УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к области использования альтернативных источников энергии и ротационных устройств на их основе для приведения в движение и обеспечения поступательного перемещения отдельных объектов, преимущественно, водного транспорта небольшой мощности. В частности, заявляемое устройство, установленное на маломерном судне, способствует повышению экологичности и бесшумности устройства для перемещения по воде.
Уровень техники
Энергия ветра один из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии. Опыт промышленного использования ветродвигателей и ветроустановок показывает, что эффективность зависит от размещения ветрогенераторов в местах с благоприятными воздушными потоками.  Использование современных материалов в конструкциях агрегатов, применение новых схем генерации и накопления электроэнергии обеспечит дальнейшее повышение надежности и энергоэффективности ветродвигателей. Ветряной двигатель преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Это устройство - основа ветроэнергетики, альтернативного направления в использовании природных ресурсов. Ветродвигатели в качестве движущей силы используют, преимущественно, лопастные или карусельного типа.
Известен судовой ветродвигатель, содержащий вертикальную ось с тремя дисками, между которым размещены S- образные лопасти в двух ярусах, при этом лопасти одного яруса расположены перпендикулярно лопастям другого яруса (см. патент RU 2063904). Ветер приводит во вращение при помощи лопастей ось, которая передает свое вращение через редуктор и гребной вал гребному винту, вследствие чего судно приходит в движение. Ветродвижитель выполнен со стержнями для предотвращения колебаний оси.
Известен также подвесной ветродвигатель для маломерных судов, раскрытый в патенте RU 2335429. Ветродвигатель включает в себя мачту, ветроколесо с гибкими или жесткими лопастями, содержащими нервюры, трансмиссию, гребной винт с приводом, размещенным в корпусе, и плавник. Ветроколесо, трансмиссия, плавник и гребной винт объединены в одну конструкцию, снабженную горизонтальными полуосями, вставленными в подшипники мачты. Известным изобретением достигается обеспечение повышения безопасности для экипажа движения маломерного судна под любым углом к направлению ветра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является одноосный ветродвигатель, установленный на маломерном судне и содержащий наклонный вал, на свободном конце которого установлен пропеллер, и прямую кинематическую передачу, соединяющую вал с гребным винтом, раскрытый в публикации JP2013002399A. Известное устройство решает задачу выработки электроэнергии вдали от береговых линий в отсутствие швартовки судна. Для выработки электроэнергии необходимо удерживать судно в фиксированном положении, для того, чтобы винт имел низкооборотную форму с высоким крутящим моментом. В результате оставшаяся энергия, приводящая в движение винт и, соответственно, судно, может быть использована для выработки электроэнергии.
Вышеприведенные решения характеризуются сходными недостатками, а именно, небольшой развиваемой силой тяги, низкой достигаемой скоростью движения судна, а также допускают наличие гироскопических эффектов, возникающих вследствие увеличенного суммарного кинетического момента вращающихся элементов ветродвигателей, и препятствующих выполнению маневров в движении.
Краткое раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении снижения гироскопических нагрузок при эксплуатации устройства.
Преимуществом заявляемого решения является также повышение эффективности преобразования энергии ветра в двигательную энергию, за счет формирования противонаправленных вращений пар пропеллеров и винтов.
