ЭНЕРГОУСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D5/00 F03B13/26 

Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано в качестве рабочих органов ветроэнергетических установок (ВЭУ) и гидроэлектростанций (ГЭС) для преобразования энергии ветра или потока воды в электрическую энергию.

Как известно, рабочие органы ВЭУ и ГЭС выполняются в виде так называемых ветроколес и гидротурбин. Их теорию разработал еще в начале XX века Н.Е. Жуковский. Он определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии движущегося потока идеальных колес. КПВ оказался равным 59,3% Современные ветро- и гидродвигатели имеют КПВ примерно на 15% ниже идеального, т.е. не превышают 45% (см. например, 1, стр. 77, 78).

Поэтому основными недостатками ветровых электростанций являются низкая эффективность ветродвигателя и незначительная единичная мощность агрегатов ВЭУ, а ГЭС не могут работать при малых перепадах скоростного напора воды, требуют строительства высотных дорогостоящих гидромеханических сооружений (плотин) и затапливания больших площадей ценных культурных земель, что нарушает природное равновесие физико-географических систем, меняет климат, условия воспроизводства рыбного хозяйства и судоходства (1, стр. 96-100; 2, стр. 8, 9).

Все это ограничивает масштабы использования ветровой энергии и потенциальные возможности гидроресурсов.

В настоящее время ГЭС вырабатывает менее 19% потребляемой в стране электроэнергии, почти нет малых ГЭС (3, стр. 24, 25), малоэффективны приливные гидроэлектрические станции (ПЭС), не используется энергия равнинных рек.

Известны также энергоустановки, в которых применяются ветродвигатели с вертикальной силовой осью, силовая ось соединена с электрогенератором и вращается вертикальными парусами, которые надеты на подвижные горизонтальные стержни, поворачивающиеся в подшипниках.

При обратном ходе парусов против ветра их лобовое сопротивление уменьшается за счет поворота в горизонтальной плоскости на 90^o вокруг стержней под действием направляющего диска, угловое положение которого определяется флюгером (4, стр. 4).

На двойной принудительный поворот рабочих плоскостей вокруг стержней затрачивается значительная доля работы активного участка, что снижает КПД такой энергоустановки.

Возможности повышения единичной мощности агрегата также ограничены линейными размерами и количеством парусов, закрепленных только на одной силовой оси.

Исследование патентной и технической литературы показывает, что эффективность использования энергии движущегося потока известными устройствами еще недостаточна для широкого применения даже при усложнении и удорожании всего агрегата (см. например, 5).

Наиболее близким техническим решением энергоустановки (прототипом) является ВЭУ [6] содержащая установленные на мачте (силовой оси) с возможностью ориентации на поток поворотные рабочие органы прямоугольной формы, снабженные полуосями, и связанный с ними с помощью трансмиссии энергогенератор. Мачта снабжена горизонтальными поворотными желобами в форме восьмерки и горизонтальными поворотными направляющими, а каждый рабочий орган параллельными стержнями, размещенными в направляющих. Его полуоси снабжены катками, установленными в желобах, а трансмиссия взаимодействующими с ней рычагами, установленными с возможностью вращения вокруг осей, проходящих через центры петель желобов.

Такое исполнение значительно снижает аэродинамическое сопротивление перемещению рабочих органов в потоке и увеличивает эффективность работы энергоустановки, но наличие направляющих желобов и скользяще-поворотных шарниров с параллельными стержнями усложняет кинематическую схему и конструкцию ВЭУ в целом, особенно при объединении нескольких рабочих органов на одну нагрузку, и делает затруднительной эксплуатацию ВЭУ из-за больших открытых участков поверхности трения, снижающих ресурс энергоустановки.

Целью изобретения является упрощение кинематической схемы и трансмиссии установки при воздействии нескольких рабочих органов на одну общую нагрузку (электрогенератор, насос и т.д.), повышение ресурса и упрощение технического обслуживания при эксплуатации такой установки.

Цель достигается отказом от направляющих желобов в виде восьмерок, скользяще-поворотных шарниров и параллельных стержней, а также трансмиссии с вилкообразными рычагами, взаимодействующими с полуосями рабочих органов.

