Двигатель для утилизации энергии текущей среды

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для утилизации энергии текущей среды, и может быть использовано для преобразования энергии потока текущей среды, например потока рек, в электрическую, при котором происходит преобразование кинетической энергии течений в поступательно-колебательное движение. Двигатель для утилизации энергии текущей среды содержит погруженный продольной стороной поперек потока среды, закрепленный на фундаменте каркас с окном. В каркасе с возможностью движения установлен несущий элемент с рабочим элементом. Последний предназначен для воздействия на него текущей среды. Он закреплен в несущем элементе средней частью и в рабочем состоянии установлен под углом к направлению потока. Двигатель содержит средство для изменения положения рабочего элемента. Устройство содержит также преобразователь гидравлического усилия. Несущий элемент установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в окне каркаса вдоль его продольных сторон. Рабочий элемент выполнен в виде крыла с гидродинамическим профилем. Он установлен на оси несущего элемента с возможностью поворота на оси и взаимодействия с потоком текущей среды. Средство для изменения положения лопасти выполнено в виде симметрично установленных на продольной стороне каркаса ограничителей поворота лопастей. Преобразователь гидравлического усилия кинематически связан с несущим элементом. Изобретение позволяет увеличить КПД двигателя и упростить его конструкцию. 2 ил.

 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для утилизации энергии текущей среды, и может быть использовано для преобразования энергии потока текущей среды, например потока рек, в электрическую, при котором происходит преобразование кинетической энергии течений в поступательно-колебательное движение. Могут быть учтены размеры реки, характер ее течений. Использование может происходить в любое время года.

Известно устройство для утилизации энергии текущей среды, см., например, а.с. СССР №1020620, F03В 13/12, опубликованное 30.05.1983 г. Известное устройство содержит каркас с окнами, установленные с его противоположных сторон валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями. В известном устройстве лопасти профилированы и жестко закреплены на гибком элементе, а сам двигатель в рабочем состоянии размещен вдоль потока текущей среды, при этом текущая среда воздействует на лопасти, перемещая гибкий элемент, который при своем перемещении вращает валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, преобразуя энергию потока в электрическую энергию.

При этом текущая среда воздействует одновременно на лопасти обеих ветвей, заставляя перемещаться одну ветвь и, в то же время оказывая сопротивление перемещению второй ветви, т.е. оказывает большое сопротивление тыльным сторонам лопаток при возврате их в рабочее положение, значительно снижая результирующую полезную движущую силу, снижая тем самым КПД устройства.

Известен также двигатель для утилизации энергии текущей среды, см. а.с. СССР 1694972, F03В 9/00 от 07.08.1989 г. Известный двигатель содержит каркас, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, установленными в упомянутых пазах.

Известный двигатель размещен в рабочем состоянии вдоль потока, поэтому рабочий ход совершает только одна ветвь, вторая ветвь совершает холостой ход, что снижает КПД двигателя. Кроме того, несмотря на горизонтальное расположение лопастей при холостом ходе, поток текущей среды воздействует на их торцы и тыльную сторону при возвращении лопастей в рабочее положение, создавая силу, противодействующую рабочему ходу, что дополнительно снижает КПД двигателя. Следует отметить также, что для снижения сопротивления потока перемещению лопастей при их холостом ходе, лопасти поворачиваются и лежат на гибком элементе, для чего они поворотно закреплены на последнем только своей нижней кромкой, а чтобы они не смещались потоком и не поджимались к гибкому элементу при своем рабочем ходе, в местах крепления вынесены пальцы и упоры, что усложняет конструкцию, а также снижает надежность работы двигателя. К тому же упомянутые пальцы и упоры размещены у основания лопастей, поэтому при воздействии потока на последние возникает значительный крутящий момент, стремящийся повернуть лопасти относительно упоров, что приводит к повреждению упоров и отрыву лопастей, что также снижает надежность работы двигателя.

