ВОЛНОЛОМ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ МОРСКИХ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК F03B13/12 

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и предназначено для:
защиты берегов от разрушающего воздействия морских волн;
преобразования энергии морских волн в электрический ток;
ограждения акваторий портов и гаваней в качестве мола с использованием энергии морских волн, преобразованной в электрический ток;
защиты от волн и в качестве волновой электростанции для обеспечения электроэнергией производственных установок, искусственных островов и других сооружений в море.

Известны гидротехнические сооружения и устройства, предназначенные для защиты от воздействия морских волн берегов и ограждений портов и гаваней и преобразующие энергию морских волн в электрический ток (см. патент США N 4.263.516 и N 3.983.404 по кл. 290-54, а также а.с. СССР N 1137234А по кл. F 03 B 13/12).

Из известных гидротехнических сооружений наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является волнолом и генератор электроэнергии (патент США N 4.263.516).

Это сооружение служит для защиты берегов и гаваней и имеет генератор электрического тока, приводимый в действие энергией волн и работающий в периодическом режиме, обусловленном периодичностью волнового процесса.

Набегающая на фронтальную наклонную поверхность сооружения волна достигает высоты, зависящей от содержащейся в ней кинетической энергии. При откате вода открывает находящиеся на наклонной внешней поверхности волнолома затворы и устремляется по каналам, расположенным в теле волнолома, к лопастям турбины электрогенератора. При этом часть неиспользованной воды по фронтальной наклонной поверхности волнолома устремляется в обратную сторону, навстречу очередной набегающей волне и при встрече с ней гасит часть ее кинетической энергии, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) устройства.

Задачей изобретения является создание такой конструкции волнолома модульного типа с преобразователями энергии морских волн, которая, заменяя мол, надежно защищала бы акваторию гавани, берег и другие объекты в море от разрушающего воздействия морских волн и одновременно обеспечивала бы высокий КПД преобразования энергии в непрерывном режиме при периодическом волновом воздействии.

Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции волнолома фронт набегающей волны разделяется на два потока, движущиеся по автономным рукавам или каналам, один из которых прямоточный, работающий в соответствии с периодическим режимом волнового процесса моря, а второй канал
напорный обеспечивает отставание по фазе второго потока от первого так, что сумма фаз дает результирующую в виде непрерывного процесса преобразования энергии набежавшей волны в электрический ток, причем масса воды движущейся волны сжимает воздух, заключенный в водоприемном канале волнолома, и по воздушному трубопроводу, а затем и по напорному каналу подает его на пневматический преобразователь энергии, размещенный в верхней части напорного канала, а масса воды обоих потоков последовательно подается на соответствующие гидротурбины общего для них генератора электрического тока.

Гидротехническое сооружение, служащее для защиты акватории гавани, берега и других сооружений в море от разрушающего воздействия морских волн, состоит из ряда модулей волнолома, располагаемых на внешней границе гавани так, что их фронтальная часть обращена в сторону открытого моря, а тыльная к гавани.

На фиг. 1 представлен продольный вертикальный разрез "А-А", проходящий через прямоточногидравлическую систему каналов; на фиг. 2 продольный вертикальный разрез "B-B", проходящий через пневмогидравлическую систему каналов; на фиг. 3 горизонтальный разрез "C-C", проходящий над пандусом 1, сопловым каналом 2, волноразделительной перегородкой 13, прямоточным каналом 3, гидротурбиной 8, сливным каналом 6 с одной стороны; отводного канала 5, гидротурбины 9, сливного канала 7 с другой стороны, общего для обеих гидротурбин генератора электрического тока 11; на фиг. 4 устройство поплавкового поворотного механизма; на фиг. 5 и 6 действие поплавкового поворотного механизма и положения шибера 21 при подходе и прохождении в прямоточный канал 3 массы воды морской волны; на фиг. 7 и 8 вертикальный продольный разрез "A-A" конструкции перепускного клапана 15 и вид на него со стороны моря; на фиг. 9 последовательность движения потока воды и воздуха и работа перепускного клапана.

Волнолом с преобразованиями энергии морских волн со стороны моря имеет пандус 1, передняя часть которого расположена ниже уровня моря. Пандус 1, постепенно повышаясь над уровнем моря, переходит в донную часть водоприемного соплового канала 2, имеющего боковые стенки и перекрытие. В средней части водоприемного канала 2 расположен поворотный шибер 12, шарнирно закрепленный на перекрытии. За рабочей зоной шибера 12 расположена вертикальная продольная волноразделительная перегородка 13, разделяющая массу воды набежавшей волны на два потока. Канал 2 за шибером 12 имеет уклон в сторону гавани.

