Устройство для преобразования энергии текучих сред

 

Изобретение предназначено как для получения электрической энергии, так и работы транспортной тяги и одновременно для защиты русел и берегов от разрушения, и может использовано для преобразования энергии как организованного, так и стихийного движения воды, воздуха, аэрозолей, пульпы и других текучих сред в закрытых и открытых руслах и пространствах и для преобразования энергии текучих сред посредством самонастраивающегося по местным потокам динамического взаимодействия пар поворотных лопастей, расположенных на натянутых параллельно бесконечных цепях. Полезные усилия лопастей интегрируются в однонаправленную тягу цепей. Необходимый для работы устройства последовательный переворот лопастей осуществляется при помощи специальных опор на ступицах ведомых цепями шестерен, что в совокупности с парусным профилем лопастей и определенными геометрическими соотношениями элементов обеспечивает возможность наиболее эффективного преобразования энергии произвольных форм движения текучих сред. 1 з.п. ф-лы 3 ил.

Изобретение относится, например, к ветряным двигателям с рабочими органами, укрепленными на бесконечной цепи, и может быть использовано для преобразования энергии как организованного, так и стихийного движения воды, воздуха, аэрозолей, пульпы и других текучих сред в закрытых и открытых руслах и пространствах.

Известен ветродвигатель, содержащий пару бесконечных цепей, натянутых параллельно между ведомыми шестернями одинакового диаметра, жестко связанными между собой валами соответственно в пары, плоские прямоугольные лопасти, расположенные между цепями поперечно с равномерным шагом вдоль цепей и прикрепленные к цепям каждая посредством соответствующих шарниров серединами продольных по отношению к цепям кромок, упоры с регулировочными приспособлениями, допускающие повороты каждой из лопастей в шарнирах относительно прямолинейных участков цепей на углы до 45^o в каждую сторону [1].

Таким образом, во время работы двигателя лопасти на движущихся встречно прямолинейных участках цепей, образуя фронтальный и тыльный ряды по отношению к поперечно набегающему однородному потоку, служат соответственно направляющей и рабочей лопаточными решетками турбопреобразователя бесконечного диаметра, причем направляющие лопасти-лопатки одновременно выполняют и рабочую функцию. Такая схема турбопреобразования может быть применена для данного двигателя только в запертом двигателем закрытом канале, где отсутствуют подпор и обтекающее двигатель естественное течение среды, характерные для открытых русел и пространств.

Крепление лопастей к шарнирам серединами продольных по отношению к цепям кромок служит, с одной стороны, приближению к идеальной геометрии гидродинамической модели турбоэнергопреобразования и, с другой стороны, беспрепятственному последовательному перевороту лопастей силой потока среды при огибании цепями шестерней между участками прямолинейного движения.

При работе двигателя в реальной вязкой среде такое крепление лопастей определяет их импульсивно изменяющееся, неустойчивое угловое положение в шарнирах, ведущее к развитию вихреобразования и торможению двигателя.

Кроме того, принятое крепление лопастей допускает к применению только их плоскую форму.

Для повышения эффективности и устойчивости работы предложен вариант двигателя с дополнительным рядом неподвижных направляющих пластин с регулировкой их приведения к потоку. Пластины установлены в специально для этого увеличенном пространстве между прямолинейными участками встречного движения цепей.

Однако эти дополнения ведут к потерям: направляющие пластины, не избавляя от указанных недостатков сохраняющейся неустойчивости положения лопастей, обладают собственным гидравлическим сопротивлением, которое дополнительно отбирает часть полезной энергии и нагружает конструкцию, делая последнюю более сложной и материалоемкой.

Все это приводит к снижению эффективности использования энергии в реальной для данного двигателя работе в запертом им закрытом канале с однородным потоком и делает невозможным его применение в неорганизованных течениях, тем более, в открытых руслах и пространствах.

Известно также устройство для преобразования энергии текучих сред, содержащее пару бесконечных цепей, натянутых параллельно между ведомыми шестернями одинакового диаметра, жестко связанными между собой соответственно попарно валами, лопасти-паруса, расположенные между цепями поперечно и закрепленные на цепях с равномерным шагом посредством соответствующих шарниров каждая концами одной из поперечных цепям кромок, упоры, допускающие повороты каждой из лопастей в этих шарнирах относительно прямолинейных участков цепей на углы до 45^o в каждую сторону [2].

Движущиеся навстречу друг другу прямолинейные участки бесконечных цепей устройства удалены друг от друга на дистанцию более двойной длины хорды профиля лопасти, с тем чтобы силой имеющегося однонаправленного течения среды происходил беспрепятственный последовательный переворот лопастей-парусов при огибании шестерней цепями.

