Гидродинамическое устройство "буревал" для использования энергии кориолисова потока
Устройство предназначено для использования кориолисова водяного потока. Устройство содержит преобразователь энергии (Э), преобразующий (Э) движения потока в кинетическую (Э) вращения и состоящий из одной или нескольких, последовательно соединенных в гирлянду гидротурбин (ГД). Каждая из ГД выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра с конусными обтекателями на основаниях, к которому прикреплены по образующей цилиндра или под углом к ней лопасти-полуцилиндры. Несущий вал-цилиндр вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах узкими кольцами-обручами, образуют многолопастной цилиндр, имеющий переменную плавучесть, регулируемую балластом в полой части вала-цилиндра. ГД может погружаться в воду полностью или всплывать из нее на треть корпуса, который устанавливается между опорами и соединяется с помощью валов через гибкие соединения, муфты и системы передач с системами исполнительных механизмов (ИМ), которые состоят из одного или нескольких, последовательно соединенных через муфты и системы передач, массивных инерционных маховиков, выполненных в виде диска или барабана, или цилиндра, соединенных муфтами и системами передач с потребителем. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.
Устройство относится к области малой гидроэнергетике, а более конкретно к устройствам для преобразования энергии кориолисова потока воды и энергии волн.
Известно устройство для использования энергии волн, содержащее опору и преобразователь энергии воды, выполненный в виде нескольких лопастных гидротурбин, соединенных в гирлянду (см. патент США №4333311, МПК F 03 В 13/12, 08.06.1982).
Однако данное устройство позволяет использовать только энергию ветровых волн.
Наиболее близким аналогом является устройство для использования энергии водяного потока, содержащее опору и преобразователь энергии, выполненный в виде полого цилиндра с лопатками (см. патент Великобритании №2302142 А, МПК F 03 В 3/14, 08.01.1997).
Однако данное устройство позволяет обеспечить только энергию водяного потока.
Задачей изобретения является возможность эффективно использовать энергию водных потоков на любой глубине и энергию волн.
Указанный технический результат достигается за счет того, что гидродинамическое устройство (ГДУ) для использования энергии водяного потока содержит преобразователь энергии, непосредственно преобразующий энергию поступательного движения водяного потока в кинетическую энергию вращения и состоящий из одной или нескольких, последовательно соединенных в гирлянду гидротурбин, каждая из которых выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра с конусными обтекателями на основаниях, к которому прикреплены по образующей вала-цилиндра или под некоторым углом к ней лопасти-полуцилиндры таким образом, что несущий вал-цилиндр вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах по длине гидротурбины узкими кольцами-обручами, образуют многолопастной цилиндр, имеющий переменную плавучесть, регулируемую балластом в полой части вала-цилиндра таким образом, чтобы гидротурбина могла погружаться в воду полностью или всплывать из нее на треть корпуса, который устанавливается между опорами и соединяется одним или обоими концами с помощью валов переменной или фиксированной длины через гибкие (крестовые) соединения, муфты и системы передач с системами исполнительных механизмов, размещенными на опорах или берегах; системы исполнительных механизмов служат для обеспечения передачи энергии от преобразователя энергии к потребителю и состоят из одного или нескольких, последовательно соединенных через муфты и системы передач, массивных инерционных маховиков, раскручиваемых преобразователем энергии или их совокупностью и выполненных в виде диска, или барабана, или цилиндра, соединенных муфтами и системами передач с потребителем энергии вращения. Система исполнительных механизмов может быть расположена на неподвижной опоре и соединена через сумматоры, передачи и муфты с несколькими нитями преобразователей энергии, радиально расходящимися от опоры, вторые концы которых заведены на точечные опоры или плоты, поставленные на якоря. Также система исполнительных механизмов может быть расположена на плавсредстве, поставленном на якоря и выполненном в виде круглого объекта с полусферической надводной частью и подводным стабилизатором положения цилиндрической формы, имеющим многоуровневую конструкцию, на одном из которых находятся несколько автономных входов для соединения системы исполнительных механизмов с преобразователями энергии, вторые концы которых заведены на точечные опоры или плоты, поставленные на якоря.
Изобретение поясняется графическим материалом.
