Способ преобразования энергии потоков сплошных сред и устройство для его осуществления

 

Использование: в ветроэнергетике, в частности для преобразования энергии ветра в механическую энергию в ветроэнергетических агрегатах. Сущность изобретения: преобразуемый поток направляют через конфузорную камеру, образованную оболочками вращения по двум системам винтовых каналов. В первой системе каналов поток закручивается и передает свою энергию турбине, которая установлена на оси, размещенной на опорной конструкции. Во второй - поток направляют по винтовым каналам, где формируют поток с пониженным давлением, который обеспечивает транспортировку первого потока, вышедшего из турбины. Система каналов может быть снабжена направляющими лопатками, выполненными в виде подвижных элементов. Устройство снабжено электрогенератором, который может быть размещен в любой зоне, системой плавающих подвесов, стабилизатором числа оборотов и тепловым аккумулятором. 2 с. и. 7 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к энергетике и, в частности к способам и устройствам для преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию. Изобретение может быть использовано в ветро- и гидроэнергетике в различных гидравлических и газодинамических системах, например, при использовании движения жидкости, газа, двухфазных или многокомпонентных сред для производства механической энергии. Наиболее успешно изобретение может быть использовано в ветроэнергетических установках, русловых (бесплотинных) и приливных ГЭС, а также при утилизации энергии термоиндуцированных потоков, в том числе инициированных солнечным нагревом.

Известны способы концентрации мощности потока ветра за счет помещения в поток устройств в виде дефлекторов конфузорного или диффузорного типов, размещаемых соосно с направлением ветра и усиливающих его скорость, а следовательно, и мощность потока, направленного на агрегаты указанных выше типов. Известны также диффузоры или конфузоры, направляющие на ветроколесо поток с площади, большей, чем ометаемая площадь ветроколеса.

Общим для таких способов является то, что в потоке сплошной среды, например, воды или воздуха рентабельность их использования в тех или иных ветроэнергетических системах зависит от величины средней скорости потока V. Для ветроэнергетических агрегатов эта скорость составляет V 8-12 м/с. Помимо этого, во время движения по тракту устройства, реализующего тот или иной способ энергопреобразования, и при взаимодействии потока сплошной среды с элементами этого устройства генерируются вторичные течения в виде вихрей, на образование которых тратится энергия потока; вследствие этого поток испытывает дополнительное динамическое сопротивление, что снижает эффективность преобразования его энергии. Иными словами, поскольку в потоке при взаимодействии с элементами энергоагрегата или при движении потока по его такту образуются вторичные вихревые течения на фоне основного движения потока, КПД преобразования ограничен потерями энергии на вихреобразование.

Так, известен способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию, при котором потоку придают вращательный момент, направляя его во впускную камеру и систему каналов, создают в нем пониженное давление, обеспечивая тем самым подсос среды из внешнего пространства и концентрацию мощности в формируемом потоке, а затем преобразуют накопленную таким образом энергию движения потока с помощью механизма вращательного действия (Rangwalla A. A. Hsu C.Т. Power coefficient of Tornado-Type Wind Turbines./ Journal Energy. 1983. v.7, No 6, p. 735-737; Hsu C.T. H. Ide. Performance of Tornado Type Wind Turbines with radial Supply. Journal Energy, v. 7, No 6, 1983, p. 452-453.).

Устройства, использующие этот способ, носят название (TWES Tornado Wind Energy Systems) и представляют собой башни, внутри которых образуется торнадоподобное закрученное течение. Это течение возникает, как указывалось, за счет втока воздуха внутрь башни через одну или множество щелей, образующих произвольный, но постоянный для данной конструкции угол с локальным радиусом башни. Щели в башне открыты с наветренной стороны и закрыты с подветренной. Проходя сквозь эти щели, ветер приобретает тангенциальную составляющую скорости, что означает возникновение закрученного течения внутри башни. В ядре такого потока образуется зона пониженного давления, что обеспечивает всасывание внутрь башни дополнительных масс воздуха, поступающих через ее нижний торец, устанавливаемый на специальное устройство-поддувало.

Авторами известных работ и другими исследователями (см. например, So R. M. C. On Vortex Wind Power. Journаl of Fluids Engineering, 1978, v.100, p. 79-82) ошибочно считается, что поле скорости в TWES характеризуется распределением, характерным для вихря Бюргерса (Burgers J.M. A mathematical model illustrating the theory of turbulence. Advances Appl. Mechan. 1948, v.1. p. 157-199). Однако реализация этого способа в соответствующих устройствах указывает на серьезные потери, вызванные описанным выше отсутствием условий для сшивки линий тока в струях, втекающих через щели внутрь торнадо-башни, с линиями тока в формируемом торнадоподобном течении.