Сущность изобретения заключается в том, что энергоустановка выполнена в виде гидросистемы, включающей в себя три гидроцилиндра первичного преобразователя для каждого приемника энергии и три цилиндра общего вторичного преобразователя. Изменяемые объемы цилиндров первичного и вторичного преобразователей сообщены между собой маслопроводами. В первичном преобразователе центральный гидроцилиндр шарнирно закреплен по раме, соединен со штоками бокового гидроцилиндра, воздействующего на центральный как на качающуюся кулису, и его шток шарнирно соединен с приемником энергии. Угол поворота плоскости приемника энергии по отношению к штоку и направлению движения потока меняется под воздействием штока третьего гидроцилиндра, также подвижно закрепленного на общей раме. Рама, в свою очередь, подвижно закреплена на силовой оси, которая может совпадать с осью центрального цилиндра. Вторичный преобразователь представляет собой два объединенных непроскальзывающей передачей поршневых маслонасоса, передаточное отношение соединяющего их редуктора 1: 2. Два цилиндра маслонасоса параллельны, а третий, сообщенный с боковым гидроцилиндром первичного преобразователя, перпендикулярен им. Длина приемника энергии выбирается соизмеримой с величиной его поступательного перемещения перпендикулярно направлению движущегося потока. Для самоориентации на движущийся поток первичные преобразователи располагаются на общих рамах попарно оппозитно и симметрично относительно направления потока. Для создания равномерного вращающего момента на валу вторичного преобразователя, соединенного с электрическим генератором, все приемники энергии равномерно сдвинуты по фазе движения.

Энергоустановка предназначена для работы преимущественно с асинхронизированным синхронным генератором по а. с. N 1503643, кл. H 02K 17/26, 1986, имеющим свойство накопителя и обеспечивающим независимость качества электроэнергии от скорости потока.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие энергоустановок с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают энергоустановке новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение по мнению автора имеет изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана кинематическая схема работы энергоустановки; на фиг. 2-9 показаны положения первичного и вторичного преобразователей за два оборота выходного вала через каждые 90^o; на фиг. 10 показан вариант объединения последовательным соединением любого количества пар первичных преобразователей с одним общим вторичным преобразователем и электрогенератором.

Энергоустановка состоит по крайней мере из одного первичного преобразователя 1, вторичного преобразователя 2, соединяющих из маслопроводов 3 и электрического генератора 4.

Первичный преобразователь энергии 1 содержит раму 5, подвижно закрепленную на силовой оси 6, на которой также подвижно закрепляются центральный гидроцилиндр 7, боковой гидроцилиндр 8 и третий гидроцилиндр 9, определяющий угол поворота плоскости приемника энергии 10.

Приемник энергии 10 средней частью подвижно закреплен на штоке 11 центрального гидроцилиндра 7 и штоке 12 гидроцилиндра 9. Расстояние l равно величине несимметрии левой и правой петель восьмерки траектории, а расстояние между осями закрепления центрального гидроцилиндра 8 и третьего гидроцилиндра 9 на раме 5 равно половине этой несимметрии, т.е. шток 11 центрального гидроцилиндра 7, шток 12 гидроцилиндра 9 и шток 13 бокового гидроцилиндра 8 противоположными концами жестко соединены с поршнями 14, выполненными в рабочих камерах гидроцилиндров 7, 8 и 9.

При этом в каждом гидроцилиндре 7, 8 и 9 образуются по два изменяемых объема штоковые и бесштоковые полости. Эти измененные объемы сообщены маслопроводами 3 с равнозначными по объему рабочими камерами вторичного преобразователя 2 без каких-либо запорных или регулирующих органов.

Вторичный преобразователь 2 представляет собой два поршневых маслонасоса 15 и 16, объединенных непроскальзывающей передачей таким образом, что частота вращения коленчатого вала маслонасоса 15, работающего на центральный гидроцилиндр 7, в два раза больше частоты вращения коленчатого вала насоса 16, работающего на боковой гидроцилиндр 8 и поворотный гидроцилиндр 9. Это достигается, например, соединением их валов двумя шестернями 17, имеющими передаточное отношение 1:2.

В принципе маслонасос 15 может иметь один цилиндр, а маслонасос 16 два цилиндра, расположенных под прямым (для сдвига по фазе движения на 90^o) углом друг к другу и сообщенных с гидроцилиндрами 7, 8 и 9 маслопроводами 3 как показано на фиг. 2. Но для того, чтобы последовательное сообщение штоковой полости центрального гидроцилиндра 7 с бесштоковой полостью поворотного гидроцилиндра 9 обеспечивало эквивалентное по высоте действие гидроцилиндрам 7 и 9, необходимо или уменьшение диаметра гидроцилиндра 9, как показано на фиг. 2, или компенсация объема, занятого штоком 11, дополнительным цилиндром 18 в насосе 15 при одинаковом диаметре всех гидроцилиндров, как показано на фиг.1.