По одну сторону от перегородки 13 в канале 2 расположен клапан 14, поворотный механизм 16 которого с поплавком 17 служит для управления работой шибера 21, расположенного в начале прямоточного канала 3. Шибер 21 в закрытом положении препятствует поступлению воздуха, гонимого волной из водоприемного канала 2 в прямоточный канал 3. Воздух, вытесняемый водой, поступает в воздушный трубопровод 27 через поплавковый клапан 26, а после опорожнения напорного канала 4 воздух (или масса воды очередной волны) открывает перепускной клапан 15 и устремляется в напорный канал 4. При заполнении водой водоприемного канала 2 поплавковый клапан 26 закрывается, перекрывая доступ воды в воздушный трубопровод 27; поплавок 17 поворотного механизма 14 всплывает, открывая шибер 21, а поток воды по прямоточному каналу 3 устремляется к лопастям гидротурбины 8. Отдав энергию волны через гидротурбину 8 электрогенератору 11, вода поступает в акваторию гавани через сливной канал 6.

По другую сторону от перегородки 13 к водоприемному каналу 2 примыкает направленный вверх под углом к горизонтали напорный канал 4, в верхней части которого расположен пневматический преобразователь энергии 10, а в нижней части имеется перепускной клапан 15, в рабочей зоне которого расположен проем отводного канала 5, подающего массу воды из канала 4 на лопасти гидротурбины 9 и далее в акваторию гавани. Гидротурбины 8 и 9 симметрично с двух сторон закреплены на валу электрогенератора 11.

На фиг. 4 представлено устройство клапана 14 с поплавковым поворотным механизмом, работа которого показана на фиг. 5 и 6. Клапан 14 состоит из шибера 21, верхняя часть которого шарнирно закреплена на продольной перегородке 13 и противоположной стенке водоприемного канала 2. Шибер 21 имеет с двух сторон соосно расположенные и жестко с ним связанные зубчатые сектора 20, находящиеся в зацеплении с зубчатыми секторами коротких плеч коленчатых рычагов 18, симметрично расположенных и консольно закрепленных осями на продольной перегородке 13 и стенке канала 2, а длинные плечи рычагов 18 жестко связаны с поперечным поплавком 17.

На фиг. 7 показано сечение перепускного клапана 15, а на фиг. 8 вид на клапан 15 со стороны моря. Конструкция перепускного клапана 15 состоит из секторных пластин 23, обеспечивающих жесткость и прочность конструкции и расположенных на равном расстоянии друг от друга; сплошной пластины 24, на верхней поверхности которой жестко закреплены одним краем секторные пластины 23; створок 25, шарнирно закрепленных у края других сторон секторных пластин 23 так, что створки 25 могут открываться только в одну сторону, а в сомкнутом положении они образуют водонепроницаемую поверхность. Перепускной клапан 15 шарнирно закреплен на боковых стенках напорного канала 4 у нижней кромки проема отводного канала 5.

Преобразование энергии морских волн в конструкции волнолома осуществляется следующим способом.

Набегающая и движущаяся по пандусу 1 волна по аналогии с мелководьем приобретает большую высоту и крутизну и входит в волноприемный сужающийся канал 2. Чем выше и круче волна, тем раньше произойдет полное перекрытие массой воды сечения канала 2 и тем больший объем воздуха окажется в свободном пространстве от волны до напорного канала 4. Перекрыв сечение канала 2, масса воды набежавшей волны начинает работать как поршень воздушного насоса, получая ускорение благодаря сужению соплового канала 2, гоня перед собой и сжимая воздух. Давлением воздуха, а затем и воды шибер 12 открывается и остается открытым до завершения прохода всей массы воды.

Так как шибер 21 у прямоточного канала 3 закрыт, воздух устремляется через поплавковый клапан 26 в воздушный трубопровод 27, а в случае отсутствия воды в напорном канале 5 воздух или масса воды очередной волны давят на сплошную пластину 24 (фиг. 7 и 8) перепускного клапана 15 и переводят его в положение, когда глухая пластина 24 перекрывает проем отводного канала 5, а створки 25 под давлением воздуха открываются и пропускают в напорный канал 5 воздух, а затем и воду, как показано на фиг. 9 поз. а), б) и в). Воздух из напорного канала 4 поступает на турбину пневматического преобразователя энергии 10, приводя ее в движение, а отработанный воздух уходит в окружающую среду. Если же напорный канал 4 окажется неопоражненным, то перепускной клапан 15 не откроется и воздух поступит в трубопровод 27, а вода из канала 2 устремится в прямоточный канал 5. Перепускной клапан 15 открывается только при отсутствии воды в напорном канале 4. Следующая за воздухом масса воды, пройдя шибер 12, перегородкой 13 разделяется на два потока. Правый поток воды направляется к поплавку 17 (фиг. 5). Поплавок 17 всплывает и поворачивает коленчатые рычаги 18 вокруг оси 19. Короткие плечи рычагов 18, имеющие форму зубчатого сектора и находящиеся в зацеплении с зубчатыми секторами 20, жестко связанными с шибером 21, поворачивают шибер 21 и прижимают его к перекрытию канала 3, а вода, получившая доступ в прямоточный канал 3, устремляется к лопаткам гидротурбины 8 и, передав им свою энергию, через сливной канал 6 поступает в акваторию гавани. После прохождения фронта волны поплавок 17 опускается, закрывая шибером 21 канал 3.

