ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ
ENGINE FOR FLUID UTILISATION

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для утилизации энергии текущей среды, и может быть использовано для преобразования энергии потока текущей среды, например потока рек, в электрическую, при котором происходит преобразование кинетической энергии течений в поступательно-колебательное движение. Могут быть учтены размеры реки, характер ее течений. Использование может происходить в любое время года.
Известно устройство для утилизации энергии текущей среды, см., например, а.с. СССР 1020620, F03B 13/12, опубл. 30.05.1983 г. Известное устройство содержит каркас с окнами, установленные с его противоположных сторон валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями. В известном устройстве лопасти профилированы и жестко закреплены на гибком элементе, а сам двигатель в рабочем состоянии размещен вдоль потока текущей среды, при этом текущая среда воздействует на лопасти, перемещая гибкий элемент, который при своем перемещении вращает валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, преобразуя энергию потока в электрическую энергию.
При этом текущая среда воздействует одновременно на лопасти обеих ветвей, заставляя перемещаться одну ветвь, и в то же время оказывая сопротивление перемещению второй ветви, т.е. оказывает большое сопротивление тыльным сторонам лопаток, при возврате их в рабочее положение, значительно снижая результирующую полезную движущую силу, снижая тем самым КПД устройства.
Известен также двигатель для утилизации энергии текущей среды, см. а.с. СССР 1694972, F03B 9/00, опубл. 07.08.1989 г. Известный двигатель содержит каркас, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, установленными в упомянутых пазах.
Известный двигатель размещен в рабочем состоянии вдоль потока, поэтому рабочий ход совершает только одна ветвь, вторая ветвь совершает холостой ход, что снижает КПД двигателя. Кроме того, несмотря на горизонтальное расположение лопастей при холостом ходе поток текущей среды воздействует на их торцы и тыльную сторону при возвращении лопастей в рабочее положение, создавая силу, противодействующую рабочему ходу, что дополнительно снижает КПД двигателя. Следует отметить также, что для снижения сопротивления потока перемещению лопастей при их холостом ходе, лопасти поворачиваются и лежат на гибком элементе, для чего они поворотно закреплены на последнем только своей нижней кромкой, а чтобы они не смещались потоком и не поджимались к гибкому элементу при своем рабочем ходе, в местах крепления вынесены пальцы и упоры, что усложняет конструкцию, а также снижает надежность работы двигателя. К тому же упомянутые пальцы и упоры размещены у основания лопастей, по этому при воздействии потока на последние возникает значительный крутящий момент, стремящийся повернуть лопасти относительно упоров, что приводит к повреждению упоров и отрыву лопастей, что также снижает надежность работы двигателя.
В судостроении, авиации, машиностроении и многих других отраслях техники используется гидродинамическая подъемная сила, возникающая при движении тел или обтекании неподвижных тел потоком жидкости Для создания подъемной силы применяют тела, называемые крыльями. В судостроении крылья применяют для лопастей гребных винтов, крыльчатых движителей рулей, судов на подводных крыльях и т.д. В некоторых условиях, например при движении на циркуляции, и корпус обычного судна может рассматриваться как крыло, создающее подъемную гидродинамическую силу. Чтобы способствовать возникновению гидродинамической подъемной силы, крыльям придают специальную форму, которая одновременно благоприятствует снижению величины силы сопротивления их движению. При этом выполнение элемента, на который воздействует поток текущей воды для утилизации энергии текущей среды, неизвестно
Наиболее близким к заявляемому изобретению является двигатель, содержащий погруженный в текущую среду каркас с проходными окнами, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный элементами - лопастями, предназначенными для воздействия на них текущей среды, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, установленными в упомянутых пазах, согласно изобретению каркас размещен продольной стороной поперек потока текущей среды, проходные окна выполнены на продольных стенках каркаса, а на криволинейных участках движения гибкого элемента установлено с возможностью взаимодействия с лопастями средство для изменения положения последних относительно упомянутого гибкого элемента на противоположное, лопасти на гибком элементе закреплены своей средней частью и в рабочем состоянии установлены под углом к направлению потока и с возможностью перекрывания межлопастных промежутков одной ветви лопастями другой ветви, причем в каркасе выполнены по меньшей мере две пары направляющих, штыри с роликами закреплены на боковых кромках лопастей, а ролик каждого штыря установлен каждый в пазу отдельной направляющей соответствующей пары (патент RU 2166664, МПК7 F03B 9/00, F03D 5/02).
