ПРИВОДНОЙ МЕХАНИЗМ
DRIVING MECHANISM

Данное устройство относится к устройствам для преобразования в электрическую или механическую энергию природных возобновляемых источников энергии, таких, как энергия морских и речных течений, потоков воды при сбросе ее с плотин водоемов и гидроэлектростанций, а также потоков воды за движущимися судами. Это устройство может служить приводом для исполнительных рабочих механизмов типа электрогенераторов и насосов. Кроме того, оно может быть использовано в пропульсивных движителях судов.
6
Известна электроэнергетическая установка с использованием кинетической энергии потока воды по патенту WO 9812433 А1, кл. F03B 13/20, содержащая каскад профилированных гидродинамических профилей, закрепленных на упругих элементах, размещенных по их продольной оси и связанных вертикальными стержнями, также закрепленными нижними концами на упругих элементах, установленных вертикально. При этом профили могут совершать не нужные для работы привода продольные и поворотные колебания вокруг поперечных осей профилей, на которые затрачивается энергия набегающего потока.
Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие малых амплитуд поворотных колебаний вокруг продольных осей профилей, что не позволяет получить крутящие моменты, необходимые для привода электрического преобразователя.
Известен волновой движитель для судов по авт. свид. СССР №946396, кл. В63Н 1/36, 1988 г., содержащий опору в виде стойки, закрепленной на корпусе судна, горизонтально расположенное крыло симметричного профиля, которое шарнирно закреплено на опоре, и рычаги, прикрепленные к крылу и посредством силовых элементов к опоре. Силовые элементы выполнены либо в виде пружин, либо в виде гидроцилиндров. Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие того, что крыло выполнено герметичным и, если отсутствуют волны, нуждается во внешнем приводе - гидроцилиндрах, приводимых в действие от источника давления.
7
Известна энергетическая установка по патенту US 6652232 В, кл. F03В 17/06 от 13.01.2002 г., в которой электроэнергия вырабатывается за счет энергии ветра, воды в реке или приливных течений. Установка содержит элевон и лопасть в виде крыла, имеющего симметричный профиль и установленного с возможностью свободного вращения относительно точки крепления, смещенной вперед относительно нейтральной оси. Угол атаки лопасти изменяют путем регулирования положения элевона. Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие малых амплитуд поворотных колебаний, так как крыло выполнено герметичным и в нем отсутствует воздушная подушка и переливающаяся при поворотных колебаниях вода.
7
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является приводной механизм по патенту US 6323563 ВА, кл. F03В 13/10 от 25.07.2000 г., содержащий размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло с боковыми стенками, закрепленное в шарнирных опорах на задних концах траверс, которые присоединены передними концами посредством шарниров к опорной конструкции, а также связанный с крылом посредством трансмиссии исполнительный механизм. В качестве исполнительного механизма используется генератор, вырабатывающий электроэнергию. Существенным недостатком устройства является его низкая эффективность вследствие того, что в боковых стенках крыла отсутствуют отверстия, крыло выполнено герметичным и не содержит перемещающейся в нем под воздействием потока воды воздушной подушки и переливающейся воды, что не позволяет получить параметрическое усиление поворотных колебаний крыла.
Целью данного изобретения является повышение эффективности приводного механизма за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла.
Эта цель достигается тем, что приводной механизм, содержащий размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло с боковыми стенками, ось которого установлена в шарнирных опорах на задних концах траверс, которые присоединены передними концами посредством шарниров к опорной конструкции, снабжен размещенной в верхней части крыла над заполняющей его нижнюю часть водой упругой воздушной подушкой, а также закрепленным на крыле рычагом и вертикальными тягами, которые связаны нижними концами с подшипниками, установленными на оси крыла, и присоединены верхними концами посредством рессор к опорной конструкции, между которой и рычагом установлены последовательно упругий элемент и регулятор положения крыла, в боковых стенках которого по длине хорды, равной удвоенной величине скорости набегающего потока, выполнены отверстия, верх которых расположен ниже верхней точки профиля крыла примерно на 0,2 толщины крыла и совпадает с уровнем заполняющей его воды и с нижней границей воздушной подушки, которая выполнена в виде эластичной оболочки и заполнена воздухом, а опорная конструкция выполнена в виде двух арок, которые закреплены на основании по бокам крыла.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен приводной механизм на виде сбоку. На фиг.2 - вид по стрелке В.
Приводной механизм содержит размещенное в неравномерном потоке воды, набегающем со скоростью V, симметричное крыло (1) с боковыми стенками (2), ось (3) которого установлена в шарнирных опорах (4) на задних концах траверс (5), которые присоединены передними концами посредством шарниров (6) к опорной конструкции (7), а также связанный с осью (3) крыла посредством трансмиссии (8) исполнительный механизм (9). Для повышения эффективности за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла приводной механизм снабжен размещенной в верхней части крыла над заполняющей его нижнюю часть водой (10) упругой воздушной подушкой (11), а также закрепленным на крыле (1) рычагом (12) и вертикальными тягами (13). Вертикальные тяги (13) связаны нижними концами с установленными на оси (3) подшипниками (14) и присоединены верхними концами посредством рессор (15) к опорной конструкции (7), между которой и рычагом (12) последовательно установлены упругий элемент (16) и регулятор (17) положения крыла. В боковых стенках (2) крыла по длине хорды, равной удвоенной величине скорости набегающего потока, выполнены отверстия (18). Верх отверстий (18) расположен ниже верхней точки профиля крыла примерно на 0,2 толщины крыла и совпадает с уровнем (19) заполняющей его воды (10) и нижней границей упругой воздушной подушки (11), которая выполнена в виде эластичной оболочки (20), заполненной воздухом (21). Опорная конструкция (7) выполнена в виде двух арок (22), закрепленных на основании (23), при этом крыло (1) размещено между арками (22).
