Способ и устройство обмена кинетической энергией с жидкостями

Изобретения относятся к области энергетики и могут использоваться для превращения кинетической энергии движущегося потока текучей среды в полезную работу. Способ включает стадии позиционирования параллельного каскада крыльев в потоке текучей среды, установки указанных крыльев с, по меньшей мере, двумя степенями свободы и подачи указанного потока текучей среды для прохождения через каскад крыльев для возбуждения флаттерных колебаний указанных крыльев, причем каждое крыло устанавливают с помощью индивидуального подвесного стержня навесным способом и обеспечивают поддержание всех указанных подвесных стержней параллельно друг другу. Крылья снабжены, по меньшей мере, двумя степенями свободы, и соседние крылья движутся в противофазе. Профилированные впускной и выпускной трубопроводы могут быть расположены выше и ниже по потоку, и аппарат может быть заключен в профилированный канал для увеличения эффективности путем изменения скорости и давления текучей среды. Крылья консольные и удерживаются вертикальными стержнями. Каскад, включающий независимые модули крыльев, каждый из которых исключает крыло, модуль преобразования энергии и модуль управления движением обеспечивает получение энергии из потока текучей среды для производства энергии или передачу энергии в поток текучей среды для создания тягового усилия или нагнетания. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Данная заявка основана на правах по временной заявке США №60/685891 от 1 июня 2005 г.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям способов и устройства, раскрытых в патентах США 4184805 (январь 1980 г.), 4347036 (август 1982 г.) и 6273680 (август 2001 г.), выданных д-ру Ли Арнольду (Dr. Lee Arnold).

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам и устройству для использования кинетической энергии, содержащейся в движущемся потоке текучей среды, для получения полезной мощности, в частности, к каскаду крыльев, удерживаемых в движущейся текучей среде только консольными подвесными стержнями. Каскад крыльев, движущихся в противофазе, может быть приспособлен для извлечения энергии из текучей среды, для выработки электроэнергии с использованием явления флаттера, требующего две или больше степеней свободы, или путем приведения крыльев в движение от внешнего источника энергии для передачи энергии текучей среде для создания тягового усилия или нагнетания с использованием внешне программируемых колебаний - также с двумя или больше степенями свободы.

Описание известного уровня техники

Возобновляемые ресурсы, которые в прошлые столетия были основными источниками энергии человеческого общества, включают солнечную энергию, энергию ветра и воды, волн и приливов. Все возобновляемые ресурсы являются производными от солнечной энергии, за исключением приливной энергии, источником которой является гравитационное притяжение Луны (геотермальная энергия, источником которого является тепло, аккумулированное в земной коре, не является, строго говоря, возобновляемым ресурсом). Активная и пассивная солнечная энергия, энергия ветра, воды, волн и океанских течений все связаны с земными погодными циклами, которые, в свою очередь, в конечном счете имеют своим первоисточником солнечную радиацию.

Поиск эффективных средств превращения возобновляемых энергетических ресурсов в полезную работу включает механические ветряные двигатели, превращающие кинетическую энергию ветра в механическую энергию с использованием подъемных сил или сил лобового сопротивления, и механические гидравлические турбины, превращающие кинетическую энергию текущей воды или потенциальную энергию поднятой на высоту запасенной воды в механическую энергию. В большинстве случаев преобразуемая таким образом энергия превращается в электрическую мощность для окончательного распределения и использования.

Патент США 1486040 (Schieferstein) раскрывает средства для создания тягового усилия с использованием колеблющегося крыла с механическим приводом, но имеющего только одну степень свободы.

Патент США 2783022 (Salzer) описывает устройство преобразования энергии океанских волн, включающее серию поплавков, вращающих горизонтальную ось при перемещении вверх-вниз. Это устройство не использует колеблющиеся крылья.

Патент США 3040976 (de Mattos) раскрывает средства для создания воздушного тягового усилия с использованием параллельно сгруппированных колеблющихся крыльев с механическим приводом, то же - только с одной степенью свободы.

Патент США 3508840 (Lederlin) раскрывает крыло или серию маховых крыльев с кривизной, рассчитанной на рециркуляцию самообразующихся вихрей. Такое крыло или крылья не работают во флаттере или в противофазе.

Патент США 3783858 (Ashikian) раскрывает средства нагрева жидкости с использованием резонансных колебаний в столбе воздуха. Это изобретение не превращает энергию текучей среды в механическую с использованием крыльев в противофазном флаттере.

Патент США 3883750 (Uzell) описывает помещенный внутрь диффузора ветряной двигатель типа вращающегося пропеллера с горизонтальной осью.

Патент США 3995972 (Nassar) раскрывает преобразователь энергии ветра колеблющегося типа, в котором одно или несколько крыльев приводятся в возвратно-поступательное движение с использованием устройства изменения угла наклона, которое в конце каждого хода изменяет угол наклона крыла на обратный. Это устройство не использует флаттер с двумя или больше степенями свободы и множество описанных крыльев не работает в противофазе.

Патент США 4024409 (Payne) раскрывает колеблющееся устройство преобразования энергии текучей среды, которое использует резонансную реакцию провода, длинного цилиндра или крыла, подвергнутых воздействию набегающего ветра таким образом, чтобы одна поверхность генерировала вихри, создавая силу, действующую на эту поверхность, которая смещается из своего положения покоя, создавая новый вихрь на противоположной поверхности. Этот новый вихрь создает противоположно направленную силу, действующую на тело, приводя к резонансным колебаниям, из которых может быть извлечена энергия в виде демпфирующего усилия. В этом изобретении, при использовании его варианта исполнения в виде крыла, крыло под действием вихреобразования колеблется с одной степенью свободы, а не во флаттере.

