УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к устройствам выработки электрической энергии путем преобразования энергии текучей среды в электрическую энергию, и может быть использована в качестве привода генератора электрической энергии.
Из уровня техники известен СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ [патент РФ №2473820], заключающийся в том, что помещают поворотное крыло с удерживающей его конструкцией в ветровой поток, формируют вращающий момент силы, воздействующей на конструкцию с поворотным крылом, под действием аэродинамической силы поворотного крыла одного направления, преодолевая момент ее силы инерции, уменьшают угол атаки крыла до нулевого значения при повороте конструкции с поворотным крылом, изменяют угол атаки крыла на противоположный для формирования вращающего момента силы, воздействующей на конструкцию другого направления, и передают сформированные вращающие моменты сил, воздействующие на конструкцию с поворотным крылом, одного и другого направлений на нагрузку, отличающийся тем, что вначале отклоняют от вертикального положения на угол продольную ось поворота крыла в направлении минимального значения диаграммы направленности розы ветров путем отклонения на угол оси вращения конструкции с поворотным крылом, помещают поворотное крыло с удерживающей его конструкцией вдоль ветрового потока, ограничивают и фиксируют углы поворота крыла с помощью ограничительных упоров.
Недостатком аналога является ограниченная область применения только для газообразных сред, а также невысокий КПД.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ КРЫЛА [патент РФ №2141058], который характеризуется тем, что помещают поворотное крыло с удерживающей его конструкцией в ветровой поток, формируют вращающий момент силы, воздействующей на конструкцию с поворотным крылом, под действием аэродинамической силы поворотного крыла одного направления, преодолевая момент ее силы инерции, уменьшают угол атаки крыла до нулевого значения при повороте конструкции с поворотным крылом, изменяют угол атаки крыла на противоположный для формирования вращающего момента силы, воздействующей на конструкцию другого направления, и передают сформированные вращающие моменты сил, воздействующие на конструкцию с поворотным крылом, одного и другого направлений на нагрузку и на противодействующий накопитель механической энергии (на пружину) при непосредственном соприкосновении с ним на краях заранее заданного сектора поворота удерживающей поворотное крыло конструкции относительно неподвижной опоры
Недостатком прототипа является невысокий КПД, который обусловлен тем, что возвратное движение крыла происходит в потоке, при этом во время возвратного движения крылу приходится преодолевать значительное динамическое сопротивление потоку, на преодоление которого расходуется значительное количество накопленной энергии.
Технический результат состоит в увеличении КПД преобразования энергии текущей среды в механическую энергию.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлено устройство для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию, содержащее крыло, соединенное посредством мачты и кинематической цепи с валом отбора энергии, отличающееся тем, что при этом кинематическая цепь включает упругий шатун в виде шарнирного параллелограмма, две стороны которого связаны пружиной и который одной вершиной связан с упругим эксцентриком, а другой противоположной вершиной посредством осевого шарнира связан со звеном вращения, кинематически связанным с валом отбора энергии и с маховиком, причем ось осевого шарнира расположена под углом к оси вращения указанного звена.
Предпочтительно, упругий эксцентрик включает цилиндрическую пружину.
Предпочтительно, осевой шарнир выполнен в виде закрепленной на звене вращения втулки с соосно расположенным в ней пальцем.
Принцип работы устройства основан на том, что помещают крыло в поток текучей среды, которое под воздействием потока начинает движение, при этом уменьшают угол атаки крыла, а также аккумулируют часть энергии потока. Особенностью является то, что обеспечивают движение крыла по ходу потока, при этом часть энергии движения крыла механически аккумулируют и одновременно уменьшают угол атаки крыла, а при достижении крылом крайнего заднего положения обеспечивают передачу ему части накопленной энергии и обеспечивают извлечение крыла из потока среды, перевод его в исходное положение и одновременно увеличивают угол атаки крыла, а при достижении крылом исходного положения его перемещают в поток текучей среды.
Вышеуказанные признаки устройства обеспечивают заявленный технический результат увеличения КПД преобразования энергии текущей среды в механическую энергию, поскольку заявленные признаки устройства отражают различные возможные варианты его технической реализации.
Ниже покажем это.