Левый поток воды, движущийся вслед за воздухом, достигает в напорном канале 4 уровня, соответствующего содержащемуся в ней количеству кинетической энергии, а затем под действием сил гравитации меняет направление потока в напорном канале 4 на обратное, при этом за уходящей из канала 4 водой образуется разряжение и из внешней среды воздух поступает на турбину пневматического преобразователя энергии 10, продолжая вращать ее, и далее сверху проникает в опорожняющийся напорный канал 4.

После прохождения фронта волны по водоприемному каналу 2 шибер 12 закрывается. Остаток массы воды, не вошедший в напорный канал 4, переходит в откат. Но так как шибер 12 закрыт, откат не может уйти навстречу очередной волне и при встрече с ней погасить часть ее энергии. Вода отката устремляется вслед за правым потоком в прямоточный канал 3 и далее на лопасти гидротурбины 8.

После ухода воды из водоприемного канала 2 шибер 21 перекрывает доступ очередному потоку воздуха в прямоточный канал 3.

Вторая фаза преобразования энергии набежавшей волны включается в работу вслед за первой фазой с момента изменения на обратное направление потока воды в напорном канале 4.

Под собственным весом и давлением столба воды в напорном канале 4 створки 25 закрываются и перепускной клапан 15, как показано на фиг. 9 поз. г), д) и е), переводится в положение, когда сплошная пластина 24 перекрывает сечение напорного канала 4, а весь поток воды устремляется в открытый проем отводного канала 5 и далее поступает на лопатки гидротурбины 9, после чего отработанная вода через сливной канал 7 поступает в акваторию гавани.

Во время прохождения массы воды по отводному каналу 5 вторая фаза преобразования энергии приближается к завершению, а в это время в водоприемный сопловой канал 2 поступает очередная набегающая волна и начинается новый цикл преобразования энергии.

Использование: в гидроэнергетике, в частности, в волноломах, снабженных преобразователями энергии морских волн. Сущность изобретения: за пандусом волнолома выполнен сужающийся канал, разделенный посредством продольной перегородки на два рукава, в которых установлены турбины, связанные с общим электрогенератором, в теле волнолома выполнен наклонный канал, а параллельно последнему установлен воздушный трубопровод, их нижние концы подключены к входному участку одного из рукавов, а верхние - к пневматическому преобразователю, при этом перед продольной перегородкой в канале установлен клапан, выполненный в виде шибера, на входе в воздушный трубопровод размещен поплавковый клапан, в нижней части наклонного канала закреплено перепускное устройство, обеспечивающее перекрытие входа в сообщенный с ним рукав, а на входе в другой рукав установлен шибер с поплавковым поворотным механизмом, позволяющим обеспечить открытие при подходе воды. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Волнолом с преобразователями энергии морских волн, содержащий пандус, передняя часть которого расположена ниже уровня моря, водоприемный сужающийся канал, размещенный в теле волнолома, клапаны и гидравлическую турбину, связанную с электрогенератором, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной турбиной, воздушным трубопроводом и пневматическим преобразователем энергии однонаправленного вращения, водоприемный канал разделен посредством продольной перегородки на два рукава, турбины установлены в последних и связаны с электрогенератором, в теле волнолома выполнен наклонный вверх канал, воздушный трубопровод установлен параллельно последнему, нижние концы воздушного трубопровода и наклонного канала подключены последовательно по потоку к входному участку одного из рукавов, а верхние к пневматическому преобразователю, при этом один из клапанов выполнен в виде шибера, шарнирно закрепленного на верхней части водоприемного канала перед продольной перегородкой, второй поплавковым и расположен в нижней части воздушного трубопровода, третий в виде перепускного устройства, установленного в нижней части наклонного канала с возможностью перекрытия входа в сообщенный с ним рукав, а четвертый в виде расположенного на входе в другой рукав и закрепленного в его верхней части посредством шарнирной оси шибера с поплавковым поворотным механизмом, установленного с возможностью его открытия при подходе воды. 2. Волнолом по п.1, отличающийся тем, что перепускное устройство выполнено в виде сплошной пластины с жестко закрепленными на ней параллельными секторными пластинами, связанными проходящей через их вершины общей шарнирной осью, прикрепленной к боковым стенкам наклонного канала у нижней входной кромки рукава, и створок, шарнирно закрепленных осями на секторных пластинах с возможностью образования водонепроницаемой поверхности. 3. Волнолом по п.1 или 2, отличающийся тем, что поплавковый поворотный механизм выполнен в виде шарнирно закрепленного на оси коленчатого рычага, короткое плечо которого снабжено зубчатым сектором, для взаимодействия с зубчатым сектором, соосно закрепленным на шибере, а длинное поплавком, размещенным по потоку перед осью рычага, причем последняя консольно закреплена на продольной перегородке.