СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ПОСРЕДСТВОМ РАЗЛИЧИЯ В КОЭФФИЦИЕНТАХ ФОРМЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
METHOD AND DEVICE OF ENERGY CONVERSION OF SEA WAVES TO ELECTRIC ENERGY BY DIFFERENTIATING BETWEEN FORM COEFFICIENTS DETERMINING HYDRAULIC RESISTANCE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к постепенному преобразованию возвратно-поступательного движения морских волн посредством различия в коэффициентах формы, определяющих гидравлическое сопротивление, с использованием пары фасонных частей, спирально продолжающихся вокруг вала на 180+180 градусов и постепенно открывающихся к силе потока или колебательного движения.
Конкретно, изобретение относится к способу и устройству для удобного извлечения экологичным и экономичным образом механической кинетической и центробежной энергии колебания молекул жидкой воды в больших морских волнах в различных направлениях и даже с различных уровней глубины непосредственно в виде электроэнергии, например, с плавающей и качающейся платформы с генератором. При этом способе не требуются ни крупногабаритные устройства и оборудование, ни преобразования энергии в другие виды, так как во вращающейся турбине из структурно сплошного материала непосредственно используются гидродинамические силы, присутствующие в волнах воды в виде естественного колебательного движения, течения, давления и инерционных сил, а также в виде гидростатической потенциальной энергии. Различия в гидравлическом сопротивлении, вызванные неравными коэффициентами формы соединенных фасонных частей, используются по разным сторонам приводного вала для создания вращающей силы для вала, причем обычно без больших течений параллельно валу. Следовательно, морская вода проходит через турбину, при этом энергия извлекается посредством вращающихся фасонных частей и через приводной вал передается к генератору, в котором механическая энергия преобразуется в электроэнергию без создания значительных выбросов. Что касается, например, выработки электроэнергии и вообще энергоснабжения для общественных нужд, а также для водного и железнодорожного транспорта, то при использовании изобретения можно успешно выполнять Киотский договор относительно выбросов диоксида углерода и диоксида азота в морских районах. В то же самое время воздух, смешанный с водой, может быть удален центробежным способом - особенно из слоев воды вблизи поверхности - и может быть направлен на практическое применение, например, для предотвращения замерзания гаваней или морских путей, посредством подъема с глубины более теплой воды воздушными пузырьками, например, из пористых воздухопроводов, проложенных по дну моря параллельно морскому пути.
Уровень техники
Рабочую платформу можно соорудить, используя, например, понтон или плавучий плот, который плавает и качается на поверхности моря и который прикреплен к другому понтону или якорям для удержания статора и, по выбору, ротора генератора приблизительно в его ориентации и неподвижно даже на больших глубинах. Кроме того, это может быть осуществлено посредством парашютообразных плавучих якорей из парусины, которые крепятся, например, металлическими тросами или канатами в большой и менее подвижной или спокойной массе воды. Кроме того, плавучие якоря могут служить в качестве монтажных кронштейнов во время работы.
В волне морской воды сила, давление и потенциальная энергия колебательного движения могут восприниматься, например, спиральными, двоякообращенными, вогнутыми (Ко), обычно непрерывными, желобчатыми поверхностями, простирающимися на 180 градусов или половину окружности вокруг вала и являющимися, по меньшей мере, частично открытыми к потоку или течению. Напротив вогнутой желобчатой поверхности, в настоящее время воспринимающей течение, с другой стороны вращающегося вала расположена выпуклая (Ku) поверхность лопасти. Каждая лопасть является вогнутой на своей поверхности, обращенной к валу, и выпуклой на своей противоположной или наружной поверхности. В качестве лопастей используются открытые V-образные или А-образные лопасти, которые обычно являются дугообразными в поперечном сечении. Лопасти расположены на расстоянии друг от друга с вогнутыми сторонами, обращенными друг от друга, и слегка закруглены на остром конце. Пара лопастей, взаимно дополняющих друг друга, дает возможность передавать вращающую силу к приводному валу ротора, который обычно расположен между лопастями. Посредством распорок, которые являются обтекаемыми в направлении движения морской воды, т.е. которые обеспечивают низкое сопротивление, инерционные и центробежные силы волны передаются от фасонных частей к вращающемуся приводному валу, который предпочтительно является горизонтальным, но также может быть вертикальным. Вогнутая поверхность во время вращения воспринимает силу течения и давления, в то время как выпуклая поверхность одновременно вращается также вокруг вала. Различные составляющие силы и энергии, например движения, скорости, инерции, давления и потенциала, находятся в сложном взаимодействии на поверхности турбины в соответствии с естественными законами. Они могут объединяться на приводном валу ротора, так как дугообразная и часто слегка наклонная в осевом направлении поверхность лопасти принуждает к вращательному движению в ответ на инерционные силы, вызванные волной или массой течения, или становится вообще открытой к продвижению центробежных сил воды. Электромагнитная сила сопротивления генератора обычно склонна работать против всех кинетических сил водяной волны, приложенных к лопастям устройства, но сила сопротивления уступает силам водяной волны, действующим на лопасти и преобразующимся в электроэнергию в обмотке генератора.
На волнение моря, его область колебания или течение влияют многие факторы. Даже в водяных волнах многие разные колебания будут суммироваться в продольном, поперечном и вертикальном направлениях в результате отражения и отклонения.