Например, первый вариант реализации предусматривает, что крыло, установленное на мачте, помещают в поток жидкости, который воздействует на крыло и начинает перемещать мачту с крылом по ходу движения жидкости, при этом мачта воздействует на параллелограммный механизм, который передает движение осевому шарниру, который в свою очередь воздействует на втулку и начинает приводить в движение звено вращения, которое через цепную передачу и звездочку начинает раскручивать маховик, который аккумулирует часть механической энергии, одновременно при движении крыла с мачтой по ходу потока пружина, на которой установлена мачта вслед за движением осевого шарнира на звене вращения начинает восстанавливать вертикальное положение и после этого отклоняться назад, что приводит к вращению мачты вокруг своей оси и к уменьшению угла атаки крыла, при достижении крылом крайнего заднего положения угол атаки крыла устанавливается минимальным, а пружина на которой установлена мачта максимально отклонена назад, при этом маховик через звено вращения, втулку, осевой шарнир и параллелограммный механизм начинает передавать мачте поступательное движение вверх и вперед, тем самым извлекает крыло из потока среды и переводит его в переднее положение, при переводе крыла в переднее положение пружина на который опирается мачта крыла начинает восстанавливать вертикальное положение и постепенно наклоняться вперед, тем самым вращает мачту вокруг своей оси и постепенно увеличивает угол атаки крыла, по завершении цикла движения крыло еще быстрее в сравнении с первоначальным движением опускается в поток воды, что приводит к более энергичному прохождению крылом цикла движения и большей передачи механической энергии маховику.
Второй возможный вариант реализации предполагает, что крыло, установленное на мачте, помещают в поток жидкости, который воздействует на крыло и начинает перемещать мачту с крылом по ходу движения жидкости, при этом мачта воздействует на осевой шарнир, который в свою очередь воздействует на втулку и начинает вращать маховик, который аккумулирует часть механической энергии, при движении крыла с мачтой по ходу потока пружина, на которой установлена мачта вслед за движением осевого шарнира на маховике начинает восстанавливать вертикальное положение и после этого начинает отклоняться назад, что приводит к вращению мачты вокруг своей оси и к уменьшению угла атаки крыла, при достижении крылом крайнего заднего положения угол атаки крыла устанавливается минимальным, пружина на которой установлена мачта максимально отклонена назад, а маховик через осевой шарнир начинает передавать мачте поступательное движение вверх и вперед, тем самым извлекает крыло из потока среды и переводит его в переднее положение, при переводе крыла в переднее положение пружина на который опирается мачта крыла начинает восстанавливать вертикальное положение и постепенно наклоняться вперед, тем самым вращает мачту вокруг своей оси и постепенно увеличивает угол атаки крыла, по завершении цикла движения крыло еще быстрее в сравнении с первоначальным движением опускается в поток воды, что приводит к более энергичному прохождению крылом цикла движения и большей передачи механической энергии к маховику.
Третий возможный вариант реализации предполагает, что сдвоенную вертикальную мачту с парой крыльев устанавливают таким образом, чтобы крылья располагались симметрично относительно оси вращения сдвоенной мачты, а плоскости крыльев были расположены поперек воздушного потока, после этого перед одним из крыльев устанавливают вертоотбойник, при этом воздушный поток начинает воздействовать на второе крыло, которое начинает передавать сдвоенной мачте вращательное движение, при этом загнутое нижнее окончание мачты передает вращательное движение шаровому подшипнику, который расположен между двумя горизонтальными пружинами, которые начинают выполнять синхронные сжатия-растяжения и накапливают часть механической энергии движения мачты, за счет поворота сдвоенной мачты вокруг своей оси угол атаки крыла, которое находится в воздушном потоке постепенно уменьшается, а угол атаки второго крыла за ветроотбойником постепенно увеличивается до того момента пока плоскости крыльев не будут расположены вдоль воздушного потока, при этом часть энергии шарового подшипника и пружин расходуется на поддержание вращательного движения мачты, после этого воздушный поток начинает воздействовать на крыло, которое находилось за ветроотбойником, при этом второе крыло укрывается от воздушного потока за ветроотвойником, очередной цикл движения крыльев начинается более энергично, за счет чего шаровому подшипнику передается большее количество механической энергии, который через пружину передает вращательное движение генератору.
