ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДЫ
MOVING MEDIUM ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии поступательного и возвратно-поступательного движений среды воздуха, воды и др. в энергию вращательного движения колеса-ротора и может быть использовано для выработки электрической и механической энергии и в метеорологии для определения скорости движущегося потока среды - воздуха, воды и др. Преобразователь также может быть использован: в бесплотинных речных ГЭС, в ГЭС, использующих энергию волн, приливов и отливов, в морских и речных судах, в плавучих маяках и бакенах в качестве автономного источника энергии.
Известны преобразователи энергии движущейся среды в энергию вращательного движения преобразователя (колеса-ротора) содержащие:
вертикальный вал вращения, лопасти, симметрично расположенные вокруг вала вращения и шарнирно установленные на осях, параллельных валу вращения, и упоры, скрепленные с последним и ограничивающие угол поворота лопастей вокруг осей, причем каждая лопасть выполнена в виде двух неравных по размерам частей, разграниченных плоскостью, перпендикулярной к боковой поверхности лопасти и проходящей через ее ось, упоры, размещенные попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения, как это описано в патенте №2014486, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 15.06.1994,
шарнирно размещенный на стойке вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами, причем опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда лопаток, снабженные упорами, фиксирующими эластичный "материал относительно утолщенной оси и дополнительными рядами опор с лопатками, установленными выше и/или ниже первого ряда, выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку, как это описано в патенте №2316671, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.02.2008,
установленный на опоре вертикальный вал, на радиальных спицах которого закреплены лопасти, отличающийся тем, что каждая лопасть выполнена в виде набора перекрывающих друг друга лопаток, а каждая лопатка лопасти установлена с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол, равный 75-85°, и снабжена ограничителем ее поворота, как это описано в Свидетельстве на полезную модель №30871, МПК F03D 1/00, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.07.2003,
установленные на вертикальной оси рамочные махи, каждый из которого содержит жестко соединенные друг с другом горизонтальные стержни и вертикальные ребра жесткости, лопасти, шарнирно закрепленные на махах (в каждой панели установлено несколько лопастей) с возможностью поворота и циклически взаимодействующие с упорами и ограничителями поворота, лопасти установлены шарнирно в панелях, жестко закрепленных на махах, лопасти выполнены плоскими и ось вращения каждой лопасти разделяет ее на неравные части с соотношением площадей в пределах от 10:1 до 3:1, как это описано в патенте №2202048, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.04.2003,
вал, шарнирно размещенный в стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, выполненными в виде радиальных консолей с аэродинамическим профилированием поперечного сечения, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, выполненными убирающимися в тело опоры при превышении силой давления лопатки тарированной силы пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении, лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, при этом поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом, как это описано в патенте №2270932, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 27.02.2006, и который выбран в качестве прототипа.
Недостатками приведенных преобразователей являются наличие нескомпенсированных моментов сил лопастей относительно их осей вращения, приводящих в конечном итоге к снижению КПД преобразователя, за счет разворота лопастей (жалюзи) на некоторый угол относительно вектора скорости потока под действием центробежной силы в неактивной зоне потока, повышенных вибраций и шумовых эффектов, обусловленных отсутствием балансировки жалюзи относительно их осей вращения, приводящих в конечном итоге к снижению срока службы преобразователя и влиянию на окружающую среду.
Технический результат заключается в повышении КПД преобразователя за счет резкого уменьшения сопротивления колеса-ротора в неактивной зоне и максимального использования располагаемой энергии в активной зоне встречного потока среды, повышении срока службы, снижении степени влияния преобразователя на окружающую среду, за счет снижения его вибраций и шумовых эффектов, обусловленных наличием нескомпенсированных моментов сил лопастей (жалюзи) - отсутствием балансировки лопастей (жалюзи) относительно их осей вращения, а при полной или частичной балансировке лопастей, как в случаях, описанных в патентах №№2014486, 30871, 2202048 вибрации усиливаются за счет низкой степени устойчивости положений лопастей вдоль потока в неактивной его зоне и исключении аварийных режимов работы при скоростях ветра, равных или больших ураганных значений, путем открывания механизма ограничителей поворота жалюзи в активной зоне потока центробежными регуляторами с грузиками и тарированными пружинами.
