Водоветровой двигатель
WATER-WIND ENGINE

Изобретение относится к водоветроэнергетическому машиностроению, а именно к двигателям, использующим энергию воды или ветра для выработки механической энергии в различных областях техники, в частности, в энергетике для привода электрогенератора.
Известна установка для использования энергии ветра по заявке ФРГ №2905560, кл. F03D 3/02, 1980 г., содержащая ветровые колеса с лопастями, установленные ярусами друг над другом и рядом друг с другом с возможностью вращения на общих вертикальных осях.
Однако, такие установки для использования энергии ветра обладают рядом недостатков: - автоматическое ориентирование к ветру с использованием поплавков и энергии волн возможно только при наличии водной поверхности, причем вялое перемещение поплавков не может обеспечить достаточно быструю переориентацию к изменившемуся направлению ветра, а это снижает эффективность ветрового двигателя;
- расположенные рядом друг за другом ветровые колеса снижают эффективность ветрового двигателя, так как, ветровое колесо, принимающее ветер, первым рассекает его перед расположенным за ним;
- лопасть ветрового колеса в зоне действия ветра, преодолевая сопротивление пружины, поворачивается на шарнире, а попадая в зону защищенную от ветра ветронаправляющим устройством, возвращается в исходное положение, причем это происходит при каждом обороте ветрового колеса и сопровождается ударом, вибрацией и быстрым износом шарнира, пружины и лопасти.
Известен ветровой двигатель по патенту Российской Федерации №2009370, кл. F03D 3/00, 1980 г., содержащий размещенные ярусами в опорных рамах и закрепленные на двух вертикальных кинематически связанных между собой осях ветроколеса с лопастями, вертикальную мачту, расположенную симметрично относительно осей ветроколес, с установленными на ней площадкой с механическим приводом и устройством ориентации, с целью повышения эффективности, устройство ориентации выполнено в виде двух вертикальных плоскостей, соединенных под острым углом с вершиной, направленной к ветру, и снабжено вертикальными стойками, шарнирно соединенными с опорными рамами ветроколес с возможностью их перемещения в горизонтальной плоскости, причем горизонтальные рамы попарно соединены пружинами растяжения, а мачта имеет нижнюю шаровую пяту и верхнюю шаровую опору, механический привод содержит инерционный маховик, установленный соосно с мачтой, и преобразователь встречного вращения ветроколес в однонаправленное, выполненный в виде пары цилиндрических зубчатых колес.
Однако, конструкция двигатель не позволяет эффективно использовать направляющийся в него поток ветра. Использование же потока воды двигателем совсем не предусмотрено, да и не возможно.
Известен водоветряной двигатель по патенту Китая №1055039, кл. F03B 1/00, 1991 г., принятый заявителем за прототип. Он содержит на опорно-поворотной оси корпус с направляющим раструбом-рассекателем, размещенные в корпусе рабочие валы с лопастями, механизм привода вала потребителя, связывающий рабочие валы и вал привода потребителя. Рабочие валы размещены параллельно друг другу, а зоны обратного хода лопастей рабочих валов совмещены в одну зону обратного хода. Причем механизм привода вала потребителя предназначен для обеспечения синхронного вращения рабочих валов в противоположные стороны и передачи вращения на вал привода потребителя.
Известное изобретение относится к устройствам выработки электрической энергии с использованием приливов рек и естественного ветра, задачей которого является создание устройства естественной выработки электрической энергии естественным ветром, в котором используется приливной естественный ветер реки.
Однако, такая конструкция устройства является мало эффективной за счет того, что опорно-поворотная ось размещена впереди, перед устройством, лопасти рабочих валов разнесены друг относительно друга и не перекрывают рабочие зоны, механизм привода вала потребителя выполнен сложным из двух ветвей.
Технической проблемой заявляемого изобретения является необходимость создания двигателя такой конструкции, которая позволяла бы его применение с использованием либо потока ветра, либо потока воды, при этом использовать двигатель с большой степенью эффективности, например, в качестве альтернативного источника для выработки электрической энергии.
Поставленная проблема решается тем, что в предлагаемом решении, содержащем установленный на опорно-поворотной оси корпус с направляющим раструбом-рассекателем, размещенные в корпусе рабочие валы с лопастями и вал привода потребителя, при этом лопасти одного рабочего вала размещены без контакта с лопастями другого рабочего вала, механизм привода вала потребителя, связывающий рабочие валы и вал привода потребителя, направляющий раструб-рассекатель выполнен в виде двух плоскостей, соединенных под острым углом, обращенным вершиной к потоку, а опорно-поворотная ось размещена за входным сечением направляющего раструба-рассекателя, причем лопасти выполнены плоскими и закреплены на каждом рабочем валу с эксцентриситетом, механизм привода вала потребителя выполнен в виде одной ветви, которая включает цепь и «паразитную» звездочку, и предназначен, в том числе, для обеспечения синхронного вращения рабочих валов в противоположные стороны.
