УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКА ТЕКУЧИХ СРЕД

Техническое решение относится к области технических средств, применяемых в аэро - и гидродинамике для регулирования скорости потока текучих сред и может быть использовано в энергетике, а также других областях техники, при регулировании скорости потока текучей среды.
Известно (RU, патент 2281883) воздушное тормозное устройство, содержащее сопла и технические средства для получения воздуха с заданными параметрами. Известное устройство также снабжено средством энерговозбуждения воздуха, в корпусе устройства размещен по вертикали ускоритель потока воздуха, поступающего снизу вверх, состоящий из не менее двух сужающихся сопел на одной оси, герметично соединенных между собой, каждое сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено коаксиально в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между соплами по крайней мере одной полости, в которой размещены впускные клапаны на ее стенке и средства энерговозбуждения воздуха, в полостях размещены датчики давления, в верхней части корпуса устройства воздушный поток, поступающий из ускорителя, разветвляется и направляется по воздуховодам к двум или более выходным вертикальным соплам, расположенным под углом 180° к вертикали, а также к одному или нескольким горизонтальным соплам, для управления потоками воздуха из ускорителя предусмотрены датчики скорости движения самого
устройства в трех направлениях и датчики скорости потока на выходе из всех сопел, кроме этого имеются исполнительные механизмы привода створок в воздуховодах и блок управления работой устройства.
Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения.
Известен также (RU, патент 2059839) ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащий выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба. Указанный ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные каналы вторичного эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на n секторов (n>2), эжектор образован кольцевой профильной щелью между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения газов. Предпочтительно проточные каналы выполнены по винтовой линии и сообщены с поверхностями
конуса, раструба и переходника. Выходное сечение раструба обычно бывает выполнено в виде сопла Лаваля.
Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения - только автомобильный транспорт.
Известен также ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащий выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой через раструб - с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба, причем выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля. Ускорительный блок выполнен в виде граненого конуса, установленного за переходником соосно с выпускным трубопроводом, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы в виде набора тонкостенных трубок малого диаметра в основании опирающихся на грани конуса, а в верхней части - на раструб.
Недостатком известного устройства следует признать узкую область применения - только автомобильный транспорт.
Техническая задача, решаемая путем использования разработанного устройства, состоит в локальном увеличении скорости потока текучей среды.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в расширении возможности использования природных и техногенных потоков текучих сред с низкой кинетической энергией в различных областях техники.
Для достижения указанного технического результата может быть использован ускоритель потока текучих сред, содержащий первый элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания
которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,1-50 м, при этом образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломанную линию, построенную вдоль кривой, и второй элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,25-80 м, образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломанную линию, построенную вдоль кривой, указанные элементы обращены друг к другу меньшими основаниями, причем между первым и вторым элементом находится расположенный снаружи дополнительный элемент в виде усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания дополнительного элемента равен 0,5-125 м диаметр большего основания дополнительного элемента 0,7-200 м и высоте усеченного конуса дополнительного элемента 0,25-100 м, при этом высота усеченного конуса первого элемента всегда меньше высоты усеченного конуса дополнительного элемента, а диаметр большего основания первого элемента всегда меньше диаметра большего основания дополнительного элемента. В предпочтительном варианте реализации он может дополнительно содержать расположенный между первым и вторым элементом цилиндрический элемент или многогранник, описанный вокруг цилиндрического элемента и/или усеченный конус или многогранник, описанный вокруг усеченного конуса, причем образующая представляет собой прямую или ломанную линию, построенную вдоль прямой, прилегающий/прилегающие к меньшим основаниям усеченных конусов, а длина цилиндрического элемента составляет 0,01-100 м. В
некоторых конструктивных вариантах реализации диаметр меньшего основания дополнительного элемента превышает диаметры меньших оснований первого и второго элементов, ось цилиндрического элемента не совпадает с осями первого и второго элемента, т.е. он смещен относительно меньших оснований первого и второго элементов. Кроме того, цилиндрический элемент может быть частично размещен внутри дополнительного элемента.
Форма образующей конуса первого, второго и дополнительного элементов (парабола, гипербола, ломанная линия и т.д.), как было экспериментально установлено, значительного влияния на указанный технический результат не оказывает, но наиболее предпочтительным вариантом реализации является дуга окружности.
Величина используемых размеров зависит от области применения разработанной конструкции.
Разработанная конструкция ускорителя потока во всех вариантах реализации может иметь различные применения.
В первом случае, при применении устройства в энергетике, возможно его использование при строительстве ветро-гидроэлектростанций.
Ветроэнергетические установки имеют широкое применение в районах с высокой среднегодовой скоростью ветра. Как правило, все производители ветровых турбин рассчитывают на номинальную скорость ветра выше 10-11 м/с. Поэтому создание класса ветроустановок с номинальной скоростью ветра 5-6 м/с открывает возможности для использования ветроустановок в большинстве районов мира. С другой стороны, ускорение потока в плоскости ветроколеса способно снизить размеры ветроустановок при сохранении мощности либо существенно - более чем в 9-12 раз увеличить мощность имеющихся установок.
Устройство применимо при использовании в ветро- и гидроэнергетических установках с осью вращения ветро- или гидроколеса параллельной оси набегающего потока (горизонтально осевые установки). В этом случае, разработанное устройство позволяет увеличить скорость набегающего на него потока в 2,28 раза. Ветро- и/или гидроколесо располагается перпендикулярно (или под небольшим углом) к потоку и за счет вращения лопастей ветро- и/или гидроколеса через электрическую машину (например, генератор электрического тока) преобразует кинетическую энергию потока в месте расположения ветроколеса в электрическую энергию.
Кроме применения в энергетике (при создании ветровых и гидротурбин для ускорения движущегося потока и, таким образом, либо увеличения мощности равновеликих турбин, либо эффективной работе равновеликих турбин при более низких скоростях набегающего потока), оно может быть также использовано в различных областях техники, где необходимо увеличивать либо локальную скорость потока, либо количество забираемой через определенный диаметр текучей среды (воздуха, жидкости и т.д.).
Использование разработанного устройства в ряде случаев позволяет собирать поток с площади большей, чем занимает само устройство. Это значит, что при нахождении устройства в неподвижном потоке и создании искусственной разницы давлений перед устройством и внутри него внутрь устройства попадет значительно больше окружающей среды, чем попало бы в обычную трубу.
Изобретение может быть иллюстрировано следующим примером реализации.
Обычная ветровая турбина с диаметром ротора 20 метров с установленной мощностью 50 кВт может вырабатывать 7-8 кВт
электроэнергии при скорости ветра в 5 м/с и/или 45-50 кВт при скорости ветра в 10 м/с. Применение разработанного устройства при строительстве ветровой турбины с таким же размером ротора позволит получать 75-80 кВт при скорости ветра 5 м/с и/или свыше 500 кВт при скорости ветра в 10 м/с при соответствующей модернизации генератора электрического тока.
При реализации разработанного ускорителя потока для набегающего потока воздуха со скоростью 5 м/сек при интенсивности турбулентности до 20% и характерном размере энергонесущего вихря до 1 м в устройстве получена средняя скорость потока 10,9-11,4 м/сек.