Патент США 4170738 (Smith) раскрывает устройство тягового типа (панемон) для извлечения энергии из подводного движения воды, передачи этого движения через возвратно-поступательное устройство реечной передачи на реверсивный генератор. Это устройство не использует крылья, флаттер или противофазное движение.

Патент США 4184805 (Arnold) является первым основным патентом, описывающим противофазное движение при флаттере каскада крыльев в воздухе или воде. Заявляемое изобретение представляет собой фундаментальное усовершенствование этого патента, в котором все механизмы и тяги, присоединенные к каждому крылу, были заменены на один консольный подвесной стержень, сопряженный с модульной системой энергоснабжения и управления движением.

Патент США 4347036 (Arnold) представляет собой патент, выделенный из той же первоначальной заявки, и описывает то же самое устройство, что и патент США 4184805.

Патент США 5457346 (Blumberg) описывает ветряной двигатель пропеллерного типа с горизонтальной осью, аналогичный патенту США 3883750 выше, в котором диффузор концентрирует набегающий ветер на роторе турбины. Это устройство не использует крылья, явление флаттера или каскад крыльев с движением в противофазе.

Патент США 6273680 (Arnold) продолжает развивать оригинальный механический вариант исполнения колеблющейся каскадной энергосистемы, как было первоначально раскрыто в патенте США №4184805, с некоторыми дополнительными признаками, касающимися инерционного регулирования массы и концентрирования входного потока с помощью плоских барьеров.

Значительная часть литературы по аэроупругости обычно рассматривает флаттер как в высшей степени разрушительную силу, которая, если позволить ей возникнуть в крыле, неизбежно приведет к его разрушению. Упомянутые выше патенты д-ра Арнольда показывают, каким образом флаттер может в принципе быть использован для извлечения полезной энергии из потока текучей среды. Настоящее изобретение, основанное на патентах д-ра Арнольда и усовершенствующее их, создает возможность коммерческого применения колеблющегося в противофазе каскадного силового преобразователя путем устранения множества колеблющихся механических деталей, связей, подшипников, тяг, стержней и зубчатых передач, описанных в этих предшествующих патентах.

Хотя аналитические исследования флаттера применимы ко всем текучим средам, флаттер в воздухе хорошо известен, но флаттер в воде не был детально изучен или исследован. Патенты д-ра Арнольда являются первыми, в которых описаны средства для возбуждения и поддержания флаттера в воде.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение раскрывает конструктивные особенности долговечного и эффективного варианта исполнения Колебательной каскадной энергосистемы (Oscillating Cascade Power Система, OCPS) и предполагает наличие множества консольных крыльев, которые колеблются и приводятся в состояние флаттера за счет кинетической энергии, извлекаемой из движущейся текучей среды, такой как ветер, вода, движущаяся в ручье, реке, в океанском течении, приливах или в направленном потоке. Система генератора мощности включает новый модульный блок энергоснабжения и управления, который приводится в действие за счет флаттера множества крыльев.

Использование консольных крыльев устраняет необходимость в значительном количестве физических механизмов, присоединенных к крыльям, известным из уровня техники, описанным в патентах США 4184805, 4347036 и 6273680. Крылья управляются с помощью программируемой следящей системы с использованием рабочей текучей среды или электричества. Программа управления может заключаться в алгоритме, основанном на уравнениях движения крыльев в режиме противофазного флаттера.

Далее устройство по изобретению обеспечивает эффективное использование больших количеств доступной кинетической энергии из движущегося потока текучей среды с использованием параллельного каскада консольных крыльев, без использования громоздкого присоединенного механизма. Общий термин "крыло" в используемом здесь значении включает понятия "гидрокрыло", используемое в текущей воде, и "аэрокрыло", используемое для преобразования энергии ветра, или "лопасть", используемую для создания тягового усилия. Термин "крыло", подразумевающий неподвижные или вращающиеся крылья, используемые для создания подъемной силы для летательных аппаратов, неприменим в контексте данного изобретения.

Одним из аспектов изобретения является создание в каскаде крыльев в движущемся потоке текучей среды, действующих в противофазе, независимого модульного аппарата крыла, энергоснабжения и управления, таким образом, что индивидуальные крылья могут быть вставлены или удалены из каскада, даже во время работы каскада, не затрагивая или влияя на работу соседних крыльев.

Для возникновения в крыльях флаттера, т.е. резонансного колебания с двумя или больше степенями свободы, эффективная инерционная масса крыльев и наличие восстанавливающих сил в конце рабочего хода являются критичными. Аспектом изобретения является также создание новых средств мгновенного регулирования и управления инерционной массой и восстанавливающей силой во время работы системы, что позволяет обеспечить непрерывную и автоматическую работу системы при переменных характеристиках потока и нагрузки.