В данном устройстве, в отличие от рассмотренного выше двигателя-аналога, крепление каждой из лопастей к соответствующим шарнирам концами одной из поперечных цепям кромок позволяет, во-первых, лопастям устойчиво устанавливаться по вектору средней скорости местного потока и, во-вторых, использовать лопасти не только плоские, но и паруснопрофильные. Все это обеспечивает более устойчивую и эффективную работу устройства в целом.

Но разнесение встречнодвижущихся прямолинейных участков бесконечных цепей приводит к образованию свободного пространства, в котором происходят потери энергии, идущей на изменение направления движения среды и вихреобразование.

Использование специальной успокоительной и направляющей решетки из жестких лопаток-парусов, установленной неподвижно в указанном свободном пространстве и обладающей значительным собственным гидравлическим сопротивлением, не позволяет избавиться от потерь энергии, увеличивает нагрузки на конструкцию устройства, повышая ее сложность и материалоемкость.

Указанные недостатки возрастают при преобразовании энергии разнонаправленных по компонентам, активно меняющих направление пульсирующих, турбулизированных течений, наиболее распространенных в природе, особенно в открытых руслах и пространствах. Неподвижная направляющая решетка в этих реальных условиях, кроме упомянутого, мешает полностью проявиться заложенным полезным признакам устройства: здесь не может быть использована энергия возвратно-поступательных (приливо-отливных и волнообразных) компонент движения естественных текучих сред, более того, их наличие грозит данному устройству серьезными авариями.

Применение устройства в открытых руслах и пространствах из представленных соображений малоэффективно, а подчас и невозможно.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования энергии как упорядоченного, так и неорганизованного движения текучих сред в закрытых и открытых каналах, руслах и пространствах.

Для достижения данного технического результата предложено устройство для преобразования энергии текучих сред, содержащее одну или несколько установленных в ряд пар бесконечных цепей, натянутых параллельно между ведомыми шестернями одинакового диаметра, жестко связанными между собой соответственно в пары или ряды пар, например валами, лопасти, расположенные между цепями поперечно и закрепленные на цепях с равномерным шагом посредством соответствующих шарниров каждая осью, совмещенной с одной из поперечных цепям кромок, упоры, допускающие повороты каждой из лопастей в этих шарнирах относительно прямолинейных участков цепей на углы до 45^o в каждую сторону, необходимые для максимальной эффективности энергопреобразования.

Устройство дополнительно снабжено опорами для переворота лопастей за счет вращения шестерней. Опоры выполнены, например, в виде кронштейнов с роликами и жестко закреплены попарно диаметрально противоположно на каждом из прилежащих к лопастям торце ступиц шестерней, а пары между собой синфазны по вращению шестерней. При этом устройство имеет рабочие органы с заданными относительными размерами и взаимным расположением, определяемыми из соотношений (без учета допусков): где d - диаметр делительных окружностей шестерней; t - шаг установки лопастей в шарнирах на бесконечных цепях; b - максимальная хорда профиля лопастей.

В силу принятых соотношений рабочие органы максимально приближены друг к другу, так что прямая и обратная ветви (прямолинейная часть) каждой из бесконечных цепей непосредственно прилежат каждая к объему, захватываемому закрепленными на другой ветви лопастями при устойчивых поворотах каждой лопасти в шарнирах, по потоку, от упора до упора. Это снижает потери энергии.

Для повышения эффективности использования энергии неорганизованного движения среды каждая лопасть устройства может быть выполнена составной из ряда лопастей, каждая из которых установлена шарнирно на общей с другими такими же лопастями оси, которая установлена шарнирно на бесконечных цепях.

На фиг. 1 и 2 представлено в двух проекциях устройство на примере его использования в открытом пространстве, заполненном движущейся поступательно средой. Основное профильное направление движения среды обозначено контурными фигурными стрелками, местные векторы скорости - сплошными. Прерывистыми линиями изображены лопасти устройства и профиль поля скоростей в среде с обратным исходному основному направлением течения (в приливо-отливном и колебательноволновом движениях сред).

На фиг. 3 изображено в плане составное исполнение лопастей устройства.

Устройство для преобразования энергии текучих сред, содержащее одну или несколько установленных в ряд пар бесконечных цепей 1, натянутых параллельно между ведомыми шестернями 2 одинакового диаметра, жестко связанными между собой соответственно в пары или ряды пар, например валами 3, лопасти 4,? расположенные между цепями поперечно и закрепленные на цепях с равномерным шагом посредством соответствующих шарниров 5 каждая концами одной из поперечных цепям кромок, упоры 6, допускающие повороты каждой из лопастей в этих шарнирах относительно прямолинейных участков цепей на углы до 45^o в каждую сторону.