Недостатком этого способа преобразования энергии и устройств, на нем основанных, является то, что при этом движение потока в виде отдельных струй по каналам или объемам, в которые его направляют, характеризуется нестационарностью линий тока, их резкими изгибами и, как следствие, образованием вторичных вихревых течений, приводящих к потерям энергии потоков и низкому КПД устройства, реализующего упомянутый способ.

С гидродинамической точки зрения, используемый и преобразуемый потоки сплошной среды вынуждено образуют в себе не только необходимые для реализации способа линии тока, но и множество нестационарных паразитных траекторий. Это происходит из-за несогласованности формирования потока по упомянутому способу с естественными режимами плавного безвихревого течения сплошных сред, примером чему может служить образование смерчей в природе.

Известен способ преобразования энергии потока сплошных сред, заключающийся в том, что преобразуемый поток направляют во внутренний аксиально-симметричный объем по двум системам траекторий, сходящихся к оси симметрии этого объема, первая из которых формирует закрученное течение непосредственно перед зоной преобразования вращательного момента и механической энергии, осуществляет концентрацию механической энергии и вращательного момента в аксиально-симметричном объеме и дальнейшее преобразование в том же объеме механической энергии и вращательного момента, а вторая система траекторий формирует поток с пониженным давлением, обеспечивающим эвакуацию сплошной среды, истекающей из зоны преобразования энергии и вращательного момента, первая система траекторий вначале заполняет область пространства, ограниченную двумя поверхностями вращения, а затем принимает вид винтовых спиралей.

Известно устройство для преобразования энергии природных потоков, содержащее конфузорную камеру, две системы каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину с обтекателем, плавно сопряженным с центральным внутренним обтекателем, электрогенератор, связанный с турбиной посредством центральной оси, проходящей через центральный обтекатель, и опорную конструкцию.

Недостатками указанных способа и устройства являются: вторая система траекторий не имеет осевой закрутки, а потому создает слабое понижение давления в области, в которую поступает поток истекающий из зоны преобразования энергии; в указанном устройстве не описана форма вертикальных перегородок первой системы каналов, могущая обеспечить высокую эффективность преобразования энергии потока сплошной среды в этом устройстве.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для преобразования потока сплошной среды и энергии его движения, при которых в потоке сплошной среды формировались бы траектории движения, позволяющие максимально преобразовать энергию потока в механическую энергию при минимальном образовании вредных вторичных течений и потерях на гидросопротивление при взаимодействии с элементами устройства, реализующего такой способом, а также уменьшить размеры зоны преобразования энергии. Кроте того, предполагалось организовать движение используемого потока таким образом, чтобы обеспечить эвакуацию (отсос) отработавшего потока, отдавшего часть своей энергии соответствующему приемнику.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования энергии потоков сплошных сред, преобразуемый поток направляют во внутренний аксиально-симметричный объем по двум системам траекторий, сходящихся к оси симметрии этого объема, первая из которых формирует закрученное течение непосредственно перед зоной преобразования вращательного момента и механической энергии, осуществляет концентрацию механической энергии и вращательного момента в аксиально-симметричном объеме и дальнейшее преобразование в том же объеме механической энергии и вращательного момента, а вторая система траекторий формирует поток с пониженным давлением, обеспечивающим эвакуацию сплошной среды, истекающей из зоны преобразования энергии и вращательного момента, первая система траекторий вначале заполняет область пространства, ограниченную двумя поверхностями вращения, а затем принимает вид винтовых спиралей, во второй система траекторий осуществляют закручивание потока, при этом примыкающим к поверхностям вращения траекториям первой системы траекторий вначале придают форму по зависимостям = s C₁≈ C₃≈ а затем траекториям первой системы траекторий придают вид винтовых спиралей по зависимостям i вторая система траекторий образуется в результате взаимодействия направляемого потока с вогнутой поверхностью вращения, причем примыкающим к этой поверхности вращения траекториям второй системы траекторий придают форму согласно зависимости r r sin , R_o≅r≅NR_o а затем траекториям второй системы траекторий придают вид винтовых спиралей по зависимостям i , где r, ϕ, z цилиндрические координаты, в которых ось z совпадает с осью осесимметричного объема, где формируется закрученный поток;
R_о расстояние от оси осесимметричного объема до начала винтовых траекторий;
R≈ R_o радиус осесимметричного
объема в зоне выхода из него сформированного закрученного течения;
NR_o расстояние от оси осесимметричного объема до начала конфузорной поверхности вращения, N≳ 2
С₂ постоянная величина, связанная с высотой Z и радиусом R осесимметричного объема: C₂≈
С₁, С₃ константы, выражаемые через константу С₂;
С_4i, C_5i константы, изменяющиеся в указанных выше диапазонах;
ϕ_10i и ϕ_20i значения угла ϕ в начале i-й винтовой траектории соответственно из первой и второй системы;
отношения вращательной и радиальной компонент скорости на радиусе R соответственно для первой и второй систем винтовых траекторий;
С₆, С₇ константы, изменяющиеся в указанных выше диапазонах;
С_8i < ZR² константа, не превышающая произведение высоты Z осесимметричного объема, где формируется закрученный поток, на квадрат его радиуса R;
C_9i < Z константа, меньшая высоты осесимметричного объема, где формируется закрученный поток или одного порядка с этой высотой.

