Способ преобразования энергии потока текучей среды и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: вдоль потока, cформированного конфузором, устанавливают по крайней мере один конвейернолопастной преобразователь с наклонными и соосными потоку участками. Поток замыкают по фронту по меньшей мере одной парной лопастью, находящейся на соосном потоку участке, и создают перед ней подпор. 2 с.и 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидро- и ветроэнергетики, в частности к способам преобразования энергии потока текучей среды, например энергии течения рек, приливно-отливных течений и энергии ветра для получения электрической энергии.

Известен способ преобразования энергии потока текучей среды, заключающийся в установке вдоль потока, сформированного конфузором, по крайней мере одного конвейерно-лопастного преобразователя с наклонными и соосным потоку участками, причем преобразователь расположен на понтонах и размещен в направляющем канале.

Устройство для осуществления данного способа преобразования энергии потока текучей среды содержит входной конфузор и напрaвляющий канал с установленным в нем по крайней мере одним конвейерно-лопастным преобразователем с равномерно расположенными лопастями, с центральным соосным потоку участком и наклонными входным и выходным участками, при этом высота подъема наклонных участков больше высоты лопастей, а лопасти установлены перпендикулярно направлению потока в зоне взаимодействия с потоком текучей среды (например, патент США N 1687923, кл. F 03 B 4/00, опубл. 1928).

По данному способу с помощью заявленного устройства невозможно осуществить наиболее полный отбор энергии от потока текучей среды для преобразования ее в электроэнергию, так как часть потока в направляющем канале имеет возможность обтекать лопасти преобразователя, находящиеся в зоне взаимодействия с потоком текучей среды.

Техническим результатом заявленного способа преобразования энергии текучей среды и устройства для его осуществления является то, что наиболее полно извлекается энергия от всего потока текучей среды, поступившей во входной конфузор.

Данный технический результат достигается тем, что поток текучей среды, сформированный входным конфузором, замыкают по фронту по крайней мере одной первой лопастью конвейерно-лопастного преобразователя с наклонными и соосным потоку участками, причем данная лопасть находится на соосном потоку участке и перед ней возникает подпор потока текучей среды, при этом входной конфузор и направляющий канал выполнены замкнутыми, длина соосного потоку участка преобразователя равна расстоянию между двумя соседними лопастями, а площадь поперечного сечения соосного потоку участка направляющего канала, где происходит взаимодействие потока текучей среды с лопастями по крайней мере одного конвейерно-лопастного преобразователя, равна площади лопасти или суммарной площади лопастей, находящихся на входе в соосный потоку участок направляющего канала. Устройство для преобразования энергии потока текучей среды может содержать фиксатор положения лопастей, расположенный в зоне взаимодействия лопастей с потоком текучей среды, а крепление лопастей в преобразователе и фиксаторе положения выполнено по крайней мере в четырех местах, что позволяет лопастям сохранять положение, перпендикулярное направлению потока текучей среды, а лопасти выдержать большие силовые нагрузки.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для преобразования энергии потока текучей среды с одним конвейерно-лопастным преобразователем, на фиг. 2 вид на него сверху, на фиг. 3 общий вид устройства для преобразования энергии потока текучей среды с двумя конвейерно-лопастными преобразователями, вид сбоку, а на фиг. 4 вид на него сверху.

Устройство для преобразования энергии потока текучей среды содержит входной конфузор 1 и направляющий канал 2 с установленным в нем по крайней мере одним конвейерно-лопастным преобразователем с равномерно расположенными лопастями 3, с центральным соосным потоку участком 4 и наклонными входным и выходным участками 5 и 6, при этом высота подъема наклонных участков больше высоты лопастей 3, а лопасти 3 установлены перпендикулярно направлению распространения потока текучей среды, в зоне взаимодействия с потоком текучей среды, при этом конфузор 1 и направляющий канал 2 выполнены замкнутыми, а длина соосного потоку участка 4 равна расстоянию между двумя соседними лопастями 3, причем площадь поперечного сечения соосного потоку участка 4 направляющего канала 2 равна площади лопасти 3 или суммарной площади лопастей 3, находящихся на входе в соосный потоку участок 4 направляющего канала 2. Кроме того, устройство для преобразования энергии потока текучей среды может содержать фиксатор положения лопастей (не показан), расположенный в зоне взаимодействия лопастей 3 с потокам текучей среды, при этом крепление лопастей 3 в преобразователе и фиксаторе положения выполнено по крайней мере в четырех местах. Входная площадь конфузора 1 обозначена на фигурах буквой S.