Действие основного и компенсирующего цилиндров маслонасосов 15 и 16 должно быть одновременным, что достигается, например, расположением их шатунов на одном кривошипе.

Энергоустановка с одним первичным преобразователем 1 работоспособна только при наличии флюгера или другого устройства, принудительно ориентирующего приемник энергии 10 по потоку, что является существенным недостатком.

Для его устранения на раме 5 располагаются попарно по два первичных преобразователя 1. При этом их приемники энергии 10 по высоте силовой оси 6 смещены не менее чем на ширину и располагаются друг против друга относительно направления потока, как показано на фиг. 3.

При необходимости получения значительной единичной мощности установки на вторичный преобразователь 2 последовательным сообщением их измеряемых объемов может быть замкнуто любое количество первичных преобразователей 1, как показано на фиг. 3.

Возможно также параллельное сообщение штоковых и бесштоковых камер первичных и вторичных преобразователей, но в этом случае число цилиндров вторичного преобразователя должно соответствовать общему числу гидроцилиндров первичных преобразователей 1.

Сообщение маслопроводами 3 изменяемых объемов гидроцилиндров первичных преобразователей с равнозначными объемами рабочих камер вторичного преобразователя 2 и заполнение этих объемов, например, маслом вследствие практической несжимаемости жидкости заключают все подвижные элементы описанной конструкции в жесткую кинематическую связь, при которой каждому угловому положению вала электрогенератора 4 и коленчатых валов маслонасосов 15 и 16 соответствует свое единственное пространственное положение поршней гидроцилиндров 7, 8 и 9, а значит, и точек подвижного закрепления приемников энергии 10 на штоках 11 и 12 гидроцилиндров 7 и 9 (точек а и б).

Т. е. здесь применена гидравлическая жесткая кинематическая связь, при которой траектория движения приемников энергии складывается из продольно-поперечного перемещения штоков гидроцилиндров 7, 8 и 9.

Жесткая кинематическая связь элементов энергоустановки определяет взаимозависимость их пространственного положения и обуславливает вращение вала полезной нагрузки при перемещении приемников энергии 10 под давлением (напором) ветра или потока воды и наоборот: вращение валов маслонасосов 15 и 16 обуславливает перемещение приемников энергии 10 по наиболее оптимальному закону, аналогичному закону движения рабочих органов прототипа, когда точка прикрепления приемника 10 к штоку 11 совершает восьмеркообразную траекторию, а сам приемник энергии 10, совершив полезную работу движения прямого потока рабочей плоскостью с одной стороны потока, под действием потока и полезной работы уже других, сдвинутых по фазе движения первичных преобразователей 1 и продолжающих вращение вала вторичного преобразователя 2, возвращается в исходное положение для последующего маха с другой стороны направления потока с концевой кромкой под углом, близким к нулю, чем достигаются значительное снижение аэродинамического (гидродинамического) сопротивления его перемещению и высокая эффективность работы энергоустановки.

Вышеуказанное относится к n-му количеству пар кинематически связанных между собой через вторичный преобразователь 2 приемников энергии 10.

Следует заметить, что, поскольку поворот приемника энергии 10 происходит органически под давлением потока одновременно с возвратно-поступательным перемещением точек его закрепления на штоках 11 и 12, т.е. с созданием изменяющегося от максимума до нуля вращающего момента на валу полезной нагрузки, возможна работа энергоустановки с одной парой оппозитно расположенных приемников энергии 10, если будут созданы условия их перехода через положение (фаза) 3 по инерции, т.к. теоретически для возвращения приемника энергии 10 назад в исходное положение затрат энергии не требуется.

Таким образом, в кинематическую связь должно быть включено две и более пары первичных преобразователей для выравнивания результирующего момента на валу полезной нагрузки, надежного прохождения приемников энергии 10 через точку неустойчивого равновесия плеч и создания значительной единичной мощности энергоустановки.

Ожидаемый КПД предложенной энергоустановки, если пренебречь внутренними механическими и гидравлическими потерями в передачах, будет зависеть от сопротивления перемещению рабочих органов в потоке.

Для снижения сопротивления движению приемников энергии 10 назад в исходное положение навстречу потоку предусмотрен поворот плоскости приемников энергии 10 при помощи штока 12 гидроцилиндра 9 с тем, чтобы его воздействием обеспечивалось движение не плоскостью, а торцевой кромкой.