д
о
д
о
п
оп
г
ог
оп
дп
ог
дг
оп
дп
ог
дг
оп
ог
дп
дг
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для преобразования возобновляемой энергии в энергию движения судна, содержащее основной вал, выполненный с возможностью наклонного размещения на поверхности судна с обеспечением возможности вращения относительно его собственной оси, с одной стороны которого установлен основной лопастной пропеллер, установленный с возможностью вращения под действием набегающего воздушного потока, а с другой стороны – жестко закрепленный лопастной основной гребной винт, согласно техническому решению, снабжено дополнительным валом, установленным внутри основного вала коаксиально с ним с возможностью независимого вращения относительно собственной оси и выступающим за пределы основного вала, имеющим, с одной стороны, дополнительный лопастной пропеллер, установленный с возможностью вращения под действием набегающего воздушного потока, а с другой стороны – дополнительный лопастной гребной винт, при этом лопасти основного и дополнительных пропеллеров и гребных винтов, соответственно, ориентированы в противоположных направлениях. Длина дополнительного вала L превосходит длину основного вала L на 5÷50%. Указанное соотношение длин L и L выбрано с обеспечением достижения расстояния Н между дополнительным и основным пропеллерами, равным 0,2÷0,05R радиуса основного пропеллера, а также с обеспечением достижения расстояния между дополнительным и основным гребными винтами Н, равным 0,2÷0,05R радиуса основного гребного винта. Радиус основного пропеллера R составляет не более 1,25R радиуса дополнительного пропеллера, а радиус основного гребного винта R составляет не более 1,25R радиуса дополнительного гребного винта. Иными словами, радиусы пары (основного и дополнительного) пропеллеров и гребных винтов могут быть как равными, так и отличаться не более, чем на 25%. Количество лопастей основного пропеллера К составляет не более 2Кколичества лопастей дополнительного пропеллера, а количество лопастей основного гребного винта К составляет не более 2Кколичества лопастей дополнительного гребного винта. Основной вал установлен на поверхности судна с возможностью изменения его угла наклона относительно его поверхности. Радиус основного пропеллера R составляет 5-10R радиуса основного гребного винта, а радиус дополнительного пропеллера R составляет 5÷10 R радиуса дополнительного гребного винта.
Более конкретные значения указанных соотношений в каждом конкретном случае устанавливаются на основе экспериментальных данных для конкретных моделей пропеллеров и гребных винтов.
ог
оп
Угол наклона валов относительно поверхности судна при размещении судна в водоеме выбран таким образом, чтобы основной гребной винт располагался под водой, глубина его погружения (винта) относительно поверхности воды составляла не более 1÷5 R радиусов основного гребного винта, а высота размещения центра основного пропеллера над поверхностью воды составляла не более 1,5÷2 R радиуса основного пропеллера.
За счет противоположной ориентации лопастей двух пропеллеров под действием набегающего воздушного потока ветра пропеллеры и, соответственно, валы, на которых они установлены, вращаются в противоположных направлениях. Поэтому при одинаковых моментах инерции пропеллеров, валов и гребных винтов относительно осей вращения средний кинетический момент системы остается близким к нулю, что способствует значительному снижению гироскопических нагрузок на конструкцию (например, при повороте катамарана или иного маломерного судна в пространстве для ориентации устройства на ветер).
Дополнительное увеличение эффективности устройства достигается также за счет того, что воздушный поток закручивается, проходя через сечение дополнительного пропеллера, что повышает эффективность преобразования энергии этого потока при его взаимодействии со следующим пропеллером, вращающимся в противоположном направлении. Подобный эффект наблюдается для двух гребных винтов устройства и способствует увеличению силы тяги, развиваемой винтом, расположенным в следе первого.
В результате математического моделирования, а также эмпирического подбора параметров установлены наиболее оптимальные соотношения размеров отдельных элементов устройства, позволяющие достичь максимальной эффективности устройства при эксплуатации.
Краткое описание чертежей
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующими изображениями, где
на фиг. 1 схематично изображен общий вид заявляемого устройства,
на фиг. 2 представлено фото макета заявляемой полезной модели.
Позициями на чертежах обозначены:
1. корпус,
2. основной вал,
3. дополнительный вал,
4. дополнительный пропеллер,
5. основной пропеллер,
6. дополнительный гребной винт,
7. основной гребной винт,
8. направление набегающего потока воздуха,
9. направление движения судна,
10. направление вращения дополнительного пропеллера,
11. направление вращения основного пропеллера,
12. направление вращения основного гребного винта,
13. направление вращения дополнительного гребного винта.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство относится к типу ротационных устройств для преобразования энергии ветра в энергию движения судна и может быть использовано для реализации альтернативного способа передвижения по воде.