В судостроении, авиации, машиностроении и многих других отраслях техники используется гидродинамическая подъемная сила, возникающая при движении тел или обтекании неподвижных тел потоком жидкости. Для создания подъемной силы применяют тела, называемые крыльями. В судостроении крылья применяют для лопастей гребных винтов, крыльчатых движителей рулей, судов на подводных крыльях и т.д. В некоторых условиях, например при движении на циркуляции, и корпус обычного судна может рассматриваться как крыло, создающее подъемную гидродинамическую силу. Чтобы способствовать возникновению гидродинамической подъемной силы, крыльям придают специальную форму, которая одновременно благоприятствует снижению величины силы сопротивления их движению. При этом выполнение элемента, на который воздействует поток текущей воды для утилизации энергии текущей среды, неизвестно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является двигатель, содержащий погруженный в текущую среду каркас с проходными окнами, установленные в каркасе с его противоположных сторон с возможностью вращения валы, один из которых кинематически связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный элементами - лопастями, предназначенными для воздействия на них текущей среды, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями с роликами, установленными в упомянутых пазах, каркас размещен продольной стороной поперек потока текущей среды, проходные окна выполнены на продольных стенках каркаса, а на криволинейных участках движения гибкого элемента установлено с возможностью взаимодействия с лопастями средство для изменения положения последних относительно упомянутого гибкого элемента на противоположное, лопасти на гибком элементе закреплены своей средней частью и в рабочем состоянии установлены под углом к направлению потока и с возможностью перекрывания межлопастных промежутков одной ветви лопастями другой ветви, причем в каркасе выполнены по меньшей мере две пары направляющих, штыри с роликами закреплены на боковых кромках лопастей, а ролик каждого штыря установлен каждый в пазу отдельной направляющей соответствующей пары (патент RU №2166664, МПК7 F03B 9/00, F03D 5/02).

Однако это устройство также обладает низким КПД, так как сила, действующая на такие тяговые лопасти, пропорциональна относительной скорости, которая значительно ниже скорости течения текущей среды, при этом лопасти находятся в рабочем положении только на одной из ветвей тягового элемента. Кроме того, устройство имеет сложную механическую конструкция, так как необходимо менять положение лопастей на холостом ходу и на криволинейных участках гибкого элемента, что снижает надежность агрегата.

Задачей изобретения является создание двигателя для утилизации энергии текущей среды простой конструкции, в котором бы был максимально исключен холостой ход лопасти, что обеспечило бы высокую надежность и высокий КПД двигателя.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение КПД двигателя, упрощение его конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе для утилизации энергии текущей среды, содержащем погруженный продольной стороной поперек потока среды, закрепленный на фундаменте каркас с окном, установленный в каркасе с возможностью движения несущий элемент с элементом, предназначенным для воздействия на него текущей среды, закрепленным в несущем элементе средней частью и в рабочем состоянии установленным под углом к направлению потока, а также средство для изменения его положения, причем устройство содержит также преобразователь гидравлического усилия, согласно изобретению несущий элемент установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в окне каркаса вдоль его продольных сторон, а элемент, предназначенный для воздействия на него текущей среды, выполнен в виде крыла с гидродинамическим профилем и установлен на оси несущего элемента с возможностью поворота на оси и взаимодействия с потоком текущей среды, средство для изменения положения лопасти выполнено в виде симметрично установленных на продольной стороне каркаса ограничителей поворота лопастей, а преобразователь гидравлического усилия кинематически связан с несущим элементом.

Повышение КПД обеспечивается за счет использования гидродинамической силы, действующей на крыло, имеющее гидродинамический профиль. Известно, что эта сила пропорциональна квадрату относительной скорости, которая, в отличие от тяговых лопастей, больше скорости течения воды.

Надежность двигателя обеспечивается его простотой, что также уменьшает себестоимость.

Двигатель для утилизации энергии текущей среды (фиг.1) состоит из установленного на бетонном основании 1 прямоугольного каркаса 2, погруженного продольной стороной поперек потока среды. В окне каркаса установлен с возможностью движения несущий элемент 3 с элементом 4, предназначенным для воздействия на него текущей среды, закрепленным в несущем элементе 3 средней частью. Элемент 4 выполнен в виде крыла с гидродинамическим профилем и установлен на оси 5 несущего элемента 3 с возможностью поворота на оси 5 и взаимодействия с потоком текущей среды. В рабочем состоянии элемент 4 установлен под углом α к направлению потока. Средство для изменения положения крыла выполнено в виде симметрично установленных на продольной стороне каркаса ограничителей поворота лопастей 7, а преобразователь гидравлического усилия 9 кинематически связан с помощью штанги 8 с несущим элементом 3. Кроме того, на несущем элементе в верхней и нижней части могут быть выполнены ограничители движения 6, с помощью которых регулируется угол α. Угол α выбирается из условия максимума для мощности устройства. Здесь предлагается угол α=60°. При одном положении угла за счет потока возникает вертикальная сила, которая движет крыло вместе с ползунками в одну сторону; при другом положении угла крыло будет двигаться в противоположную сторону. Ось 5, установленная в несущем элементе 3, жестко соединена с крылом и находится за точкой приложения гидродинамической силы, так что постоянный угол поддерживается за счет момента гидродинамической силы относительно оси.

