21 из сцепления с крючком 44.
Выпускной водяной клапан 19 имеет такую же конструкцию, как впускной 18. В верхнем положении емкости под воздействием пружины 39 клапан 19 закрыт. Тележки 5, 6, на которых закреплены емкости 3, 4, свободно катятся на роликах 40 по направляющим ребрам уголков наклонных стоек 1. Вторые кронштейны 41 обеспечивают крепление роликов к тележкам с возможностью свободного их вращения.
Третий вариант водного энергетического устройства, представленный на фиг.4, отличается от первого варианта (фиг.1 - фиг.3) кинематическими схемами взаимодействия четвертого троса 62 с третьей и четвертой звездами, расположением валов 54,55 и четвертой 60 и пятой 61 шестерен.
Третий 54 и четвертый 55 валы установлены по одной горизонтали в плоскости, параллельной платформе 2. Ступицы третьей 56 и четвертой 57 обгонных муфт установлены неподвижно на третьем 54 и четвертом 55 валах соответственно. На обоймах обгонных муфт 55, 57 неподвижно установлены соответствующие звезды 58 и 59.
Третья 58 и четвертая 59 звезды взаимодействуют с третьей цепью 62. Обгонные муфты 56, 57 установлены на валах 54, 55 так, что звезды 58, 59 взаимодействуют с соответствующими валами по очереди. Когда цепь 62 двигается влево, в сцеплении находится третья обгонная муфта 56. А когда цепь двигается вправо, в сцепление входит четвертая обгонная муфта 57.
Пятая и шестая 61 шестерни, установленные на валах 54, 55, постоянно находятся в сцеплении друг с другом. Шестерни имеют одинаковые размеры и число зубьев. Такая кинематическая связь обеспечивает постоянно направления вращения валов 54 и 55 независимо от направления перемещения цепи 62.
На фиг.5 показан вид С на конструкцию третьего варианта ВЭУ.
Кронштейны 63 обеспечивают параллельную установку валов 54, 55 относительно платформы 2, на которой монтируются все элементы конструкции устройства. Вращение от основного (четвертого) вала 55 передается на мультипликатор 64. Мультипликатор повышает скорость вращения выходного вала до номинальной скорости вращения электрогенератора 66.
Для повышения синхронности вращения электрогенератора на выходном валу мультипликатора устанавливается массивный маховик 65. В остальном принцип работы третьего варианта ВЭУ на фиг.5 и фиг.6 совпадает с принципом работы первого варианта ВЭУ, конструкция которого представлена на фиг.1-фиг.3.
На фиг.6 представлен горный вариант водного энергетического устройства. Горизонтальная платформа 67 крепиться на большой высоте, так чтобы вода самотеком шла по водопроводам 17 до впускных клапанов 18.
Принцип работы горного варианта энергетического устройства полностью совпадает с принципом работы первого варианта устройства, представленного на фиг.1-3. Отличие заключается в том, что емкости перемещаются вверх-вниз по натянутым тросам 70, 71. Указанные тросы натянуты под определенным углом между крючками 68, закрепленными на платформе 67, и крюками 69, забитыми в подножье горы. Емкости подвешены на тросах 70, 71 на подвесных роликах 75. Кроме того, каждая пара тележек, на которых установлены емкости, связаны друг с другом рабочим третьим тросом 74. При этом третий трос взаимодействует и приводит во вращение первый 50 и второй 51 барабаны, установленные на обоймах соответствующих муфт 10 и 11, взамен звезд 12 и 13. Для исключения прокручивания троса 52 на каждый барабан наматывается два-три витка.
При необходимости и в горном варианте можно применить цепь взамен троса 74, а барабаны 72, 73 заменить звездами, как в первом варианте (фиг.1).
Водяное энергетическое устройство необходимо пограничникам, фермерам, связистам и т.д. как автономный источник энергии там, где нет централизованного электроснабжения.