ФОНТАН ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ
ENERGY SAVING FOUNTAIN

1
2
3
Изобретение фонтан энергосберегающий (ФЭС) относится к гидротехническим устройствам, а именно декоративным и демонстрационным фонтанам, в которых изменяется характер водяных струй, а также к возобновляемым источникам энергии, в частности к гидроветровой энергетической установке, предназначенной для декоративно-зрелищной демонстрации фонтана и освещения фонарями окружающего ФЭС пространства. Фонтан энергосберегающий вырабатывает электроэнергию с помощью конусно-шнековой гидроветровой энергетической установки (КШГВЭУ) под действием водяных струй фонтана и дополнительно от воздействия ветра. КШГВЭУ размещена в середине круглого бассейна фонтана энергосберегающего, который представляет собой объединенную конструкцию фонтана с гидроветровой энергетической установкой. Известно изобретение RU 2147940 от 27.04.2000 [1] Фонтанное устройство, содержащее ввод для жидкости, полость накопления, сообщающуюся с блоком каналов, кольцевой выпуск для жидкости и блок управления, отличающееся тем, что ввод для жидкости снабжен общим регулятором подачи жидкости, подключенным к блоку управления, при этом каналы являются тангенциальными, а кольцевой выпуск направлен к оси симметрии конструкции таким образом, что образующая конусной поверхности, огибающей начальный участок истекающих из кольцевого выпуска отдельных струй, или конусной поверхности, образованной начальным участком истекающих из кольцевого выпуска слившихся струй, наклонена к горизонтальной плоскости под углом α от -90 до 90°. Известно изобретение RU 2413583 от 03.10. 2011 [2] Фонтан-каскад, содержащий бассейн, расположенные в нем и закрепленные стойки-трубы, насосный агрегат с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, расположенный под бассейном, нагнетательный трубопровод которого сообщается со стойками-трубами, а также поярусно расположенные на стойках-трубах емкости, отличающийся тем, что на верхней части стоек-труб расположен накопительный резервуар, в днище которого закреплены стойки-трубы и который сообщается посредством трубочек с емкостями верхнего ряда, причем емкости, расположенные на стойках-трубах, представляют собой желоба, укрепленные под наклоном, огибающие стойки-трубы и расположенные так, что самая нижняя часть каждого верхнего желоба находится над самой верхней частью находящегося под ним желоба. Известен фонтан-колонна, содержащий вертикальную трубу, соединенную с источником подачи воды под давлением, на верхнем конце которой размещена насадка с отверстиями (см. Авторское свидетельство СССР №1442266, В05В 17/08, 1988) [3]. В известном фонтане художественный эффект достигается выполнением насадки в виде прозрачного полого шара с размещенным в ней пучком световодов и выполнением отверстий в нижней части насадки, выливаясь из которых, вода, по мнению авторов, создает впечатление опирающегося на водяной столб шара. Известен светящийся фонтан, который содержит резервуар для образования струй с гладкой внутренней поверхностью, снабженный соплами, световой прибор, представляющий собой источник света, вмонтированный в отражатель, который соединен с резервуаром и образует с ним общее замкнутое пространство, при этом изоляция между световым прибором и резервуаром выполнена из цветных светофильтров и прозрачного стекла (см. RU 2064629, F21Ρ 7/00, 1996) [4]. Фонтан прост в изготовлении, однако он имеет невысокие декоративно-зрелищные возможности. Известен патент на полезную модель RU 136368 от 01.10.2014 [5], фонтан, содержащий чашу-бассейн, средство для выброса воды в виде струйных насадок, расположенных по краям чаши-бассейна, художественный элемент, расположенный в центре чаши-бассейна, изогнутые пластины, элементы подсветки фонтана и элементы музыкального сопровождения фонтана, дополнительно введены цилиндрический корпус, установленный на дне чаши-бассейна, на котором размещается художественный элемент, внутри цилиндра