Следовательно, КПД идеальной энергоустановки с приемником энергии 10, движущимся против потока строго торцевой кромкой (под нулевым углом плоскости к направлению потока), будет равен единице, поскольку, как уже отмечалось, сам поворот плоскости приемника энергии 10 происходит под действием потока с созданием полезного момента, передаваемого на вал вторичного преобразователя, что видно из кинематической схемы фиг. 2, и обратное потребление энергии исключено в любом положении приемника энергии 10.

Теоретический КПД идеализированной (без внутренних потерь) энергоустановки η может быть оценен по формуле

потока на плоскость приемника энергии.

В общем случае КПД установки может быть выражен соотношением

где k конструктивный коэффициент, характеризующей минимальное аэродинамическое сопротивление приемника энергии при обтекании его потоком при Φ = 0;
η_мех коэффициент, характеризующий внутренние механические потери;
η_гидр коэффициент, характеризующий внутренние гидравлические потери.

Таким образом, при углах поворота плоскости приемника энергии к направлению движения потока от 0 до 30^o КПД предложенной установки всегда больше КПД известных ветроколес и гидротурбин, т.к. лежит в пределах η = 1÷0,5.

К достоинствам предложенной энергоустановки следует отнести возможность получения агрегатов любой единичной мощности из-за снятия конструкторско-технологического барьера, присущего известным ВЭУ; более полное использование энергии ветра и потока воды; малую зависимость частоты вращения вала полезной нагрузки, а с применением генератора по а. с. заявки N 4246840 полную независимость от скорости ветра; действие экологических ограничений; более низкие требования к технологии изготовления.

Использование: в области ветро- и гидроэнергетике в качестве автономного энергоисточника. Сущность изобретения: повышение эффективности преобразования, увеличение единичной мощности агрегата, упрощение кинематической схемы и трансмиссии при воздействии нескольких приемников энергии на один электрогенератор, а также получение источника гарантированного электропитания значительной мощности. Технический результат обеспечивается тем, что энергоустановка включает в себя первичный преобразователь 1 в виде приемников энергии 10, подвижно закрепленных на штоках 11, 12 гидроцилиндров 7, 8, 9, вторичный преобразователь 2 в виде двух маслонасосов 15, 16, коленчатые валы которых соединены непроскальзывающей передачей соотношением 1:2, и электрогенератор 4. Сообщение изменяемых объемов гидроцилиндров 7, 8, 9 первичных преобразователей 1 и цилиндров вторичного преобразования маслопроводами 3 образует жесткую кинематическую связь всех подвижных элементов энергоустановки, при которой маховые движения приемников энергии в движущемся потоке вызывают вращение коленчатых валов вторичного преобразователя 2 с суммированием их мощности и, наоборот, вращение коленчатых валов вторичного преобразователя 2 вызывает маховые движения приемников энергии попеременно на разные стороны от направления движущегося потока и возвращение их в исходное положение острой торцевой кромкой с минимальным сопротивлением движущемуся потоку. 10 ил.

Энергоустановка преимущественно для использования энергии ветра, равнинных рек и приливно-отливных течений, содержащая расположенные на одной или нескольких силовых осях самоориентируемые на движущийся поток приемники энергии, преобразователи и связанный с ними с помощью трансмисии электрогенератор, отличающаяся тем, что она выполнена в виде гидросистемы, включающей в себя три гидроцилиндра первичного преобразователя для каждого приемника энергии, три основных и три дополнительных цилиндра общего вторичного преобразователя, полости которых соответственно сообщены между собой маслопроводами, причем в первичном преобразователе центральный гидроцилиндр подвижно закреплен на раме, имеющей возможность поворота вокруг силовой оси, соединен с штоком бокового гидроцилиндра, воздействующего на центральный, как на качающуюся кулису, его шток подвижно соединен с приемником энергии прямоугольной формы, угол поворота плоскости которого по отношению к штоку и направлению движения потока меняется под воздействием штока третьего гидроцилиндра, также подвижно закрепленного на общей раме, а вторичный преобразователь, коленчатый вал которого соединен с электрическим генератором, представляет собой два объединенных через непроскальзывающую передачу соотношением 1:2 поршневых маслонасоса с двумя паралелльными цилиндрами и перпендикулярным им третьим цилиндром, полости которого сообщены с полостями бокового гидроцилиндра первичного преобразователя, при этом длина приемника энергии выбирается соизмеримой величине его поступательного перемещения перпендукулярно направлению движущегося потока, все приемники энергии попарно, во-первых, равномерно сдвинуты по фазе движения и, во-вторых, располагаются симметрично и оппозитно относительно направления движущегося потока.