УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области гидроэнергетической техники и может быть использована в гидроэнергетических установках, рабочие органы которых совершают машущие автоколебательные движения и не вращаются.
Вращающиеся рабочие органы не требуют дополнительных средств инициации вращения, но они при своей работе формируют большой кинетический крутящий момент, который, подобно гироскопическому моменту, сохраняет направление своего вектора неизменным в мировом пространстве. Поэтому при суточном вращении Земли подшипники вращающихся рабочих органов быстро выходят из строя. Указанного «гироскопического» недостатка лишены энергетические установки, в которых рабочие органы совершают машущие автоколебательные движения и отсутствует нежелательный гироскопический момент.
Известна установка для преобразования кинетической энергии текущей среды в возвратно-поступательное перемещение крыла, реализующая известный способ преобразования кинетической энергии текущей среды в возвратно-поступательное перемещение крыла (см. RU 2141058 С1, 10.11.1999, F03D 5/06, фиг.7, аналог), которая содержит неподвижную опору, штангу, вертикальное крыло с закрылком и дополнительное крыло с инерционной массой, продольная ось которого подвижно установлена на конце закрылка. С помощью шарниров и штанги неподвижная опора связана с вертикальным крылом, которое имеет возможность перемещаться перпендикулярно течению под действием подъемной силы в заданном секторе подобно маятнику. Изменение направления движения вертикального крыла на противоположное направление на границах заданного сектора происходит под действием дополнительного крыла с инерционной массой. Штанга с крылом совершает автоколебательные движения, амплитуда которых в заданном секторе ограничена противодействующими пружинами.
Недостаток известного устройства состоит в том, что периодическое накопление противодействующей пружиной механической энергии при каждом циклическом движении штанги снижает производительность гидроэнергетической установки по причине не совсем рационального расхода накопленной механической энергии на поддержание автоколебательного режима движения штанги, при этом, использование закрылка и противодействующей пружины для поддержания автоколебательных движений конструкции с поворотным крылом не отвечает в полной мере требованиям высокой долговечности гидроэнергетической установки. Кроме того, на границах сектора автоколебательных движений штанги с поворотным крылом возможна остановка колебательных движений, например, из-за воздействия проплывающих по течению различных предметов (топляков), тогда для возбуждения автоколебательного режима движения штанги с крылом, требуется ручная начальная установка крыла с максимальным углом его атаки.
Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому в качестве прототипа является двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий две неподвижные опоры, горизонтально расположенное поворотное крыло с гидродинамическим профилем, два рычага и ограничительные упоры для ступенчатого изменения угла атаки поворотного крыла с максимального на среднем участке движения рычагов до минимального на границах маховых движений рычагов (см. RU 2448271 С2, 20.014.2012, F03D 5/06, прототип). При этом неподвижные опоры выполнены в виде двух вертикальных стоек с окном в каждой стойке и ограничительными упорами на верхнем и нижнем краях стойки, которые расположены последовательно одна за другой по направлению течения воды на середине реки. В каждом окне стойки установлена направляющая с возможностью перемещения ее вдоль окна в направлении, противоположном направлению движения другой направляющей. В средней части каждой направляющей оборудована ось для поворота крыла с рычагом, а по краям каждой направляющей установлены ограничительные упоры для ограничения максимального угла атаки крыла. Рычаги связаны между собой шарниром для передачи кинетической энергии поворотных крыльев нагрузке и для расположения осей поворотных крыльев между собой так, что, когда поворотная ось одного крыла находится в крайнем положении, то поворотная ось другого крыла располагается на среднем участке вертикальной стойки.
Недостаток прототипа заключается в том, что при вертикальном движении поворотных крыльев вдоль стоек в противоположных друг другу направлениях с противоположным друг другу значениями углов атаки, наступает такое их расположение, когда оси поворота крыльев находятся на одной общей горизонтальной линии. В этом положении осей поворота крыльев потоки жидкости, пройдя через одно крыло, изменяют свое первоначальное прямолинейное направление движения и направляются на другое, рядом находящееся на расстояние рабочего хода, поворотное крыло, нежелательно изменяя угол атаки и гидродинамические условия обтекания этого второго поворотного крыла и уменьшая, тем самым, производительность гидроэнергетической установки. Другой недостаток прототипа состоит в том, что две вертикальные стойки, установленные на дне середины реки, ухудшают условия судоходства.
Техническим результатом является повышение производительности гидроэнергетической установки и улучшение условий судоходства путем размещения на продольных краях одного поворотного крыла шарниров его подвеса к одним концам двух рычагов, другие концы которых установлены на неподвижных опорах вдоль береговой линии вверх по течению реки.