На фиг.1 изображен общий вид преобразователя энергии; на фиг.2 представлено поперечное сечение преобразователя энергии; на фиг.3 изображены варианты пространственного расположения преобразователей энергии; на фиг.4 показана связь системы исполнительных механизмов с преобразователями энергии в зонах прилива и отлива; на фиг.5 изображен вид сверху на мобильный ГДУ; на фиг.6 изображен вид сбоку на мобильный ГДУ; на фиг.7 показан агрегатный отсек мобильного ГДУ; на фиг.8 представлен энергетический отсек мобильного ГДУ; на фиг.9 изображено построение энергокомплекса мобильного ГДУ.
Гидродинамическое устройство для использования энергии водяного потока содержит преобразователь энергии (фиг.1, 2), непосредственно преобразующий энергию поступательного движения водяного потока в кинетическую энергию вращения и состоящий из одной или нескольких, последовательно соединенных в гирлянду 9 (фиг.3) гидротурбин 6 (фиг.3), каждая из которых выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра 3 (фиг.1, 2) с конусными обтекателями 2 (фиг.1) на основаниях, к которому прикреплены по образующей вала-цилиндра 3 или под некоторым углом к ней лопасти-полуцилиндры 5 (фиг.1, 2) таким образом, что несущий вал-цилиндр 3 вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров 5, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах по длине гидротурбины 6 узкими кольцами-обручами 4 (фиг.1, 2), образуют многолопастной цилиндр, имеющий переменную плавучесть, регулируемую балластом в полой части вала-цилиндра 3 таким образом, чтобы гидротурбина 6 могла погружаться в воду полностью или всплывать из нее на треть корпуса, который устанавливается между опорами 7 (фиг.3) и соединяется одним или обоими концами с помощью вала 18 переменной или фиксированной длины (фиг.4) через гибкие (крестовые) соединения 21 (фиг.4), муфты 15, 19 и узлы системы передач 16, 17 (фиг.4) с системами исполнительных механизмов, 8 (фиг.3), размещенными на опорах 7 (фиг.3) или берегах; системы исполнительных механизмов 8 служат для обеспечения передачи энергии от гидротурбины 6 (фиг.7) к потребителю 34 (фиг.9) и состоят из одного или нескольких, последовательно соединенных через муфты 15, 19 (фиг.7-9) и системы передач 32, 35, (фиг.8, 9) массивных инерционных маховиков 14 (фиг.4, 7-9), раскручиваемых преобразователем энергии или их совокупностью и выполненных в виде диска, или барабана, или цилиндра, соединенных муфтами 15, 19 (фиг.9) и системами передач 35 (фиг.9) с потребителем энергии вращения 34 (фиг.9). Система исполнительных механизмов 8 может быть расположена на неподвижной опоре 7 и соединена через сумматоры 28, передачи и муфты 15, 19 с несколькими гирляндами 9 (нитями) преобразователей энергии, расходящимися радиально от опоры 7, вторые концы которых заведены на точечные опоры 10 или плоты 11, поставленные на якоря 23. Также система исполнительных механизмов 8 может быть расположена на плавсредстве 22, поставленном на якоря 23 и выполненном в виде круглого объекта с полусферической надводной частью и подводным стабилизатором положения 25 цилиндрической формы, имеющим многоуровневую конструкцию, на одном из которых находятся несколько автономных входов для соединения системы исполнительных механизмов 8 с преобразователями энергии, вторые концы которых заведены на точечные опоры 10 или плоты 11, поставленные на якоря 23.
Газодинамическое устройство работает следующим образом.