Для достижения технического результата, а именно повышения КПД преобразования энергии за счет резкого уменьшения сопротивления преобразователя (колеса-ротора) в неактивной зоне и максимального использования располагаемой энергии в активной зоне встречного потока среды в пределах радиального сечения, срока службы преобразователя и исключения его влияния на окружающую среду из-за повышенных шумовых эффектов и исключения аварийных режимов работы при скоростях среды, равных или больших ураганных значений, преобразователь энергии движущейся среды выполнен в виде колеса-ротора с перпендикулярной к скорости потока осью вращения, установлен на платформе или мачте и снабжен одним или несколькими составными из несущих конструкций и жалюзи  балансированными лопастями, жестко связанными с валом, плоскости которых проходят через ось вращения колеса-ротора-вала, а оси вращения жалюзи смещены к одному краю и установлены вдоль несущей конструкции лопасти на равных ширине жалюзи расстояниях, причем жалюзи балансированы на своих осях вращения жестко закрепленными грузиками с минимальным сечением в плоскостях жалюзи, с ограничителями их поворота, установленными вдоль несущих конструкций лопастей и кинематически связанными между собой и тарированной пружиной со стороны оси вращения преобразователя и грузиком с минимальным сечением в плоскости лопасти с внешней стороны, а масса грузика, кинематически связанного с ограничителями поворота жалюзи, определяют по соотношению:
y
где m, k, Δx, R, v - соответственно масса груза, коэффициент жесткости пружины, величина смещения ограничителей поворота жалюзи, радиус вращения центра грузика, скорость ураганного ветра. Причем преобразователь с одной лопастью балансирован дополнительным грузом с минимальным сечением в плоскости лопасти и жестко связан с лопастью.
i
Для пояснения сути изобретения на фигурах 1-3 схематически изображены: 1 а и б преобразователь (а - вид сверху и б - сбоку), 2 а и б варианты преобразователя, установленного на мачте а и платформе б, 3 а, б, в и г зависимости: момента силы, действующей на лопасть, от времени (от положения ориентации лопасти относительно вектора скорости потока среды) в одно - а, двух - б, трех - в и четырехлопастном г случаях. Пунктирная горизонтальная прямая M соответствует усредненному во времени значению момента силы, действующей на преобразователь во всех вариантах конструкции. В случаях б-двух, в-трех и г-четырехлопастных конструкций преобразователя начальные фазы вращения последующих лопастей смещены соответственно на углы в: π, 2π/3 и π/2 радианов. Преобразователь может быть реализован и с большим количеством лопастей, как это показано на рис. 1.
Преобразователь 1 (двухлопастный вариант) снабжен лопастями 2, закрепленными на вертикальном валу, вращающемся на оси вращения, установленной на опорной трубе 3. Лопасти 2 выполнены составными из несущих конструкций и жалюзи 4, установленных на вертикальных осях вращения 5. Жалюзи 4 балансированы, на смешенных к одному краю осях вращения, грузиками 6, как это показано на фигуре 1а. На фигуре 1б изображен преобразователь - вид со стороны потока. На правой активной части потока все жалюзи 4 закрыты, а на левой неактивной части потока все жалюзи открыты, оказывая тем самым практически нулевое сопротивление встречному потоку.
Преобразователь (колесо-ротор) 7 (двухлопастный вариант) установлен на вертикальной мачте 8 на растяжках 9, как это схематически изображено на фигуре 2а. Правые жалюзи 4 при этом закрыты, а левые открыты, и преобразователь (колесо-ротор) вращается по часовой стрелке. Преобразователь 7 с лопастями 4 на вертикальной мачте 8 вращается на опорных подшипниках. Вертикальная мачта закреплена на фундаменте 10. Преобразователь 7 снабжен шкивом 11 привода ротора электрогенератора 12 (смотри фигуру 2а). Электрогенератор в этой конструкции может быть установлен как на верхней площадке, так и внизу (изображен пунктирно). При горизонтальной оси вращения колеса-ротора он устанавливается на платформе 13 (смотри фигуру 2б).
В зависимости от положения лопасти, относительно направления потока, момент силы, действующий со стороны потока на лопасть за один оборот колеса-ротора, меняется по верхней половине синусоиды, приведенной на фигуре 3а, в случае однолопастного варианта конструкции. Над первой половиной кривой синусоиды стрелками изображены последовательные семь положений лопасти (положения стрелок) в активной зоне колеса-ротора с указанием углов атаки относительно скорости потока. На фигурах 3б-г изображены соответственно зависимости моментов сил, действующих на: двухлопастное 3б, трехлопастное 3в и четырехлопастное 3г колесо-ротор. Во всех случаях над первыми кривыми синусоидов изображены положения лопастей в активной зоне относительно направления потока среды.