Морские волны всегда несут в себе очень большой общий запас энергии. В настоящее время этот запас энергии, т.е. морской "аккумулятор", почти не используется, несмотря на огромную потребность в ней. Действительно, в настоящее время снабжение энергией осуществляется излишне дорогостоящим и загрязняющим образом, например сжиганием нефти, угля, древесины, отходов или посредством атомной энергии с проистекающими из этого радиацией и образованием отходов.
Действительно, использование только около 2% энергии морских волн позволило бы выработать достаточно электроэнергии для удовлетворения потребности всего мира в энергии. Энергия океанских волн в своем максимуме составляет около 100 кВт/м фронта волны или береговой линии. В незамерзающих районах существующая энергия по краям моря обычно составляет около 10-50 кВт/м. Сильное волнение можно также поддерживать при выработке электроэнергии зимой посредством воздуха, когда теплая тяжелая вода уносится с глубины наверх к поверхности вместе с воздухом. В частности, морские пути можно поддерживать свободными от сплоченного льда, образуя волны в ветре посредством воздушных пузырьков, поднимающихся с более теплого и более глубокого слоя, и отчасти также посредством более теплой воды, поднимающейся со дна и имеющей высокую теплоемкость. В конце концов, каждая отдельная движущаяся масса волны несет небольшой запас энергии или является механическим аккумулятором.
Механизм, поддерживающий морские волны, включает в себя, главным образом, ветер неустойчивых направлений и силы, а также изредка подводные землетрясения, приводящие к образованию цунами. В последнем случае водная масса, продвигающаяся вперед в волне сжатия, поднимается с образованием высокой и длинной волны, так как перекрывающий воздух оказывает небольшое сопротивление поднимающейся волне. Действительно, горизонтальное и вертикальное движение молекул воды обычно является наиболее интенсивным вблизи поверхности, но становится более медленным с увеличением глубины и ростом движущейся водной массы по толщине. Вследствие неустойчивости этого источника энергии извлечение и накопление энергии до сих пор были трудными и дорогостоящими.
Большие водные массы волн кажутся постоянно движущимися и "перекачиваемыми" взад и вперед. Для выработки электроэнергии можно использовать энергию морских волн вместо того, чтобы, например, сооружать дополнительные ядерные энергетические установки. Способ выработки электроэнергии согласно изобретению почти полностью исключает образование выбросов и отходов на протяжении всего периода эксплуатации оборудования.
Это изобретение дает возможность использовать открытые двусторонние (двоякообращенные) вогнутые и выпуклые фасонные части, соединенные с приводным валом, при этом указанные фасонные части спирально продолжаются на 180 градусов и постепенно открываются в направлении против течения. Выпуклая поверхность, противостоящая потоку или течению, в течении постепенно преобразуется в вогнутую поверхность, воспринимающую течение и силу на задней по течению стороне того же самого лопастного устройства. Вогнутая желобчатая поверхность, открытая к течению воды, при виде в направлении течения обычно составляет около 30-40% проецированной боковой площади турбины, а остальная часть на направленной против течения стороне обычно закрыта хребтообразной выпуклой лопастью турбины. Выпуклой поверхностью течение отражается в стороны, например, на вогнутую поверхность. Вдоль противоточной части турбины вращающаяся вогнутая лопасть защищена выпуклой лопастью до тех пор, пока ее функции постепенно не реверсируются на спиральной протяженности в 180 градусов.
Спиральное тело, лежащее в пределах течения или колебания, всегда является, по меньшей мере, частью вогнутой поверхности в процессе восприятия сил течения со всех направлений, неоднократного создания препятствия или преграды для течения на протяжении каждого цикла и передачи давления или кинетической силы волны или колебания через отверстие или прорезь 4 между фасонными частями к приводному валу 3 посредством распорок 5а или опорных пластин 55.
Конкретнее, это изобретение относится к способу по п.1 и к устройству по п.13 формулы изобретения. Усовершенствование направлено, главным образом, на улучшение эффективности использования течений и многонаправленных колебательных движений, происходящих в волнах воды.
Согласно изобретению усовершенствование осуществлено таким образом, что в турбине, вращающейся, например, в неустойчивом по направлению морском течении или в колебательных движениях, используется ее вогнутая поверхность для восприятия даже многонаправленных течений и напорного эффекта, при этом турбина спирально вращается вокруг почти неподвижного или медленно движущегося вала.
В этой заявке термин "море" используется для обозначения, например, открытого океана, моря, внутреннего озера, искусственного озера, реки или водохранилища, имеющих открытую поверхность, которая подвергается действию ветра для поддержания водяных волн и накопления энергии в виде волнового движения для создания запаса энергии. В частности, поверхностные слои моря подвергаются действию сильного ветра, который создает водяные волны и увеличивает их размер вследствие его трения.
В этой заявке термин "энергия волн" используется для обозначения механического движения воды, происходящего в почти любом направлении, колебания или нарастания волны из нескольких волн, т.е. интерференции. При волновом движении молекулы текущей воды перемещаются в одном направлении или взад и вперед по почти постоянному пути при чередующемся переходе, по меньшей мере, двух разных видов энергии, при этом энергия проходит этим путем через воду.
