Способ утилизации энергии текущей среды и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к средствам преобразования энергии текущей воды в электрическую энергию, и может быть использовано для установки в русла рек. В способ утилизации энергии текущей среды поток текучей среды направляют в диффузор 11, в котором увеличивают его скорость, затем подают внутрь канала 3, где дополнительно ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала 3, затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока на, по меньшей мере, одно рабочее колесо 5 с лопатками 6, которое располагают в канале 3, после чего поток замедляют. Лопатки 6 рабочего колеса 5 выполняют сужающимися по ширине от входной до выходной кромки, верхнюю боковую поверхность выполняют выпуклой, а выходную кромку смещают относительно входной. Изобретение направлено на повышение коэффициента утилизации энергии текущей среды. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к средствам преобразования энергии текущей воды в электрическую энергию, и может быть использовано для установки в русла рек.

Известна «ВИХРЕВАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГИДРОТУРБИНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЙ РЕК И ПРИЛИВОВ» по патенту RU 2359149 C1, 20.06.2009, F03B13/26, состоящая из полого несущего вала-цилиндра с регулируемым балластом, позволяющим гидротурбине погружаться в воду полностью или всплывать из нее на поверхность, на котором размещены лопасти-полуцилиндры, к торцам которых прикреплены кольцевые емкости с балластом, обеспечивающим нейтральную плавучесть гидротурбине, отличающаяся тем, что на несущий вал-цилиндр устанавливаются равномерно по его длине несколько дисков или плоских цилиндров с пазами на ободе, в которые крепятся лопасти, имеющие вид боковой поверхности полого цилиндра, отсеченной продольной плоскостью, таким образом, чтобы диски были вписаны во внутренние концы лопастей, образуя свободное центральное пространство между дисками поверхностью несущего вала-цилиндра и концами лопастей, а их наружные концы, стянутые узкими кольцами-обручами, образовали многолопастный цилиндр, основания которого полностью закрыты емкостями с балластом, обеспечивающим нейтральную плавучесть гидротурбине, жестко соединенными с торцами лопастей и полым несущим валом-цилиндром. Поток, проходя вдоль С-образной лопасти как со встречной, так и с тыльной сторон турбины, создает в изгибе вращающий момент.

Известен «Двигатель для утилизации текущей среды» по патенту RU 109348 U1, 10.10.2011, F03B 13/10. Описанное в прототипе техническое решение состоит из погружного корпуса, установленного на фундаменте на дне реки, с жестко связанной надводной площадкой, на которой размещены цепные привода от рабочих колес к электрогенератору. В подводной части корпуса установлены два рабочих колеса, причем направление лопаток имеет зеркальное отображение. При движении потока воды через рабочие колеса создается крутящий момент на обоих колесах, направленных противоположно друг другу, и соответственно колеса гидротурбины начинают вращаться противоположно друг другу. Вращение колес передается цепной передачей на два вала отбора мощности, которые кинематически связаны с электрогенератором.

Поток текущей среды, например воды, воздействует на лопатки турбоколес. В результате турбоколеса начинают вращаться на валу в разные стороны. Вращательное движение турбоколес передается на валы отбора мощности, которые связаны через шестерни, благодаря чему турбоколеса оказываются кинематически жестко связанными. В результате турбоколеса вращаются синхронно и встречно. Под воздействием потока на «внешний» плоскости лопатки турбоколеса создается повышенное давление, а на противоположной стороне лопатки - пониженное давление. Таким образом, между лопатками соседних турбоколес образуются две зоны, - одна с повышенным, а другая с пониженным давлением, причем эти зоны движутся навстречу друг другу. При определенном расстоянии между лопатками, при встрече зон повышенного и пониженного давления, движущихся встречно, образуются вихри, ускоряющие движение потока. В результате скорость потока на выходе пары лопаток увеличивается, а поскольку турбоколеса вращаются синхронно, то указанный механизм действует упорядоченно, увеличивая мощность двигателя, которая через соответствующую передачу поступает на вал отбора мощности и далее на электрогенератор.

Наиболее близким по технической сути являются описанные в патенте DE 2010018806 А1, 03.11.2011, Е02В 9/00 способ утилизации энергии текущей среды, характеризующийся тем, что поток текучей среды направляют в канал, где ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала, затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока на рабочее колесо с лопастями, после чего поток замедляют, и устройство для утилизации энергии текущей среды, характеризующееся тем, что содержит открытый с двух торцов сужающийся канал, в котором расположено рабочее колесо с лопатками, при этом выходное отверстие канала снабжено расширяющимся соплом.

Все существующие решения утилизируют только кинетическую энергию потока, которая составляет не более 1кВт с площади 1 м² сечения реки при скорости потока V=1 м/с. Существующие конструкции лопаток лопаточных машин, применяемых для утилизации энергии потока текучей среды, а также конструкции самих гидрогенераторов неспособны обеспечить эффективный отбор потенциальной энергии потока. Кроме того, на сегодняшний день неизвестны способы, связанные с применением для отбора энергии потока лопаточных машин, в которых применяются лопатки с искривленным профилем поперечного сечения.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение коэффициента утилизации энергии текущей среды.