Преобразователь энергии движущейся среды в энергию вращательного движения колеса-ротора работает следующим образом.
При движении среды поток закрывает жалюзи лопасти, находящиеся относительно потока в активной зоне Д Е В, и колесо-ротор в этом случае вращается против часовой стрелки, так как поворот жалюзи ограничен в правой части потока в интервале 0-180° несущей конструкции, как это изображено на фигуре 1а и б. Поворот жалюзи может быть ограничен и в левой части потока в интервале 0-180°, если необходимо вращать колесо-ротор по часовой стрелке по желанию потребителя.
Если смотреть на колесо-ротор со стороны налетающего потока среды, в левой неактивной зоне потока жалюзи лопастей устанавливаются параллельно скорости движения потока, а угол их ориентации относительно несущей конструкции лопасти, устанавливаемый последовательно в положениях а (В), б, в (С), г, д (Д), убывает от 180° до 0°, как это показано на фигурах 1а и б. Таким образом, во всех положениях несущих конструкций лопастей жалюзи в левой неактивной зоне потока ориентированы вдоль потока, обеспечивая, тем самым, практически нулевое сопротивление движущемуся потоку. Положения жалюзи в этой зоне являются максимально устойчивыми за счет: обеспечения балансировки жалюзи относительно их смещенных к одному краю осей вращения жестко связанными грузиками (6) и полного исключения, тем самым, опрокидывающего момента центробежной силы, действующей на жалюзи. При этом сопротивление грузиков движущейся среде тоже практически сведено к нулю за счет их минимального сечения в плоскости жалюзи.
ц.б
упр
ц.б
yпp
Рост скорости движения среды до аварийных значений приводит к увеличению скорости вращательного движения преобразователя и, следовательно, центробежной силы, действующей на грузики ограничителей поворота жалюзи. При (аварийной) скорости вращения преобразователя, соответствующей условию, когда центробежная сила (F), действующая на грузик радиально от центра, будет больше, чем упругая сила (F) тарированной пружины, действующей со стороны оси вращения преобразователя, т.е. когда F>F ограничители поворотов жалюзи смешаются относительно исходных положений и прекращают свои действия до тех пор, пока скорость вращения преобразователя будет соответствовать аварийному значению. Как только скорость среды снизится ниже аварийного значения, ограничители возвращаются в исходные положения под действиями упругих сил тарированных пружин. Значения центробежной и упругой сил определяются из соотношений:
y
где m, k, Δx, R, v, ω - соответственно масса груза, коэффициент жесткости пружины, величина смещения ограничителей поворота жалюзи, радиус вращения центра грузика, скорость ураганного ветра, угловая скорость вращения преобразователя. Величина массы по заданным значениям аварийной скорости среды и коэффициента жесткости пружины определяется из равенства (1):
ц.б
yпp
Смешение осей вращения балансированных жалюзи к одному их краю обеспечивает максимальную устойчивость положений жалюзи относительно их осей вращения в неактивной части потока среды. Балансировка жалюзи со смещенными к одному краю осями вращения осуществляется жестко закрепленными грузиками (6) с минимальным сечением в плоскостях жалюзи. Этим, практически, к нулю сводятся сопротивление лопастей и вибрации жалюзи в неактивной зоне движущегося потока среды. Таким образом, за счет минимизации суммарной площади сечения лопастей с жалюзи и их балансировочных грузиков и полной балансировки каждого жалюзи и лопасти вокруг своих осей вращения обеспечивается достижение максимального КПД и срока службы и минимального воздействия предлагаемой конструкции преобразователя на окружающую среду. Этим обеспечивается достижение первой части технического результата. Для исключения аварийных режимов работы преобразователя при ураганных скоростях среды используются центробежные регуляторы, установленные на лопастях для реализации условия: F>F. Это обеспечивает минимум сопротивления преобразователя как в активной, так и в неактивной зонах потока при ураганных значениях его скорости и тем самым исключение аварийных режимов работы и, следовательно, достижение второй части технического результата (при этом преобразователь переходит в состояние покоя).