Указанная технический результат достигается тем, что, кроме, известных и общих отличительных признаков, а именно: двух неподвижных опор, горизонтально расположенного поворотного крыла с гидродинамическим профилем, двух рычагов и ограничительных упоров для ступенчатого изменения угла атаки поворотного крыла с максимального значения на среднем участке движения рычага до минимального на границах маховых движений рычага, в предлагаемом устройстве для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию шарниры подвеса поворотного крыла установлены на его продольных краях к одним концам двух рычагов, другие концы которых расположены на неподвижных опорах, установленных на дне реки вдоль береговой линии вверх по ее течению, и соединены с нагрузкой.
Новизна полезной модели состоит в том, что в предлагаемом устройстве для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию шарниры подвеса поворотного крыла установлены на его продольных краях к одним концам двух рычагов, другие концы которых расположены на неподвижных опорах, установленных на дне реки вдоль береговой линии вверх по ее течению, и соединены с нагрузкой, что обеспечивает увеличение производительности гидроэнергетической установки и благоприятные условия для судоходства.
Предлагаемое устройство для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию изображено на фиг.1 в общем виде, на фиг.2 показано поперечное сечение устройства. На фиг.1 и 2 обозначено:
1 - поворотное крыло с гидродинамическим профилем;
2 - ограничительные упоры для формирования максимального знакопеременного угла атаки поворотного крыла;
3 - ось поворота крыла, установленная на конце каждого рычага;
4 - гибкий ограничительный трос для торможения маятникового движения рычага с поворотным крылом и установки угла атаки поворотного крыла, знак которого противоположен знаку предшествующему углу атаки этого поворотного крыла;
5 - рычаги, совершающие синхронные с одинаковой фазой маятниковые автоколебательные движения под действием знакопеременной подъемной силы поворотного крыла, установленного на концах рычагов;
6 - нижний ограничительный упор для формирования угла атаки поворотного крыла, знак которого противоположен знаку предшествующему углу атаки этого поворотного крыла;
7 - неподвижные опоры с нагрузкой, например, насосом.
В исходном положении (статика) на поворотном крыле 1 установлены ограничительные упоры 2, ограничивающие максимальный знакопеременный угол атаки крыла 1 относительно поворотной оси 3. Один конец гибкого ограничительного троса 4 прикреплен в области передней кромки поворотного крыла 1. Один конец рычага 5 связан с поворотной осью 3. Другой конец гибкого ограничительного троса 4 подсоединен к дну реки. Другой конец рычага 5 подключен с помощью шарнира к неподвижной опоре 7 с нагрузкой. Крыло 1 и рычаги 6 имеют плавучесть, близкую к нулевой.
Предлагаемое устройство для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию работает следующим образом.
Под действием напора воды в направлении V формируется гидродинамическая подъемная сила поворотного крыла 1, которое поворачивается на оси 3 и двигается, например, вверх вместе с рычагом 5 с максимальным углом атаки. Движение поворотного крыла 1 с рычагами 5 происходит до натяжения гибкого ограничительного троса 4. Затем передняя часть поворотного крыла 1 затормаживается, а остальная часть поворотного крыла 1 вместе с рычагом 5 продолжают движение по инерции. Это приводит сначала к уменьшению угла атаки поворотного крыла 1 до нулевого значения, а затем разворачиванию его на противоположный угол атаки, установке его на нижний ограничительный упор 2, при котором формируется максимальный угол атаки.
С максимальным углом атаки, но уже другого знака, поворотное крыло 1 под действием гидродинамической силы вместе с рычагами 5 опускается вниз и своей передней кромкой упирается на нижний ограничительный упор 6, с помощью которого изменяется угол атаки поворотного крыла 1 на противоположный. Под действием напора воды V формируется гидродинамическая (подъемная) сила поворотного крыла 1, которое поворачивается на оси 3 и двигается вверх вместе с поворотными рычагами 5 с максимальным углом атаки, определяемой зоной действия ограничительных упоров 2. Работа устройства повторяется, как и в прототипе, поворотное крыло 1 совершает машущее (маятниковое) автоколебательное движение.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и механизмы по своему прямому функциональному назначению. В организации - заявителе изготовлен макет заявляемого устройства в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на 10…15% производительность гидроэнергетической установки за счет замены встречного прямолинейного движения двух поворотных крыльев на маятниковые синхронные колебательные движения двух рычагов с одним поворотным крылом между ними. Кроме того, улучшаются условия судоходства при использовании предлагаемого устройства для преобразования энергии текущей среды в механическую энергию путем уменьшения не менее чем в два раза высоты опорных стоек и размещения их параллельно друг другу вдоль линии берега.