Кроме того, опорно-поворотная ось размещена вертикально, а корпус закреплен на ней так, что рабочие валы размещены в корпусе вертикально и параллельно опорно-поворотной оси, или рабочие валы размещены в корпусе горизонтально и перпендикулярно опорно-поворотной оси.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что получен двигатель с одинаково высокой степенью эффективного применения как от потока ветра, так и от потока воды, для выработки электрической энергии для различных потребителей, например, для обеспечения электроэнергией дачных домов, коттеджей.
На фиг. 1 изображен вид на водоветряной двигатель спереди;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 с размещением рабочих валов и лопастей;
на фиг. 3 - кинематическая схема связи рабочих валов - механизм привода вала потребителя;
на фиг. 4 - вариант горизонтального рабочего положения двигателя при его использовании;
на фиг. 5 - варианты вертикального рабочего положения двигателя при его использовании;
на фиг. 6 - вариант примера использования водоветрового двигателя, размещаемого в потоке водной среды.
Водоветровой двигатель состоит из несущего корпуса 1, который установлен на опорно-поворотной оси 2 и содержащий направляющий раструб-рассекатель 3, который выполнен в виде двух плоскостей, соединенных под острым углом, обращенным вершиной к потоку. В корпусе 1 размещены рабочие валы 4 и 5 с лопастями 6. Лопасти 6 выполнены плоскими и жестко закреплены на рабочих валах 4 и 5, чем обеспечивают работу двигателя без шума, ударов и вибраций. Причем лопасти 6 закреплены на каждом рабочем валу 4 и 5 с эксцентриситетом «е». При этом лопасти 6 одного рабочего вала размещены без контакта с лопастями 6 другого рабочего вала. А именно, лопасти 6 ориентированы в пространстве в виде зацепления без контакта, а вращение каждого рабочего вала осуществляется своим воздушным или водным потоком, при этом каждый рабочий вал 4 и 5 вращается независимо от другого.
Опорно-поворотная ось 2 размещена за входным сечением направляющего раструба-рассекателя 3, в отличие от прототипа, где она размещена перед раструбом, что позволяет с наименьшим сопротивлением потоку воздуха или воды поворачиваться корпусу 1 с рабочими валами 4 и 5. Выполнение в таком виде предлагаемого водоветрового двигателя, а именно, в виде «флюгера», позволяет легко ориентировать его корпус 1 в направлении потока воздуха и достигать наиболее полного использования его энергии.
С наружной стороны корпуса 1 на рабочих валах 4 и 5 установлены одинаковые по диаметру звездочки 7 и 8, которые кинематически связаны с помощью цепи 9 и «паразитной» звездочки 10 с системой натяжения и образуют механизм привода вала потребителя 11, связывающий рабочие валы 4 и 5 и вал привода потребителя 11.
Причем механизм привода вала потребителя, в отличие от прототипа, где такой механизм представлен в виде двух ветвей, выполнен в виде одной ветви, которая включает цепь 9 и «паразитную» звездочку 10, и предназначен для обеспечения синхронного вращения рабочих валов 4 и 5 в противоположные стороны и недопущения касания лопастей 6 между собой в зоне обратного хода, а также передачи вращения на вал привода потребителя 11. Цепь 9 в этом механизме является синхронизирующим элементом, так как синхронизация работы валов зависит от шага цепи 9.
Вместо шумной цепной передачи допустимо использование зубчатых шкивов и двухстороннего плоскозубчатого приводного ремня. Такая передача не требует смазки.
Опорно-поворотная ось 2 размещена всегда в вертикальном положении, однако, корпус 1 может быть закреплен на ней так, что рабочие валы 4 и 5 могут быть размещены в корпусе 1 вертикально и параллельно опорно-поворотной оси 2, или рабочие валы 4 и 5 могут быть размещены в корпусе 1 горизонтально и перпендикулярно опорно-поворотной оси 2.
В случае размещения двигателя в воде, он выполнен с возможностью фиксации в водном потоке посредством якорей 12 или растяжек 13.
Зоны обратного хода лопастей 6 двух рабочих валов 4 и 5 совмещены в одну зону обратного хода с целью уменьшения габаритов двигателя, сложения скоростей вращения лопастей и, как итог, повышения КПД двигателя. При этом лопастям 6 каждого рабочего вала 4 и 5, размещенным в плоскостях, которые смещены от центра вращения рабочего вала 4 и 5 на величину эксцентриситета «е», за счет этого эксцентриситета «е», создают плечо для первоначального стартового крутящего момента, способствующее плавному началу и дальнейшему плавному вращению лопастей 6.
Водоветровой двигатель работает следующим образом.
Работа водоветрового двигателя основывается на преобразовании кинетической энергии воздушного или водного потока в механическую энергию вращения рабочих валов, которые имеют лопасти, равномерно расположенные по окружности вала.