Устройство дополнительно снабжено опорами 7 для переворота лопастей за счет вращения шестерней. Опоры выполнены в виде кронштейнов с роликами на концах и установлены на ступицах шестерней. Формы опорных поверхностей опор для переворота лопастей могут быть, по необходимости, разными: от точечных до сложных, например, имеющих вид зеркальной к рабочей форме паруснопрофильных лопастей, наиболее соответствующей эффективному энергопреобразованию. Во всех случаях опоры расположены по отношению к лопастям так, что при встрече соответствующих опорных точек (поверхностей) лопастей и опор для дальнейшего совместного движения по кривой вокруг шестерней, геометрическим местом хорд профилей лопасти становится плоскость, содержащая совмещенные геометрические оси соответствующих соединяющих лопасть с цепями шарниров и гнезд для них в венцах шестерней, а также соответствующие хорды делительных окружностей шестерней, замыкающие центральные углы в 90^o.

Размеры диаметра делительной окружности шестерней 2 и шага установки лопастей 4 в шарнирах 5 на бесконечных цепях 1 для максимального полезного приближения лопастей друг к другу выбираются из соотношений где
d - диаметр делительной окружности шестерней 2;
t - шаг установки лопастей 4 в шарнирах 5 на бесконечных цепях 1;
b - максимальная хорда профиля лопастей 4.

Лопасти 4 в рассматриваемом исполнении устройства содержат каждая прямоугольный парус из гибкого листового материала, закрепленный на прямоугольной плоской раме, которая в свою очередь крепится к шарнирам 5. Рама имеет соответствующие опорные поверхности для взаимодействия с роликами кронштейнов опор 7.

Элементы рамы лопасти могут быть соединены друг с другом при помощи шарниров 8 для повышения эффективности использования стихийной энергии текучей среды и защиты конструкции от разрушающего воздействия.

Лопасть 4 в целом может быть также составлена из ряда представленных лопастей, установленных каждая шарнирно на общей с другими такими же лопастями оси, закрепленной в шарнирах 5 на цепях 1. Для переворота такой составной лопасти соответствующие кронштейны опор 7 на ступицах шестерней 2 объединяются в вал-перемычку, снабженный соответствующими составляющим частям лопасти опорными роликами 9.

Представленные лопасти способны под действием напора местного потока принимать с минимальным сопротивлением форму паруса, а при снятии напора - плоскую или близкую к ней форму. Количество же составляющих лопасти и степень оснащенности их рам шарнирами определяется степенью хаотичности движения и плотностью среды, а также соображениями прочности.

Упоры 6 выполнены в виде ряда тросовых тяжей, соединяющих соответствующие кромки и оси каждых двух соседних последовательно по движению цепи лопастей, но могут иметь и другое исполнение, отвечающее заданному назначению.

В неподвижной среде все элементы устройства занимают любое положение в пределах кинематических связей и действия силы тяжести.

Работает устройство следующим образом.

Каждая фронтальная к набегающему с положительной относительной скоростью местному потоку лопасть 4, под напором поворачиваясь в шарнирах 5, устанавливается на соответствующее положение упора 6 - и тогда часть напора этого местного потока преобразуется на лопасти в передаваемое цепи через упомянутые шарниры и упоры реактивное усилие, а уходящий с лопасти спрямленный ею остаточный поток направляется на сопряженную с нею по ходу потока ближайшую в данный момент, тыльную, по потоку, лопасть, закрепленную на участках цепей, встречно движущихся по отношению к их фронтальным, по потоку, участкам. На тыльной лопасти происходит аналогичное изложенному для фронтальной лопасти преобразование напора остаточного, после фронтальной лопасти, потока в тяговое усилие.

При отрицательной относительной скорости местного потока оказавшаяся в нем фронтальная к потоку лопасть 4 устанавливается по его направлению между двумя крайними допускаемыми угловыми положениями на упоре 6 и тогда лопасть, не изменяя основного направления потока, спрямляет его и пропускает дальше (при нулевой относительной скорости лопасть индифферентно движется вместе с потоком) к сопряженной с нею тыльной, по потоку, лопасти, находящейся на цепи на встречном участке ее движения в рассматриваемый момент, где эта, последняя, лопасть, поворачиваясь под воздействием потока, доходит до соответствующего крайнего допускаемого углового положения на упоре 6 и преобразует скоростной напор потока в тяговое реактивное усилие, передаваемое цепям через шарниры 5 и упоры 6.