В положении покоя крылья имеют нулевой угол атаки. Колебания не возникают, даже если крылья погружены в движущийся поток текучей среды. В известном уровне техники было необходимо вызвать физическое "возмущение" крыльев для запуска механизма и создания флаттера. Еще одним аспектом изобретения являются средства дистанционного создания колебаний без ручного вмешательства. Более того, в известном уровне техники не предусматривались какие-либо средства для остановки колебаний крыльев, кроме остановки потока текучей среды, или преодоления колебаний за счет заглушения механизма при приложении предельной нагрузки. Согласно данному изобретению заявляются средства мгновенной остановки одного или всех колеблющихся крыльев путем приведения их к нулевому углу атаки и тем самым прекращения выработки энергии при сохранении потока текучей среды и без чрезмерного стресса или повреждения крыльев или связанного с ними механизма.

Другим аспектом изобретения является создание опорной конструкции двойного назначения, на которой закреплено множество независимых модулей крыльев и которая также несет коллекторы энергоснабжения и управления, используемые для подключения модулей крыльев к центральному контроллеру. Коллекторы оснащены рядом многоканальных запорных клапанов и разъемов, так чтобы можно было легко подключать или отключать многоканальные соединители индивидуальных модулей крыльев.

Следующий аспект изобретения заключается в электронном контроле всех внутренних и внешних параметров системы, включая скорость текучей среды и нагрузку, путем обработки данных в программируемом логическом управляющем устройстве, имеющем специальный алгоритм управления, причем обеспечиваемое при этом непрерывное регулирование инерционной массы и восстанавливающих сил не только оптимизирует рабочие характеристики системы в любой момент времени, но и расширяет рабочий диапазон системы путем снижения критической скорости текучей среды для инициирования флаттера и увеличения максимальной скорости или скорости отключения, при которой возможна безопасная эксплуатация системы. В известном уровне техники такие усовершенствования не могут быть обеспечены, потому что колеблющийся каскад и его система управления являются целиком механическими по природе и должны быть сначала отключены для проведения какой-либо регулировки инерционной массы или восстанавливающей силы.

Аспект изобретения, касающийся режима создания тягового усилия или нагнетания каскада крыльев, заключается в возможности, благодаря независимо и внешне управляемым модулям крыльев, обеспечения множества различным образом программируемых последовательных или одновременных движений индивидуальным крыльям с двумя степенями свободы для оптимизации тягового усилия или нагнетания. Например, каскад может быть запрограммирован на воспроизведение последовательного плавательного движения по каскаду, что было бы невозможным в известном уровне техники.

Другой аспект изобретения, касающийся тягового усилия, заключается в том, что отдельное крыло может быть запрограммировано на работу отдельно в режиме создания тягового усилия или нагнетания, и если это крыло является элементом каскада, то другие элементы каскада могут быть установлены в поперечном положении для блокирования других потоков текучей среды для облегчения управления рекой или потоком.

Таким образом, были в общих чертах описаны важные отличительные признаки изобретения и его значительные отличия от известного уровня техники, включая, в частности, три патента д-ра Ли Арнольда, для лучшего понимания приведенного ниже его детального описания и для лучшего понимания нового вклада в современный уровень техники. Дополнительные признаки изобретения, которые будут описаны ниже, включены в формулу данного изобретения. Специалистам в данной области будет понятно, что заявленное изобретение может быть использовано как основа для конструирования других средств для осуществления других целей изобретения. Поэтому важно, чтобы формула настоящего изобретения рассматривалась с учетом эквивалентных конструкций и способов, не выходящих за общие рамки объема изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой аксонометрический вид каскада отдельных модулей крыльев, которые могут быть ориентированы под любым углом, установленного на жесткой опорной конструкции 4. Каждый модуль крыла состоит из крыла 1, подвесного стержня 2, модуля преобразования энергии 3А и модуля управления 3В.

Фиг.2 представляет собой вид сверху, с частичным разрезом, модуля управления, изображающий подвесной стержень крыла 2, установленный на шлицах во вращательный импеллер 5, движущийся в камере вращения 6, которые все находятся внутри поршня поступательного движения 7В, движущегося в цилиндре 17. Внешние отверстия 14, 15, 21 и 22 проводят рабочую текучую среду к модулю управления и от него.

Фиг.3 представляет собой вид сверху, с частичным разрезом, силового модуля, показывающий подвесной стержень крыла 2, проходящий через поршень поступательного движения 7А, движущийся в цилиндре 17. Внешние отверстия 21 и 22 проводят рабочую текучую среду к силовому модулю и от него.

Фиг.4 представляет собой принципиальную схему гидравлического подключения каскада силовых модулей/модулей управления к общекаскадным коллекторам энергоснабжения и управления.

Фиг.5 представляет собой принципиальную схему элементов центральной гидравлической системы энергоснабжения и управления для каскада с изображением подсоединения коллекторов к резервуарам управления поступательным и вращательным движением 28 и 29 и к силовому резервуару 41.

Фиг.6 представляет собой принципиальную схему средств передачи выходной мощности, где рабочая текучая среда из силового резервуара 41 хранится под давлением в аккумуляторе 32 и приводит в действие струйный двигатель 33, который приводит в действие обычный генератор переменного тока 34 для подачи синхронизированной электрической мощности в бытовую энергосистему.

Фиг.7 представляет собой аксонометрический вид модуля крыла, показывающий детали конструкции крыла для уменьшения вихреобразования.

Фиг.7А представляет собой вид сбоку части крыла.

Фиг.7В и 7С представляют собой фрагментарные участки задней кромки крыла, показывающие сравнение гибкого отдела вдоль задней кромки.

