Гидроэнергетическая установка с роторным преобразователем

Полезная модель относится к устройствам альтернативных источников в области гидроэнергетики и может быть использована для преобразования энергии волн или течения в реках, приливах для получения электроэнергии.
Известны устройства для преобразования течения воды или волн и приливов в электроэнергию с использованием различных механических устройств (поршни, турбины, рычаги и др.) (например, по а.с. №178338, №868097) Недостатки подобных устройств состоят в значительных потерях энергии в устройствах преобразования, что определяет их низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.).
Известны устройства получения гидроэнергии с использованием пьезоэлементов (а. с.№ 1208297, бюл. №4 от 30.01.86г.; а.с. № 1209917 бюл. №5 от 07.02.86г.). Недостатком данных устройств является низкий к.п.д. за счет реализации обратного пьезоэффекта.
Известно устройство (Гидроэнергетическая установка. Патент на полезную модель №183125 (бюл. №26 от 11.09.2018г.), в котором, для увеличения к.п.д. использован гидродинамический излучатель пластинчатого типа. Данное устройство принято нами за протопит. Основные недостатки прототипа следующие. Использование пластинчатых излучателей ограничивает поле кавитационных вихрей только боковыми поверхностями плоских излучателей, и позволяет снимать электрический ток только с пьезоэлементов, расположенных на боковых поверхностях стен водовода. Такое расположение пьезоэлемнтов ограничивает получение электрической мощности с устройства и снижает к.п.д. установки.
Для получения более высоких значений получаемой электрической энергии предложена гидроэнергетическая установка, содержащая водяной накопительный резервуар, напорный водовод, установленный в нем с образованием кавитационного тракта преобразователь энергии с пьезоэлементами, защищенными эластичной водонепроницаемой оболочкой, согласно полезной модели, преобразователь энергии выполнен в виде гидродинамического преобразователя, включающего ротор и статор с корпусом, снабжен гидрогенератором и выходным кольцом с силовыми спицами, при этом в корпусе установлены пьезоэлементы, перед входом в кавитационный тракт установлены поворотные лопасти, а перед ротором на его валу установлены профилированные лопасти.
Кроме того, лопасти выполнены профилированными по направлению поворотных лопастей. Вал ротора преобразователя выполнен с возможностью вращения ротора гидрогенератора. Корпус статора преобразователя зафиксирован в кольцевом пазу силовых спиц выходного кольца.
Предложенное устройство представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, где:
фиг. 1 - общий вид,
фиг. 2 - сечение роторного преобразователя,
фиг. 3 - поперечное сечение,
фиг. 4 - сечение А-А,
фиг. 5 - поворотные лопасти кавитационного тракта,
фиг. 6 - профилированные аэродинамические лопасти ротора,
фиг. 7 - узел I - соединение статора с выходным кольцом.
Здесь: 1 - резервуар, 2 - напорный наклонный кольцевой водовод, 3 - силовые входные спицы, 4 - поворотные лопасти кавитационного тракта, 5 - корпус узла преобразователя, 6 - пьезоэлементы, 7 - электрические выводы с пьезоэлементов, 8 - статор преобразователя с отверстием «В», 9 - выходное кольцо со спицами, 10 - электрические выводы с гидрогенератора, 11 - гидрогенератор, 12 - патрубок отвода, 13 - узлы вращения задние, 14 - заднее днище ротора, 15 - ротор преобразователя с отверстиями «а», 16 - вал, 17 - эластичная водонепроницаемая оболочка, 18 - профилированные аэродинамические лопасти, 19 - узлы вращения передние, 20 - наконечник, 21 - кольцо, 22 - кавитационный тракт.