Устройство предназначено для установки на корпусе судна 1, например, представляющем собой два соединенных между собой поплавка с подводными килями, противодействующими боковому сносу, то есть, выполненному в виде катамарана.
Устройство представляет собой валовую систему, монтируемую к корпусу судна под наклоном, как правило, 5-30°к его поверхности. Устройство состоит из основного полого цилиндрического вала 2, наклонно установленного на поверхности судна с возможностью изменения его угла наклона и с возможностью вращения вокруг собственной продольной оси, и дополнительного вала 3. Вал 3 представляет собой стержень, коаксиально установленный внутри основного вала с возможностью независимого его вращения вокруг его продольной оси. На верхних концах дополнительного и основного валов закреплены соответственно дополнительный и основной пропеллеры 4, 5, а на нижних – дополнительный и основной гребные винты 6, 7. Лопасти дополнительных пропеллера 4 и гребного винта 6 ориентированы одинаково и противоположно ориентированию лопастей основного пропеллера 5 и основного гребного винта 7. Пропеллеры и гребные винты жестко закреплены к соответствующим валам.
д
о
д
о
п
оп
г
ог
п
г
Дополнительный вал имеет длину больше основного вала и установлен на подшипниках качения, обеспечивающих возможность его независимого вращения. Дополнительный вал установлен выступающим с двух торцов основного вала. Длина его L превышает длину основного вала L на 5÷50%. Предпочтительное соотношение L и L обусловлено необходимостью обеспечения расстояния Н между дополнительным и основным пропеллерами, равным 0,2÷0,05R радиуса основного пропеллера, а также с обеспечением достижения расстояния между дополнительным и основным гребными винтами Н, равным 0,2÷0,05R радиуса основного гребного винта. Указанные расстояния Ни Н в общем случае равны.
дп
дг
оп
ог
Валовая система устанавливается под углом к плоскости корпуса таким образом, чтобы один ее конец был расположен выше корпуса, а другой ниже (при помещении судна в водоем указанный конец должен оказаться в воде). Конкретный угол наклона определяется, исходя из габаритных размеров элементов валовой системы (пропеллеров и гребных винтов). Размеры, форма и количество лопастей пропеллеров и винтов могут быть выбраны различными. Так, возможно равное или неравное количество лопастей основного и дополнительного элементов, при этом количество лопастей основного элемента (пропеллера или гребного винта) может быть, как равным количеству лопастей дополнительного элемента (пропеллера или гребного винта), так и превышать их количество, например, в 2 раза. Эмпирическим путем определены также соотношения между радиусами основного и дополнительного элементов (они также могут быть выбраны равными или отличаться на определенный коэффициент). Предпочтительно, чтобы радиус основных элементов не превышал радиус дополнительных элементов более, чем на 25%. Также определено соотношение между радиусами пропеллера и винта, установленными на одном валу. Как правило, данное соотношение R/R=R/R=5-10. Все вышеприведенные соотношения получены в результате численного моделирования и, в той или иной степени, способствуют повышению эффективности заявляемого устройства.
ог
оп
Угол наклона валов выбирается в зависимости от длины корпуса таким образом, чтобы центр основного гребного винта был расположен на глубине 1÷5 R под водой, а центр основного пропеллера на высоте 1,5÷2 R. В целом, формы лопастей могут быть выбраны произвольными, важным является их противонаправленная установка по отношению друг к другу.