Фиг.8 представляет собой аксонометрический вид в сборке колеблющегося каскада с входным и выпускным трубопроводами, предназначенными для изменения скорости и давления текучей среды для повышения суммарного кпд передачи мощности.

Фиг.9 представляет собой схематический вертикальный разрез выпускного трубопровода по Фиг.8 с изображением множества направляющих устройств потока.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

На Фиг.1 изображены четыре вертикальных крыла 1, каждое из которых подвешено на, и только на, подвесном стержне 2 круглого поперечного сечения. Стержни 2 выступают из дна ряда независимых, но идентичных блоков стационарных агрегатов силового модуля/модуля управления 3. Любое четное число силовых модулей/модулей управления 3 установлено на жесткой опорной конструкции системы 4. Вес каждого крыла 1 удерживается его силовым модулем/модулем управления 3. Каждый блок силового модуля/модуля управления 3 состоит из силового модуля 3А и модуля управления 3В. Подвесные стержни 2 удерживаются жестко вертикально и параллельными за счет пропускания через два вертикальных соосных подшипника, установленных на силовых модулях 3А и/или модулях управления 3В. Сами крылья 1 могут быть полностью погруженными и не иметь механических соединений ни с чем, кроме подвесных стержней 2. Стержни 2 имеют свободу поступательного перемещения (бок о бок) в ограниченных пределах и свободу вращения вокруг вертикальной оси, также в ограниченных пределах, но удерживаются от перемещения в направлении потока (вперед-назад) или от поворота (раскачивания) в продольном направлении. Соответственно крылья 1 все являются консольными для того, чтобы они оставались жестко в вертикальном положении в любой момент времени, но были способны к вращательному и поступательному движению на ограниченное расстояние. В частности, крылья 1 не могут перемещаться (или раскачиваться) в направлении движения потока под воздействием влекущей силы текучей среды.

Интервал поступательного и вертикально вращательного движения крыла, дозволенный при такой конструкции, раскладывается на любое положение или комбинацию угла наклона и смещение крыла, необходимые для возбуждения и поддержания флаттера в каскаде. Соседние крылья 1 ограничиваются модулями управления 3В точно противофазным движением, как при боковом, так и при вращательном движении (угол наклона), для выполнения необходимых условий для флаттера в каскаде. Выходная мощность от каждого крыла 1 передается с помощью соответствующего силового модуля 3А, действующего только на боковое движение крыла на участке рабочего хода волнового графика движения крыла. Связь с силовыми модулями/модулями управления 3 осуществляется путем подачи текучей среды под давлением (гидравлическая или пневматическая) или с помощью электрических средств. Спроектированной отличительной особенностью агрегатов силового модуля/модуля управления является то, что один агрегат может быть удален из работающей, вырабатывающей электроэнергию системы, и заменен без остановки или какого-либо другого влияния на работу остальных агрегатов.

Как показано на Фиг.2, модуль управления 3В обеспечивает средства для одновременного индуцирования бокового движения (смещения) и независимого вращательного движения каждого крыла 1. Аналитически эта комбинация независимого углового движения и движения по оси Z может быть разложена на любые возможные движения крыла или положения, необходимые для возбуждения или поддержания флаттера, в частности, (а) независимая синхронизация колебаний передней и задней кромки и (b) наложение внешних дифференциальных восстанавливающих сил и инерционных масс передней и задней кромки, необходимых для возбуждения и поддержания флаттера. Дополнительно, в комбинации с присоединенным силовым модулем 3А, эта механическая конструкция обеспечивает (с) жесткость каскада крыльев по направлению потока, по оси Х (ограничение сползания) и (d) строгий параллелизм всех подвесных стержней 2 в любых условиях работы. Наконец, каждый агрегат модуля управления/силового модуля 3 обеспечивает вертикальную опору крыльев 1 без какого-либо взаимодействия с любой из рабочих осей каскада - поступательной или вращательной. Верхний конец подвесного стержня крыла 2 проходит через оба модуля энергоснабжения и управления и имеет шлицы в месте прохождения через модуль управления 3В для обеспечения передачи вращательной силы (крутящего момента). Вертикальный подвесной стержень 2 может быть установлен в двух подшипниках, один из которых расположен в верхней части, и второй - внизу агрегата модуля управления 3В, по меньшей мере, один из которых является упорным подшипником. Соответственно хотя сам модуль управления 3В остается неподвижным, каждый подвесной стержень крыла 2 может независимо поворачиваться на вертикальной оси внутри модуля, в степени, ограниченной радиальным пространством в камере вращения 6.