Такой способ обеспечивает подавление вихревых течений в потоке на участке его движения по радиально сходящимся конфузорным траекториям и концентрацию энергии потока, выражающуюся в увеличении его скорости и уменьшении суммарной площади поперечного сечения конфузорных траекторий. При движении потока по первой системе винтовых траекторий происходит дальнейшее затухание вторичных вихревых течений, увеличение степени концентрации энергии потока, а также формирование в нем компонент скорости, соответствующих закрученным природным течениям, например, смерчам, водоворотам. Обеспечение закрутки при прохождении первой системы траекторий формирует концентрированный устойчивый закрученный поток с эффективным преобразованием перепада давления в кинетическую энергию движения частиц и во вращательный момент, необходимые для полной передачи энергии приемнику вращательного момента и энергии.

При движении потока по второй системе траекторий также происходит затухание вторичных вихревых течений, формирование компонент скорости потока, соответствующих закрученным природным течениям. При этом происходит интенсивное падение давления в приосевой зоне благодаря ускорению частиц, приобретению ими вращательной компоненты скорости, снижению гидравлических потерь и высокой устойчивости формируемого закрученного потока, препятствующих образованию вторичных вихревых течений.

Устойчивый закрученный поток, формируемый после прохождения первой системы траекторий, поступает в зону преобразования вращательного момента и энергии путем взаимодействия потока с приемником момента и энергии. Изменяя свой вращательный момент, поток воздействует моментом сил на приемник момента и энергии, благодаря чему и происходит передача энергии приемнику. При таком способе преобразования энергии закрученного сформированного потока сплошной среды минимизируется генерация вторичных вихревых течений в зоне преобразования энергии, уменьшается неравномерность полей давления, возникают дополнительным массовые силы инерции, обусловленные вращением среды, что позволяет максимально эффективно преобразовать энергию потока.

Отработавший поток, выходящий из зоны преобразования энергии, поступает в зону пониженного давления, создаваемую вращающимся потоком, сформированным при прохождении второй системы траекторий. При этом происходит интенсивное высасывание отработавшего потока из зоны преобразования и его эвакуация во внешнее пространство благодаря пониженному давлению и повышенной кинетической энергии потока, поступающего по второй системе каналов и также направляющегося во внешнее пространство.

Движение исходного потока по конфузорным траекториям и двум системам траекторий характеризуется плавным переходом от поля скорости исходного потока к полю скорости формируемого потока, малым вихреобразованием и эффективной концентpацией энергии в силу выбора формы этих траекторий, приводящих к формированию закрученного потока, аналогичного природным закрученным течениям.

Последнее обстоятельство и означает естественность и устойчивость линий тока в том смысле, что поток, начавший двигаться по упомянутым траекториям, имеет тенденцию продолжать такое движение без необходимости приложения существенных усилий для удержания потока на описанных выше траекториях. Движение по таким траекториям характеризуется устойчивым балансом сил инерции и градиентов давления, что снижает гидравлические потери на вихреобразование и позволяет достичь высокой концентрации энергии потока в зоне ее преобразования.

