УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН В ЭНЕРГИЮ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ УСТРОЙСТВА И ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК F03B13/12 F03B13/22 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения и накопления механической или электрической энергии в качестве движителя для морских транспортных средств путем преобразования энергии волн.

Известна волновая энергетическая установка (заявка СССР N 1451326, F 03 13/12, опубл.1989 г.), в которой плавучий корпус испытывает качку и частично заполняющая его жидкость перемещает края плоского поплавка, находящегося внутри корпуса. Это перемещение через гибкий элемент передается к валу отбора мощности, а последний приводит в действие электрогенератор.

Недостатком данного технического решения является низкий коэффициент полезного действия преобразования энергии волн в энергию перемещений поплавка из-за его инерционных свойств.

Известно устройство для выработки энергии под действием волн (патент США N 4843250, F 03 В 13/12, обпубл. 1990 г), которое содержит цилиндрический плавучий бак, способный качаться на волнах. Внутри бака вблизи его верхней поверхности установлены окружные рельсы, закрепленные на боковых стенках бака, а на оси бака закреплена поворотная ось, на которой перпендикулярно к ней закреплены рычаги, имеющий на своих концах грузы и ролики, перекатывающиеся по рельсам. В данном случае энергия волн, раскачивающих бак, преобразуется в энергию колебательных перемещений рычагов, которая через поворотную ось и гидропомпу передается электрогенератору.

Недостатками данного устройства являются низкий КПД преобразования энергии волн в колебательную энергию, неоправданная сложность конструкции.

Известна волновая энергетическая установка (авторское свидетельство СССР N 1402705, F 03 B 13/22, опубл. 1988 г.) (прототип), содержащая плавучий корпус с размещенными в нем электрогенератором и счетно-решающим устройством, концентрично расположенные вертикальные наружные и внутренние валы, два колеса с поворотными лопастями, имеющими крыловидный симметричный профиль, при этом колеса закреплены на наружном и внутреннем валах соответственно, которые подсоединены к электрогенератору и могут вращаться в противоположных направлениях.

Недостатками такого устройства являются: сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения устройств, осуществляющих несимметричную установку поворотных лопастей, низкий КПД устройства из-за небольшой относительной скорости перемещения воды относительно лопастей, невозможность накопления энергии волн.

Известна волновая электростанция (заявка Японии N 63-32987, F 03 B 13/24, опубл. 1989 г. ) (прототип), которая содержит кольцевой пустотелый поплавок, плавающий на поверхности воды, центральную трубу, проходящую в осевом направлении сквозь центральную часть поплавка и погруженную открытым концом в воду, пневмотурбогенератор, расположенный в трубе и приводимый в движение потоком воздуха в трубе, возникающим из-за вертикальных перемещений поплавка под действием волн.

Недостатками такого устройства являются низкий КПД, связанный с необходимостью отбора мощности непосредственно от воздушного потока отсутствие накопления энергии волн, что ведет к неравномерности процесса преобразования энергии.

Задачей, решаемой данным изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно: повышение КПД преобразования энергии волн, накопление энергии волн в виде механической энергии, обеспечивающее равномерность преобразования энергии волн, расширение области использования устройства, включая использование его в качестве движителя для морских транспортных средств.

Данная задача решается тем, что в устройстве для преобразования энергии волн, содержащеи две вертикальные стенки, жестко связанные между собой посредством преобразующих элементов, расположенных друг над другом и выполненных в виде плоских лопастей крыловидного профиля, профили выполнены изогнутыми и расположены симметрично и зеркально относительно горизонтальной плоскости под острым углом к ней, причем их выпуклые поверхности обращены друг к другу с образованием плавно сужающегося плоского канала, а боковые торцы вплотную закреплены на стенках при этом каждый последующий канал выполнен как продолжение предыдущего.

Вертикальные стенки и боковые торцы профилей выполнены дугообразными, при этом средняя ширина профилей выполнена увеличивающейся к их концу и от предыдущего канала к последующему. Кроме того, вертикальные стенки могут быть выполнены в виде соосных цилиндрических колец, при этом внешняя стенка в средней части выполнена с кольцевым разрезом, равным по высоте наименьшей высоте плоского канала профилей, имеющих форму кольцевых сегментов, а стенки жестко связаны с трубчатым валом, закрепленным с возможностью вращения на вертикальном неподвижном валу.