Таким образом, выше мы показали, что заявленное устройство может быть практически реализовано в различных вариантах исполнения, не ограниченных описанными примерами. В связи с чем, существенными признаками, обеспечивающими заявленный технический результат, являются только те, которые отражаются в каждом из возможных вариантов реализации, и которые выражают устройство, содержащее крыло, соединенное посредством мачты и кинематической цепи с валом отбора энергии, где кинематическая цепь включает упругий шатун в виде шарнирного параллелограмма, две стороны которого связаны пружиной и который одной вершиной связан с упругим эксцентриком, а другой противоположной вершиной посредством осевого шарнира связан со звеном вращения, кинематически связанным с валом отбора энергии и с маховиком, причем ось осевого шарнира расположена под углом к оси вращения указанного звена.
Иные признаки являются частными случаями возможных вариантов реализации и не являются предметом охраны настоящей полезной модели.
Краткое описание чертежей.
Сущность устройства для преобразования энергии текущей среды поясняется работой 3 вариантов его реализаций, устройство которых приведено на фиг. 1-8, а именно на фиг. 1-4 представлен первый вариант реализации, на фиг. 5-6 представлен второй вариант реализации, на фиг. 7-8 представлен третий вариант реализации.
На фиг. 1 показан вид сбоку первого варианта реализации при переднем крайнем положении крыла.
На фиг. 2 показан вид сверху первого варианта реализации при переднем крайнем положении крыла.
На фиг. 3 показан вид сбоку первого варианта реализации при заднем крайнем положении крыла.
На фиг. 4 показан вид сверху первого варианта реализации при заднем крайнем положении крыла.
На фиг. 5 показан вид сбоку второго варианта реализации способа при переднем крайнем положении крыла.
На фиг. 6 показан вид сбоку второго варианта реализации при заднем крайнем положении крыла.
На фиг. 7 и фиг. 8 показан вид сбоку третьего варианта реализации устройства.
Осуществление полезной модели.
По первому возможному варианту реализации устройство для преобразования энергии текучей среды содержит (см. Фиг. 1-4) раму 1, на которой не подшипниковой оси (на фигурах не показана) установлено звено вращения 2, выполненное в виде звездочки, на звене вращения 2 с внешней стороны неподвижно установлена втулка 3, при этом звено вращения 2 с втулкой 3 образуют коленчатый вал. Втулка 3 с помощью осевого шарнира 4 соединена с одной из подвижных сторон параллелограммного механизма 5, другая подвижная сторона параллелограммного механизма 5 соединена с мачтой 6, которые закреплены на эксцентрике 7, который установлен сверху пружины 8, которая установлена на основании 9. На конце мачты 6 смонтировано крыло 10 с лопастью 11, при этом крыло 10 и лопасть 11 размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Звено вращения 2 с помощью цепной передачи соединено с ведомой звездочкой 12 установленной на маховике 13, который механически связан с генератором 14.
В указанном варианте реализации способа преобразования энергии осевой шарнир 4 и параллелограммный механизм 5 образуют шатун.
В параллелограммном механизме 5 между соседними ребрами могут быть установлены упругие элементы, при этом их упругая сила должна быть направлена на сложение параллелограммного механизма 5.
По второму варианту реализации устройство для преобразования энергии текучей среды содержит (см. Фиг. 5-6) раму 15, на которой на подшипниковой оси (на фигурах не показана) установлен маховик 16, на котором неподвижно закреплена втулка 17, при этом маховик 16 с втулкой 17 образуют коленчатый вал. Втулка 17 с помощью осевого шарнира 18 соединена одновременно с мачтой 19 и эксцентриком 20, расположенным сверху пружины 21, которая установлена на опоре 22. На конце мачты 20 смонтировано крыло 23 и лопасть 24, при этом они размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Маховик 16 механически связан с генератором 25.
В данном варианте реализации устройства для преобразования энергии осевой шарнир 19 выполняет функцию шатуна.
По третьему варианту реализации устройство для преобразования энергии текучей среды содержит (см. Фиг. 7-8) генератор 26, на валу генератора 26 установлена пружина 27, к которой через шаровой подшипник 28 прикреплена сдвоенная мачта 29 с лопастями 30 и 31, при этом вал генератора 26, пружина 27 и мачта 29 установлены на одной продольной оси. Пружина 27 и мачта 29 зафиксированы во втулках 32, при этом шаровой подшипник 28 установлен между парой горизонтальных пружин 33 и 34, а перед лопастью 31 смонтирован ветроотбойник 35.
Указанный вариант реализации устройства для преобразования энергии текущей среды используется для преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию. Ветроотбойник 35 предназначен для временно укрытия одной лопасти от воздействия воздушного потока для обеспечения цикла движения мачты 29 с крыльями 30 и 31 без дополнительного расходование энергии на преодоления сопротивления воздушному потоку.