располагается механизм управления художественным элементом, внутри художественного элемента установлен динамик художественного элемента, а у основания изогнутых пластин установлены элементы подсветки изогнутых пластин и механизм управления изогнутыми пластинами. На дне чаши-бассейна установлен датчик гидростатического давления, который подключается к аналого-цифровому преобразователю, выходы которого подключены к программному устройству. К программному устройству подключены также таймер текущего времени и устройство контроля содержания ионов в воздухе; с выхода программного устройства управляющие сигналы поступают на механизм управления художественным элементом, на элементы подсветки фонтана, на элементы подсветки изогнутых пластин, на механизм управления изогнутых пластин, а также на выходной клапан, на схему управления насосами, на устройство ионизации воздуха, на источники звукового сопровождения художественного элемента и на источник звукового сопровождения фонтана, которые подключаются к динамикам художественного элемента и элементам музыкального сопровождения фонтана. Одновременно значительно повышается надежность фонтана за счет введения датчика гидростатического давления. Известен патент на изобретение RU 2091180 от 09.27.1997 [6] Фонтан-каскад, содержащий кольцевой бассейн, расположенную в центре и закрепленную на его постаменте стойку-трубу, насосный агрегат с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, поярусно расположенные на стойке-трубе тарелки и размещенные между последними опоры, отличающийся тем, что он снабжен чашей в виде короны с расширяющейся книзу воронкой, размещенной на вершине стойки-трубы и соединенной с нагнетательным трубопроводом насосного агрегата, между стойкой-трубой и чашей симметрично расположены боковые отверстия, причем постамент имеет полость для размещения насосного агрегата с вентилятором, воздухозаборное отверстие, выполненное в верхней части боковой стенки постамента на уровне расположения вентилятора, и водозаборное отверстие, выполненное в нижней части боковой стенки постамента для сообщения всасывающего трубопровода насосного агрегата с кольцевым бассейном. Известен патент на полезную модель RU 76584 от 09.27.2008 [7] Фонтан-водопад накопительный резервуар, установленную перед каркасом панель для организации водяного потока, трубку для распределения жидкости, соединенную с напорной магистралью, имеющую заглушку на одном торце и, по крайней мере, два резьбовых отверстия, расположенных по ее длине с установленными в них средствами для отвода жидкости, каждое из которых, в свою очередь, снабжено насадкой на свободном его конце, при этом каждое средство для отвода жидкости выполнено с каналом переменной по длине проточной части площадью проходного сечения и состоящим из комбинации профилей сужающегося и расширяющегося сопел. Недостатком известных аналогов фонтанного устройства является их высокая материалоемкость, кроме того, струи фонтанов не производят полезной работы, например получение электроэнергии от энергии струй воды и ветра, отсутствует лазерная подсветка водяных струй. Прототипом является изобретение [1], как наиболее близкое по техническому замыслу формирования водяных струй. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание фонтана энергосберегающего с выработкой электроэнергии от действия струй воды и ветра, а также с широкими декоративно-зрелищными возможностями. Поставленная задача решается тем, что фонтан энергосберегающий содержит: бассейн круглой формы; водяной насос; ввод воды; общий регулятор подачи воды; два круговых водопровода; тройники круговых водопроводов; конусно-шнековую гидроветровую энергетическую установку (КШГВЭУ), причем КШГВЭУ размещена в середине круглого бассейна; вертикальный вал КШГВЭУ; шнековые лопасти, состоящие из спиральных цилиндров, усеченных и сопряженных между собой винтовыми криволинейными поверхностями, причем количество шнековых лопастей может быть от двух и