Корме того, данная задача решается тем, что в волновой электростанции, содержащей цилиндрический плавучий бак, частично заполненный водой, центральную трубу, проходящую в осевом направлении через центральную часть дна бака и погруженную открытым концом в воду, неподвижный центральный ал, проходящий в осевом направлении через трубу и закрепленный на дне, возможно, с помощью якоря, с наружной стороны бака, несколько ниже его верхней поверхности крепится устройство для преобразования энергии волн с кольцеобразной вертикальной стенкой, внутренняя часть бака разделена сплошными стенками, идущими радиально, на несколько секторов, а внутри трубы закреплен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг вертикальной оси бака трубчатый вал отбора мощности, на котором закреплены спиралеобразные лопасти, при этом труба и трубчатый вал через систему жестких связей и подшипников связаны между собой с возможностью относительного вращения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство с параллельными вертикальными стенками и идентичными преобразующими элемента, на фиг.2 устройство с дугообразными вертикальными стенками и расширяющимися к концу элементами, на фиг.3 устройство с цилиндрическими соосными вертикальными и преобразующими элементами, имеющими форму кольцевых сегментов, на фиг.4 схема взаимодействия преобразующих элементов с поперечно колеблющейся относительно них жидкостью, на фиг.5 волновая электростанция, а на фиг.6 схема, поясняющая принцип работы волновой электростанции.

На вертикальных стенках 1 жестко закрепляются преобразующие элементы 2. Если преобразующие элементы 2 выполнены идентичными и прямоугольной формы, то они закрепляются на параллельных вертикальных стенках (фиг.1); если преобразующие элементы 2 имеют дугообразные боковые торцы своих лопастей 4 и выполнены расширяющимися, то они закрепляются на вертикальных дугообразных стенках (фиг.2); если преобразующие элементы 2 имеют форму кольцевого сегмента, то они закрепляются на цилиндрических соосных вертикальных стенках (фиг. 3, на этой фиг. изображена для простоты часть устройства).

Преобразующий элемент 3 состоит из двух плоских лопастей обтекаемой формы 4, которые связаны между собой жесткими связями 3 так, что между выпуклыми поверхностями лопастей, обращенными друг к другу, образуется плоский суживающийся канал с малым входным сопротивлением. Преобразующие элементы 2 закрепляются на вертикальных стенках 1 так, что конец одного элемента расположен между лопастями последующего, а между верхними лопастями двух соседних элементов, так же как и между нижними, имеется зазор, высота которого соизмерима с половиной расстояния между лопастями преобразующего элемента, при этом элементы закреплены на стенках без образования щелей между стенкой и боковыми торцами лопастей.

В устройстве с цилиндрическими соосными вертикальными стенками (фиг.3) внутренняя стенка 1 жестко связана связями 7 с трубчатым валом отбора мощности 6, который закреплен с возможностью вращения вокруг общей оси цилиндрических стенок на неподвижном валу 3, закрепленным или на дне, возможно, с помощью якоря, или на каком-либо плавающем устройстве, или с использованием и того и другого. Внешняя цилиндрическая стенка 1 имеет посредине кольцевой разрез высотой равной высоте самой узкой части плоского канала между лопастями преобразующего элемента.

В волновой электростанции (фиг.5) к цилиндрической поверхности плавучего бака 10 крепятся преобразующие элементы 2, имеющие форму кольцевого сегмента, без образования щелей между поверхностью и боковыми торцами лопастей 4, а к противоположным боковым торцам лопастей 4 элементов 2 крепится вертикальная цилиндрическая стенка 1, имеющая посредине кольцевой разрез. Поверхность бака сплошными вертикальными стенками 3, делящими внутреннюю полость бака на несколько секторов, соединена с трубой 9, имеющей начальный участок 12 с малым входным сопротивлением. Труба 9 жесткими связями 7 с помощью подшипников 14 связана с трубчатым валом отбора мощности 6, на котором закреплены спиралеобразные лопасти 13, а трубчатый вал закреплен с возможностью вращения вокруг оси бака на неподвижном валу 5, который закрепляется на дне. Система креплений обеспечивает возможность относительного вращения вала отбора мощности и трубы 9, проходящей сквозь дно бака 11.