Вращение. В модуле управления 3В шлицованный подвесной стержень крыла 2 проходит через соответственно шлицованный вращательный импеллер 5. Импеллер 5 может вращаться вокруг вертикальной оси внутри вращательной камеры 6, размещенной в поршне поступательного движения 7В. Вращение импеллера 5 ограничено конструкционно диапазоном в примерно 40 градусов радиальной формой камеры 6. Центральная поверхность импеллера 5 удерживается от контакта со стенкой внутренней камеры с помощью небольшого зазора и герметизирована вертикально с помощью внутреннего и внешнего уплотнений типа "поршневого кольца" 8 и 9. Верхний и нижний концы импеллера 5 оснащены аналогичными уплотнениями (не изображенными на этом центральном поперечном сечении), так что во внутренней части сегментов камеры может быть создано давление текучей среды. Каналы подвода текучей среды 10 и 11 проходят между камерами вращения 6 и продольными периферическими углублениями 12 и 13 соответственно в поршне поступательного движения 7В, выходя во внешние отверстия 14 и 15, ведущие из модуля управления 3В. Таким образом, давление текучей среды, приложенное к отверстию 14, приводит к соответствующему отрицательному (против часовой стрелки) вращению вращательного импеллера 5. Аналогично давление текучей среды, приложенное к отверстию 15, приводит к вращению импеллера 5 в положительном направлении. Поршневые кольца 16 на обоих концах поршня поступательного движения 7В обеспечивают, чтобы давление текучей среды, приложенное к отверстиям 14 и 15, эффективно вызывало вращение импеллера 5 внутри поршня 7В, в то время как поршень 7В находится в независимом поступательном движении, в заданных пределах его продольного перемещения. В общем, независимо от положения или движения поршня 7В, вращательный импеллер 5 будет передавать точно контролируемый крутящий момент (вращательное движение) на стержень 2 и крыло 1 в результате приложения извне давления текучей среды без каких-либо движущихся деталей, шлангов или движущихся соединений.

Смещение. Поршень поступательного движения 7В может двигаться в продольном направлении внутри цилиндра 17В с маленьким зазором без фактического контакта со стенкой цилиндра, но в то же время с уплотнением поршневыми кольцами 16, которые также обеспечивают герметизацию текучей среды, действующей на вращательный импеллер 5. С обоих концов поршня 7В выступают, по сути, круглые поддерживающие стержни поршня 18В, установленные в направляющих качения 19, типично передачи с циркулирующими шариками, установленными на каждом конце цилиндра 17В. Длины этих поддерживающих стержней поршня 18В и глубина соответствующих отверстий в концах цилиндра определяются предполагаемым поступательным перемещением поршня 7В. Дополнительно осевые уплотнения типа поршневого кольца 20 обеспечивают, чтобы давление текучей среды, приложенное к отверстиям 21 или 22 в цилиндре 17В, эффективно вызывало продольное перемещение поршня 7В в любом направлении также без необходимости в каких-либо движущихся деталях, шлангах или движущихся соединениях с коллекторами.

В общем, с помощью описанных выше средств и независимо от их мгновенных поступательных и вращательных позиций все крылья 1 в каскаде могут быть синхронизированы в точно противофазное движение.

Параллелизм крыльев. Очевидно, что благодаря тому, что подвесной стержень крыла 2 проходит через оба поршня модуля управления и силового модуля 7В и 7А, но удерживается от любого движения, кроме вращательного, верхним и нижним подшипниками, и благодаря двум горизонтальным агрегатам поддерживающих стержней поршня 18В и 18А, перемещающихся в направляющих качения 19В и 19А, удерживаемых от любого углового движения по оси Z (горизонтальное раскачивание), все крылья 1, присоединенные к подвесным стержням 2, должны оставаться параллельными в любой момент времени и в любых условиях бокового и вращательного движения.

Ограничение волочения. Аналогично в плоскости потока подвесные стержни крыла 2 удерживаются от какого-либо движения по оси Х (т.е. раскачивание в направлении движения потока под влиянием увлекающей силы текущей воды или воздуха, действующей на крыло 1, вектор силы которой меняется в зависимости от мгновенного угла наклона крыла) с помощью стержней 2, проходящих как через верхний поршень 7 В, так и через нижний поршень 7А, которые ограничены боковым возвратно-поступательным движением.

Центрирование и вспомогательные восстанавливающие силы. Модули энергоснабжения и управления 3А и 3В включают внутренние пружины 18А и 18В для создания, частично или полностью, циклических восстанавливающих сил, необходимых для поддержания флаттера, и для обеспечения постоянного центрирования поршней 7А и 7В в своих соответствующих цилиндрах 17А или 17В в состоянии покоя. Следует понимать, что вместо пружин 18А и 18В могут быть использованы средства поглощения/отдачи пневматической или гидравлической энергии.

Фиг.3 представляет собой вид сверху центрального поперечного сечения силового модуля 3А. Поступательное движение поршня 7А идентично движению поршня 7В модуля управления 3В в любом случае, когда свободно перемещающийся в двух направлениях поршень 7А и 7 В движется поступательно, направляемый в своем боковом движении соответствующими двумя поддерживающими стержнями поршня 18А и 18В, перемещающимися по направляющим качения 19А и 19В - за исключением того, что вместо прохождения через центральный вращательный импеллер и цилиндр подвесной стержень крыла 2 проходит только через герметизированный однорядный или двухрядный шарикоподшипник 23, вставленный в центр поршня 7А. Таким образом, подвесной стержень крыла 2 может свободно вращаться вокруг вертикальной оси в силовом модуле 3А, но любое поступательное движение подвешенного крыла 1 и его подвесного стержня 2 приводит к соответствующему боковому движению поршня 7А. Такое боковое движение поршня вызывает соответствующее выталкивание или втягивание рабочей текучей среды через внешние отверстия 21 и 22. Любое число независимых модулей гидрокрыльев может быть подсоединено к шести обычным коллекторам передачи мощности текучей среды 24, 25, 26, 27, 28 и 29, проходящим по длине каскада и заканчивающимся у контроллера, как показано на Фиг.5.