более; светоотражающее покрытие шнековых лопастей, повышающее декоративно зрелищные качества ФЭС; шарнирные конфузорные насадки с регулирующими гайками, установленные под углами α, равными 20°, 40°, 60° относительно горизонтальной плоскости бассейна круглой формы, и под углами β, β, β относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось вертикального вала КШГВЭУ и центр шарнирной конфузорной насадки, при этом струя воды должна попадать на край конусно-шнековой лопасти КШГВЭУ; чашу-полусферу, состоящую из нижней и верхней камер; электрогидроклапан; тросы натяжные, по крайней мере, в количестве три и более; прозрачные водоводы, закрепленные на тросах натяжных; лазерные излучатели; подшипниковый узел чаши-полусферы; подвижное опорное круглое основание; имеющее в разрезе вид параболы кольцо подвижного опорного круглого основания, магниты Ni В Fe, установленные по периферии нижней поверхности подвижного круглого основания, магнитоэлектрический генератор (МЭГ), неподвижное опорное круглое основание, магниты Ni В Fe, установленные по периферии верхней поверхности неподвижного опорного круглого основания, причем магниты Nd В Fe, расположенные на периферии нижней поверхности подвижного круглого основания и верхней поверхности неподвижного опорного круглого основания, обращенные друг к другу одноименными полюсами, что обеспечивает левитацию шнековых лопастей КШГВЭУ; полую опору, что увеличивает эффективность использования энергии воды и ветра; опору, выполненную в виде усеченного конуса, литиевые аккумуляторные батареи (ЛАКБ), контроллер заряда-разряда (КЗР); программируемый электронный пульт управления (ПЭПУ) и инвертор (ИНВ), размещенные в полости круговой стенки круглого бассейна; лазерные излучатели; светодиодные лампы подсветки. В зимнее время года КШГВЭУ фонтана работает в качестве ветроэлектростанции, а выработанная электроэнергия используется для декоративно-зрелищной иллюминации и освещения фонарями прилегающего к ФЭС пространства. Указанная совокупность отличительных признаков обеспечивает получение технического результата, заключающегося в создании фонтана энергосберегающего, в котором часть энергии водяных струй и ветра превращается с помощью конусно-шнековой гидроветровой энергетической установки и магнитоэлектрического генератора в электрическую энергию, которая, в свою очередь, используется для работы водяного насоса, декоративной подсветки струй воды и шнековых лопастей лазерными лучами и светодиодными лампами, освещения и декоративно-зрелищной иллюминации окружающего фонтан пространства. Кроме того, левитация шнековых лопастей с помощью магнитов Ni В Fe увеличивает эффективность КШГВЭУ путем использования энергии воды и ветра одновременно, повышены декоративно-зрелищные возможности ФЭС за счет управляемости и создания наклонно-вертикальных струй воды от периферии к центру, падающих сверху вниз, исходящих соответственно из верхней и нижней камер чаши-полусферы и все это на фоне вращающейся от действия потоков струй воды на шнековые лопасти КШГВЭУ, которая вращается под музыку вальса, как наиболее подходящей к вращательному движению, со световым сопровождением. В зимнее время года КШГВЭУ фонтана работает в качестве ветроэлектростанции, а выработанная электроэнергия используется для освещения и декоративно-зрелищной иллюминации.
Общее устройство, составные части и соединения показаны на чертежах. На Фиг. 1 изображен общий вид ФЭС сбоку частично в разрезе. На Фиг. 2 показан общий вид ФЭС сверху. На Фиг. 3 изображено устройство шарнирных конфузорных насадок и их соединение с тройником 14 первого кругового водопровода 10. На Фиг. 4 показана нижняя часть КШГВЭУ в продольном разрезе. На Фиг. 5 показана чаша-полусфера и верхняя часть КШГВЭУ в разрезе. На Фиг. 6 показано расположение углов α и β относительно вертикальной и горизонтальной плоскостей. На Фиг. 7 показано сечение верхней части КШГВЭУ по А-А. На Фиг. 8 изображена принципиальная электрическая схема работы ФЭС.