Поставленная задача также решается с помощью устройства для преобразования энергии природных потоков, содержащего конфузорную камеру, для системы каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину с обтекателем, плавно сопряженным с центральным внутренним обтекателем, электрогенератор, связанный с турбиной посредством центральной оси, проходящей через центральный обтекатель, и опорную конструкцию, вторая система каналов выполнена с осями в виде винтовых линий, при этом конфузорная впускная камера образована оболочками вращения, задаваемыми в цилиндрических координатах зависимостями для нижней оболочки
Z₁(r) C sin R_o≅ r≅ NR_o,
C₁= для верхней оболочки
Z₂(r)= C₂/r²+C sin , R_o≅ r≅ NR_o,
C₂≈ C₃≈
причем верхняя оболочка конфузорной камеры служит одновременно направляющей поверхностью для части потока, поступающего во вторую систему каналов, а пространственное положение осей каналов первой системы траекторий задается зависимостями
Z_1i(r) + sin ,
=+ -1+ + ,
а пространственное положение осей каналов второй системы задается зависимостями
Z_2i(r) + sin ,
=-1 + ,
где r, ϕ,Z цилиндрические координаты с осью Z, совпадающей с центральной осью устройства;
Z высота осесимметричного внутреннего объема устройства;
R его радиус в зоне выхода сформированного закрученного течения;
R_o≈5R расстояние от оси симметрии устройства до места входа потока в системы каналов;
NR_o расстояние от оси осесимметричного объема до начала оболочек, образующих конфузорную впускную камеру, N≳ 2
i индекс, нумерующий оси в системах каналов в порядке снизу вверх;
n максимальное значение индекса i;
j индекс, нумерующий оси в системах каналов в порядке вращения вокруг центральной оси устройства;
ϕ_10j и _ϕ20j значение угла ϕ в начале j-й винтовой траектории соответственно из первой и второй системы;
n₁ максимальное значение индекса i для первой системы;
n максимальное значение индекса i для второй системы;
отношение вращательной и радиальной компонент скорости на радиусе R соответственно для первой и второй систем винтовых траекторий;
n и n максимальные значения индекса j для первой и второй систем каналов соответственно.

Центральный внутренний обтекатель имеет форму, описываемую зависимостью
Z_ц С_ц/r²,
C_ц (1-4) ·10^-4 ZR².

Системы каналов снабжены направляющими лопатками, выполненными в виде подвижных элементов, автоматически сужающих вход в первую и вторую систему каналов при превышении расходом потока номинального значения.

Электрогенератор размещен в любой зоне устройства, либо над турбиной, либо под нижней оболочкой конфузорной впускной камеры.

Устройство снабжено системой плавающих подвесов, состоящих из магнитов, обеспечивающих продольное дистанционирование узлов устройства, электромагнитов с системой управления, компенсирующих поперечные и продольные колебания вращающихся частей устройства.

Устройство снабжено стабилизатором числа оборотов и маховиком, связанными с центральной осью устройства.

Устройство снабжено тепловым аккумулятором, использующим энергию солнца или других источников нагрева, установленным над маховиком и служащим для подогрева и стимулирования восходящих потоков сплошной среды, причем поверхность теплового аккумулятора направляет восходящий поток в конфузорную впускную камеру в виде предварительно закрученных струй сплошной среды.

Опорная конструкция имеет не менее трех точек опоры и жестко связана с поверхностью конфузорной впускной камеры, снабжена гнездами для установки и фиксации механических систем, центральной оси устройства, магнитных подвесов и узлов устройства, а также обеспечивает необходимую ориентацию всего устройства, его расположение на поверхности земли, в напорных коммуникациях или в гидравлических каналах.

Применение указанного устройства обеспечивает эффективное преобразование потока во впускной конфузорной камере за счет указанных профилей образующих ее оболочек, выражающееся в концентрации, или сгущении, линий тока поступающего в нее потока, при этом практически не образуется вторичных вихревых течений, отрывных или застойных зон, и поток плавно подводится к первой системе винтовых каналов. Если в поступающем в конфузорную впускную камеру турбулентном потоке имеются значительные пульсации скорости (повышенный уровень турбулентности поступающего в устройство потока), то благодаря выбранной форме оболочек впускной камеры происходит квазиламинаризация потока при его течении во впускной камере. Исполнение впускной камеры в виде двух оболочек, имеющих симметрию относительно оси устройства, позволяет устройству работать при любом направлении натекающего на него потока. Тем самым исключается необходимость ориентировать впускную камеру против натекающего потока.

Поступление сплошной среды во вторую систему каналов происходит в результате взаимодействия с верхней оболочкой конфузорной камеры, служащей направляющей поверхностью для этой части потока. Указанный профиль верхней оболочки конфузорной камеры обеспечивает увеличение расхода через вторую систему каналов, что усиливает эвакуацию отработавшего потока из турбины, повышая эффективность работы устройства.