В этой заявке термин "коэффициент формы k" используется для обозначения соразмерности силы гидравлического сопротивления, создаваемого конкретной формой. Результаты экспериментального исследования сопротивления движению в течении, создаваемого различными формами, представлены в финском учебнике High School Physics (Nurmi-Ahlman-Fedosov-Höglander-Qvickström), 1961 г. Измерения с воздухом проводил доктор Ууно Нурми, и на фиг.1 показаны результаты измерений для фасонных частей а-f. Сопротивление движению вызвано, главным образом, турбулентностью позади фасонных частей по направлению течения. Площади проекции в плоскости, перпендикулярной к течению, являются равными, а другие факторы также являются постоянными. В нижней части фиг.1 показана формула для определения силы сопротивления F для поверхностей с разными профилями. Силу сопротивления определяют умножением коэффициента формы k на плотность вещества при течении или колебательном движении, на площадь проекции фасонной части в плоскости, перпендикулярной к течению, и на квадрат скорости движения. Коэффициент, получаемый для конкретной формы, представлен в виде коэффициента формы k на правой стороне фиг.1, при этом течение происходит слева направо, как это показано стрелками.
В этой заявке термин "структурно сплошной" используется для обозначения материала, по существу непроницаемого для газа или жидкости, например, композиционной структуры, которая обычно имеет гладкую поверхность и является легкой, а также способной сопротивляться основным силам и различным видам истирания.
Значения коэффициента формы k, показанные на фиг.1, применимы не только к воздуху, но также приближенно к воде, даже если плотность воды почти в 1000 раз больше плотности воздуха. Вследствие различия в плотности ветровая энергия действительно эффективнее извлекается небольшим оборудованием из волн водного пути, чем из воздуха. Силы воды являются намного более мощными на небольшом пространстве, чем силы воздуха. Кроме того, жидкая вода обладает большой инерционной и центробежной силой.
Новое устройство согласно изобретению, которое используется для извлечения энергии из морских волн непосредственно в виде электроэнергии посредством генератора, является более надежным в работе, чем, например, традиционная ветряная мельница, так как морское "действие", т.е. колебательное движение волн продолжается длительный период времени в ответ на инерционные силы даже после того, как стихнет ветер, особенно на больших глубинах. Отражение морских волн и отклонение фронта волны увеличивают непрерывность и длительность выработки энергии, например, позади островов, даже если уменьшается воспринимаемая кинетическая энергия воды. Величина масс, переменная, при волновом движении, обеспечивает непрерывность в выработке энергии, даже если молекулы воды или "адиабатические центры" жидкости обычно перемещаются по траекториям, которые являются круговыми или эллиптическими в продольном сечении, сделанном в направлении распространения волн.
Данная заявка на изобретение охватывает все секторы общества, в которых используется или потребляется энергия, например, транспорт, жилье, промышленное производство. В число его преимуществ входят сокращение расхода сырьевых материалов и уменьшение выбросов всех видов.
Изобретение также осуществимо в виде противоволновых способа и устройства, способного "поглощать" или устранять водяные волны посредством объединения сил, существующих в водяных волнах. При выработке энергии такое "противоволновое устройство" обычно образует спокойную поверхность морской воды, так как обычная зыбь-образующая сила предшествующих волн расходуется на приведение в движение вала генератора и на выработку электроэнергии. Частота вращения турбины может достигнуть очень высокого значения в ответ на высоту или высокую частоту многочисленных катящихся волн. Кроме того, изобретение осуществимо при низкой энергии колебаний, т.е. низкой амплитуде или при высокой частоте, например, благодаря обтекаемой V-образной форме лопастных элементов или суммированию энергии от нескольких волн.
Кроме того, "поглотители" волн действуют также как эффективные волноломы или энергопроизводящие молы в отсутствие больших строительных работ и дорогостоящего дополнительного оборудования.
Кроме того, изобретение полезно в качестве источника энергии для сообщения движения судам или в качестве средства для обеспечения более плавного движения при очень сильном волнении на море в тех случаях, когда колеблющаяся зыбь обычно является сильной, а суда имеют тенденцию к килевой и бортовой качке. Следовательно, при соответствующем расстоянии для прохождения судна можно расположить, например, на конце длинной штанги небольшое движимое устройство согласно изобретению, которое подавляет волны и извлекает энергию из морской зыби в виде электроэнергии для приведения в движение обычного судна, судна на подводных крыльях или судна на воздушной подушке, например, даже при высоких частотах вращения движителя.
Обратное движение волн может оказывать воздействие даже в отдаленных местах. Действительно, энергию морских волн можно эффективно извлекать даже с обширной площади в немногих и отдаленных друг от друга местах, так как колебание эффективно и бесшумно распространяется в воде до желаемых мест отбора энергии, особенно в длинных волнах, несущих большую энергию. В результате уравнивания энергии кинетическая энергия от волн вблизи более спокойных мест всегда продвижением вперед или притяжением передается к более спокойным местам. Движение продвигающейся вперед волны вместе с ее инерционными силами может быть посредством лопастей и приводного вала турбины направлено к генератору, в котором электромагнитные силы сопротивления должны преодолеваться работой. Кинетическая энергия волны после ее подвода к генератору уже не способна создавать новую волну в воде, так что происходит разрушение волны без создания новой поднимающейся волны.
В большинстве случае волновое движение является почти симметричным. Обратные курсы распространения волны становятся легко понятными, когда, например, волновое движение, создаваемое качанием гальки в неподвижной воде и распространяющееся явно от точки удара, и отклоненная или отраженная волна, проходящая в обратном направлении или внутрь, являются почти одинаковыми в отношении распределения их энергии.