Двигатель выставляют навстречу потоку воздуха или воды выполненным в нем направляющим раструбом-рассекателем 3 так, чтобы поток максимально входил в корпус 1 двигателя, а опорно-поворотная ось 2 минимально компенсировала незначительные отклонения этого потока, направляя его в раструб-рассекатель 3. Выполненный в виде двух плоскостей, соединенных под острым углом, обращенным вершиной к потоку, раструб-рассекатель 3 разделяет его на два потока с более концентрированными струями, которые отклоняясь в сторону, на лопасти рабочих валов 4 и 5, приобретают скорость превышающую скорость свободного потока и повышают эффективность использования его энергии.
Поток в раструбе-рассекателе 3 корпуса 1 уплотняется, за счет чего в узкой части корпуса 1 увеличивает свою скорость. Здесь движущая масса потока давит на лопасти 6 и они начинают вращать в разные стороны рабочие валы 4 и 5. Однако, вал привода потребителя 11 или «паразитная» звездочка 10 вращаются в одну сторону, суммируя усилия от рабочих валов, благодаря механизму привода вала потребителя, синхронизирующему вращение рабочих валов в противоположные стороны. Выполнение из полого квадратного профиля рабочих валов 4 и 5 для удобства крепления лопастей 6 и смещения точки приложения давления потока от центра вращения на величину эксцентриситета «е» увеличивает чувствительность начала движения лопастей 6. Происходит плавное вращение рабочих валов 4 и 5 без рывков, так как максимальную нагрузку поочередно воспринимают лопасти 6 вала 4 и вала 5, что способствует ориентации двигателя к фронту потока.
Благодаря синхронному вращению рабочих валов 4 и 5 можно их суммарное вращение представить как вращение одного вала от лопастей 6, разбивающих окружность вращения на восемь одинаковых секторов. Зона обратного хода лопастей 6 не воспринимает давление потока, поскольку закрыта щитом раструба-рассекателя 3 и отсутствует причина торможения вращения лопастей 6 от встречного потока в зоне обратного хода.
Включенный в схему привода вал привода потребителя 11 также приводится во вращение, которое он передает, например, на электрогенератор. А электрогенератор преобразует это вращательное движение в электрическую энергию, которой он и обеспечивает, например, дачные дома или коттеджи.
3
Мощность такого двигателя можно определить по формуле: N=psv/2, где
р - плотность движущейся массы потока в зоне давления на лопасти;
s - площадь, с которой собирается поток в раструб-рассекатель;
v - скорость потока в зоне давления на лопасти.
Видно, что результат имеет кубическую зависимость от скорости потока в рабочей зоне, которую создает раструб-рассекатель 3, наличие которого в конструкции оправдано. Принимая в расчет, что жидкости практически не сжимаются, в водной среде эффективность двигателя сразу поднимается в 800 раз, так как плотность воды и воздуха отличается в 800 раз при нормальных условиях, с чем нельзя не считаться.
Для работы двигателя в потоке воды его помещают перпендикулярно этому потоку воды, для чего фиксируют двигатель растяжками 13 или якорями 12. А чтобы меняющаяся скорость и направление потока не влияли на работу двигателя, его размещают на понтоне, где также размещают потребитель и механизм синхронизации вращения рабочих валов.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать высокоэффективный, универсальный двигатель, работающий с использованием как потока ветра, так и потока воды, который возможно использовать в качестве альтернативного источника для выработки электрической энергии.
Более полное использование энергии ветра и воды и повышение эффективности предложенного двигателя по сравнению с известными решениями достигается следующим.
1. Выполнением направляющего раструба-рассекателя в виде двух плоскостей, соединенных под острым углом, обращенным вершиной к потоку.
2. Закреплением корпуса на опорно-поворотной оси, а опорно-поворотной оси - за направляющим раструбом-рассекателем, а именно, выполнением двигателя в виде «флюгера», что позволяет легко ориентировать корпус в направлении потока и достигать наиболее полного использования его энергии.
3. Плоские, жестко закрепленные лопасти рабочих валов обеспечивают работу двигателя без шума, ударов и вибрации.
4. Закреплением лопастей на каждом рабочем валу с эксцентриситетом.
5. Ориентированием в пространстве лопастей одного рабочего вала относительно другого в виде зацепления без контакта, а с водовоздушной прослойкой.
6. Выполнением механизма привода вала потребителя в виде одной ветви.
Конструкция двигателя предполагает его изготовление на универсальных станках, поскольку лопасти выполнены плоскими и не имеют фигурных поверхностей.
Кроме того, водоветровой двигатель можно изготавливать разных размеров для удобства его установки и использования при передаче механической энергии вращения разным потребителям, как для выработки электрической энергии, так и для вращения, например, винта при установке двигателя на плавсредствах.