В первой системе каналов осуществляется последующая концентрация скорости и кинетической энергии потока. Выбор осей каналов этой системы согласно упомянутым соотношениям практически исключает образование вторичных течений в каждом из каналов и, кроме того, после слияния потоков из каждого канала первой системы каналов образуется устойчивый поток с минимальным уровнем турбулентности, что и позволяет достигнуть высокой степени концентрации скорости потока.

Первая система каналов, таким образом, формирует закрученный поток и направляет его в зону входа в пространство турбины, обеспечив необходимый вращательный момент потоку и сконцентрировав его энергию для дальнейшего преобразования в турбине.

В межлопаточном пространстве турбины поступающий поток разделяется на отдельные потоки, передающие ее лопаткам, разделяющим поток, свой момент количества движения.

Во второй системе каналов также осуществляется концентрация скорости и кинетической энергии потока, поступающего в нее в результате взаимодействия натекающего течения с верхней оболочкой конфузорной камеры. Выбор осей каналов второй системы каналов по указанным зависимостям уменьшает образование вторичных вихрей, способствуя эффективному преобразованию давления в скорость, благодаря чему давление сильно падает при слиянии потоков из этой системы вокруг и выше области истечения из турбины.

Пониженное давление в зоне истечения, получающееся в результате этого, способствует увеличению расхода через турбину, кроме того, эффект повышения скорости динамически способствует удалению отработавшего потока из зоны истечения.

Выходящий закрученный поток, истекающий из устройства в открытое пространство, имеющий остаточную закрутку благодаря второй системе каналов, взаимодействует с обтекающим устройство внешним движущимся потоком, например, в случае когда устройство используется в качестве ветро- или гидроэнергетического преобразователя энергии.

Совокупный эффект концентрации потока и отсоса за счет истечения из второй системы и взаимодействия с внешним потоком приводит к увеличению эффективности преобразования энергии благодаря уменьшению потерь, отсосу и упомянутому взаимодействию, при этом скорость вращения турбины увеличивается, и ее размер уменьшается вследствие сгущения линий тока, или концентрации скорости. Кроме того, расширяется диапазон использования рабочих потоков, движущихся с малой скоростью, так как концентрация их скорости приводит к ее увеличению в зоне расположения турбины. Устойчивость потока, обеспеченная профилированием системы каналов в соответствии с естественными формами движения природных закрученных течений, а также плавность полей скорости и давления в формируемых струях обеспечивают надежность работы турбины и всего устройства в целом за счет уменьшения нестационарных эффектов нагрузок в конструкции.

На фиг. 1 дана схема, иллюстрирующая предлагаемый способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию; на фиг.2 общий вид устройства с изображением оболочек входной конфузорной камеры, оболочек двух систем каналов, турбины в осевом сечении, а также осей каналов обеих систем в координатах r, z цилиндрической системы координат; на фиг.3 проекции осей каналов и цилиндрических поверхностей боковых стенок каналов на плоскость (r, ϕ) цилиндрической системы координат; на фиг.4 оболочки первой системы каналов, оболочки турбины, обтекатель турбины, центральный обтекатель, электрогенератор, система плавающих подвесов, стабилизатор числа оборотов, маховик, центральная ось устройства, тепловой аккумулятор; на фиг. 5 направляющие лопатки первой и второй системы каналов; на фиг.6 схема опорной конструкции.

Предлагаемый способ преобразования энергии турбулентного потока сплошной среды осуществляется, как это указано на схеме на фиг.1, следующим образом.

Формируемый поток направляют по двум системам радиально сходящихся конфузорных траекторий во внутренний аксиально-симметричный объем, первая система траекторий А-А1, В-В1. А'-А'1. B'-B'1заполняет вначале область пространства, ограниченную двумя поверхностями вращения Т₁, Т₂, а вторая система траекторий С-С1, D-D1, С'-С'1, D'-D'1 образуется в результате взаимодействия направляемого потока с вогнутой поверхностью вращения Т₃. Первой системе траекторий по ходу потока придают вид винтовых траекторий Е-Е1, F-F1, Е'-E'1, F'-F'1, по прохождению которой из части формируемого потока образуется закрученное течение непосредственно перед зоной преобразования вращательного момента и механической энергии К, концентрируемых в нем за счет слияния струй в процессе их движения по первой системе траекторий А-А1, В-В1, А'-А'1, B'-B'1, E-E1, F-F1, E'-E'1, F'-F'1. Второй системе траекторий по ходу потока затем придают вид винтовых траекторий G-G1, Н1-Н1, G'-G'1, H'-H'1, по прохождении которых из части формируемого потока за счет слияния струй в процессе их движения по второй системе траекторий С4С1, D-D1, С'-C'1, D'-D'1, G-G1, H-H1, G'-G'1, H'-H'1 также образуется закрученное течение с пониженным давлением, обеспечивающим эжекцию среды, истекающей из зоны преобразования ее вращательного момента и энергии К.