Почти вся энергия фронта волны может быть посредством устройства согласно изобретению сосредоточена вблизи приводного вала 3 даже с обширной области. В результате подлинного колебательного движения, осуществляемого молекулами водяных волн, существует также обратная фаза в волне, снабжающая вал турбины большей энергией на поверхности, наклоненной в том же самом направлении вращения. Волновое движение всегда имеет наклон для оказания своего воздействия на безволновую область. Турбина не "знает" направление прихода волны, так как течения и колебания во всех направлениях обычно увеличивают в том же направлении вращающую силу на приводном валу 3 турбины. Симметричная и двоякообращенная конструкция часто также способствует простому повороту на 180 градусов и восприятию силы даже в как раз частично открытых V- или А-образных лопастях в паре лопастей. Когда волны воды остаются почти неподвижными относительно молекул, а энергия волн движется при возвратно-поступательном колебательном движении, устройство согласно изобретению дает возможность преобразовывать в электроэнергию колебание в обоих направлениях. При интерференции волн можно использовать волны при всех значениях частоты и длины волн. Обычно можно естественным образом регулировать частоту вращения устройства. Как описывалось выше в связи с качанием гальки, круговые волны также являются функциональными в противоположном смысле.
В воде электрооборудование может быть размещено, например, в воздухо- или вакуум-изолированном кожухе наподобие термоса, например в устройстве с горизонтальным валом, при этом сильные движения волновой поверхности направляются в "волнопоглощающее" устройство, например, через щель 4 между лопастями 1 и 2 или в любое углубление или выемку лопасти для восприятия силы.
Каждая возвратно-поступательная отдельная волна вызывает горизонтальное и вертикальное движение в море, которое может быть использовано в обоих направлениях турбиной при выработке электроэнергии. Таким образом, извлеченная суммарная энергия многочисленных двунаправленных волн в общем и целом намного больше количества кратковременной однонаправленной энергии, извлеченной, например, из бассейнов приливных электростанций. Действительно, волны водных путей обеспечивают отдаваемую мощность, которая превосходит суммарную мощность существующей гидроэнергетики. На самом деле имеется дефицит энергии во всем мире, несмотря на то, что когда-нибудь будут исчерпаны запасы нефти и угля. Постоянно действующие морские волны обеспечивают запас энергии, достаточный для всех людей.
Водяной вихрь при свободном вихревом движении создает столб воздуха в центре и высокую частоту вращения по мере того, как статическое давление воды преобразуется в скорость на небольшом радиусе при сохранении момента инерции. Под действием большой центробежной силы легкие газы отделяются от воды на внутренней изогнутой стороне движения. Высокоскоростной циклонный вихрь, создающий центробежную силу, обычно вызывается посредством узкой щели для додачи тангенциального потока на достаточно протяженном расстоянии относительно вала, причем даже при низкой скорости. В вихревой области могут быть образованы примыкающие друг к другу соседние или последовательные вихри, если не имеется стенки между вихрями.
Полезность изобретения возрастает благодаря тому, что для создания больших электрических мощностей в генераторе используют трехфазный преобразователь частоты. Для свободного регулирования частоты вращения вместе с запасом механической энергии гиросил можно использовать постоянный магнит и постоянный ток.
Оборудование, известное из предшествующего уровня техники
В патенте Финляндии и патенте США №1697574 запатентован финский толчковый ротор Савониса, который относится к воздушному течению в ветре. Использование энергии морских волн обсуждается в патентах США №6622483 и 4221538. В них описывается использование, например, давления воздуха и сжатие волн в узкое течение посредством специальных отражателей. Оборудование, известное из предшествующего уровня техники, имеет много недостатков, которые могут быть устранены посредством этого изобретения, например, упрощением конструкции и увеличением восприятия энергии пропорционально размеру устройства. Плавучий якорь описывается, например, в патенте США №4733628. Кроме того, описывается множество ветровых турбин, но они имеют низкие характеристики.
В публикации WO 96/38667 описывается использование энергии морских волн с применением пары фасонных частей или группы фасонных частей, имеющих каплевидный профиль в поперечном сечении. Ни одно из этих устройств неспособно эффективным образом извлекать полную выгоду из определенного движения волн. Площадь восприятия силы является небольшой по отношению к диаметру ротора. Никакое различие в коэффициентах формы каплевидного профиля в противоположных направлениях потока не является достаточным для компенсации этого недостатка.
