СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КАЧКИ ПЛАВАЮЩЕГО СРЕДСТВА Российский патент 1995 года по МПК F03B13/12 F03B13/22 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к энергетическим преобразователям энергии ветровых волн.

Известен инерционный преобразователь энергии качки судна. В подводной части катера по этому способу размещается свободно подвешенный инерционный груз, который по отношению к корпусу качающегося катера совершает колебательные движения. Эти колебания с помощью зубчатых передач преобразуются во вращательное движение гребного винта.

Недостатками способа являются невысокий коэффициент преобразования энергии качки и необходимость размещения на борту морского плавающего объекта массивного инерционного груза, который при сильном волнении представляет большую опасность для судна и экипажа.

Наиболее близким к предлагаемому является способ преобразования энергии качки плавающего средства путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн (Патент США N 4207739).

Согласно этому способу цистерны с рабочей жидкостью располагаются в трюмах плавучей платформы или судна. В этом случае нарушается планировка грузовых отсеков, кают и служебных помещений. Кроме того, гидротурбоагрегаты размещаются в середине между гидравлическими цистернами, что существенно снижает возможность достижения более высокой мощности гидротурбины.

Цель изобретения увеличение мощности преобразователя энергии качки.

Цель достигается тем, что в способе преобразования энергии качки плавающего средства путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн, цистерны с рабочей жидкостью размещают снаружи бортов по внешнему обводу корпуса корабля, а гидравлические турбины устанавливают в конце водоводов у противоположных бортов. Кроме того, гидравлические турбины устанавливают в верхней части водовода в его конце, а поток жидкости перед турбиной разгоняют при помощи сужающей проточную часть регулирующей заслонки.

При таком способе преобразования энергии качки мощность преобразователя энергии качки увеличивается примерно в 3-4 раза. На судне остаются нетронутыми трюмные объемы, не нарушается планировка отсеков и кают. Судно сохраняет способность выполнять свое пpедназначение.

Принципиальная схема установки для преобразования энергии качки плавающего средства по предлагаемому способу изображена на фиг.1 и 2.

Установка монтируется на морском судне или специальной платформе, нуждающейся в автономной энергетической установке. На корпусе с наружной части бортов судна 1 вдоль левого и правого бортов устанавливаются цистерны 2 и 3, каждая из которых отделена от соседней глухой перегородкой 4. Цистерны левого борта соединяют с противоположными цистернами правого с помощью двух поперечных водоводов: нечетного 5 и четного 6. В конце нечетных водоводов 5 у правого борта устанавливаются гидротурбогенераторы 9, 11, а в конце четного водовода 6 турбогенераторы 10, 12 устанавливаются у левого борта. Все гидротурбогенераторы одного борта соединяются друг с другом валами 13. Соединения полужесткие или корданными муфтами. Если соединение валами затруднено, то может быть применена синхронизированная схема параллельного включения электрических генераторов, хорошо отработанная в энергетических системах.

За каждым гидробурбогенератором 9 или 10 по ходу движения воды по поперечным водоводам устанавливается заслонка обратного клапана 7 (фиг.2), а перед каждой из них регулирующая заслонка 8, положение которой управляется с помощью несложной технологически отработанной системы автоматического регулирования.

Преобразователь энергии качки работает следующим образом.

При наличии крена судна при волнении на правый борт вода или иная рабочая жидкость из заполненных цистерн 2 переливается по поперечным водоводам 5 в цистерны 3 правого борта. В сужениях регулирующей заслонки 8 скорость ее движения увеличивается, одновременно увеличивается и кинетическая энергия потока воды. Движущаяся по водоводу вода вращает лопасти рабочих колес гидротурбины и роторы спаренных с ними генераторов 11. Выработанная электрическая энергия через известные в электротехнике стабилизирующие устройства (не показаны) подается на электрический привод гребного винта судна.

При крене судна на левый борт водяная масса, перелившаяся в цистерны правого борта, возвращается в цистерны левого, вращая рабочие колеса гидротурбогенераторов 10 и спаренных с ними генераторов 12. Турбины правого борта в это время вращаются по инерции.