В положении Д несущей конструкции преобразователя жалюзи лопастей закрываются (складываются в лопасть), образовывая тем самым, практически, сплошную лопасть, угол ориентации которой относительно направления скорости движения среды меняется от 0° до 180°. Этим обеспечивается максимум коэффициента преобразования энергии движения потока в энергию вращения колеса-ротора. Положение закрытых жалюзи лопасти является активной зоной действия потока движущейся среды.
При дальнейшем повороте колеса-ротора в положении В или а на жалюзи действует поток с обратной стороны - со стороны открытия, и последние поворачиваются (опрокидываются) на угол 180° и, таким образом, цикл вращения колеса замыкается.
Вариант горизонтального расположения колеса-ротора приведен на фигуре 2б. Преобразователь - колесо-ротор - установлен на станине 13, и его вращательное движение через шкив 11 передается ремнем шкиву ротора генератора 12. Этот вариант расположения колеса-ротора наиболее эффективен и надежен при больших мощностях однонаправленных поступательных и возвратно-поступательных движений потока среды, как в случаях рек, морских волн, приливов и отливов. Преобразователь полностью утоплен в движущую среду, а ограничители поворота жалюзи находятся в положениях, когда верхние (относительно оси вращения преобразователя) уложены в лопасть, а нижние открыты. В этом случае ограничители поворота лопастей преимущественно должны находится в таком положении, когда верхние жалюзи открыты, так как скорость потока движущейся среды увеличивается с удалением от дна реки, или моря, или поверхности земли. При больших значениях мощностей движущегося потока среды также эффективно и вертикальное расположение оси вращения преобразователя на станине.
i
i
1
2
3
4
Зависимости моментов сил, действующих на одно-, двух- , трех- и четырехлопастное колесо-ротор с осью вращения, перпендикулярной к скорости движения потока, от времени при различных положениях ориентации лопастей в движущемся потоке среды описываются синусоидальными функциями и изображены на фигурах 3а-г. На всех рисунках пунктирной линией выше оси времени приведены усредненные значения моментов сил (M), действующих на преобразователь в активной зоне потока. Как видно из графиков, среднее значение момента силы, действующей на преобразователь, растет с ростом числа лопастей и практически достигает максимума в четырехлопастной конструкции. Усредненное значение момента силы M для: одно- (М), двух- (M), трех- (М) и четырехлопастной (М) конструкции колеса-ротора, действующей за один оборот, составляет соответственно величину: 0,318, 0,647, 0,71 и 0,95 максимального значения. Как следует из графиков, для увеличения мощности установки число лопастей необходимо увеличивать для достижения максимума среднего значения момента силы, действующей на колесо-ротор. Однако увеличение числа лопастей более четырех не приводит к практически ощутимому изменению величины среднего значения момента силы по сравнению с ростом затрат на изготовление такого преобразователя.
При смене направления движения потока на обратное, как в случаях морских волн, приливов и отливов, жалюзи лопастей открываются, когда лопасть переходит в зону а (В), б, в, г, д (Д), а в зоне Д Е а (В) жалюзи лопасти открываются, обеспечивая тем самым преобразование энергии возвратно-поступательного движения среды в энергию вращательного движения колеса-ротора.
Преимущества предлагаемой конструкции преобразователя способствует расширению областей его применения, начиная от высокоточного измерения скорости потока во всех интервалах ее изменения до преобразования энергии движущихся потоков любой мощности, даже при их скоростях, близких к ураганным значениям.
Таким образом, максимум момента силы, действующей на колесо-ротор, достигается, когда лопасть в активной зоне проходит через положение нормали к скорости потока.
Результаты испытания макетного образца двухлопастной конструкции преобразователя показали, что КПД устройства при скоростях ветра, изменяющихся в интервале 2-12 м/с, составляет величину 0,53 при теоретически предельном значении 0,647, для четырехлопастной конструкции момент силы, действующий на преобразователь, достигает 0,82 при предельном его значении в 0,95. Это свидетельствует о высокой энергической эффективности предлагаемой конструкции преобразователя.
Источники информации
1. Патент RU №2014486, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 15.06.1994.
2. Патент RU №2316671, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 10.02.2008.
3. Свидетельство на полезную модель №30871, МПК F03D 1/00, 10.07.2003.
4. Патент RU №2202048, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 10.04.2003.
5. Патент RU №2270932, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 27.02.2006.