Фиг.4 представляет собой принципиальную схему гидравлических соединений каскада любого четного числа силовых модулей/модулей управления 3 с шестью общекаскадными коллекторами энергоснабжения и управления. На Фиг.4 показаны только три последовательных и соседних модуля крыльев, которых достаточно, чтобы проиллюстрировать соответствующие межсоединения любого числа крыльев. Поскольку внешние отверстия на каждом модуле крыла полностью стационарны в любой момент времени, все коллекторы и межсоединения изготовлены из обычных трубопроводов, муфт и коннекторов постоянного давления. Внешние отверстия вращательных элементов каждого модуля управления 14 и 15 подсоединены к "+"-вращательному коллектору управления 24 и к "-"-вращательному коллектору управления 25 таким образом, что знак взаимосвязанных пар модулей управления чередуется между последовательно смежными модулями крыльев. Таким образом, отверстия 14 крыльев А и С соединены с коллектором 24, также как и отверстие 15 модуля В и т.д. для всех крыльев в каскаде. Соответственно отверстия 15 модулей А и С соединены с коллектором 25, также как и отверстие 14 модуля В. Эти два коллектора управления вращением 24 и 25 эффективно соединены вместе на их конце у гидравлических резервуаров давления, изображенных в контроллере на Фиг.5. Вследствие этого чередующиеся межсоединения вращательных элементов соседних модулей управления крыльями обеспечивают синхронизацию всех вращательных движений соседних крыльев 1 точно в противофазе, как будто с помощью механических связей.

Соответственно отверстия 21 и 22 всех крыльев поочередно подсоединены к коллекторам управления поступательным движением по оси Z 26 и 27, названным так потому, что боковое движение крыльев 1 происходит вдоль оси Z, тогда как текучая среда (воздух или вода), поступающая в каскад, определяется как движущаяся в направлении +Х. Все боковые движения соседних крыльев, так же, как было описано выше для вращательных движений, синхронизированы между собой в точной противофазе. Наконец, суммарным эффектом описанных выше систем управления вращательным и поступательным движениями является то, что любое движение всех крыльев 1 в каскаде происходит точно в противофазе в любой момент времени, как это требуется по результатам проведенного д-ром Арнольдом анализа флаттера, причем в то же самое время все крылья в сборе 1 имеют свободу вращательного и бокового движения, синхронизированную в противофазе, но иначе никак не ограниченную. Равнодействующая любой комбинации описанных выше вращательного и бокового движения гидрокрыл, при соответствующем контроле, может, таким образом, воспроизводить любое движение или положение, требующееся по результатам анализа флаттера по Арнольду, как если бы крылья 1 были связаны соединяющими верхнюю и нижнюю части передней и задней кромки механическими тягами, взаимосвязанными рычагами и стержнями, как описано в патентах, выданных д-ру Арнольду. Разница заключается в том, что каждое крыло 1 является теперь физически независимым от всех других крыльев без каких-либо механических приспособлений или соединений между концами соседних крыльев.

Фиг.5 представляет собой принципиальную схему элементов одного типа системы центрального гидравлического энергоснабжения и управления для каскада.

Синхронизация в противофазе. Системный контроллер изображен здесь как два гидравлических резервуара под давлением 28 и 29, содержащие поршни двухстороннего действия, центральные положения которых соответствуют положению покоя крыльев 1 (крылья расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и параллельно направлению потока). Такие же функции управления могут быть также получены с помощью непосредственно программируемого микропроцессорного контроллера набора сдвоенных пропорцинальных клапанов, соединяющих каждый коллектор пропорционально с резервуаром текучей среды под давлением или с возвратным резервуаром текучей среды. Датчик линейного положения/скорости 30 на каждом поршневом штоке подает на контроллер сигналы обратной связи поступательного и вращательного положения и движения крыла. Более полная система обратной связи определения положения и движения включает датчики, размещенные на каждом модуле крыла, обеспечивающие детальную информацию об ошибках для каждого крыла.

Восстанавливающая сила. Для поддержания флаттера в потоке текучей среды необходимо обеспечить восстанавливающие силы, действующие при приближении к крылу, и в положениях крайнего смещения крыла, причем точное значение сил меняется на протяжении рабочего цикла. Модуль восстанавливающей силы 41 обеспечивает необходимые в конце цикла восстанавливающие силы с использованием чего-то одного или комбинации из внутренних пружин, контролируемо сжимаемого объема воздуха или электрической имитации упругой силы. Дополнительно, частичные восстанавливающие силы обеспечиваются пружинами 18С плюс сжатие воздуха поддерживающими стержнями поршня 18А и 18В.

Инерционная масса. В дополнение к описанным выше периодическим восстанавливающим силам для поддержания флаттера необходимо также обеспечить точную величину дополнительной инерционной массы к колеблющейся массе самих крыльев. Модуль инерционной массы 42 (Фиг.5) прикладывает контролируемую дополнительную массу к крыльям 1 посредством подключения рабочей текучей среды, контроля величины добавленной инерционной массы с помощью пропорционального контроля рабочей текучей среды (гидравлический рычаг), сопряженного с физической массой, или путем электрической имитации идентичных сил.

Запуск. Многоцелевой регулируемый клапан управления с электрическим приводом 31, соединенный с гидравлическим аккумулятором высокого давления 32 (Фиг.5) и с гидравлическим возвратным коллектором, обеспечивает возможность приложения извне (из накопительного резервуара мощности текучей среды) предварительно запрограммированного начального импульса вращения и смещения к крыльям 1 для возбуждения колебаний в потоке воздуха или воды.