1
2
3
1
2
3
1
2
,
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
Фонтан энергосберегающий состоит из следующих составных частей, механизмов и устройств: конусно-шнековая гидроветровая энергетическая установка 1, установленная в середине бассейна 2 круглой формы (Фиг. 1); круговая стенка 3 бассейна 2; полая верхняя часть 4 круговой стенки 3; водопроводная труба 5 для ввода воды из традиционной системы водоснабжения в бассейн 2 круглой формы; кран 6 водопроводной трубы 5; водяной насос 7; фильтр 8 водяного насоса 7; регулятор подачи воды 9 в водопроводы ФЭС; первый круговой водопровод 10 ФЭС; второй круговой водопровод 11 ФЭС, причем первый круговой водопровод 10 и второй круговой водопровод 11 размещены параллельно в полой верхней части 4 круговой стенки 3 (Фиг. 1); электромагнитный клапан 12 подачи воды в первый круговой водопровод 10 ФЭС; электромагнитный клапан 13 подачи воды во второй круговой водопровод 11 (Фиг. 1); тройники 14 первого кругового водопровода 10; шарнирные конфузорные насадки 15, установленные на тройниках 14 с помощью резьбовых соединений первого кругового водопровода 10; регулировочные гайки 16 шарнирных конфузорных насадок 15; горизонтальная плоскость 17 бассейна 2 круглой формы; вертикальный вал 18 КШГВЭУ 1; ось 19 вертикального вала 18 КШГВЭУ 1; вертикальные плоскости 20, проходящие через ось 19 вертикального вала 18 КШГВЭУ 1 и через центр Ц шарнирных конфузорных насадок 15 (Фиг. 3, Фиг. 6); центральная ось 21 шарнирной конфузорной насадки 15; конусно-шнековые лопасти 22 КШГВЭУ 1, причем количество конусно-шнековых лопастей 22 может быть от двух до восьми, в рассматриваемом варианте ФЭС количество конусно-шнековых лопастей 22 равно трем, поэтому и количество шарнирных конфузорных насадок 15 и тройников 14 в рассматриваемом варианте принято в количестве трех на каждую конусно-шнековую лопасть 22; криволинейная винтовая поверхность 23 части конусно-шнековых лопастей 22; спиральные цилиндры 24, усеченные криволинейными винтовыми поверхностями 23, части конусно-шнековых лопастей 22, причем внешние поверхности конусно-шнековых лопастей 22 имеют светоотражающие покрытия; чаша-полусфера 25; верхняя камера 26 с конфузорными насадками 27 чаши-полусферы 25; нижняя камера 28 с отверстиями 29 в нижней плоскости чаши полусферы 25 (Фиг. 5); тросы натяжные 30, по крайней мере, в количестве трех и более; прозрачные водоводы 31 для подачи воды в чашу-полусферу 25 (Фиг. 5), причем прозрачные водоводы 31 подвешиваются к тросам натяжным 30; электромагнитный клапан 32 верхней камеры 25; электромагнитный клапан 33 нижней камеры 28; радиально-упорные шарикоподшипниковые узлы 34 чаши-полусферы 25; подвижная труба 35 КШГВЭУ 1; подвижное круглое основание 36, к которому крепятся нижние части спиральных цилиндров 24, усеченные криволинейными винтовыми поверхностями 23, и криволинейных винтовых поверхностей 23 конических шнековых лопастей 22 КШГВЭУ 1; кольцо 37 параболической формы в поперечном сечении, размещенное вогнутостью вниз по периметру подвижного круглого основания 36 КШГВЭУ 1; магниты 38 (Nd В Fe) подвижного круглого основания 36; круговой выступ 39 нижней поверхности подвижного круглого основания 36, по периферии которого расположены магниты 38 (Nd В Fe); магниты 40 (Nd В Fe) неподвижного круглого основания 41; круговой выступ 42 верхней поверхности неподвижного круглого основания 41, по периферии которого расположены магниты 40 (Nd В Fe), причем магниты 38 (Nd В Fe) и магниты 40 (Nd В Fe) обращены друг к другу одноименными полюсами, тем самым обеспечивают левитацию конусно-шнековых лопастей 22 (Фиг. 4), что увеличивает КПД и эффективность использования энергии воды и ветра КШГВЭУ; верхнее подвижное шпоночное соединение 43; шпонка 44 верхнего подвижного шпоночного соединения 43; магнитоэлектрический генератор 45; ротор 46 с магнитами магнитоэлектрического генератора 45; статор 47 с обмотками катушек магнитоэлектрического генератора 45; нижнее подвижное шпоночное соединение 48; шпонка 49 нижнего подвижного