Ниже лишь в качестве примеров описываются варианты осуществления изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых
фиг.1 показывает результаты экспериментальных измерений гидравлического сопротивления, проведенных в Финляндии с воздухом для ряда форм, одинаковых но размеру,
фиг.2 - вид одного устройства согласно изобретению, слегка наклоненный вниз, которое способно сопротивляться большим силам и которое собрано из элементов под плавающей и качающейся понтонной платформой, при рассмотрении в направлении С, показанном на виде в разрезе на фиг.4,
фиг.3 - вид в разрезе, перпендикулярном к приводному валу 3, устройства на различных уровнях глубины, в котором согласно изобретению по разным сторонам приводного вала 3 расположены две фасонные части, имеющие профиль круговой дуги в поперечном сечении и объединенную вогнутую (Ко) и выпуклую (Ku) форму, при наличии линий потока на фиг.3b и их отсутствии на фиг.3а. Фасонные части находятся в положении, окружающем вал на 180 градусов в непрерывном спиральном устройстве,
фиг.4 - вид в разрезе одной спиральной фасонной поверхности согласно изобретению, окружающей вал 3 и имеющей вогнутый (Ко) и повернутый на 180 градусов выпуклый (Ku) профили в течении, показанном небольшими стрелками,
фиг.5 - общий вид обтекаемой распорки 5а, передвигаемой в морской воде и часто имеющей полую или пористую оболочковую структуру, или вид сплошной опорной поперечины, скрепляющей крайние концы лопастей, например, с полым прочным валом 3,
фиг.6 показывает изготовление вогнутых и выпуклых фасонных частей из профилей, вырезанных в массивных элементах, посредством их склеивания друг с другом и встраивания распорной пластины для передачи усилия к приводному валу,
фиг.7 - вид снизу или, по выбору, сверху турбины, которая прикреплена к горизонтальному приводному валу 3 и снабжена открытой спиральной щелью или отверстием 4, при этом подводная или иногда надводная пара фасонных частей имеет V-образные профили, которые обычно закруглены (Py), но также могут быть более или менее заострены. Турбина используется для устранения сильного горизонтального движения вблизи водной поверхности,
фиг.8 показывает гидравлические сопротивления новых открытых двоякообращенных V-образных и А-образных профилей и их приблизительные коэффициенты формы,
фиг.9 - вид в разрезе пары фасонных частей согласно изобретению на различных уровнях глубины в слоях течения с разными направлениями и скоростями при наличии линий потока на фиг.9b и их отсутствии на фиг.9а. Фасонные части имеют V-образный профиль с заостренной вершиной (Py),
фиг.10 - частичные вид А, В и С, показывающие изготовление лопасти или фасонной части 1 и 2 из закрытой в поперечном сечении трубы А посредством диагонального разрезания пополам относительно приводного вала для образования двух спиральных частей В и С, окружающих на 180 градусов центральную ось 3.
На фиг.1 показаны результаты экспериментальных измерений, полученные в Финляндии для коэффициентов формы для текущей среды, как например, для нескольких форм а-f при одном направлении потока слева направо, как это показано стрелками на этом чертеже. Под частичным видом f приведена формула для определения силы F гидравлического сопротивления. На виде "с" течение входит в контакт с выпуклым (Ku) профилем, а на виде f - с взаимно дополняющим вогнутым (Ко) профилем. Единственным различием является смещение на 180 градусов в положений частей, но одна часть вследствие своей формы имеет гидравлическое сопротивление в 3 раза больше, даже если эти части являются равными в отношении их площадей проекции.
Среди частей а-d можно наблюдать разное влияние заднего по ходу течения на гидравлическое сопротивление при том, что течение ударяет об одинаковый выпуклый (Ku) профиль. Коэффициенты формы k демонстрируют значительные различия в результате интерференционной турбулентности в потоке у заднего края.
Среди закругленных спереди частей а-d с равными площадями проекции наибольшее сопротивление движению демонстрирует часть „с", которая создает мощную турбулентность в заднем по ходу течении. Из представленных частей наибольшее сопротивление демонстрирует часть f, которая по ее сопротивлению в воде одинакова с плавучим якорем. При желании, весь генератор и, в частности, статор и вал, можно закрепить на большой глубине, например, посредством поворачивающейся на месте, открытой сверху чаши для предотвращения вертикального подъема. Горизонтальные движения могут быть предотвращены, например, посредством плавучих якорей, которые воспринимают горизонтальные силы и которые размещают как якори, например, в направлениях радиуса вращения или касательной вала. Плавучими якорями соответствующего размера, установленными в расходящихся направлениях, можно неподвижно закреплять на месте все устройство и особенно вал. В этом случае постановку на якорь осуществляют к очень большому объему воды, а не обычным образом к дну моря.
Как показано на фиг.1, наименьшее сопротивление демонстрирует обтекаемая, почти каплеобразная часть "а", которая имеет заостренный задний конец (Te). Сходящийся в одной точке, обтекаемый задний конец (Те) снижает гидравлическое сопротивление при всех формах. Часть "а" в сочетании с закругленным выпуклым (Ku) передним концом приобретает свой коэффициент формы, равный 0,03. Если передний конец был бы выполнен заостренным, как у каяка, то сопротивление было бы даже меньше. Это также начинает напоминать по форме острую пасть быстродвижущейся в воде рыбы, например щуки. Согласно экспериментам выпуклая (Ku) закругленная форма носа подводных лодок на фиг.1а-d не обеспечивает благоприятное сопротивление по сравнению с более острыми формами.
При сравнении испытывавшихся выпуклых (Ku) частей а-d друг с другом можно отметить, что увеличение только длины ненамного увеличивает сопротивление потоку или движению, несмотря на увеличение поверхности трения. Профиль заднего конца имеет большее значение в течении. Действительно, задняя кромка крыльев и задний конец фюзеляжа самолета обычно являются заостренными (Те), а передняя кромка крыльев и передний конец фюзеляжа обычно являются закругленными (Ku, Py) для предотвращения, среди прочего, переменного распределения потока, т.е. вибрации по обеим сторонам острой разделяющей кромки. Это дает возможность избежать эффекта звуковой трубы в течении.
При испытаниях, проводившихся заявителем на целлюлозном заводе, было обнаружено, что волокна водной суспензии прилипали к острой кромке, но выпуклый (Ku) закругленный (Py) профиль оставался чистым.
Ниже части f размещена формула для определения силы сопротивления по коэффициенту формы k, плотности среды, площади проекции А, перпендикулярной к течению, и скорости движения v.