Однако это устройство также обладает низким КПД, так как сила, действующая на такие тяговые лопасти, пропорциональна относительной скорости, которая значительно ниже скорости течения текущей среды, при этом лопасти находятся в рабочем положении только на одной из ветвей тягового элемента. Кроме того, устройство имеет сложную механическую конструкцию, так как необходимо менять положение лопастей на холостом ходу и на криволинейных участках гибкого элемента, что снижает надежность агрегата.
Задачей изобретения является создание двигателя для утилизации энергии текущей среды простой конструкции, в котором бы был максимально исключен их холостой ход элемента, предназначенного для воздействия на него текущей среды, что обеспечило бы высокую надежность и высокий КПД двигателя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение КПД двигателя за счет исключения холостого хода элемента, предназначенного для воздействия на него текущей среды, надежности за счет исключения задержки элемента в крайней "мертвой точке", упрощение его конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе для утилизации энергии текущей среды, содержащем погруженный продольной стороной поперек потока среды закрепленный на фундаменте каркас с окнами, установленные в каркасе с возможностью движения в направляющих, выполненных в окнах, несущие элементы с элементами, предназначенными для воздействия на них текущей среды, закрепленными в несущем элементе средней частью и в рабочем состоянии установленными под углом к направлению потока, а также средство для изменения его положения, причем устройство содержит также преобразователь гидравлического усилия, согласно изобретению каждый из несущих элементов установлен с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим в одном из окон каркаса вдоль его продольных сторон, а элементы, предназначенные для воздействия на них текущей среды, выполнены в виде крыльев с гидродинамическим профилем, каждое из которых установлено на оси несущего элемента с возможностью поворота на оси и взаимодействия с потоком текущей среды, средство для изменения положения крыла выполнено в виде симметрично установленных на продольной стороне каркаса ограничителей поворота крыльев, причем несущие элементы связаны между собой с помощью системы шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения несущих элементов на величину, выбранную из условия, что при нахождении одного из элементов одном из крайних положений, другой, связанный с ним несущий элемент должен находиться в одном из промежуточных положений.
При этом система шарнирно соединенных рычагов может содержать элемент, установленный с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения, соответствующего перемещениям несущих элементов.
При этом система рычагов может содержать элемент, представляющий собой кривошип, образующий с другими рычагами кривошипно-шатунный механизм, рабочий ход которого соответствует перемещению несущих элементов
Повышение КПД обеспечивается за счет использования гидродинамической силы, действующей на крылья, имеющие гидродинамический профиль. Известно, что эта сила пропорциональна квадрату относительной скорости, которая, в отличие от тяговых лопастей, больше скорости течения воды.
Надежность двигателя обеспечивается его простотой, что уменьшает себестоимость. Кроме того, когда одно крыло находится в одном из крайних нейтральных положений, второе крыло находится в промежуточном активном положении. В результате, гидродинамическая сила, действующая на комплекс из двух крыльев, не может исчезнуть ни при каком положении этих крыльев, и отбор энергии от текущей среды становится полнее. При необходимости двигатель может быть выполнен и с большим количеством крыльев.
Двигатель для утилизации энергии текущей среды (фиг.1) состоит из установленного на фундаменте 1 каркаса 2, погруженного продольной стороной поперек потока среды. В направляющих окон 4 каркаса установлены с возможностью движения несущие элементы 3 с элементами 5, 6, предназначенными для воздействия на них текущей среды, выполненные в виде крыльев гидродинамического профиля. Элементы 6 (крылья) закреплены в несущих элементах 5 средней частью. Элементы 5, 6 установлены на осях 7 несущих элементов 3 с возможностью поворота и взаимодействия с потоком текущей среды. В рабочем состоянии элементы 6 установлены под углом α к направлению потока. Средство для изменения положения крыла выполнено в виде симметрично установленных на продольных сторонах окон каркаса ограничителей 8 поворота крыльев. Кроме того, на несущем элементе в верхней и нижней части могут быть выполнены ограничители 9 движения крыльев 6.
