ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ СИЛУ
CONTINUOUS MEDIUM KINETIC ENERGY CONVERTER INTO MECHANICAL FORCE

Изобретение относится к устройствам, преобразующим кинетическую энергию потока воды или воздуха в механическое перемещение своего выходного элемента. К ним относятся ветродвигатели, ветряные и водные мельницы, ветровые и водные электростанции, ветровые устройства для подъема воды и т.п.
Известны преобразователи кинетической энергии потока сплошной среды в механическое движение (патенты РФ №№2338923, 2428585), состоящие из опорного каркаса, подвешенной в нем подвижной рамы с установленными в ней пластинами, имеющими симметричный аэродинамический профиль поперечного сечения и кинематически связанными между собой. При обдувании пластин потоком среды под некоторым углом атаки на них возникают силы, которые передаются через подшипники их подвеса раме и вызывают ее линейное движение в сторону конца каркаса. При подходе к нему угол атаки пластин меняется на противоположный, и рама движется к противоположному концу каркаса, около которого угол атаки вновь меняется, и процесс периодически повторяется.
y
Недостаток таких преобразователей заключается в относительно низкой эффективности, обусловленной малой развивающейся на каждой пластине силой, причиной чего является симметричность профиля сечения пластин, необходимая для обеспечения одинаковой эффективности при их движении в разных направлениях и характерная коэффициентом подъемной силы C не более 0,8.
у
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования кинетической энергии потока в механическую силу. Техническим результатом изобретения будет новая конструкция пластин, обеспечивающая более высокое значение коэффициента С пластины.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что каждая пластина выполнена упругой и имеет свободу движения в направлении своей короткой стороны
На рис. 1 показана схема предлагаемого преобразователя. Преобразователь состоит из опорного каркаса - 1, в котором размещена со свободой линейного движения в его плоскости рама - 2. В раме - 2 установлены со свободой поворотов вокруг своих, лежащих в плоскости рамы осей, пластины - 3, связанные между собой кинематической связью - 4. Связь - 4 обеспечивает повороты пластин на одинаковые углы в ограниченных упорами - 5 (а, б) пределах. На каркасе - 1 размещены упругие упоры - 6 (а, б). На раме - 2 имеется устройство - 7 для связи с нагрузкой, например, кривошипно-шатунный механизм. В исходном положении плоскости пластин-3 перпендикулярны плоскости рамы - 2.
Пластины - 3 подвешены к реям - 8 (рис. 2) со свободой перемещения узлов подвеса между ограничителями - 9 (а, б), 10 (а, б), выполнены из тонких упругих листов, например, из пластмассы, имеют большие отношения длины к толщине и ширины к толщине, например, ширина 400 мм и толщина 1 мм, имеют удлинение, выбранное из аэродинамических соображений и конструкционных ограничений, например, 6-8. Оси вращения пластин расположены ближе к их носкам так, что центры масс пластин располагаются сзади осей вращения.
Работа преобразователя состоит в следующем. В общем случае реи с пластинами развернуты на угол атаки а и обдуваются потоком со скоростью V. При этом на каждой пластине развивается сила
1
y
-1
2
F=0,5CSρgV,
у
где: С - безразмерный коэффициент,
S - площадь пластины,
g - ускорение свободного падения,
ρ - удельный вес обдувающей среды.
у
у
Под действием этой силы пластина выгибается в ее направлении (рис. 3а), точки ее подвеса двигаются, сближаясь, по рею в направлении внутренних частей ограничителей - 9б и 10б и упираются в них. При этом пластина оказывается прогнутой в плоскости поперечного сечения на величину f стрелки прогиба. От стрелки f и угла атаки зависит значение коэффициента С. Из опыта аэродинамики известно, что оно максимально при оптимальном для получившегося дугообразного профиля значении угла около 15°-18° и стрелки прогиба 10% от ширины пластины. Из соображения обеспечения оптимального значения стрелки прогиба выбирается расстояние между внутренними частями ограничителей- 9 и 10. При оптимальном значении этих параметров коэффициент С может достигать в зависимости от величины удлинения пластины значений 2-2.5 против значения не более 0,8 у симметричного профиля сечения.
Следовательно, при одинаковых скоростях V обдувающего потока и одинаковых площадях S пластин на пластинах рамы-2 развивается сила в 2,5-3 раза большая, чем на пластинах прототипа.
p
1
Под действием силы пластин рама-2 движется со скоростью V к одному из упоров - 6 (правому для случая ориентации пластин, приведенному на рис. 3а) и через устройство - 7 перемещает нагрузку, если она подсоединена. Подойдя к правому упору - 6а, ближайшая к нему пластина упирается в него, сжимает и останавливается. Вместе с ней останавливаются связанные с ней кинематической связью - 4 остальные пластины. Одновременно находящиеся сзади осей вращения пластин их концевые части продолжают движение по инерции, и т.к. центры масс пластин находятся сзади осей их вращения, вследствие чего относительно осей возникает вращающий момент, все пластины оказываются повернуты в противоположную их предыдущей ориентации сторону на новый угол атаки -α (рис. 3б). Направление действующих на пластины сил меняется на противоположное, пластины под действием набегающего потока выгибаются в противоположную сторону, узлы их подвесов перемещаются к внешним частям ограничителей - 9 и10, пластины выпрямляются и после прохождения их центральной частью нейтрального положения начинают выгибаться в сторону нового направления силы -F. Узлы их подвеса меняют направление движения и перемещаются к внутренним частям ограничителей - 9б, 10б. Пластины вновь приобретают максимально выгодную форму, но уже выгнутую относительно рей в другую сторону, и рама под действием развившейся на пластинах силы и отданного ей распрямляющимся упором - 6а импульса силы движется к левому упору, где направление сил вновь меняется на противоположное, и процесс вновь повторяется.
Поскольку сила, развивающаяся па пластинах, в несколько раз больше, чем у прототипа, скорость движения рамы, или частота ее колебаний между упорами, как и сила, входящие в понятие «эффективность», стали значительно больше. Таким образом, предложенная конструкция пластин и их подвеса к раме обеспечивают преобразователю возможность работать с большей нагрузкой по сравнению с нагрузкой прототипа. В этом и заключается положительный эффект предлагаемого изобретения.