На перспективном виде на фиг.2 и на виде в разрезе на фиг.3 показана пара вогнутой и выпуклой лопастей 1 и 2 для турбины, при этом выпуклый (Ku) и вогнутый (Ko) профили повернутыми обтекаемыми распорками 5а соединены с приводным валом 3, который очень стоек к силам и может быть изготовлен, например, из легкого и высокопрочного титана, не окисляющегося в воде.
Если лопасть имеет V-образный профиль, показанный на фиг.9, то для предотвращения вибрации передние кромки лопастей обычно должны быть закругленными (Py) подобно передней кромке крыла самолета. Кроме того, закругленный (Py) профиль полезен при течении, поперечном к вращающемуся валу.
Кроме того, лопасти 1, 2 могут иметь U-образный профиль, как на фиг.3, или профиль с изменяющейся кривизной, как на фиг.4, на которой кромка лопасти, расположенная ближе к приводному валу 3, образует более крутую кривую по направлению к другой лопасти. Это дает возможность образовывать довольно острый профиль, не требующий усилий для рассечения воды и напоминающий острую пасть щуки. Вогнутый профиль непрерывно кружится на 180° и тем самым на расстоянии, однонаправленном с приводным валом 8, преобразуется в выпуклый профиль, когда направление рассмотрения или течения остается тем же самым. Соответственно, выпуклый профиль, присутствующий с противоположной стороны приводного вала, кружится на 180° и преобразуется в вогнутый профиль.
На фиг.3а показана в разрезе скрепленная пара лопастей 1 и 2, создающих преграду для потока и расположенных по обеим сторонам приводного вала 3, при этом лопасть с одной стороны вала имеет дугообразный вогнутый (Ко), частично U-образный профиль, а лопасть с другой стороны вала имеет дугообразный выпуклый (Ku) профиль. Простираясь в осевом направлении приводного вала 3 от одного конца лопастей к другому концу, лопасти предпочтительно спирально простираются на протяжении 0-180°. Текущая вода вначале заполняет вогнутый желобчатый профиль, который заштрихован на фигуре. Затем эта текущая вода может проследовать вперед по тому же самому желобу, вращаясь вокруг приводного вала 3. Приводной вал 3 может быть пористым или полым. Более толстая средняя часть 5 распорки 5а обеспечивает прочное соединение с приводным валом 3, который может быть полым или пористым сетчатым валом, частично проницаемым для содержащихся в воде газов и транспортирующим их вдоль своей центральной линии в продольном направлении вала.
Турбина со спиральными лопастями может быть собрана таким образом, что прочный вал 3 будет иметь навинченные на него легкие опорные пластины 5, которые снабжены, например, отверстиями для приема вала и, возможно, являются пористыми в середине и которые радиально повернуты вокруг вала. Готовый к использованию, спиралеобразный лопастной элемент 1 или 2, имеющий соответствующий шаг спирали, прикрепляют в соответствующих местах, например, винтами 15 или другими крепежными средствами. Шаг спирали, глубину и высоту лопасти можно изменять в осевом направлении. Это особенно полезно при роторе с вертикальным валом, потому что волновое движение постепенно затихает с увеличением глубины воды, увеличением массы движущейся воды и уменьшением количества воздуха, смешанного с водой. Спиральная желобчатая или хребтообразная поверхность при наклонном положении относительно вала способна воспринимать также направленные по оси силы от инерции массы воды.
На фиг.4 в разрезе перпендикулярно к приводному валу показана пара лопастей 1 и 2, образующих вогнутую и выпуклую поверхности фасонных частей. Обтекаемая опорная поперечина 14, 5а дает возможность передавать силы к валу 3 даже от крайних кромок 15 вогнутой (Ко) и выпуклой (Ku) лопастей 1 и 2. Устройство, показанное на фиг.4, может быть сконструировано с горизонтальным валом или при вертикальном выполнении.
Течение может отражаться от выпуклой поверхности (Ku) по направлению к вогнутой поверхности (Ко). Лопасти 1 и 2 могут иметь обтекаемые распорки 5а с низким сопротивлением, например, показанные на фиг.5 и имеющие пористую или полую конструкцию для удаления воздуха из волн.
Вогнутая (Ко) и выпуклая (Ku) поверхности при необходимости могут варьироваться по кривизне в разных частях устройства и на разных глубинах. Молекулы морских волн являются наиболее подвижными, в горизонтальном направлении вблизи поверхности, обычно в ответ на трение ветра. Вот почему вогнутая фасонная поверхность, воспринимающая давление, расположена в этом слое при большом или малом радиусах вращения. Весь приводной вал 3 по его всей длине воспринимает большую силу или высокую скорость от инерционных сил в массе воды. Вращающийся вал предпочитается располагать, по существу, в горизонтальном положении поперек многочисленных волн, так, чтобы сильные волны, движущиеся вблизи поверхности, прилагали свою инерцию для обеспечения сильного или высокоскоростного вращения турбины или генератора вокруг вала в зависимости от длины плеча силы. Даже обратная фаза волны всегда приводит вал во вращение в том же самом направлении после поворота на 180 градусов.
Во время завихрения воды ее вихрь создает гидроциклонный разделительный эффект, как в обычной мойке, когда вода сливается вдоль центрального воздушного столба, а большая центробежная сила создается вблизи центрального воздушного столба. Согласно результатам экспериментов, проведенных заявителем, при этом процессе, кроме того, происходят высокоскоростные, тонкие, направленные по оси течения к поверхности. Размещение турбин согласно изобретению рядом друг с другом или последовательно дает возможность создавать циклонный сепаратор, в котором соседние или последовательные циклоны имеют одинаковые направление и частоту вращения, так как циклоны основываются друг на друге. Питание устройства можно легко осуществлять тангенциально, например, вблизи поверхности для создания циклонного вихря, разделяющего в пространстве между валами.