Предложенная установка содержит резервуар 1, в котором накапливается вода (приливы, течение рек, волновые процессы). От резервуара 1 отходит напорный наклонный кольцевой водовод 2, имеющий сужающуюся конфузорную форму, позволяющую увеличивать скорость воды при входе в корпус узла преобразователя 5. При входе в корпус 5 поток воды разделяется. Часть воды проходит через поворотные лопасти 4 кавитационного тракта 22 и по спиральной траектории движется по кавитационному тракту внутри корпуса узла преобразователя 5, на внутренней поверхности которой закреплены пьезоэлементы 6, покрытые эластичной водонепроницаемой оболочкой 17. От пьезоэлементов 6 отходят электрические выводы 7 (отдельно на фигурах не показаны). Другая часть воды проходит через силовые входные спицы 3, которые имеют обтекаемую форму, спицы 3 одним концом закреплены со статором преобразователя 8, на котором имеются отверстия «в», а другим концом связаны с кольцом 21, внутри которого расположен узел вращения 19. Кольцо 21 вместе с узлом вращения 19 находится внутри наконечника 20, имеющего обтекаемую форму. Поток воды, проходит через входные спицы 3 поступает в зону профилированных аэродинамических лопастей 18, которые начинают раскручивать вал 16, который вращается в узлах вращения 19 и 13. Вращение вала 16 приводит во вращение ротор преобразователя 15, имеющего отверстия «а». Внутренняя часть полости ротора 15 закрыта задним днищем ротора 14. Корпус узла преобразователя 5 опирается на выходное кольцо 9, которое в зоне гидравлического тракта имеет силовые спицы обтекаемой формы (сеч. А-А, фиг. 8). Внутренняя часть кольца 9 имеет отверстие для прохода вала 16 и установление узла вращения заднего 13. На выходе из кольца 9 вал 16 связан с гидрогенератором 11, от которого имеются электрические выводы 10. По наружному диаметру внутренней части кольца 9 имеется кольцевой паз для фиксации корпуса статора преобразователя 8. К корпусу узла преобразователя 5 крепится патрубок отвода 12.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Накопленная в резервуаре 1 вода, за счет разницы уровней устремляется вниз по наклонному кольцевому водоводу 2, где ускоряется за счет сужения канала и попадает в корпус узла преобразователя 5. Часть воды проходит через поворотные наклонные лопасти 4 и, двигаясь по кавитационному тракту 22, приобретает спиральную траекторию. Организация спиральной траектории течения воды позволяет турбулизировать течение, что интенсифицирует процессы кавитации. Кроме того, спиральная траектория удлиняет путь движения воды в кавитационном тракте и это увеличивает энергоотдачу пьезоэлементов. Одновременно с этим, другая часть воды проходит через входные спицы 3 с обтекаемой формой и натекает на профилированные аэродинамические лопасти 18. Обтекание водой лопастей 18, имеющих аэродинамический профиль, приводит к возникновению на лопатках подъемной силы и обуславливает интенсивное вращение вала 16, на котором закреплены лопасти 18. Вращение вала 16 вызывает интенсивное вращение ротора 15,закрепленного на валу 16. Внутренняя полость ротора 15 закрыта задним днищем 14, и поступившаяся жидкость начинает истекать через имеющиеся отверстия «а». Вокруг ротора 15 расположен статор преобразователя 8, закрепленный неподвижно со спицами 3 и задним днищем 8. На статоре 8 имеются отверстия «в». При вращении ротора 15 происходит быстрое чередование совмещения и несовмещения отверстий «а» и «б», вследствие чего, в жидкости, истекающей в полость, где по спиральной траектории течет вода после наклонных лопастей 4, возникающие скачки давлений образуют кавитационные полости. Возникающие скачки давления фиксируются пьезоэлектрическими элементами и снимаются электрические потенциалы с электрических выводов 7. Пьезоэлементы 6 защищены от воздействия воды эластичной водонепроницаемой оболочкой 17. Вал 16, вращающийся в узлах вращения 19 и 13 за счет действия сил на лопастях 18 проходит через отверстие выходного кольца 9 и передает вращение гидрогенератору 11, который вырабатывает электроэнергию и передает ее через электрические выводы 10. Движение воды после кавитационного тракта осуществляется через спицы выходного кольца 9 и удаляется через патрубок отвода 12. Таким образом, используя предложенную гидродинамическую установку, можно получать экологическую электроэнергию, использую как пьезоэлементы, так и гидротурбину.