Стрелкой 8 на фиг. 1 указано направление набегающего потока воздуха, стрелкой 9 - направление движения катамарана. Дуговыми стрелками 10-13 обозначены направления вращения пропеллеров и гребных винтов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
На судно, плавающее на поверхности водоема, устанавливают заявляемое устройство. Устройство ориентируют таким образом, чтобы проекции вектора, соединяющего центр гребного винта с центром пропеллера, и вектора скорости ветра на горизонтальную плоскость были противонаправлены (в данном случае возможно небольшое отклонение от указанного расположения с погрешностью 5-10°без влияния на степень эффективности работы устройства). Регулировка угла наклона валов относительно поверхности судна может быть осуществлена, например, посредством рулевой системы. Выбор угла наклона в каждом конкретном случае определяется вышеописанным образом с учетом радиусов пропеллеров, гребных винтов и длины корпуса судна. Под действием набегающего потока воздуха лопасти дополнительного и основного пропеллеров начинают вращаться в противоположные стороны и передавать вращение паре гребных винтов, которые также вращаясь в противоположные стороны, создают толкающую силу. Толкающая сила возрастает по мере увеличения угловой скорости  дополнительного и основного валов, и, как только она превзойдет силы аэродинамического сопротивления, корпус 1 устройства начнет движение в направлении 7.
Этот принцип увеличения угловых скоростей пропеллеров 4, 5, винтов 6, 7 и скорости движения корпуса 1 работает, пока абсолютные значения угловых скоростей пропеллеров 4, 5 и винтов 6, 7 не станут настолько большими, что моменты гидродинамического сопротивления, действующие на винты 6, 7, компенсируют аэроднинамические моменты, раскручивающие пропеллеры 4, 5, и пока скорость корпуса 1 не станет настолько большой, что силы лобового сопротивления, действующие на все элементы устройтсва, компенсируют силу тяги гребной системы. Соответствующие пограничные значения угловых скоростей пропеллеров 4, 5, винтов 6, 7 и скорости корпуса 1 будут характерны для самоподдерживающегося режима движения устройства: судно будет двигаться без остановки и с постоянной скоростью и постоянной угловой скоростью вращения валов.
Пример конкретного выполнения
Изготовлен опытный макет заявляемого устройства (фиг. 2). Корпус выполнен из пенопласта (может быть использован любой непромокаемый материал, например,  древесина или композитные материалы). Габаритные размеры макета судна составляют: длина 30 см, ширина – 25 см, высота – 25 см. Валовая система состоит из основного вала, представляющего собой пустотелую трубку длиной 45 см с постоянным круговым поперечным сечением, внутренний диаметр которого равен 1 см, и дополнительного вала 3 длиной 50 см, выточенного из графита и установленного в подшипниках качения внутри внешнего вала 2. Валовая система установлена на корпусе под наклоном к его поверхности, равным 30°. При погружении устройства в воду один ее конец (часть основного и дополнительного валов с гребными винтами) расположен под водой, а другой (часть основного и дополнительного валов с пропеллерами) на 20-25 см выше уровня воды. Дополнительный и основной пропеллеры выполнены из пластика и закреплены соответственно на дополнительном и основном валах. Каждый из них имеет по три одинаковых лопасти линейным размером (радиус пропеллера) 15 см, при этом ориентация закрутки двух пропеллеров противоположна. На подводных концах дополнительного и основного валов закреплены дополнительный и основной гребные винты. Они имеют по две одинаковых лопасти линейным размером (радиус винта) 3 см каждая. Ориентации лопастей дополнительных пропеллера и гребного винта и основных пропеллера и гребного винта попарно одинаковы.
Эксперименты проводили в НИИ механики МГУ при скорости набегающего воздушного потока 4–15 м/c. Стабильно наблюдался самоподдерживающийся режим движения механизма в потоке. При скоростях потока от 5 м/c наблюдалось устойчивое и достаточно быстрое движение против ветра. Таким образом, экспериментально было подтверждено, что предлагаемое устройство работоспособно и при сравнительно небольших габаритах обеспечивает надежное и эффективное преобразование возобновляемой энергии ветра в механическую энергию движения корпуса. Установлено также, что в рабочем режиме движения угловые скорости основного и дополнительного валов примерно совпадают друг с другом, за счет чего кинетический момент системы стремится к нулю, и, тем самым, минимизируются гироскопические нагрузки при эксплуатации устройства.