Поставленная задача решена за счет способа утилизации энергии текущей среды, характеризующегося тем, что поток текучей среды направляют в диффузор, в котором увеличивают его скорость, затем подают внутрь канала, где дополнительно ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала, затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока на, по меньшей мере, одно рабочее колесо с лопатками, которое располагают в канале, после чего поток замедляют, при этом лопатки рабочего колеса выполняют сужающимися по ширине от входной до выходной кромки, верхнюю боковую поверхность выполняют выпуклой, а выходную кромку смещают относительно входной; поток замедляют за счет резкого увеличения поперечного сечения канала и реализующего способ устройства бесплотинного для утилизации энергии текущей среды, характеризующегося тем, что содержит открытый с двух торцов сужающийся канал, в котором расположено, по меньшей мере, одно рабочее колесо, снабженное лопатками; лопатки снабжены входной и выходной кромками, а также одной выпуклой боковой поверхностью, при этом лопатки выполнены сужающимися по толщине от входной до выходной кромки, а выходная кромка смещена относительно входной; входное отверстие канала снабжено диффузором, выходное отверстие канала снабжено расширяющимся соплом; лопатки рабочего колеса содержат одну вогнутую боковую поверхность; лопатки рабочего колеса содержат одну плоскую боковую поверхность; канал выполнен коническим; лопатки снабжены открытой полостью, расположенной на боковой поверхности, противоположной выпуклой поверхности.

Суть технического решения иллюстрирована чертежами, где на фиг. 1 - устройство для утилизации энергии текущей среды, на фиг. 2 - профиль поперечного сечения лопатки, на фиг. 2 - профиль поперечного сечения лопатки с крюкообразной полостью.

На фиг. 1 изображены устройство 1 для утилизации энергии текущей среды, поток 2, канал 3, лопаточная машина 4, рабочие колеса 5, лопатки 6, входная кромка 7, выходная кромка 8, выпуклая боковая поверхность 9, противолежащая боковая поверхность 10, диффузор 11, сопло 12, открытая полость 13, зона 14 завихрения.

Устройство для утилизации энергии текущей среды выполнено следующим образом.

Устройство 1 для утилизации энергии текущей среды содержит корпус, в котором размещен открытый с двух противоположных торцов канал 3. Канал 3 выполнен сужающимся от входного отверстия к выходному, т.е. площадь поперечного сечения канала постепенно уменьшается. Опционально канал 3 выполнен коническим. В канале 3 расположена лопаточная машина 4, содержащая, по меньшей мере, одно рабочее колесо 5, снабженное лопатками 6. Рабочих колес 5 может быть от одного до четырех, в зависимости от скорости потока 2, с вращением смежных колес 5 в противоположных направлениях. Лопатки 6 снабжены входной 7 и выходной 8 кромками, а также одной выпуклой по существу верхней боковой поверхностью 9. Профиль лопаток 6 выполнен изогнутым таким образом, что выходная кромка 8 смещена в плоскости поперечного сечения лопатки 6 по направлению от выпуклой боковой поверхности 9 относительно входной кромки 7. Противолежащая выпуклой 9 по существу нижняя боковая поверхность 10 выполнена либо вогнутой, либо плоской, в зависимости от предполагаемой скорости потока 2. Опционально лопатки 6 снабжены открытой крюкообразной в сечении полостью 13, расположенной на боковой поверхности 10, противоположной выпуклой поверхности 9. Рабочие колеса 5 установлены с возможностью передачи вращения на единый связанный с генератором вал. Генератор опционально установлен в непосредственной близости от устройства. Входное отверстие в канал снабжено диффузором 11. Выходное отверстие из канала снабжено расширяющимся соплом 12.

Способ утилизации энергии текущей среды осуществляют следующим образом.

Поток 2 текучей среды направляют в канал 3, где ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала 3. Затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока 2 на, по меньшей мере, одно рабочее колесо 5, содержащее лопатки 6. Лопатки 6 снабжены входной 7 и выходной 8 кромками, а также одной выпуклой по существу верхней боковой поверхностью 9. Профиль лопаток 6 выполнен изогнутым таким образом, что выходная кромка 8 смещена в плоскости поперечного сечения лопатки 6 по направлению от выпуклой боковой поверхности 9 относительно входной кромки 7. После чего поток 2 замедляют. Поток 2 замедляют опционально за счет резкого увеличения поперечного сечения канала 3.

Устройство для утилизации энергии текущей среды работает следующим образом.

Водный поток со скоростью V₁ подают в диффузор 11, где вода предварительно увеличивает скорость потока 2. Затем поток 3 подают внутрь канала 3 с постепенно уменьшающейся площадью поперечного сечения. За счет сужения канала 3, например его конусности, поток 2 дополнительно разгоняют до рабочей скорости V₂ и подают на лопатки рабочего колеса 5. Поток, попадая на лопатки 6 рабочего колеса 5, отдает потенциальную энергию P₁, которая образуется за счет разности скоростей потока под и над лопаткой 6. Разность скоростей потока 2 под и над лопаткой 6 образуется за счет наличия в лопатке 6 одной выпуклой боковой поверхности 9 и противоположной ей вогнутой или плоской боковой поверхности 10.