На гидротурбину 6, находящуюся на треть корпуса (цилиндра, образованного лопастями) на поверхности воды, действуют две силы (фиг.2): сила водного потока и сила давления волны 1, создающие однонаправленные моменты вращения гидротурбины 6. Поток постоянно действует на лопасти 5, расположенные внизу, ниже подошвы волны, а волны - на остальные лопасти 5. В момент подъема волна 1 давит на вогнутые поверхности лопастей 5 с одной стороны гидротурбины 6 и обтекает выпуклые - с другой. В результате разности сопротивлений возникает момент вращения, однонаправленный с моментом от потока. При спаде волны 1 ее функции по сторонам гидротурбины 6 меняются на обратные, сохраняя однонаправленность вращения. Направление вращения гидротурбины 6 также не изменится, если поток будет действовать с прямо противоположной стороны. Следовательно, гидротурбина 6 может эффективно работать не только на однонаправленных течениях рек, но и на течениях прилива и отлива, не меняя направления вращения. Причем КПД турбины 6 будет намного выше, если гидротурбину 6 погрузить в поток полностью. Тогда в работе будут участвовать не только нижние лопасти 5, когда гидротурбина 6 находилась на поверхности, но и боковые. То есть, примерно половина лопастей 5 гидротурбины 6. При этом вращение будет осуществляться с минимальным торможением со стороны второй половины лопастей 5, не участвующих в работе. Однако гидротурбины 6 в данном случае следует погружать ниже уровня отлива и ниже подошвы волны при сильном волнении во время отлива. Тогда будет обеспечена надежная работа верхней половины гидротурбины 6 при отливе в любую погоду. На реках глубинное положение гидротурбин 6 сохранит их работоспособность в зимнее время, во время ледостава и не будет препятствовать судоходству при свободной воде.
Чтобы увеличить мощность на валу 3 преобразователя гидротурбины 6 соединяются последовательно гибким (крестовым) соединением 21, образуя (нить) гирлянду 9. Преобразователи в виде (нитей) гирлянд 9 размещают между опорами. Опорами могут быть и берега, и прибрежные сооружения типа: пирсов, платформ, эстакад и др., и морские нефтяные и газовые платформы, и естественные выступы. На опорах размещаются системы исполнительных механизмов 8 (фиг.3), которые передают вращение от преобразователя к потребителю или непосредственно, или через маховики 14 и системы передач. Ясно, что преобразователи энергии имеют нестабильные временные и скоростные характеристики. Поэтому их можно нагружать на механизмы и машины непосредственно, если они имеют такие же параметры. Например, насосы, землечерпалки и др. Использование же преобразователей энергии в качестве привода для низкооборотных электрогенераторов со стабильными скоростными характеристиками вращения требует введения в систему исполнительных механизмов дополнительных устройств, решающих скоростную и временную проблемы, например маховиков 14. Маховики 14 являются не только накопителями энергии вращения, отдаваемой ими потребителю 34 во время остановки преобразователя энергии, но и выполняют роль стабилизатора скорости вращения потребителя 34, сглаживая скачки скоростных параметров преобразователя энергии.
Для использования энергии поверхностных ветровых течений и волн (нити) гирлянды 9 преобразователей энергии могут располагаться радиально расходящимися от опоры 7 (фиг.3) с находящимися на ней системами исполнительных механизмов 8 (фиг.3). Такую опору назовем «активной». Вторые концы преобразователей энергии крепятся на точечных опорах 10 (фиг.3) или плотах 11 (фиг.3), поставленных на якоря 35, где нет систем исполнительных механизмов 8. Такие опоры назовем «пассивными». В связи с непостоянством направлений и скоростей дрейфовых течений не все преобразователи энергии будут работать эффективно. Однако конструктивные особенности гидротурбины 6, приводящие в динамике к асимметрии давлений на ее сторонах и однонаправленности вращения независимо от направлений потока, гарантируют положительный суммарный результат энергоотдачи в разветвленной сети преобразователей энергии, нагруженных через управляемые 15 (фиг.7-9) и обгонные 19 (фиг.7-9) муфты и сумматор (дифференциал) 28 (фиг.7, 8) на один общий вал (фиг.8) системы исполнительных механизмов 8 (фиг.8, 9).