Контроль и оптимизация флаттера. Приложение дифференциальных восстанавливающих сил и дополнительных инерционных масс к передней и задней кромкам крыльев 1 является критическим как для возбуждения, так и для поддержания флаттера. Данные обратной связи о вращательном и боковом положении крыла, частоте, мгновенном притоке воды или скорости воздуха и внешней нагрузке и другая информация представляют собой входные сигналы для программируемого логического контроллера, который, в соответствии с предварительно запрограммированным рабочим алгоритмом, управляет мгновенным прибавлением необходимых восстанавливающих сил и инерционной массы к крыльям 1.

Следует отметить, что флаттер после возбуждения представляет собой явление самоподдерживающегося резонанса при обеспечении всех соответствующих условий подводимой мощности (поток воды или воздуха), выходной нагрузки (демпфирование) и дифференциальных восстанавливающих сил и масс. Такая управляющая регулировка непрерывно и мгновенно производится системой управления с целью компенсации происходящих изменений указанных выше рабочих условий.

Остановка. Путем внешнего программирования принудительного возвращения в положение покоя крыла весь каскад или отдельное крыло может быть мгновенно выключено в случае аварийной ситуации или для проведения технического обслуживания. За счет установки многоканальных клапанов в межсоединения коллектор-крыло индивидуальные модули крыльев могут быть отсоединены и заменены без остановки каскада в целом.

Поддержание рабочего давления текучей среды. Система управления включает средства поддержания давления во вторичном контуре рабочей текучей среды, но они не показаны на чертежах и не описываются, т.к. представляют собой стандартную проектируемую гидравлическую технологию.

Фиг.6 представляет собой принципиальную схему типичных средств отбора выходной электрической мощности, связанных с бытовым энергоснабжением, описывающую одни из ряда альтернативных средств подачи мощности из каскада на внешнюю нагрузку.

Рабочая текучая среда из силового резервуара 43 хранится под давлением в аккумуляторе 32 для последующего приведения в действие струйного двигателя 33, который приводит в действие обычный синхронный генератор переменного тока 34 для подачи синхронизированной по частоте и фазе электрической мощности в бытовую энергосистему. На этой иллюстрации рабочая текучая среда, периодически вытесняемая под давлением силовыми модулями 3А при контролируемом флаттере и поступающая по силовым коллекторам 39 и 40, вливается через однопутевые клапаны в резервуар 43. Поворотный гидромотор 33, в свою очередь, приводится в действие гидравлическим давлением, отбираемым из аккумулятора 32 через управляемый пропорциональный проточный клапан 37.

Гидромотор 33 непосредственно приводит в действие обычный трехфазный синхронный генератор переменного тока 34, который связан через соответствующий твердотельный переключатель 38 и пригодный электрический предохранитель с бытовой энергосистемой. Замыкание оборудования переключения выходной мощности контролируется синхроскопом 35 таким образом, что полностью синхронизированный генератор переменного тока 34 подключен к сети как генератор переменного тока 34 и сеть проходила через точку нулевого напряжения. Проточный клапан управляется по частоте и выходному току генератора переменного тока для того, чтобы после установления синхронизации развивать максимальную выходную мощность, определяемую характеристиками потока воды или воздуха, мощностью генератора и температурой.

Фиг.7 представляет собой аксонометрический вид отдельного модуля крыла, показывающий детали конструкции крыла, предназначенные для снижения вихреобразования: (а) закругление на конце передней кромки крыла 61 показано на Фиг.7 и 7А, (b) добавление закрылков 63 на конце задней кромки крыла 65, (с) включение деформируемых гибких отделов 67 показано на Фиг.7В и 7С вдоль передней и задней кромок, причем степень деформации определяется мгновенным углом наклона (через центральный контроллер). Продольная деформация гибкого отдела 67 вызывается гидравлическим давлением, действующим через подвесной стержень крыла 2. Направляемое в одну из двух полостей соответствующей формы внутри отдела 67 гидравлическое давление принуждает хвостовую часть отдела изгибаться в продольном направлении от центрального положения покоя соответственно влево или вправо по отношению к оси потока. Соответственно при больших углах наклона край крыла 1 уже не образует острого угла (по известному уровню техники), который вызывает значительное завихрение проходящего потока. Только отдел 67 задней кромки изображен на Фиг.7В и 7С, но деформируемый отдел может таким же образом быть использован также на передней кромке крыла 1.

Тонкие, плоские и гладкие закрылки 63, по одному на каждом конце крыла 1, а также скругленные углы, как изображено, также служат для минимизации вихреобразования и тем самым уменьшения эффективного лобового сопротивления и повышения кпд. Точная конструкция формы закрылков 63 определяется аэродинамическим анализом конкретной геометрии крыла.

Фиг.8 представляет собой аксонометрический вид полного агрегата колеблющегося каскада, обозначенного в общем позицией 68, снабженного впускным трубопроводом 70 и выпускным трубопроводом 72, рассчитанными на изменение скорости и давления текучей среды для повышения общего кпд передачи мощности. Особенности видов в плане и в разрезе трубопроводов могут отличаться в зависимости от аэродинамического анализа конкретных характеристик и геометрии каскада, который должен быть размещен на стыке 74 между впускным и выпускным трубопроводами. Поперечные направляющие устройства потока 76, изображенные на Фиг.9, вставляются в или формуются с выпускным трубопроводом 72 как средства снижения суммарного противодавления на стыке 74.

