УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВИХРЕОБРАЗНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД

Полезная модель относится к устройствам относящимся к ветро- и гидроэнергетике и предназначена для выполнения механической работы путем преобразования поступательного движения текучих сред во вращательное, вихреобразное.
Известно устройство для получения механической работы путем преобразования поступательного перемещения текучих сред во вращательное, описанное, например, RU 2087742 C1, 20.08.1997.
Известное устройство выполнено в виде незакрытой экраном части шнека, на который направляют текучую среду. Лопасти шнека выполнены в виде правого и левого многозаходного винта, причем эти лопасти располагают встречно. В результате чего создается подъемная сила и сила лобового давления.
Недостаток устройства заключается в том, что поверхность лопаток шнека используется только наполовину, поскольку вторую половину поверхности лопаток закрывает экран. Работа установки возможна только при определенном направлении движения текучей среды. Это, в конечном итоге, приводит к снижению КПД преобразования, малой чувствительности установки к напору текучей среды и высоким габаритам самой установки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению можно считать устройство для получения механической работы путем преобразования поступательного перемещения текучих сред во вращательное, винтообразное, описанное в патенте RU 2210000 C1, 10.08.2003.
Известное устройство содержит вал, закрепленный в подшипниках и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, причем рабочие лопасти выполнены в виде пластин которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге.
Прототип обладает несколько большим КПД, чем аналог.
Недостаток устройства заключается в том, что поверхность рабочего органа - винта используется не полностью. Текучая среда воздействует в основном на части винта, расположенные, у его основания. Кроме того, рабочие лопасти винта соединены с валом посредством коромысел и стяжек, что ограничивает поверхность контакта с текучей средой. Это приводит к снижению КПД, повышению веса и габаритных размеров установок, выполненных согласно известного устройства, и относительно невысокой восприимчивости к напору текучей среды.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении КПД и надежности установок, использующих направленный поток текучих сред, упрощение конструкций, выполненных по предлагаемому устройству, снижение их веса и уменьшении себестоимости.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в устройстве для получения винтообразного движения текучих сред, перемещающихся поступательно, содержащем вал, закрепленный в подшипниках, и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, согласно полезной модели, лопасти выполнены в виде растянутой вдоль продольной оси спирали.
Спираль может быть выполнена на основе спирали Архимеда, растянутой по оси, проходящей через полюс спирали и перпендикулярно ее плоскости.
Спираль может быть выполнена многозаходной.
Спираль может содержать подвижную шайбу, расположенную на ее конце.
Ось спирали может быть направлена перпендикулярно движению текучей среды.
Ось спирали может быть направлена по ходу движения текучей среды.
Выполнение лопастей в виде спирали обеспечивает полное использование энергии поступательного движения текучей среды при переходе во вращательное движение, что способствует повышению КПД установки.
Выполнение лопастей на основе спирали Архимеда, растянутой по оси, проходящей через полюс спирали и перпендикулярно ее плоскости, позволяет создать простую конструкцию преобразователя поступательного движения текучей среды во вращательное, повысить ее КПД и чувствительность.
Выполнение спирали многозаходной позволяет максимально использовать энергию поступательного движения текучей среды, перемещающейся перпендикулярно оси спирали.
Наличие подвижной шайбы, расположенной на ее конце, позволяет изменять ее шаг в зависимости от скорости поступательного движения текучей среды и, тем самым, регулировать скорость вращения в зависимости от напора и ограничивать ее на определенной величине.
Расположение оси спирали перпендикулярно движению текучей среды позволяет получать вращение вне зависимости от направления движения рабочей среды.
Расположение оси спирали по ходу движения текучей среды наиболее благоприятно, когда направление напора остается неизменным.
Устройство для образования вихреобразного движения текучих сред иллюстрируется 6-ю фигурами.
На фиг.1 показана спираль Архимеда.
На фиг.2 представлен пространственный вид спирали Архимеда, обеспечивающий воронкообразное движение текучей среды.
На фиг.3 изображена установка, ось которой перпендикулярна движению текучей среды.
На фиг.4 имеется чертеж установки, спираль которой содержит подвижную шайбу.
Фиг.5 демонстрирует зависимость частоты вращения ω оси спирали от скорости V движения текучей среды.
На фиг.6 нарисована установка, ось спирали которой расположена параллельно движению текучей среды.
Для формирования пространственной спирали на плоском материале, выполненном из металла или плотной пластмассы, вырезают спираль, например, спираль Архимеда, в соответствии с фиг.1. Количество витков и шаг спирали определяется заранее заданными конструктивными параметрами. В дальнейшем спираль 1 растягивают по оси, проходящей через полюс спирали и перпендикулярно ее плоскости (фиг.2). При этом, конец внешнего витка закрепляют в верхней части вала 2 (фиг.3), а конец внутреннего витка спирали 1 закрепляют в нижней части вала 2.
Для того, чтобы уменьшить искажение при формировании спирали в ее центре образуют окружность и вырезают отверстие (на фигуре не обозначено), соответствующее диаметру вала 2, вокруг которого будет укреплена спираль. Шаг, образованного таким образом спиралеобразного винта, зависит от пружинящих свойств материала и степенью растяжения спирали. Внутренние кромки витков спирали 1 жестко прикрепляют к валу 2. Вал 2 устанавливают вертикально в подшипниковых узлах 3 и 4 (фиг.3) и крепят к стойке 5, установленной на поверхности 6. В нижней части стрежня располагают шестеренчатую передачу 7, передающую крутящий момент на электрогенератор 8.
В варианте технического решения спираль выполняют многозаходной (на фиг. не показано). При этом внешние концы спиралей закрепляют на вале 2 со сдвигом по отношению друг к другу с углом 360°/n, где n - число заходов спиралей.