На фиг.5 доказан перспективный вид распорок 5а, которые прикреплены к приводному валу 3 и расположены между кромками лопастей 1 и 2. Распорки 5а оказывают низкое сопротивление движению и являются полыми или сплошными и движущимися в морской воде 7. Полые или пористые трубы дают возможность удалять, например, воздух, растворенный в воде. Передняя кромка лопасти или распорки часто является закругленной и довольно толстой, а также сужающейся в направлении движения. Лопасти 1 и 2 на своих крайних кромках 15 могут быть, например, винтами прикреплены к распоркам 5а (фиг.3а). Однако процесс изготовления облегчается благодаря симметричной распорке или поперечине 5а, которая не зависит от направления течения.
Устройство может быть изготовлено с использованием лопастей 1 и 2 с контуром поперечного сечения, как у гриба, и в виде спиральных частей сопрягаемых форм для осуществления спирального скольжения. Спиральные части установлены на вращающемся валу таким образом, что с одной стороны вала расположена вогнутая поверхность, а с другой стороны вала - взаимодополняющая выпуклая поверхность.
На фиг.9а показана пара лопастей 1 и 2 в разрезе перпендикулярно к приводному валу 3, при этом лопасти в указанной паре лопастей имеют вогнутый V-образный или А-образный профиль с закругленной (Py) вершиной. Лопасти совместно составляют двоякообращенную, спиралевидную, непрерывную V-образную структуру вокруг приводного вала 3. Как и на фиг.3а, при этом техническом решении получают вогнутый и выпуклый профиль, а еще профиль, который подобно наконечнику копья проникает в течение, изображенное линиями. Расширение в поперечном направлении, формирующееся как острая "пасть щуки", создает по обеим сторонам вала 3 равные расходящиеся сопротивления в течении, так что не создается помеха для вращения.
V-образный профиль в виде наконечника стрелы облегчает движения фасонной части в воде, особенно в противотоке. В обратном направлении гидравлическое сопротивление является особенно большим в отверстии 4 между кромками лопастей 1, 2.
Сопротивление в течении фасонной части, имеющей перевернутый вогнутый V-образный профиль, приблизительно равно сопротивлению фасонной части f на фиг.1 в показанном направлении (0,6), в то время как сопротивление фасонной части, имеющей выпуклый V-образный профиль, приблизительно равно сопротивлению фасонной части "с" (0,20) в том же самом направлении. Таким образом, эффект профиля является почти 3-кратным при повороте на 180 градусов. Подобный вид различия в сопротивлении заметнее достигается посредством V-образных профилей при разных направлениях потока, так как острая рассекающая вершина эффективнее прорезает морскую воду, чем при дугообразных профилях, например при профилях а-d.
Горизонтальное движение морских поверхностных волн может быть посредством его инерционных сил втиснуто через горизонтальное отверстие 4 в горизонтальной турбине, показанной на фиг.7, и использовано для приведения во вращение приводного вала в направлении распространения волны. Во время кругового движения вокруг вала также встречается противоточная часть или тихая вода, при этом острый или закругленный V-образный профиль способствует рассеканию или разрезанию воды, когда инерционные силы волнового движения воспринимаются открытой фасонной частью. На следующем цикле всегда повторяется то же самое в том же самом направлении. В турбине с горизонтальным валом и V-образным профилем лопастей отнюдь не обнаруживается противодействующая сила, препятствующая сильному движению водяной поверхностной волны. Следовательно, частота вращения становится большой. На фиг.7 показано устройство согласно изобретению, имеющее горизонтальный вал и дугообразные лопасти, вместе с генератором 9.
На фиг.9b показан вид в разрезе, сходный с видом на фиг.9а, но с добавлением в нем линий потока. Острые, закругленные, удлиненные вершины (Py) создают гидравлические сопротивления в боковом или поперечном направлении, которые равны в краткосрочном течении, показанном пунктирными линиями на этом чертеже, так что не создается помеха круговому движению вокруг вала 3.
На фиг.10А, В и С показан способ изготовления лопастей из закрытой трубы с дугообразным профилем поперечного сечения посредством разрезания диагонально пополам с поворачиванием на 180 градусов, так, чтобы образовывать спиральные вогнутые (Ко) и спиральные выпуклые (Ku) поверхности, которые, в общем, являются одинаковыми. Использование имеющихся на рынке трубчатых или V-образных профилей облегчает изготовление устройства. Например, композиционный материал является практичным и легко прикрепляемым к соединительной поперечине 5а.
Кроме того, при массовом производстве спиральные элементы В и С могут быть эффективно изготовлены наверху формы, например, из композиционного материала, так, чтобы образовывать соответствующую 180-градусную спираль и легкую и прочную оболочковую структуру, вогнутая и выпуклая части A и B которой при прикреплении к валу 3 посредством поперечин 5а могут быть использованы для получения двоякообращенной, структурно сплошной пары фасонных частей, которые имеют главное различие в виде их коэффициентов формы.