Приводной механизм работает следующим образом.
При погружении приводного механизма крыло (1), подвешенное посредством тяг (13) на рессорах (15), которые установлены на арках (22) опорной конструкции (7), заполняется водой через отверстия (18), сжимая упругие рессоры (15).
При полном погружении крыло (1) заполняется водой (9) до уровня (19), совпадающего с верхом максимальных отверстий (18) в боковых стенках (2) и нижней границей воздушной подушки (11), выполненной в виде эластичной оболочки (20), заполненной воздухом (21). Ось (3) поворота крыла, проходящая через точку О, размещена впереди его центра масс С, и крыло по мере заполнения водой поворачивается совместно с рычагом (12) в подшипниках (4) и (14) по часовой стрелке, сжимая упругий элемент (16). Поэтому установка крыла в горизонтальное положение производится посредством регулятора (17) положения крыла за счет дополнительного сжатия упругого элемента (16), воздействующего на рычаг (12).
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
2
m
1
Под действием неравномерного потока воды, набегающего со скоростью V, крыло (1) совершает поворотные колебания вокруг оси О на собственной частоте
, где c - жесткость упругого элемента (16), а - длина рычага (12), I - средняя величина момента инерции крыла. Крыло также совершает вертикальные колебания по оси у на жесткости cрессор (15), установленных на арках (22) опорной конструкции (7).
При поворотных колебаниях полностью заполненного крыла вода в нем не переливается, поэтому момент инерции постоянный и не зависит от угла поворота и времени.
0
n
0
0
0
<mrow><msup><mi>I</mi><mi>V</mi></msup><msub><mrow /><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><msub><mi>v</mi><mi>n</mi></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
При поворотных колебаниях не полностью заполненного крыла (1) вода (10) в нем попеременно переливается в сторону периферийных участков, а воздушная подушка (11) перемещается в противоположном направлении по отношению к воде и изменяет форму. За один полупериод поворотных колебаний крыла упругая воздушная подушка смещается в одно из крайних положений и возвращается в среднее положение, а за полный период совершает это дважды, то есть частота перемещений воздушной подушки равна 2ω. Условный момент инерции воды в объеме воздушной подушки составляет:
, где ρ - плотность воды, v - объем воздушной подушки, r(t) - условный радиус инерции воды в объеме воздушной подушки. Радиус инерции r(t) минимален при горизонтальном положении крыла (отрезок ОА на фиг.1) и значительно увеличивается при его повороте за счет того, что воздушная подушка получает значительные перемещения с частотой 2ω параллельно хорде крыла при высоте воздушной подушки, примерно равной 0,2 толщины крыла. При перемещениях воздушной подушки радиус инерции r(t) и момент инерции
также изменяются с частотой 2ω, причем величина
существенно изменяется во времени, так как она пропорциональна величине r(t) во второй степени. Поэтому момент инерции не полностью заполненного водой крыла, определяемый как разность момента инерции полностью заполненного крыла и момента инерции воды в объеме воздушной подушки, существенно модулируется величиной
также с частотой 2ω.
0
0
При вертикальных колебаниях крыла траверсы (5), шарнирно закрепленные в точках О и N (в шарнирных опорах (4) и шарнирах (6)), поворачиваются относительно точки N, удерживая крыло от перемещений по оси х. У крыла, совершающего вертикальные колебания в потоке воды, происходит изменение угла атаки. При этом вследствие переменной во времени разности скоростей на верхней и нижней поверхностях крыла возникает система распределенных по длине его хорды присоединенных вихрей и постоянно сходящих с задней кромки свободных вихрей. Присоединенные вихри перемещаются вдоль профиля крыла и создают пульсации давления, которые воздействуют через отверстия (18) в стенках (2) на воздушную подушку (11), сжимают ее и перемещают с частотой 2ω. При этом набегающий поток совершает работу на сжатие воздушной подушки и перемещение ее. При сжатии воздушной подушки ее объем уменьшается и замещается водой, что вызывает увеличение динамического момента и угла поворота крыла. При этом увеличивается перемещение воздушной подушки, и происходит дальнейшее замещение свободного объема жидкостью. Динамические воздействия на периферийные участки крыла происходят в такт с колебаниями. Вследствие существенной модуляции момента инерции крыла при высоте воздушной подушки, составляющей примерно 0,2 толщины крыла, происходит параметрическое усиление его поворотных колебаний, и на частоте 2ω возникает параметрический резонанс, если работа внешней системы (неравномерного потока) превышает потери энергии в колеблющемся крыле. Параметрические колебания возникают только в не полностью заполненном водой крыле при наличии упругой воздушной подушки. В результате, наряду с кинетической энергией набегающего потока используется энергия присоединенных вихрей.
Максимальные амплитуды поворотных колебаний достигаются, когда неравномерный поток воды перемещается за одну секунду на длину, равную половине хорды крыла, что аналогично нагрузке моментом. При этом величина скорости потока совпадает с величиной половины длины хорды крыла, или величина хорды крыла совпадает с удвоенной скоростью набегающего потока. Можно «настроить» крыло на известную заранее скорость набегающего потока (например, на скорость течения) с тем, чтобы получить максимальные амплитуды поворотных колебаний на частоте параметрического резонанса. Интенсивные колебания крыла передаются через трансмиссию (8) на исполнительный механизм (9) (генератор электрического тока или насос). Таким образом, при значительном увеличении амплитуд колебаний на частоте параметрического резонанса существенно возрастает эффективность приводного механизма.