На фиг.2 также изображен заявляемый двигатель.

Под действием гидродинамической силы крыло 4 вместе с несущим элементом 3 движется поступательно в окне каркаса. Достигнув ограничителя 7, крыло меняет угол на противоположный, после чего начинает движение в обратную сторону. В целом, крыло совершает поступательно-колебательное движение.

Съем энергии может быть осуществлен различным образом: гидронасосом, как показано на чертеже, линейным электрогенератором, механическим приводом и др.

При необходимости крыло может совершать поступательно-колебательное движение горизонтально или вертикально. Простота изготовления повышает надежность конструкции двигателя и уменьшает его стоимость.

При одном положении угла за счет потока возникает вертикальная сила, которая движет крыло вместе с несущим элементом в одну сторону; при другом положении угла крыло будет двигаться в противоположную сторону.

При достижении ограничителя 7 на несущей раме крыло меняет угол на противоположный и начинает двигаться в обратную сторону. Изменение угла крыла совершается за счет момента гидродинамических сил и инерционной силы ползунка.

Шарнирно соединенная с осью 5 жесткая штанга 8, которая может быть соединена с гидронасосом 9, линейным электрогенератором или шатунно-кривошипным механизмом, преобразуют работу гидродинамических сил в полезную работу.

Площадь крыла может меняться за счет удлинения крыла или увеличения хорды. Пределы изменения длины и хорды крыла определяются конфигурацией рек. Крыло следует изготовлять из легких материалов или частично полым для компенсации силы тяжести и гидростатической силы (силы Архимеда). Крыло не требует тщательной профилировки. Профиль крыла должен быть симметричным, тогда гидродинамические силы мало будут отличаться от пластины с коэффициентом подъемной силы С_у=2πsinγ, где γ есть угол между хордой и скоростью набегающего потока, причем сила направлена перпендикулярно к скорости набегающего потока. Если U есть скорость воды в реке, V - вертикальная скорость движения крыла, α - угол между хордой крыла и вектором скорости течения воды, то вертикальная сила определяется формулой

где f=1000 кг/м³ - удельный вес воды; g=9.81 м/с², k=V/U.

Мощность силовой установки равна

Из (2) следует, что максимальное значение мощности получается при

Пусть скорость воды (V=1 м/с, площадь S=1 м², вертикальная скорость движения крыла V=kU, угол α=60°, тогда k_max=0.866, вертикальная сила Y≈139 кг, мощность N≈120 кгм/с или N≈1.6 л.с. или N≈1.2 кВт.

При произвольной скорости течения воды необходимо силу Y умножить на V², мощность N на U³, а если площадь крыла также произвольная, то дополнительно надо умножить на S. Формулы (1)-(3) необходимо использовать для расчета гидроэнергетической установки применительно к конкретным условиям реки.

При этом устраняется необходимость в строительстве перегораживающих плотин и иных сооружений, используемых для накопления энергии реки и создания перепада и высоты в традиционных устройствах.

Двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий погруженный продольной стороной поперек потока среды, закрепленный на фундаменте, каркас с окном, установленный в каркасе с возможностью движения несущий элемент с элементом, предназначенным для воздействия на него текущей среды, закрепленным в несущем элементе средней частью и в рабочем состоянии установленным под углом к направлению потока, а также средство для изменения его положения, причем устройство содержит также преобразователь гидравлического усилия, отличающийся тем, что несущий элемент установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в окне каркаса вдоль его продольных сторон, а элемент, предназначенный для воздействия на него текущей среды, выполнен в виде крыла с гидродинамическим профилем и установлен на оси несущего элемента с возможностью поворота на оси и взаимодействия с потоком текущей среды, средство для изменения положения лопасти выполнено в виде симметрично установленных на продольной стороне каркаса ограничителей поворота лопастей, а преобразователь гидравлического усилия кинематически связан с несущим элементом.