Заслонки обратных клапанов 7 обратным током воды закрываются, и устремившийся в обратном направлении водный поток не оказывает влияния на лопасти гидротурбогенераторов 9 правого борта.

Движущееся по морю судно одновременно участвует в бортовой и килевой качке. При этом поверхность палубы занимает произвольное положение в пространстве, в результате чего нагрузка на гидротурбины носовой и кормовой части судна будет разной. Соединение всех расположенных вдоль одного борта турбогенераторов одним общим валом более предпочтительна, так как такое соединение позволит усреднить разницу в гидродинамических воздействиях водных потоков.

При отсутствии качки, что в морях и океанах встречается крайне редко, предусмотрен резервный традиционный двигатель, обеспечивающий надежную подвижность и маневренность судна.

Расчет преобразователя энергии качки производился для судна водоизмещением 3000 т, длиной 105 м, шириной по бортам 18 м, шириной по обводам бортовых цистерн преобразователя 24 м, высотой бортов 7,5 м, скоростью 13,5 узлов (25,5 км/ч). Мощность заменяемого основного двигателя 2200 кВт.

Габариты одной цепочки бортовых цистерн 3 х 2 х 70 м. Количество воды, заливаемой в цистерны одного борта 525 м³. Полупериод качки 5 с. Средний расчетный угол крена 15^о.

На фиг.2 схематично изображен крен судна с углом 15^о. Схема выполнена в масштабе 1:200. Превышение уровня воды в цистернах левого борта по отношению к цистернам правого составляет 6 м, а превышение уровня воды по отношению к лопастям рабочего колеса гидротурбины 5,3 м. Исходя из превышения 5,3 м выбрана скорость движения воды по поперечным водоводам 3,5 м/с.

При сечении поперечного водовода (для одного турбоагрегата) 2,5х5 м его пропускная способность составляет 43,75 м³/с, а пропускная способность трех четных (или трех нечетных) водоводов для выбранного судна составляет 131,25 м³/с. С учетом местных сопротивлений опорожнение левых (или правых) цистерн произойдет через 4,5 с, что обеспечит полноту использования энергии падающей воды.

Мощность гидротурбогенератора, определенная в соответствии с известным выражением для данного преобразователя качки, составляет 4662 кВт при угле крена 15^о. Расчетная мощность энергетической установки (2200 кВт) обеспечивается преобразователем качки при угле крена 5,5^о.

Инерционный выбег вращающихся масс однобортных гидротурбогенераторов определяется исходя из массы ротора генератора 3,2 т, массы рабочего колеса гидротурбины 5 т и скорости вращения гидротурбины 300 об/мин. Он растянет время действия импульса водного потока на 0,2 с.

Таким образом, преобразователь энергии качки по предлагаемому способу позволит обеспечить большую экономию топливно-энергетических ресурсов. Экономия достигается тем, что в предлагаемом способе более чем на 90% исключается из работы главный штатный двигатель судна. Снижение потребления химических топлив улучшит экологическую обстановку в морях и океанах. Кроме того, преобразователь энергии качки, смонтированный на дрейфующих или заякоренных платформах морских энергохимических комплексов, позволит решить задачи их энергообеспечения.

Использование: для преобразования энергии ветровых волн в водоеме. Сущность изобретения: снаружи бортов плавсредства размещают цистерны, частично заполненные рабочей жидкостью и соединенные между собой парными водоводами с гидравлическими турбинами и устройствами, обеспечивающими поочередное протекание рабочей жидкости по водоводам при качке. При этом турбины устанавливают в конце водоводов у противоположных бортов. Турбины могут быть размещены в верхней части водоводов, а поток жидкости перед турбиной разгоняют при помощи сужающей проточную часть водовода регулирующей заслонки. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КАЧКИ ПЛАВАЮЩЕГО СРЕДСТВА путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности, цистерны размещают снаружи бортов, а гидравлические турбины устанавливают в конце водоводов у противоположных бортов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидравлические турбины устанавливают в верхней части водоводов, а поток жидкости перед турбиной разгоняют при помощи сужающей проточную часть регулирующей заслонки.