Системы исполнительных механизмов, размещенные на неподвижных опорах 7, соединяются с преобразователями энергии, находящимися в воде, с помощью устройств, выполненных в виде ферм, опущенных с опоры 7 до уровня нахождения преобразователя энергии. В зонах с меняющимся уровнем воды применяют устройство с телескопическими соединениями, позволяющими изменять длину валов 18, показанное на фиг.4. На платформе 12 (фиг.4) в машинном зале 13 (фиг.4) размещается система исполнительных механизмов 8, состоящая из маховиков 14, соединенных между собой через управляемые муфты 15. Связь с преобразователем энергии осуществляется через телескопический столб, на концах которого размещены узлы с системами передач 16, 17, связанные между собой четырьмя телескопическими валами 18. Их количество может быть разное в зависимости от колебаний уровня воды. Все валы 18, кроме крайних, имеют сцепления, позволяющие телескопически соединяться друг с другом. Крайние валы 18 соединяются с одной стороны с маховиками 14 через узел системы передач 17, управляемую 15 и обгонную 19 муфты, а с другой - с преобразователем энергии, через узел системы передач 16, управляемую муфту 15 и крестовое соединение 21. Гидросистема 20, задействующая телескопический столб, использует энергию вращения или маховика 14, или преобразователя при соответствующих подключениях управляемых муфт 15. На втором конце преобразователя энергии должно быть аналогичное телескопическое соединение, работающее синхронно с первым и выходящее на систему исполнительных механизмов 8, если опора «активная», или замыкающаяся на гидросистему 20 на «пассивной» опоре. Управляя муфтами 15 гидросистем 20 на обоих концах преобразователя энергии, плавно или дискретно осуществляют подъем и опускание всей гирлянды 9 преобразователей энергии, отслеживая уровень воды.
С помощью таких же устройств с телескопическими соединениями производят стыковку исполнительных механизмов 8 с глубинными преобразователями энергии. Они необходимы для постановки преобразователей энергии на нужную глубину и их подъема на поверхность в целях профилактики, ремонта и замены гидротурбин 1 или всей гирлянды 9. В зонах с постоянным уровнем воды связь преобразователя энергии с системой исполнительных механизмов 8 осуществляется через устройства, выполненные в виде ферм, опущенных с опоры 7 до преобразователя, на концах которых размещены узлы систем передачи 16, 17, соединенные валами 18.
Наряду со стационарными ГДУ с системами исполнительных механизмов 8, размещенными на неподвижных опорах 7, реальную возможность существования имеют мобильные гидродинамические устройства, построенные по тому же принципу, что и стационарные. Их отличие от стационарного ГДУ заключается в том, что вместо неподвижной стационарной опоры 7 и периферийных точечных опор 10 используется маточное плавсредство 22 (фиг.5, 6) с плотами 11 вокруг него, поставленными на якоря 23. Преобразователи энергии 6, располагаясь вокруг маточного плавсредства 22 радиально расходящимися от него (нитями) гирляндами 9, соединяются с бортом через автономные валы, нагружаются каждый на свою систему исполнительных механизмов 8 и имеют выход на сумматор 28 (дифференциал), и далее - на общую систему исполнительных механизмов 8. На фиг.7-9 показаны схемы построения систем исполнительных механизмов 8. На одном из уровней плавсредства размещается агрегатный отсек 26 (фиг.7) с четырьмя агрегатами 27 (их может быть и больше) и сумматором 28. Каждый агрегат 27 имеет маховик 14, соединенный с гидротурбинами 6 и сумматором 28 через управляемые 15 и обгонные 19 муфты. С сумматора 28 агрегатного отсека вращение передается на общий вал с центральным маховиком 29 (фиг.8) и дифференциал 28 в следующем энергетическом отсеке 31. С дифференциалом связаны энергокомплексы, содержащие маховики 14 (фиг.9) и нагруженные на них низкооборотные (электрогенераторы) потребители 34. Соединения маховиков 14 с дифференциалом 28 и с электрогенераторами осуществляется через управляемые 15 и обгонные 19 муфты и системы передач 32, 35 с изменяющимся коэффициентом передачи.
Маточное плавсредство 22 представляет собой громадных размеров поплавок с надводной полусферой (фиг.6) и подводным цилиндрическим стабилизатором положения 25. Внутри плавсредства должны быть уровни для размещения всех технических средств и жизнеобеспечения персонала. Маточное плавсредство 22 с системами исполнительных механизмов 8 внутри него и гирляндами 9 преобразователей энергии с плотами 11 на борту снаружи него, закрепленными по-походному, выводится в море на постоянную или временную (сезонную) якорную стоянку. Гирлянды 9 преобразователей энергии с плотами 11 переводятся из походного положения в рабочее и ГДУ начинает функционировать.