Р₁=C_FqV²/2S,

C_F - коэффициент подъемной силы, безразмерная величина, определяется экспериментальным путем; q - плотность кг/м³; S - площадь лопатки м²; V - скорость потока м/сек.

Из уравнения видно, что чем больше плотность потока и разница скоростей, тем больше будет подъемная сила, так как знаменатель величина постоянная.

Приближенный расчет через разницу давлений без учета площади лопатки и иных сил:

P₁ - давление под лопаткой; Р₂ - давление над лопаткой; V₁ - скорость потока под лопаткой; V₂ - скорость потока над лопаткой; q - плотность кг/м³.

При скорости потока V=1 м/сек V₁ - менее 0,5 м/сек; V₂ - 1,3 м/сек,

Р=845-125=720 кг/см²,

720×9,8=7кВт.

Затем водный поток 2, за счет искривленного профиля, а также сужения по толщине от входной до выходной кромки лопатки 6, меняет направление на 45°-90°, тем самым отдавая кинетическую энергию Рк. При высокой скорости потока 2 под лопаткой 6 образуется вакуум, который придаст рабочему колесу 5 противоположное направление вращения, для устранения вакуума на плоской или вогнутой поверхности лопатки 10 устанавливают дополнительные открытые крюкообразные полости 13. В случае наличия открытых крюкообразных полостей 13 в лопатках 6 данные полости 13 уменьшают скорость потока 2 и образуют зоны 14 завихрения.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение коэффициента утилизации энергии текущей среды за счет способа утилизации энергии текущей среды, характеризующегося тем, что поток текучей среды направляют в диффузор, в котором увеличивают его скорость, затем подают внутрь канала, где дополнительно ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала, затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока на, по меньшей мере, одно рабочее колесо с лопатками, которое располагают в канале, после чего поток замедляют, при этом лопатки рабочего колеса выполняют сужающимися по ширине от входной до выходной кромки, верхнюю боковую поверхность выполняют выпуклой, а выходную кромку смещают относительно входной; поток замедляют за счет резкого увеличения поперечного сечения канала и реализующего способ устройства бесплотинного для утилизации энергии текущей среды, характеризующегося тем, что содержит открытый с двух торцов сужающийся канал, в котором расположено, по меньшей мере, одно рабочее колесо, снабженное лопатками; лопатки снабжены входной и выходной кромками, а также одной выпуклой боковой поверхностью, при этом лопатки выполнены сужающимися по толщине от входной до выходной кромки, а выходная кромка смещена относительно входной; входное отверстие канала снабжено диффузором, выходное отверстие канала снабжено расширяющимся соплом; лопатки рабочего колеса содержат одну вогнутую боковую поверхность; лопатки рабочего колеса содержат одну плоскую боковую поверхность; канал выполнен коническим; лопатки снабжены открытой полостью, расположенной на боковой поверхности, противоположной выпуклой поверхности.

1. Способ утилизации энергии текущей среды, характеризующийся тем, что поток текучей среды направляют в диффузор, в котором увеличивают его скорость, затем подают внутрь канала, где дополнительно ускоряют за счет постепенного уменьшения площади поперечного сечения канала, затем преобразуют кинетическую энергию потока в механическую мощность путем подачи потока на, по меньшей мере, одно рабочее колесо с лопатками, которое располагают в канале, после чего поток замедляют, при этом лопатки рабочего колеса выполняют сужающимися по ширине от входной до выходной кромки, верхнюю боковую поверхность выполняют выпуклой, а выходную кромку смещают относительно входной.

2. Способ утилизации энергии текущей среды по п. 1, отличающийся тем, что поток замедляют за счет резкого увеличения поперечного сечения канала.

3. Устройство бесплотинное для утилизации энергии текущей среды, характеризующееся тем, что содержит открытый с двух торцов сужающийся канал, в котором расположено, по меньшей мере, одно рабочее колесо, снабженное лопатками; лопатки снабжены входной и выходной кромками, а также одной выпуклой боковой поверхностью, при этом лопатки выполнены сужающимися по толщине от входной до выходной кромки, а выходная кромка смещена относительно входной; входное отверстие канала снабжено диффузором, выходное отверстие канала снабжено расширяющимся соплом.

4. Устройство бесплотинное для утилизации энергии текущей среды по п. 3, отличающееся тем, что лопатки рабочего колеса содержат одну вогнутую боковую поверхность.

5. Устройство бесплотинное для утилизации энергии текущей среды по п. 3, отличающееся тем, что лопатки рабочего колеса содержат одну плоскую боковую поверхность.

6. Устройство бесплотинное для утилизации энергии текущей среды по п. 3, отличающееся тем, что канал выполнен коническим.

7. Устройство бесплотинное для утилизации энергии текущей среды по п. 3, отличающееся тем, что лопатки снабжены открытой полостью, расположенной на боковой поверхности, противоположной выпуклой поверхности.