Элементы 2 закреплены на поверхности бака ниже его верхнего края на таком уровне, чтобы волны, захлестывая верхние лопасти 4, не перехлестывали через края бака, этим же условием обусловлена степень погружения бака в воду. Труба 9 относительно бака 10 расположена таким образом, чтобы ее верхний конец находился на уровне, лежащем ниже уровня моря, при этом не исключена возможность того, что верхний конец трубы 9 расположен на уровне дна бака, а плавучесть бака обеспечивается поплавками, закрепленными на его поверхности, это зависит от размеров бака и режима работы.

Устройство для преобразования энергии волн работает следующим образом.

Набегающая на устройство волна вызывает колебательные перемещения жидкости относительно устройства. При этом часть направленного снизу вверх потока жидкости, попадая в область между вертикальными стенками 1, взаимодействует с нижними лопастями 4 преобразующих элементов 2 (фиг.4, нижний рис.), в то время как часть того же потока, огибая выпуклые поверхности вертикальных стенок 1 и перетекая поверх верхних краев стенок, воздействует на верхние лопасти элементов 2. Кроме того, на верхние лопасти элементов воздействует поток жидкости, обусловленный тем, что волна, обладая ударными свойствами, захлестывает верхние лопасти. Вертикальная составляющая скорости потока жидкости в результате взаимодействия потока с верхними и нижними лопастями 4 преобразующих элементов меняет свое направление на горизонтальное (фиг.4, верхний рис.). В плоском канале между верхним и нижним рядом лопастей 4 преобразующих элементов возникает течение, скорость которого, направленная вдоль горизонтальной оси канала, в некоторой степени будет возрастать от элемента к элементу. Таким образом, преобразующие элементы преобразуют вертикальные смещения жидкости, вызванные колебаниями среды относительно устройства, в горизонтально направленный поток жидкости. В результате на выходе устройства выбрасывается поток жидкости, имеющий горизонтально направленный импульс, вследствие чего по закону сохранения импульса на устройство в противоположном направлении будет действовать сила, определяемая формулой:

где F сила, действующая на устройство;
P импульс жидкости;
ρ- плотность жидкости;
v площадь поперечного сечения выходного канала устройства;
V скорость жидкости.

Таким образом, устройство (фиг.1 и фиг.2) может быть использовано в качестве движителя для морских транспортных средств.

Взаимодействие волн с устройством, имеющим цилиндрические вертикальные стенки (фиг. 3) приводит к тому, что поток воды, протекающий в плоском канале, образованном лопастями элементов, выбрасывается по касательной через кольцевой разрез внешней стенки. В результате возникающий момент сил закручивает устройство, а следовательно и жестко связанный с ним вал отбора мощности 6 вокруг вертикальной оси устройства, с которого вращение передается каким-либо известным способом на вал элетрогенератора. В данном случае устройство может быть использовано в качестве стационарных или переносных энергоустановок относительно небольшой мощности, преобразующих энергию волн в электрическую энергию.

Волновая электростанция работает следующим образом.

В результате воздействия волн на лопасти преобразующих элементов устройства с цилиндрической вертикальной стенкой, (фиг.5), на него действует вращающий момент, закручивающий жестко связанный с устройством бак 10 вокруг его вертикальной оси. Жидкость, не полностью заполняющая бак благодаря сплошным вертикальным стенкам 8, также начинает вращаться, в результате чего происходит перераспределение давления (фиг.6). Давление вблизи оси вращения уменьшается, увеличиваясь к краям бака пропорционально расстоянию в квадрате до оси вращения, что иллюстрируется формой поверхности вращающейся жидкости. Поскольку в начальном положении, когда бак неподвижен, уровень жидкости в баке совпадал с уровнем спокойного моря, то во вращающемся баке вблизи его оси вращения, непосредственно над верхним концом трубы 9, уровень жидкости будет ниже уровня моря, вследствие чего нарушится гидростатическое равновесие между глубинными, не участвующими во вращательном движении, слоями жидкости под трубой и поверхностными слоями над трубой. Перепад давления, вызванный отклонением от состояния гидростатического равновесия, создает движущийся вертикально вверх по трубе поток жидкости, который, воздействуя на спиралеобразные лопасти 13, закрепленные на валу отбора мощности 6, заставляет его вращаться вокруг вертикальной оси бака с вала вращение передается электрогенератору. Положение верхнего края трубы 9 относительно верхнего края бака 10, т.е. расстояние (фиг.6) определяется исходя из формы вращающейся поверхности, зависящей от режима работы, т.е. от угловой скорости вращения бака и диаметра бака, при этом верхний край трубы должен совпадать с нижним уровнем поверхности, а верхний край бака с верхним уровнем вращающейся поверхности, при этом в расчет принимается только то количество жидкости, которое было в баке до его вращения. Степень погружения бака в воду, высота H определяется из тех же условий, а уровень закрепления лопастей преобразующих элементов определяется с учетом того, что вблизи вращающейся наружной поверхности бака уровень жидкости понижен в сравнении с уровнем спокойного моря, т.е. с учетом высоты h (заметим, что отсчет высот идет от уровня спокойного моря), при этом устройство для преобразования энергии волн закрепляется на поверхности бака так, чтобы кольцевой разрез на внешней цилиндрической стенке устройства находился на уровне h.