Предлагаемое ГДУ эффективно использует как энергию волн, так и энергию водных потоков на любой глубине. Такая способность ГДУ технически реализуется применением гидротурбин 6 с лопастями 5, выполненными в виде полуцилиндров, позволяя увеличить не только полезную площадь лопастей 5, но и количество лопастей 5, вовлекаемых одновременно в силовой процесс. Количество лопастей 5 в гидротурбине 6 и длина дуги лопасти 5 (диаметра полуцилиндра) могут быть разными. Однако, как видно из фиг.2, с их увеличением расстояние между лопастями 5 у наружных концов сужается (а'-в' на фиг.2). Для гидротурбин 6 с небольшим числом лопастей 5 и небольшой скоростью вращения эти сужения основных помех не создадут. У многолопастных и высокооборотных гидротурбин 6 периферийные сужения существенно затруднят свободную циркуляцию воды. Поэтому длину дуги лопастей 5 в этом случае берут такую, чтобы расстояние между наружными концами лопастей 5 и выпуклыми поверхностями соседних лопастей 5 было наибольшим (а-в, фиг.2).
Мобильные ГДУ могут устанавливаться на всех морях и океанах Северного и Южного полушарий, начиная от 20° широт и выше, где проявляется влияние силы Кориолиса. Наиболее перспективны в применении этих ГДУ районы с частыми циклонами: Охотское, Японское, Берингово, Балтийское, Баренцево, Северное и др. моря.
Стационарные ГДУ «Буревал» выгодно применять в зонах с приливами, а также на реках, имеющих скорость течения более 0,2 м/с. По существу все восточное и часть северного побережий России находятся в зоне возможного применения этих ГДУ. Можно с уверенностью констатировать, что стационарные ГДУ будут эффективно функционировать на всех крупных реках Дальнего Востока, Сибири и Европы независимо от климатических условий.
1. Гидродинамическое устройство для использования энергии водяного потока, содержащее преобразователь энергии, непосредственно преобразующий энергию поступательного движения водяного потока в кинетическую энергию вращения и состоящий из одной или нескольких последовательно соединенных в гирлянду гидротурбин, каждая из которых выполнена в виде полого несущего вала-цилиндра с конусными обтекателями на основаниях, к которому прикреплены по образующей цилиндра или под углом к ней лопасти-полуцилиндры таким образом, что несущий вал-цилиндр вписывается во внутренние концы лопастей-полуцилиндров, а их наружные концы, стянутые между собой в нескольких местах узкими кольцами-обручами, образуют многолопастный цилиндр, имеющий переменную плавучесть, регулируемую балластом в полой части вала-цилиндра таким образом, чтобы гидротурбина могла погружаться в воду полностью или всплывать из нее на треть корпуса, который устанавливается между опорами и соединяется одним или обоими концами с помощью валов переменной или фиксированной длины через гибкие соединения, муфты и системы передач с системами исполнительных механизмов, размещенными на опорах; системы исполнительных механизмов служат для обеспечения передачи энергии от преобразователя энергии к потребителю и состоят из одного или нескольких последовательно соединенных через муфты и системы передач, массивных инерционных маховиков, раскручиваемых преобразователем энергии или их совокупностью и выполненных в виде диска, или барабана, или цилиндра, соединенных муфтами и системами передач с потребителем.
2. Гидродинамическое устройство по п.1, отличающееся тем, что система исполнительных механизмов расположена на неподвижной опоре и соединена через сумматоры, передачи и муфты с несколькими нитями преобразователей энергии, радиально расходящимися от опоры, вторые концы которых заведены на точечные опоры или плоты, поставленные на якоря.
3. Гидродинамическое устройство по п.1, отличающееся тем, что система исполнительных механизмов расположена на плавсредстве, поставленном на якоря и выполненном в виде круглого объекта с полусферической надводной частью и подводным стабилизатором положения цилиндрической формы, имеющим многоуровневую конструкцию, на одном из которых находятся несколько автономных входов для соединения системы исполнительных механизмов с преобразователями энергии, вторые концы которых заведены на точечные опоры или плоты, поставленные на якоря.