Ось 7, установленная в несущем элементе 3, жестко соединена с крылом и находится за точкой приложения гидродинамической силы, так что за счет момента гидродинамической силы относительно оси поддерживается постоянный угол.
Несущие элементы 3 двух соседних окон связаны между собой с помощью системы шарнирно соединенных рычагов 10, 11 (фиг.1), или 10, 11, 12, 13 (фиг.2), или 10, 11, 12, 13 (фиг.3), с возможностью перемещения несущих элементов 3 в направляющих окон 4 на величину, выбранную из условия, что при нахождении одного из элементов 5, 6 в одном из крайних положений, другой, связанный с ним несущий элемент находится в одном из промежуточных положений. На рисунках это среднее положение другого несущего элемента.
На фиг.2 система шарнирно соединенных рычагов содержит элемент 15, установленный с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения, соответствующего перемещениям несущих элементов. Это может быть цилиндр с установленным внутри поршнем. В этом случае двигатель работает как насос.
Система рычагов может содержать элемент, представляющий собой кривошип 16, образующий с другими рычагами кривошипно-шатунный механизм, рабочий ход которого соответствует перемещению несущих элементов. В этом случае двигатель может работать как электрогенератор.
Под действием гидродинамической силы крылья 5 и 6 вместе с несущим элементом 3 движутся поступательно каждый в своем окне каркаса по направляющим. Достигнув ограничителя 8, одно из крыльев попадает в "мертвую зону", но благодаря вышеописанной связи с другим крылом, которое в это время продолжает двигаться, и значительно легче выходит из этого положения, меняя угол атаки на противоположный, после чего начинает движение в обратную сторону. В целом, каждое крыло совершает поступательно-колебательное движение, причем крылья в процессе работы взаимодействуют друг с другом, что повышает эффективность работы установки в целом.
Съем энергии может быть осуществлен различным образом: гидронасосом, как показано на рисунках, линейным электрогенератором, механическим приводом и др.
При необходимости, крыло может совершать поступательно-колебательное движение горизонтально или вертикально. Простота изготовления повышает надежность конструкции и уменьшает его стоимость.
y
Площадь крыла может меняться за счет удлинения крыла или увеличения хорды. Пределы изменения длины и хорды крыла определяются конфигурацией рек. Крыло изготавливают из легких материалов или частично полым для компенсации силы тяжести и гидростатической силы (силы Архимеда). Крыло не требует тщательной профилировки. Профиль крыла должен быть симметричным, тогда гидродинамические силы мало будут отличаться от пластины с коэффициентом подъемной силы C=2πsinγ, где γ есть угол между хордой и скоростью набегающего потока, причем сила направлена перпендикулярно к скорости набегающего потока. Если U есть скорость воды в реке, V - вертикальная скорость движения крыла, α - угол между хордой крыла и вектором скорости течения воды, то вертикальная сила определяется формулой
3
2
где f=1000 кг/м - удельный вес воды, g=9.81 м/с, k=V/U.
Мощность силовой установки равна
Из (2) следует, что максимальное значение мощности получается при
2
max
Пусть скорость воды U=1 м/с, площадь S=1 м, вертикальная скорость движения крыла V=kU, угол α=60°, тогда k=0.866, вертикальная сила Y≈139 кг, мощность N≈120 кгм/с или N≈1.6 л.с. или N≈1.2 кВТ.
2
3
При произвольной скорости течения воды необходимо силу Y умножить на U, мощность N на U, а если площадь крыла также произвольная, то дополнительно надо умножить на S. Формулы (1)-(3) необходимо использовать для расчета гидроэнергетической установки применительно к конкретным условиям реки.
При этом устраняется необходимость в строительстве перегораживающих плотин и иных сооружений, используемых для накопления энергии реки и создания перепада и высоты в традиционных устройствах.