На фиг.6 фасонные части вырезаны в массивных элементах 12, размещенных перпендикулярно к оси вращения и последовательно скрепленных друг с другом в направлении вала при ступенчато смещенных положениях относительно друг друга для образования спиральной вогнутой и выпуклой формы. Между элементами 12 могут быть расположены прокладочные пластины, которые первыми прикрепляют к валу, и к которым затем прикрепляют элементы 12.
Частота вращения пары фасонных частей обычно кратна частоте морских волн, что дает возможность извлекать энергию даже из длинных волн в обоих направлениях течения или колебания волнового течения.
На фиг.7 показан перспективный вид ротора, который снабжен парой перекрестно размещенных спиральных лопастей 1 и 2, прикрепленных к горизонтальному приводному валу 3 и воспринимающих гидродинамическую силу мощной, имеющей большую массу, поверхностной волны, при этом указанная пара лопастей между своими кромками образует спиральную щель или отверстие 4. Поверхностные волны усиливаются инерционными силами внутри ротора через отверстие или щель 4 вблизи поверхности, что заставляет приводной вал 3 вращаться ниже поверхности или выше поверхности при условии, что приводной вал может быть удержан неподвижно, например, посредством оттягивания плавучими якорями к неподвижному слою воды. Нижерасположенное обратное движение ротора, являющееся результатом вращения, создается посредством острого или закругленного (Py) V-образного профиля. При вращении турбины отверстия 4 поддерживают выступающими из воды для их готовности воспринимать открытым V-образным профилем кинетическую силу мощной поверхностной волны. Позади V-образного отверстия стенка лопасти образует гребень взаимодополняющей формы, показанный линией Py-Py. Этот гребень обычно закруглен для предотвращения вибрации. Электромагнитные силы сопротивления в генераторе 9 преодолеваются инерционными силами массы водяной волны и преобразуются в электроэнергию. Сила передается к валу, например, посредством обтекаемых распорок 5а или посредством опорных пластин или перегородок 55, которые перпендикулярны к валу и перекрестны к нему, т.е. простираются в направлении распространения волны. Благодаря открытому V-образному профилю может быть достигнута высокая частота вращения при сильном движении поверхностной волны, так как благодаря профилю заостренной вершины легко происходит нижерасположенное обратное движение ротора.
Параллельные турбины, например, подобные турбине на фиг.7, могут быть размещены на море при перекрывающем шахматном расположении так, чтобы не препятствовать судоходству на поверхности.
Длинный приводной вал 3 может быть снабжен обычным универсальным шарниром, или может быть использован, например, гибкий металлический трос для выполнения поворотов с небольшим градиентом при передаче (не показан).
В случае большого избытка воды большая волна может переливаться через весь ротор или проходить под ним во избежание повреждения ротора или превышения его допустимой частоты вращения. Передача силы от лопастей к приводному валу 3 может быть осуществлена, например, посредством обтекаемых распорок 5а или, например, посредством опорных пластин 55, более или менее перпендикулярных к валу и однонаправленных с волновым движением.
Высокоскоростные поверхностные движения предпочтительно могут быть "собраны" посредством подводного или, по выбору, надводного водяного колеса или лопастного колеса с горизонтальным валом, т.е. турбины, или посредством водонепроницаемого электрогенератора 9, когда воздух создает небольшое сопротивление или вообще не создает никакого сопротивления.
Большие силы передаются от места вблизи водной поверхности к приводному валу 3 генератора посредством прочных установленных на валу опорных пластин 55, проходящих в направлении распространения волны. При желании, пространство между пластинами 55 может быть использовано для перемешивания воздуха и воды друг с другом и даже для создания некоторого вспенивания. Водонепроницаемость вала 3 во втулке обычно обеспечивается небольшим смазочным кольцом или специальными пластмассами.
На фиг.8 показаны примерные гидравлические сопротивления и коэффициенты формы k для новых двоякообращенных, слегка изогнутых или прямых в поперечном сечении открытых V-образных или А-образных профилей лопастей «сс» и "ff" во вращающемся роторе, который, например, соответствует ротору на фиг.7 и вращается вокруг вала 3. Крупные волны входят через отверстие 4 и своей инерционной силой приводят ротор в быстрое вращение, но больше почти не происходит подъем новой волны, так как энергия израсходована для выработки электроэнергии в генераторе. Кроме того, возможен закругленный U-образный профиль, но в этом случае сопротивление выше, особенно при обратном противоточном движении ротора, если не придан заостренный водорассекающий профиль в форме "пасти щуки".
Крутящий момент или частоту вращения, приложенные парой фасонных частей 1, 2 к приводному ротору 3, можно увеличить или уменьшить, изменяя длину плеча силы между фасонными частями и приводным валом при различных фазах волнового движения или на различных глубинах в слоях воды с разнородными реологическими свойствами. Это может быть осуществлено, например, гидравлическим способом посредством телескопических штанг. Снабженные пружиной телескопические штанги обеспечивают автоматическое регулирование крутящего момента и частоты вращения.
Устройство можно удерживать на желаемой глубине посредством понтонов, плавучесть которых можно регулировать для изменения осадки устройства и, тем самым, оптимизации его работы, исходя из имеющихся в настоящее время многочисленных волн. Плавучесть понтонов можно регулировать, например, закачиванием воздуха или водяного балласта.
Устройство можно поставить на якорь до глубины, при которой оно частично или полностью находится выше поверхности воды в ложбинах волн и полностью погружено в гребни волн. При высоких многочисленных волнах устройство может качаться вверх и вниз вместе с волнами. Однако амплитуда этого вертикального движения может быть меньше, чем высота волны.