Устройство для преобразования энергии потока сплошной среды содержит конфузорную впускную камеру 1, выполненную в виде оболочек вращения. Каналы сгруппированы в две системы. Первая система каналов образована оболочками вращения 2 (фиг.2, 4, 5) и цилиндрическими поверхностями 3 (фиг.3). Вторая система каналов образована аналогично первой системе каналов оболочками вращения 4 (фиг.2, 5) и цилиндрическими поверхностями 3 (фиг.3). Оси 5 оси первой системы каналов в координатах r.z (фиг.2), оси 6 оси первой системы каналов в координатах r,ϕ (фиг.3). Оси 7 оси второй системы каналов в координатах r, z (фиг. 2). Оси 6 оси второй системы каналов в координатах r,ϕ (фиг.3).

Внутри устройства образуется внутренний аксиально-симметричный объем 8 (фиг.2, 3, 4, 5).

Устройство содержит турбину 9 (фиг.2, 4, 6), расположенную в аксиально-симметричном объеме, лопатки и оболочки которой имеют форму, обеспечивающую изменение вращательного момента закрученного потока, проходящего через турбину.

Верхняя оболочка впускной камеры 1 (фиг.2, 5) одновременно служит направляющей для части подаваемого потока, поступающего во вторую систему каналов.

Устройство может содержать внутренний центральный обтекатель 10 (фиг.4), обтекатель турбины 11 (фиг.4), имеющий форму, плавно сопрягающуюся с формой центрального внутреннего обтекателя, направляющие лопатки 12 первой системы каналов (фиг. 5) и направляющие лопатки 13 второй системы каналов (фиг.5), выполняемые в виде подвижных элементов, автоматически сужающих вход в первую и вторую системы каналов при превышении расходом потока номинального значения.

Устройство может оснащаться электрогенератором 14 (фиг.4,6), размещенным в любой зоне устройства, либо над туpбиной, либо под нижней оболочкой конфузорной впускной камеры, с ротором, связанным с турбиной 9 (фиг.2, 4, 6) посредством центральной оси 15 (фиг.4, 6), проходящей через центральный обтекатель 10 (фиг. 4), системой плавающих подвесов, состоящих из магнитов 16 (фиг. 4, 6) и электромагнитов 17 и 18 (фиг.4).

Устройство может оснащаться стабилизатором числа оборотов 19 (фиг.4, 6), связанным с центральной осью 15 устройства, и маховиком 20 фиг.4, 6). Устройство может содержать тепловой аккумулятор 21 (фиг.4, 6), устанавливаемый над маховиком 20 (фиг.4, 6) или совмещенный с ним.

Устройство может оснащаться опорной конструкцией 22 (фиг.6), имеющей не менее, чем три точки опоры, жестко связанной с поверхностью конфузорной впускной камеры 1, служащей для установки и фиксации механических систем, магнитных подвесов и узлов устройства, а также для обеспечения необходимой ориентации всего устройства в пространстве.

Предлагаемое устройство, представленное на фиг.2, 3, 4, 5, 6, работает следующим образом. При поступлении потока во впускную камеру 1 (фиг.2, 5, 6) поток движется к первой системе каналов. При этом благодаря указанной выше форме оболочек впускной камеры происходит квазиламинаризация потока и его концентрация, выражающаяся в сгущении линий тока этого потока. Во вторую систему каналов поток поступает в результате взаимодействия с верхней оболочкой конфузорной впускной камеры.

В первой системе каналов осуществляется последующая концентрация скорости и кинетической энергии потока. Выбор осей 5 и 6 каналов этой системы согласно упомянутым соотношениям практически исключает образование вторичных течений в каждом из каналов и, кроме того, после слияния потоков из каждого канала первой системы каналов образуется устойчивый поток I (фиг.2) с минимальным уровнем турбулентности, что позволяет достичь высокой степени концентрации скорости потока. Первая система каналов формирует закрученный поток I (фиг.2) и направляет его в зону входа в межлопаточное пространство турбины 9 (фиг.2), обеспечив необходимый вращательный момент потоку и сконцентрировав его энергию для дальнейшего преобразования в турбине.

В межлопаточном пространстве турбины 9 разделенный на отдельные потоки поступивший в турбину поток передает ей свой момент количества движения.