Таким образом все стоящие на упорах лопасти оказывают на цепи совпадающие по направлению полезные усилия, которые, складываясь, тянут цепи всегда в одном и том же заданном направлении независимо от произвола, хаотичности, разнонаправленности набегающих потоков среды. Вместе с тем, любая фронтальная лопасть при встречном к ней движении местного потока становится во флюгер и не только не вносит значительных помех в работу других лопастей, но служит направляющей поток плоскостью, спрямляющей и подающей его для полезного преобразования в тяговое усилие на сопряженную с ней в данный момент тыльную, по потоку, лопасть (на фиг. 1 показано фигурными стрелками), помогая ее работе. Все это - с минимальными потерями энергии, поскольку фронтальные и тыльные, по потоку, лопасти взаимодействуют непосредственно.

Это означает решение поставленной задачи: энергия движущейся стихийно текучей среды, проявляющаяся и угасающая в природе в самотормозящемся, переходящем в тепло и разрушительном хаосе вихрей, струй и течений, непосредственно и эффективно преобразуется за счет ее отвода, упорядочения и успокоения, в направленное полезное перемещение ведомых элементов - цепей и шестерней.

Когда оси шарниров 5 любой лопасти 4, находящейся полезной нагрузкой (стоящей на упоре), приходят к одновременному пересечению с соответствующими делительными окружностями шестерней 3, возникает контакт опор 7 с опорными точками лопасти 4, вследствие чего дальнейшее движение с переворотом до начала очередного прямолинейного участка движения цепи лопасть совершает вместе с шестернями. Возможное попутное опережающее воздействие на лопасть местного потока среды - на траектории движения и последовательность взаимодействия всех соответствующих элементов до фазы окончания переворота лопасти не влияет и, следовательно, переворот каждой лопасти всегда происходит в заданной фазе движения цепи и не зависит от характера движения среды.

С началом движения по очередному прямолинейному участку цепи работа лопасти вновь переходит в рабочую зависимость от местных потоков среды по уже описанной выше схеме.

При работе устройства в движущейся среде влияние веса его элементов относительно мало и им, как правило, можно пренебречь.

Изобретение может быть использовано в гидроэнергетике для преобразования кинетической энергии течения рек у водопадов, порогов, перекатов, при поворотах русла у подмываемого берега, т.е. в тех местах, где течение обладает наиболее разрушительной силой и нуждается в сдерживании и отклонении.

С целью получения энергии и защиты берегов от морских и океанических теплых и холодных течений, приливов и отливов устройство может устанавливаться в проливах, фиордах, между шхерами и рифами, а также в открытых пространствах с движущейся средой.

На поверхности открытых водоемов устройство способно преобразовывать энергию колебательных волн как в электричество, так и, возможно одновременно, в работу транспортной тяги, в этом последнем качестве часть лопастей укрепленного на поплавках устройства выполняет работу серфингов, скользящих по восходящим и нисходящим полуволнам и увлекающих за собой все устройство (эту же функцию может выполнять любой прямолинейный фрагмент цепи с лопастями, укрепленный цепью неподвижно на поплавках или корпусе судна).

Особый интерес может представить, наряду с традиционными наземными схемами, использование изобретения для эффективного промышленного добывания энергии из насыщенных ею повсеместно 1 слоев атмосферы посредством аэростатического и планирующего удержания на растяжках обширных панелей-энергопреобразователей, которые, в частности, в вертикальных потоках циркуляции над пустынями могут быть полезны и как экраны, затеняющие оазисы от излишнего солнечного нагрева, и этим способствовать возрождению опустыненных территорий.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования энергии текучих сред, содержащее одну или несколько установленных в ряд пар бесконечных цепей, натянутых параллельно между ведомыми шестернями одинакового диаметра, жестко связанными между собой соответственно в пары или в ряды пар, например, валами, лопасти, расположенные между цепями поперечно и закрепленные на цепях с равномерным шагом посредством соответствующих шарниров, оси которых установлены на одной из поперечных цепям кромок, упоры, допускающие повороты каждой из лопастей в этих шарнирах относительно прямолинейных участков цепей на углы до 45^o в каждую сторону, отличающееся тем, что на прилегающих к лопастям ступицах каждой пары шестерней жестко установлены по две опоры, а диаметр делительной окружности шестерней и шаг установки лопастей на цепи определяются из соотношений


где d - диаметр делительной окружности шестерней;
t - шаг установки лопастей в шарнирах на бесконечных цепях;
b - максимальная хорда профиля лопастей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая лопасть выполнена составной из ряда лопастей, каждая из которых установлена шарнирно на общей с другими такими же лопастями оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3