Предложенный способ преобразования энергии потока текучей среды заключается в установке вдоль потока, сформированного конфузором, по крайней мере одного конвейерно-лопастного преобразователя с наклонными и соосным потоку участками 4, 5 и 6, при этом поток замыкают по фронту первой лопастью 3, находящейся на соосном потоку участке 4 и создают перед ней подпор.

Устройство для преобразования энергии потока текучей среды работает следующим образом.

Формируется связанный относительно координат запирающей (первой на соосном потоку участке 4) лопасти 3 объем. Этот объем замыкается по фронту - запирающей лопастью 3 по бокам конфузором 1, а по тылу подпором среды. Граница подпора находится между возмущенным и невозмущенным преобразователем участком потока, а отбор энергии происходит из всего замкнутого объемы, при этом длина конфузора 1 приводит к увеличению КПД (коэффициент полезного действия) преобразователя (чем ближе площадь забора среды S к зоне невозмущенного потока, тем меньше обтекание среды и выше КПД. Причем за КПД принимается количество энергии, снятое с вала преобразователя, отнесенное к количеству энергии невозмущенного потока, проходящее через площадь забора среды S.

КПД, посчитанное вышеуказанным способом, винтовых воздушных установок имеет величину 3 6% и то на номинальной скорости.

Ветроагрегаты характеризуются величиной коэффициента использования потока (КИП) вместо КПД, и эта величина составляет 46% что качественно не позволяет судить о их преимуществах.

Расчетное КПД предлагаемого преобразователя зависит от длины конфузора и предположительно будет превышать величину 60% Приблизительная формула для расчета мощности (N ветроустановок N ≈ 0,3ρSV³_o, где ρ удельная плотность воздушного потока; S площадь забора среды; V₀ невозмущенная скорость потока.

Приблизительные расчеты (сделанные в сторону уменьшения) показывают, что воздушный преобразователь, построенный по заявленному способу и имеющий площадь забора среды с размерами 300 на 100 метров ( а это небольшая величина S) на скорости ветра, равной 10 метров в секунду, будет иметь мощность равную 10 МВт.

При работе устройства в соосном потоку участке 4 не происходит запирания рабочей текучей среды, провзаимодействовавшей с лопастями 3 и потерявшей свою энергию и скорость, так как длина участка 4 равна расстоянию между двумя соседними лопастями 3, пли этом лопасть 3 при выходе из участка 4 может также выйти из фиксатора положения и отклониться, а увеличенный угол подъема выходного участка 6 по сравнению с входным участком 5 позволяет обеспечить плавный вход лопастей 3 в поток текyчей среды и ускоренный выход из нее. Все вышеуказанное обеспечивает наиболее полный отбор энергии от потока текучей среды.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии потока текучей среды, заключающийся в установке вдоль потока, сформированного конфузором, по крайней мере одного конвейерно-лопастного преобразователя с наклонными и соосным потоку участками, отличающийся тем, что поток замыкают по фронту по крайней мере одной первой лопастью, находящейся на соосном потоку участке, и создают перед ней подпор.

2. Устройство для преобразования энергии потока текучей среды, содержащее входной конфузор и направляющий канал с установленным в нем по крайней мере одним конвейерно-лопастным преобразователем с равномерно расположенными лопастями, с центральным соосным потоку участком и наклонными входным и выходным участками, при этом высота подъема наклонных участков больше высоты лопастей, а лопасти установлены перпендикулярно направлению потока в зоне взаимодействия с потоком текучей среды, отличающееся тем, что конфузор и направляющий канал выполнены замкнутыми, а длина соосного потоку участка равна расстоянию между двумя соседними лопастями, причем площадь поперечного сечения соосного потоку участка направляющего канала равна площади лопасти или суммарной площади лопастей, находящихся на входе в соосный потоку участок направляющего канала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено фиксатором положения лопастей, расположенным в зоне взаимодействия лопастей с потоком текучей среды, а крепление лопастей в преобразователе и фиксаторе положения выполнено по крайней мере в четырех местах.

4. Устройство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что угол подъема выходного участка больше угла подъема входного участка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4