Во второй системе каналов также осуществляется последующая концентрация скорости и кинетической энергии потока (фиг.2), поступающего в нее. Выбор осей каналов второй системы каналов по указанным зависимостям уменьшает образование вторичных вихрей, способствуя эффективному преобразованию давления в скорость, благодаря чему давление сильно падает при слиянии потоков из этой системы вокруг и выше области истечения из турбины, т.е. в области потока Р (фиг.2).

Пониженное давление в зоне истечения, получающееся в результате этого, способствует увеличению расхода через турбину 9, кроме того, эффект скорости потока Р (фиг.2) динамически способствует удалению отработавшего потока из зоны истечения.

Выходящий закрученный поток Р (фиг.2), истекающий из устройства в открытое пространство, имеющий остаточную закрутку благодаря второй системе каналов, взаимодействует с обтекающим устройство внешним движущимся потоком, например, в случае когда устройство используется в качестве ветро- или гидроэнергетического преобразователя энергии и сопрягается с ним так же, как сопрягаются со средой зарождения природные закрученные потоки.

При наличии центрального обтекателя 10 (фиг.4) и обтекателя турбины 11 (фиг. 4) устройство работает аналогично, причем его эффективность повышается благодаря уменьшению образования вторичных вихрей за счет формы центрального обтекателя и обтекателя турбины.

Направляющие лопатки первой системы каналов 12 (фиг.5) и направляющие лопатки 13 второй системы каналов (фиг.5) автоматически сужают вход в первую и вторую системы каналов при превышении расходом потока номинального значения. Электрогенератор 14 (фиг.4,6) воспринимает вращение турбины 9 (фиг.2, 4, 6) через центральную ось 15 и вырабатывает электрическую энергию.

Плавающие подвесы 16 обеспечивают плавность и устойчивость вращения, причем электромагниты 17 и 18 (фиг.4) препятствуют развитию динамических неустойчивостей при вращении центральной оси 15 за счет автоматизированной системы управления.

Стабилизатор числа оборотов 19 и маховик 20 обеспечивают равномерность вращения ротора электрогенератора 14.

Тепловой аккумулятор 21 накапливает энергию солнца или других источников нагрева и стимулирует восходящие потоки сплошной среды путем ее прогрева, направляя их в виде предварительно закрученных струй сплошной среды в конфузорную впускную камеру.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии потоков сплошных сред путем подачи преобразуемого потока во внутренний аксиально-симметричный объем по двум системам траекторий с обеспечением с помощью первой системы закручивания течения перед зоной преобразования вращательного момента и механической энергии и с обеспечением осуществления концентрации механической энергии и вращательного момента в аксиально-симметричном объеме и дальнейшего преобразования в том же объеме механической энергии и вращательного момента, а с помощью второй системы формирования потока с понижением давления для эвакуации сплошной среды, истекающей из зоны преобразования, причем первая система траекторий перед формированием закрученного течения заполняет пространство, ограниченное двумя поверхностями вращения, отличающийся тем, что во второй системе траекторий производят закручивание течения, при этом примыкающим к поверхностям вращения траекториям первой системы траекторий вначале придают форму по зависимостям



а затем траекториям первой системы траекторий придают вид винтовых спиралей по зависимостям


R ≅ r ≅ R₀;
0 < C_4i < C₂;
C_5i=C₃C_4i/C₂,
вторая система траекторий образуется в результате взаимодействия направляемого потока с вогнутой поверхностью вращения, причем примыкающим к этой поверхности вращения траекториям второй системы траекторий придают форму согласно зависимостям

R ≅ r ≅ NR₀;
C₆ ≥ C₂;
C₇ ≥ C₃,
а затем траекториям второй системы траекторий придают вид винтовых спиралей по зависимостям



C_8i>C₆,
C_9i>C₇,
где r, ϕ, Z цилиндрические координаты, в которых ось Z совпадает с осью осесимметричного объема, где формируется закрученный поток;
R₀ расстояние от оси осесимметричного объема до начала винтовых траекторий;
радиус осесимметричного объема в зоне выхода из него сформированного закрученного течения;
NR₀ расстояние от оси осесимметричного объема до начала конфузорной поверхности вращения N≳ 2;
C₂ постоянная величина, связанная с высотой Z и R радиусом осесимметричного объема: C₂≈ Z·R²/2;
C₁, C₃ константы, выражаемые через константу C₂;
C_4i, C_5i константы, изменяющиеся в указанных выше диапазонах;
ϕ_10i и ϕ_20i значение угла ϕ в начале i-й винтовой траектории соответственно из первой и второй систем;
отношения вращательной и радиальной компонент скорости на радиусе R соответственно для первой и второй систем винтовых траекторий;
C₆, C₇ константы, изменяющиеся в указанных выше диапазонах;
C_8i < ZR² константа, не превышающая произведение высоты Z осесимметричного объема, где формируется закрученный поток, на квадрат его радиуса;
C_9i≲ Z - константа, меньшая высоты осесимметричного объема, где формируется закрученный поток, или одного порядка с этой высотой.