В качестве накопителя энергии в третьем варианте реализации используют шаровой подшипник 28 с пружинами 31 и 32.
Направление потока воздуха показано на Фиг. 7 окружностью, в центре которой расположена точка (направление к наблюдателю), а на Фиг. 8 направление движения потока воздуха показано стрелкой.
Поясним сущность принципа работы устройства для преобразования энергии текучей среды на примере работы первого варианта реализации.
За исходное положение примем горизонтальное положение паралледограммного механизма 5, при котором осевой шарнир 4 и втулка 3 звена вращения 2 расположены на максимально удаленном расстоянии от пружины 8, при этом ось осевого шарнира 4 расположена в горизонтальной плоскости и направлена в сторону от оси вращения звена 2. Крыло 10 находится в крайнем переднем положении под максимальным углом атаки к потоку жидкости. Пружина 8 наклонена навстречу потоку жидкости.
На Фиг. 1-4 направление потока жидкости показано стрелкой.
После этого опускают крыло 10 в поток воды, при этом поток воды воздействует на крыло 10 и лопасть 11, которые сообщают мачте 6 движение по ходу потока и начинают переводить мачту 6 в заднее положение, при этом мачта 6 воздействует на параллелограммный механизм 5, который передает движение осевому шарниру 4, который в свою очередь воздействует на втулку 3 и начинает приводить в движение звено вращения 2, которое через цепную передачу и звездочку 12 начинает приводить в движение маховик 13, при этом в маховике 13 аккумулируется часть энергии движения мачты 6 и крыла 10.
В потоке воды мачта 6 с крылом 10 и лопастью 11 движется флаттером, т.е. совершает поступательное, вращательное и колебательное движение.
При достижении звена вращения 2 такого положения, при котором втулка 3 принимает вертикальное положение, а осевой шарнир 4 находится в крайней верхней точке, пружина 8 восстанавливает вертикальное положение, крыло 10 находится в нижней точке.
После этого во время дальнейшего отклонения крыла 10 под воздействием потока среды пружина 8 начинает отклоняться назад, при этом мачта 6 вращается вокруг своей оси и уменьшает угол атаки крыла 10.
При достижении крылом 10 крайнего заднего положения (см. Фиг. 3 и 4) угол атаки крыла 10 устанавливается минимальным, пружина 8 максимально отклонена назад, а маховик 13 начинает передавать мачте 6 поступательное движение вверх и вперед, при этом пружина 8 начинает восстанавливать вертикальное положение и наклоняться вперед, постепенно увеличивая угол атаки.
При использовании подпружиненного параллелограммного механизма 5 во время движения крыла 10 по ходу потока упругие элементы воспринимают энергию потока воды и, сжимаясь, при возвратном движении тянут крыло 10 и добавляют импульс к вращению маховика 13.
После завершения первого цикла движения крыло 10 еще быстрее в сравнении с первоначальным движением опускается в поток воды, что приводит к флаттеру с большими амплитудами составляющих колебаний и движению крыла 10 по большей (удлиненной) траектории. При этом более энергично забирается энергия потока воды. По той же цепочке звеньев энергичнее раскручивается маховик 13, включают генератор 14 и отбирают энергию в нагрузку.
Использование взаимно ортогональных крыла 10 и лопасти 11 увеличивает энергетическую отдачу мачте 6 энергии потока воды.
Технический результат - увеличение КПД преобразования энергии текучей среды достигается за счет того, что возврат крыла 10 в исходное положение обеспечивается вне потока текучей среды, что обуславливает уменьшение энергетических потерь на возвратное движение крыла 10 и за счет того, что угол атаки крыла при возвратном движении имеет минимальное значение и обеспечивает минимальное сопротивление потоку жидкости.
Полезная модель в любых вариантах реализации может быть успешно применена при использовании таких возобновляемых источников энергии, какими являются энергия ветра и естественное течение рек, морей, океанов и т.п. Использование заявляемого способа дает значительную экономию энергетических ресурсов. Особенно важное значение приобретает использование установок на равнинных реках, имеющих невысокую скорость течения, где без строительства плотин не могут быть использованы современные гидротурбины.
Флаттер крыла 10 и мачты 6, вызванные потоком воды, имеет настолько низкий уровень шума, что он не оказывают никакого воздействия на окружающую флору и фауну.