шпоночного соединения 48, обеспечивающая кинематическую связь вертикального вала 18 с подвижной трубой 35 КШГВЭУ; нижние роликовые радиально-упорные подшипники 50 вертикального вала 18; монтажные фигурные пластины 51 для крепления спиральных цилиндров 24, причем монтажные фигурные пластины 50 неподвижно соединены с подвижной трубой 35 КШГВЭУ 1; полая опора 52, выполненная в виде усеченного конуса, на который устанавливается конструкции КШГВЭУ 1 (Фиг. 4); литиевые аккумуляторные батареи (ЛАКБ) 53, контроллер заряда-разряда 54 ЛАКБ 53, инвертор (ИНВ) 55, служащий для преобразования постоянного напряжения, вырабатываемого МЭГ, в переменное напряжение 220 Вт, 50 Гц., которое используется для работы водяного насоса, подключения светодиодных ламп подсветки и освещения площади, прилегающей к ФЭС, программируемый электронный пульт управления 56 (ПЭПУ), которые размещены в полости круговой стенки 3 бассейна 2 круглой формы (Фиг. 1); лазерные излучатели 57, светодиодные лампы подсветки 58, подвешенные к тросам натяжным 30; осветительные фонари 59, размещенные на прилегающей к ФЭС площади (Фиг. 1). Работа ФЭС осуществляется следующим образом. Вначале эксплуатации ФЭС открывается кран 6 водопроводной трубы 5 системы водоснабжения. Вода заливается в бассейн 2 круглой формы на высоту Η до полой верхней части 4 круговой стенки 3 (Фиг. 1). После заполнения бассейна 2 круглой формы кран 6 водопроводной трубы 5 системы водоснабжения закрывается. Устанавливают шарнирные конфузорные насадки 15 на углы α, α, α соответственно равные 20°, 40°, 60° между центральными осями 21 шарнирных конфузорных насадок 15 и горизонтальной плоскостью 17 бассейна 2 круглой формы, а также на определенные углы β, β, β относительно вертикальной плоскости 20, проходящей через ось 19 вертикального вала 18 КШГВЭУ и центр шарнирной части конфузорной насадки (Фиг. 2, Фиг. 6). При этом сначала регулировочные гайки 16 ослабляют, а после установок указанных углов завинчивают. Фонтан энергосберегающий может работать в пяти режимах, которыми управляет оператор с помощью ПЭПУ 55 (Фиг. 8). Во всех режимах работы ФЭС магниты 38 Nd В Fe, установленные на круговом выступе нижней поверхности 39 подвижного круглого основания 36, и магниты 40, установленные на круговом выступе верхней поверхности 42 неподвижного круглого основания 41, обращены друг к другу одноименными полюсами, что обеспечивает постоянную левитацию конических шнековых лопастей 22 КШГВЭУ 1 вместе с подвижным круглым основанием 36, подвижной трубой 35, с которой посредством монтажных фигурных пластин 50 крепятся конусно-шнековые лопасти 22. В свою очередь подвижная труба 35 соединена с вертикальным валом 18 КШГВЭУ при помощи верхнего подвижного шпоночного соединения 43 и нижнего подвижного шпоночного соединения 48, которые обеспечивают вращательное движение конусно-шнековых лопастей 22 и их поступательное движение с помощью шпонок 44 верхнего шпоночного соединения и 49 нижнего подвижного шпоночного соединения, при левитации. Первый режим. По команде ПЭПУ включаются электромагнитный клапан 12 (Фиг. 8) подачи воды в первый круговой водопровод 10 и водяной насос 7, который через фильтр 8 забирает воду из бассейна 2 круглой формы и подает ее в первый круговой водопровод 10. Далее вода через тройники 14 и шарнирные конфузорные насадки 15, которые установлены для каждой последовательной тройки шарнирных конфузорных насадок 15, под определенными углами α, α, α, равными 20°, 40°, 60° относительно горизонтальной плоскости 17 бассейна 2 круглой формы, и под углами β, β, β относительно вертикальной плоскости 20, проходящей через ось 19 вертикального вала 18 КШГВЭУ 1 и центр (Ц) шарнирной конфузорной насадки 15 (Фиг. 6), при этом струя воды должна попадать на край конусно-шнековых лопастей 22 КШГВЭУ 1 в точки 1, 2, 3 (Фиг. 1) от каждой из последовательно расположенных троек или кратные трем шарнирным конфузорным насадкам 15, положение точек 1, 2, 3 на краях конусно-шнековых лопастей 15 определено соответственно углами (α, β) для точки 1, (α, β) для точки 2, (α, β) для точки 3 (Фиг. 1). Причем шарнирные конфузорные насадки 15 за счет своей конфузорной формы формируют истечение струй воды с увеличенной скоростью. Под действием давления струй воды, формируемых шарнирными конфузорными насадками 15, на конусно-шнековые лопасти 22 обеспечивается вращение КШГВЭУ вокруг оси 19 вертикального вала 18. Вертикальный вал 18 вращает ротор 46 с магнитами МЭГ 45, вращающиеся магниты ротора 46 перемещаются относительно обмоток катушек статора 47 МЭГ 45, при этом вырабатывается электрическая энергия, которая через КЗР 54 запасается в ЛАКБ 53. Выработанная МЭГ 45 электроэнергия с помощью инвертора используется для обеспечения работы лазерных излучателей 57, светодиодных ламп подсветки 58, подвешенных к тросам натяжным 30, и осветительных фонарей 59 (Фиг. 1), расположенных на площади, прилегающей к ФЭС. Лазерные излучатели 57 и светодиодные лампы подсветки 58 направлены на конусно-шнековые лопасти 22, имеющие на внешней поверхности светоотражающее покрытие, которое создает декоративно-зрелищный эффект. Второй режим. Дополнительно к первому режиму по команде ПЭПУ 56 включаются электромагнитный клапан 13 подачи воды во второй круговой водопровод 11 и электромагнитный клапан 32 верхней камеры 26 чаши-полусферы 25 (Фиг. 8). Вода подается по прозрачному трубопроводу в верхнюю камеру 26 чаши-полусферы 25, в этом режиме с помощью конфузорных насадок 27 чаши-полусферы 25 верхняя камера 26 создает вертикально-наклонные струи. После потери энергии движения вертикально наклонные струи падают вниз и воздействуют на конусно-шнековые лопасти 22 КШГВЭУ 1, создавая при этом дополнительный крутящий момент, чем увеличивается энергоэффективность и улучшаются зрелищно-декоративные качества ФЭС. Третий режим. Дополнительно ко второму режиму по команде ПЭПУ 55 включаются электромагнитный клапан 33 нижней камеры 28 чаши-полусферы 25 (Фиг. 8). Струи воды через отверстия в нижней плоскости 29 нижней камеры 28 чаши-полусферы 25 под давлением сверху вниз воздействуют на конусно-шнековые лопасти 22 КШГВЭУ 1, при этом создается дополнительный крутящий момент, чем увеличивается энергоэффективность выработки МЭГ электроэнергии, улучшаются зрелищно-декоративные качества ФЭС. Четвертый режим работы ФЭС формируется из третьего режима путем отключения с помощью ПЭПУ 56, который отключает электромагнитный клапан 12 подачи воды в первый круговой водопровод 10 (Фиг. 8). Таким образом, вода подается только во второй круговой водопровод 11, причем электромагнитный клапан 32 верхней камеры 26 и электромагнитный клапан 33 нижней камеры 28 чаши-полусферы 25 остаются включенными. В этом режиме ФЭС работает как фонтан-водопад, конусно-шнековые лопасти 22 КШГВЭУ 1 вращаются под действием падающих струй воды, выходящих из верхней камеры 26 и нижней камеры 28 чаши-полусферы 25, МЭГ 45 вырабатывает электроэнергию. Пятый режим используется в осенне-зимний период, когда ФЭС не работает как фонтан, а КШГВЭУ 1 с помощью МЭГ 45 вырабатывает электроэнергию только от действия ветра на конусно-шнековые лопасти 22 КШГВЭУ 1, работают лазерные излучатели 57 и светодиодные лампы подсветки 58, направленные на вращающиеся конусно-шнековые лопасти 22, имеющие на внешней поверхности светоотражающее покрытие, которое создает декоративно-зрелищный эффект. Следует отметить, что конструкция КШГВЭУ 1, как показали испытания на моделях, позволяет вырабатывать электроэнергию при скорости воды, равной 1 м/с, и при скорости ветра, равной 2 м/с, что указывает эффективность принятой формы конусно-шнековых лопастей 22. Устойчивость КШГВЭУ 1 обеспечивается двумя опорными частями, полой опорой 51, выполненной в виде усеченного конуса, и тросами натяжными 30, по крайней мере, в количестве трех и более, прикрепленные к чаше-полусфере 25, при этом полая опора 51 связана с вертикальным валом 18 КШГВЭУ 1 через нижние роликовые радиально-упорные подшипники 49, а чаша-полусфера 25 - через радиально-упорные шарикоподшипниковые узлы 34.