Ключевым аспектом настоящего изобретения является то, что конструкция и функция впускного и выпускного каналов или трубопроводов образуют неотъемлемую часть конструкции колеблющегося каскада и крыльев 1 для любого конкретного случая или применения изобретения. Крыло или крылья, равноудаленные от противоположных сторон ограниченного потока текучей среды, работают как бесконечный каскад. Хотя каскад крыльев, описанный выше и изображенный на Фиг.1, размещен в полностью ограниченном корпусе, изображенном на Фиг.8, в объем настоящего изобретения входит также использование такого каскада или крыла в неограниченном пространстве, удовлетворяющем пределам Бетца.

Проиллюстрированные в заявке основные идеи, реализованные с использованием средств передачи мощности текучей среды (гидравлических средств), могут быть также реализованы пневматическими или электрическими средствами, или с помощью комбинации текучей среды и электрических средств.

Основной целью этих усовершенствований является устранение всех механизмов, физически крепящихся к концам крыльев для соединения соседних крыльев между собой.

На основании описанного таким образом изобретения и достигаемых им усовершенствований с конкретными ссылками на его предпочтительные формы специалистам в области техники, к которой относится данное изобретение, будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны без выхода за пределы объема изобретения по формуле изобретения.

1. Способ преобразования кинетической энергии потока текучей среды в полезную работу, который включает стадии позиционирования параллельного каскада крыльев в указанном потоке текучей среды, установки указанных крыльев с по меньшей мере двумя степенями свободы и подачи указанного потока текучей среды для прохождения через каскад крыльев для возбуждения флаттерных колебаний указанных крыльев, причем усовершенствования включают установку каждого крыла с помощью индивидуального подвесного стержня навесным способом и поддержание всех указанных подвесных стержней параллельно друг другу.

2. Способ по п.1, далее включающий стадию поддержания вертикальности и параллелизма указанных крыльев, которые достигаются с помощью монтажных средств обеспечения вращательного и поступательного движения при жестком удерживании указанных крыльев вертикальными и параллельными с помощью двухопорной подвески каждого крыла.

3. Способ по п.2, в котором указанные крылья соединены через указанные подвесные стержни с гидравлическим приводом, посредством которого осуществляется мгновенное управление позиционированием указанных крыльев по смещению и углу наклона с помощью внешнего контроллера для обеспечения точно противофазного движения соседних крыльев и передача вырабатываемой энергии от колеблющихся в флаттере крыльев к аккумулятору.

4. Способ по п.3, который включает стадию передачи движения указанных крыльев для приведения в действие гидравлического привода для передачи энергии от указанных крыльев к указанному аккумулятору.

5. Способ по п.4, включающий стадию обеспечения гидравлического управления передачей указанной энергии от указанного гидравлического привода к указанному аккумулятору.

6. Способ по п.5, включающий стадии преобразования указанной энергии в электрическую мощность.

7. Способ по п.1, включающий стадии управления указанным каскадом крыльев путем создания циклических восстанавливающих сил и инерционной массы для возбуждения и поддержания флаттера указанных крыльев.

8. Способ по п.7, включающий стадии увеличения скорости потока текучей среды перед прохождением через указанный каскад крыльев и обратного снижения давления на указанные крылья после прохождения указанной текучей среды через указанный каскад крыльев.

9. Аппарат для преобразования кинетической энергии потока текучей среды в полезную работу, включающий каскад крыльев, позиционируемых в потоке текучей среды, средства установки указанных крыльев для обеспечения по меньшей мере двух степеней свободы, средства подачи указанного потока текучей среды для прохождения через указанный каскад крыльев, причем указанные крылья подвергаются флаттерным колебаниям, множество подвесных стержней, причем каждое указанное крыло установлено на индивидуальном подвесном стержне в форме консоли, и средства поддержания всех указанных подвесных стержней параллельными друг другу.

10. Аппарат по п.9, включающий гибкий отдел, присоединенный к указанному крылу и проходящий вдоль его задней кромки, причем указанный отдел является деформируемым под действием давления, создаваемого указанным потоком текучей среды.

11. Аппарат по п.9, в котором каждое указанной крыло является самостоятельным и не связано с соседними крыльями для минимизации лобового сопротивления и вихреобразования.

12. Аппарат по п.9, далее включающий монтажные средства для поддержания индивидуальных крыльев с образованием объединенных в одно целое, легкосъемных и отсоединяемых модулей, где каждый модуль является съемным и заменимым без прекращения работы соседнего крыла.

13. Аппарат по п.9, далее включающий объединенный модуль многоосного привода текучей среды и насоса, включающий двусторонний вращательный исполнительный механизм контроля угла наклона, расположенный внутри двустороннего линейного исполнительного механизма и насоса, таким образом, что движение указанного крыла или крыльев, соединенных с указанным модулем исполнительного механизма и насоса с помощью одного из указанных подвесных стержней, обеспечивает независимое и одновременное движение как по поперечной, так и по вращательной осям.

14. Аппарат по п.9, в котором указанные крылья включают закругленные концевые участки на переднем крае для минимизации лобового сопротивления, закрылки, сформированные на концах указанных крыльев; и деформируемый гибкий отдел вдоль по меньшей мере задней кромки для изменения их кривизны при предельных углах наклона крыла.