В варианте технического решения нижний конец витка спирали 1 закрепляют на подвижной шайбе 9 (фиг.4), расположенной вокруг нижней части вала 2, При этом шайба может свободно перемещаться вдоль поверхности вала благодаря пазу, проходящему вдоль внутренней поверхности вала (на чертеже не показан). Шайба снабжена внутренним выступом (на фиг. не показан), входящим в упомянутый паз. В этом случае шаг спирали формируется произвольно. Суммарная длина спирали зависит от веса шайбы, стремящейся растянуть спираль. Последняя же должна обладать определенной упругостью. Т.е. пружинящие силы спирали должны стремиться сжать ее до состояния, близкого к исходному, как на фиг.1.
Зависимость угловой частоты вращения ω стержня 2 и спирали 1 от скорости V движения ветра на фиг.4 представляется в виде положительной полуволны части сферы, рассеченной осью абсцисс. Максимальное значение ω соответствует примерно 0,7V.
В варианте технического решения ось воронкообразного вихря направляют по ходу движения текучей среды (фиг.5). Для этого вал 2, на котором закреплена спираль 1, располагают горизонтально в подшипниках 3, 4, сочлененных с помощью стяжек 10 с вертикальными стойками 11, 12. В свою очередь стойки установлены на поворотной платформе 13, с приводом поворота 14. Последний расположен на опоре 15, покоящейся на неподвижной поверхности 16. Крутящий момент передается на электрогенератор 17 через приводной механизм 18.
i
i
т
с
т
с
Σ
i
Устройство, обеспечивающее вихреобразное движение текучих сред действует следующим образом. При вертикальном расположении вала 2 со спиралью 1 (фиг.3) текучая среда, например воздушный поток, движется перпендикулярно оси спирали. В этом случае поступательный поток среды, соприкасаясь с поверхностью спирали закручивается в виде воронкообразного вихря, т.е. приобретает естественную для природы устойчивую структуру. Спираль 1 под действием потока начинает вращаться по направлению витков. В генерации вращающего момента участвует вся поверхность пространственной спирали. Момент импульса L любой плоскости, перпендикулярной оси вращения L=/(r,v)d(m+m) где r - радиус-вектор, v - скорость, m - масса текучей среды и m - масс спирали для данного сечения, представляет собой константу, поскольку уменьшение радиуса вектора компенсируется соответствующим увеличением скорости при дополнительной массе потока. Суммарный момент импульса вращающейся системы определяется L=ΣL.
Таким образом, поверхность рабочего органа - спирали используется полностью. Это приводит к повышению КПД, снижению веса и габаритных размеров установок, выполненных по согласно предлагаемой полезной модели. Система обладает высокой восприимчивостью к напору текучей среды и практически начинает вращаться и генерировать электроэнергию при малейшем дуновении ветра.
В варианте технического решения, когда спираль выполняют многозаходной, и чувствительность и КПД установки возрастают.
В варианте технического решения, когда конец внутреннего витка спирали 1 закрепляют на подвижной шайбе 9 (фиг.4), шаг спирали формируется произвольно и зависит от скорости и массы текучей среды, массы шайбы 9 и коэффициента упругости и скорости вращения спирали 1. От перечисленных показателей изменяется наклон поверхности спирали по отношению к текучей среде. Так при слабом напоре угол наклона поверхностей спирали невелик, и спираль стремится сжаться (фиг.1). Этому препятствует только вес шайбы и остаточная деформация спирали. Чем выше напор, тем выше сила, воздействующая на наклонную поверхность спирали, что вызывает ее дополнительное растяжение. Если скорость струи достаточно высока, спираль растягивается, изменяется угол наклона поверхности спирали, изменяется составляющая потока, направленная по оси вращения и снижается скорость вращения установки в соответствии с фиг.4. При этом шайба 9 выполняет сразу две функции. Она растягивает спираль и является маховиком, стабилизирующим скорость вращения спирали
Ось воронкообразного вихря целесообразно направлять по ходу движения текучей среды движения текучей среды (фиг.5) для случаев, когда направление потока остается неизменным. Особенно эффективно такое исполнение для эксплуатации водных потоков.
Очевидно, что если вращать пространственную спираль принудительно от внутреннего источника энергии, то эта спираль будет создавать тягу, направленную по оси спирали. Предлагаемая полезная модель, реализуемая в энергетической установке, может быть использована во всех отраслях народного хозяйства с учетом ветрового (водного) режима района, рельефа местности, технологического процесса производства, в котором применена установка. Область применения энергетической установки обширна: обводнение пастбищ; мелиорация земель; использование их фермерами, отдельными хозяйствами деревень, поселков; совместная работа с электростанциями других типов и т.д. Кроме того, она позволяет применять известные дополнительные устройства, повышающие эффективность, например, флюгерные, виндрозы (для установки по ветру), понтоны, якоря и др. (для использования на реках, в морских глубинах, приливах и отливах, над земной поверхностью и др.). Энергетическая установка экологически чиста, проста в изготовлении, транспортабельна в разобранном виде, ремонтируемая в местных условиях и относительно дешевая.
Таким образом, выполнение винта в виде растянутой вдоль продольной оси спирали, напоминающей воронкообразный вихрь обеспечивает:
- полное использование энергии при преобразовании поступательного движения текучей среды во вращательное;
- снижение ее веса на единицу установленной мощности;
- упрощение конструкции, технологичность, доступность материалов в местных условиях повышенную ремонтопригодность;
- высокую надежность;
- универсальность применения;
- автоматическое снижение скорости вращения при порывах ветра или скорости текучей среды, превышающих заданное значение;
- низкую себестоимость.