Использование устройства для преобразования энергии волн и волновая электростанция позволит повысить КПД преобразования энергии волн, накапливать энергию волн в виде механической энергии, тем самым обеспечивая равномерность преобразования энергии волн, расширить область использования устройства, включая использование его в качестве движителя для морских транспортных средств.

Использование: в гидроэнергетике и может быть использовано для получения и накопления механической или электрической энергии в качестве движителя для морских транспортных средств. Сущность изобретения: устройство для преобразования энергии волн содержит две вертикальные стенки, жестко связанные между собой посредством преобразующих элементов, расположенных друг над другом и выполненных в виде плоских лопастей крыловидного профиля, последние выполнены изогнутыми и расположены симметрично и зеркально относительно горизонтальной плоскости под острым углом к ней, причем их выпуклые поверхности обращены друг к другу с образованием плавно сужающегося плоского канала, а боковые торцы вплотную закреплены на стенках, при этом каждый последующий канал выполнен как продолжение предыдущего. Волновая электростанция содержит цилиндрический плавучий бак, частично заполненный водой, центральную трубу, проходящую в осевом направлении через центральную часть дна бака и погруженную открытым концом в воду, неподвижный центральный вал, проходящий в осевом направлении через трубу и закрепленный на дне, возможно, с помощью якоря с наружной стороны бака, несколько ниже его верхней поверхности закреплено устройство для преобразования энергии волн с кольцеобразной вертикальной стенкой, внутренняя часть бака разделена сплошными стенками, идущими радиально, на несколько секторов, а внутри трубы закреплен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг вертикальной оси бака трубчатый вал отбора мощности, на котором закреплены спиралеобразные лопасти, при этом труба и трубчатый вал через систему жестких связей и подшипников связаны между собой с возможностью относительного вращения. 2 с.н 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для преобразования энергии волн, содержащее две вертикальные стенки, жестко связанные между собой посредством преобразующих элементов, расположенных друг над другом и выполненных в виде плоских лопастей крыловидного профиля, отличающееся тем, что профили выполнены изогнутыми и расположены симметрично и зеркально относительно горизонтальной плоскости под острым углом к ней, причем их выпуклые поверхности обращены друг к другу с образованием плавно сужающегося плоского канала, а боковые торцы вплотную закреплены на стенках, при этом каждый последующий канал выполнен как продолжение предыдущего. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные стенки и боковые торцы профилей выполнены дугообразными, при этом средняя ширина профилей выполнена увеличивающейся к их концу и от предыдущего канала к последующему. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные стенки выполнены в виде соосных цилиндрических колец, при этом внешняя стенка в средней части выполнена с кольцевым разрезом, равным по высоте наименьшей высоте плоского канала профилей, имеющих форму кольцевых сегментов, а стенки жестко связаны с трубчатым валом, закрепленным с возможностью вращения на вертикальном неподвижном валу. 4. Волновая электростанция, содержащая цилиндрический плавучий бак, частично заполненный водой, центральную трубу, проходящую в осевом направлении через центральную часть дна бака и погруженную открытым концом в воду, неподвижный центральный вал, проходящий в осевом направлении через трубу и закрепленный на дне, возможно, с помощью якоря, отличающаяся тем, что с наружной стороны бака, несколько ниже его верхней поверхности, закреплено устройство для преобразования энергии волн с кольцеобразной вертикальной стенкой, внутренняя часть бака разделена сплошными стенками, идущими радиально, на несколько секторов, а внутри трубы закреплен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг вертикальной оси бака трубчатый вал отбора мощности, на котором закреплены спиралеобразные лопасти, при этом труба и трубчатый вал через систему жестких связей и подшипников связаны между собой с возможностью относительного вращения.