2. Устройство для преобразования энергии потоков сплошных сред, содержащее конфузорную камеру, две системы каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину с обтекателем, плавно сопряженным с центральным внутренним обтекателем, электрогенератор, связанный с турбиной посредством центральной оси, проходящей через центральный обтекатель, и опорную конструкцию, отличающееся тем, что система каналов выполнена с осями в виде винтовых линий, при этом конфузорная впускная камера образована оболочками вращения, задаваемыми в цилиндрических координатах зависимостями для нижней оболочки

R ≅ r ≅ NR₀;
C₁=-C₂/2R²
а для верхней оболочки конфузорной камеры зависимостями

R₀ ≅ r ≅ NR₀;

причем верхняя оболочка конфузорной камеры служит одновременно направляющей поверхностью для части потока, поступающего во вторую систему каналов, а пространственное положение осей каналов первой системы траекторий задается зависимостями


R ≅ r ≅ R₀; S≲1;
i=1,2,...,n₁;

а пространственное положение осей каналов второй системы задается зависимостями


R ≅ r ≅ R₀;
i=n₁+1,
n₁+2,...,n;
j=1,2,...,n_ϕ2,
где r, ϕ, Z цилиндрические координаты с осью Z, совпадающей с центральной осью устройства;
Z высота осесимметричного внутреннего объема устройства;
R его радиус в зоне выхода сформированного закрученного течения;
R_o≈5R расстояние от оси симметрии устройства до места входа потока в системе каналов;
NR₀ расстояние от оси осесимметричного объема до начала оболочек, образующих конфузорную впускную камеру,
i индекс, нумерующий оси в системах каналов в порядке снизу вверх;
n максимальное значение индекса i;
j индекс, нумерующий оси в системах каналов в порядке вращения вокруг центральной оси устройства;
n₁ максимальное значение индекса i для первой системы;
n максимальное значение индекса i для второй системы;
отношение вращательной и радиальной компонент скорости на радиусе R соответственно для первой и второй винтовых траекторий;
ϕ_10j и ϕ_20j значения угла ϕ в начале j-й винтовой траектории соответственно из первой и второй систем;
n_ϕ1 и n_ϕ2 максимальное значение индекса j для первой и второй систем каналов соответственно.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центральный внутренний обтекатель имеет форму, описываемую в цилиндрических координатах зависимостью
Z_ц C_ц R²,
где С_ц=(1-4)10⁴ΖR²;
Z и r цилиндрические координаты;
Z высота осесимметричного объема устройства;
R радиус осесимметричного объема устройства.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что системы каналов снабжены направляющими лопатками, выполненными в виде подвижных элементов, автоматически сужающих вход в первую и вторую систему каналов при превышении расхода потока его номинального значения.

5. Устройство по п.2, или 3, или 4, отличающееся тем, что электрогенератор размещен над турбиной или под нижней оболочкой конфузорной впускной камеры.

6. Устройство по п. 2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что оно снабжено системой плавающих подвесов, состоящих из магнитов с обеспечением возможности продольного дистанцирования узлов устройства, электромагнитов с системой управления для компенсации поперечных и продольных колебаний вращающихся частей устройства.

7. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что оно снабжено стабилизатором числа оборотов и маховиком, связанными с центральной осью устройства.

8. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что оно снабжено тепловым аккумулятором, использующим энергию солнца или других источников нагрева, установленным над маховиком и служащим для нагрева восходящих потоков сплошной среды, причем поверхность теплового аккумулятора направляет восходящий поток в конфузорную впускную камеру в виде предварительно закрученных струй сплошной среды.

9. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающееся тем, что опорная конструкция имеет не менее трех точек опоры и жестко связана с поверхностью конфузорной впускной камеры, снабжена гнездами для установки и фиксации механических систем, центральной оси устройства, магнитных подвесов и узлов устройства с обеспечением необходимой ориентации относительно поверхности земли.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 33-2003

Извещение опубликовано: 27.11.2003        

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.05.2011

Дата публикации: 20.03.2012

---