УСТРОЙСТВО С ЛОПАСТЯМИ В ОДИН РЯД ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1997 года по МПК F03B13/10 

Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике, в частности к устройствам для отбора энергии текучей среды, главным образом водных потоков и ветра, для последующего преобразования в электроэнергию.

Известен ветроагрегат по патенту США 5044878 от 3.09.91 г. МКИ F 03 D 3/02, содержащий вертикальный вал с закрепленными на нем двумя цилиндрическими секциями с верхним, промежуточным и нижним держателями, между которыми закреплены по три лопасти, расположенные радиально и параллельно валу, которые состоят из трех плоских подлопастей. Недостатком ветроагрегата является то, что на его базе не может быть построен ветроагрегат значительной единичной мощности из-за большого сопротивления плоским подлопастям при их обратном движении навстречу ветру, а это снижает КПД и мощность агрегата. Из-за плоской конструкции подлопастей агрегат не может быть использован для отбора энергии водных потоков, т.к. из-за больших по сравнению с воздухом плотности и вязкости воды торможение подлопастей при обратном ходе в воде будет чрезвычайно высоким.

Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление устройства для отбора энергии текучей среды и повышение его надежности, КПД и мощности путем устранения малоэффективных внутренних лопастей и оптимального в зависимости от мощности и диаметра устройства увеличения числа внешних лопастей оптимальных же размеров без угловых зазоров между ними или с некоторыми взаимными угловыми перекрытиями, чтобы лопасти, двигаясь в рабочем положении вогнутыми сторонами к потоку среды и постоянно сменяя друг друга из-за вращения устройства под действием потока, не допускали его бесполезного прорыва между собой, использовали его при этом по ширине больше радиуса устройства и сводили к минимуму сопротивление потока выпуклыми сторонами лопастей при их возвращении в рабочее положение, т.к. они в этом случае следуют близко друг за другом и каждая впереди двигающаяся лопасть и особенно первой хоть и на короткое время встречающая набегающий поток и повернутая к нему в этот наиболее острой и узкой частью ослабляют его воздействие на последующие лопасти.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, разрез по вертикали, вид сверху.

Штрихами представлена первая модификация лопастей. У каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 3,75^o, большая дуга с ее хордой в 11,25^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 7,5^o, их число по окружности 48.

Сплошными линиями представлена вторая модификация лопастей. У каждой лопасти дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5^o, большая дуга с ее хордой в 22,5^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 15^o, их число по окружности 24.

На фиг. 2 показан разрез устройства по горизонтали, вид сверху. Сплошными линиями представлена третья модификация лопастей. У каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5^o, большая дуга с ее хордой в 22,5^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 15^o, их число по окружности 16.

Четвертая модификация лопастей связана по чертежу с третьей. У каждой лопасти этой модификации меньшая дуга и ее хорда накладывается на меньшую дугу и ее хорду третьей модификации и представлены сплошными линиями, т.е. перекрывают центральный угол в 7,5^o, хорда большей дуги частично идет по сплошной линии хорды третьей модификации и продолжается штрихами, сама большая дуга полностью представлена штрихами и перекрывает с ее хордой центральный угол в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16.

Пятая модификация лопастей представлена штрихами. У каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 15^o, большая дуга с ее хордой в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16.

На фиг. 3 показан вертикальный разрез устройства в воде ниже льда для отбора энергии водных потоков с углубленным в дно массивным основанием, волнистые линии у которого справа и слева свидетельствуют о том, что оно соединено с такими же основаниями соседних устройств с закрепляемым в нем с помощью подшипников валом, на который насажаны три секции, прикрепляемым к валу выше секций механизмом передачи энергии вращения вала в генератор, который размещен в герметичной капсуле, прикрепляемой к валу с помощью подшипников, с насажанным сверху вала подшипником, который для устойчивости устройства, конструкциями жестко связан с такими же подшипниками соседних устройств.

На фиг. 4 показан вертикальный разрез устройства на поверхности земли или крыше здания для отбора энергии ветра. Отличие от предыдущего: механизм передачи энергии вращения к генератору и генератор без герметичной капсулы расположены ниже секций.

На фиг. 5 показано размещение устройств в глубоководной реке вдоль берегов с сохранением фарватера. Так как ближе к середине реки скорость воды выше, то у левого берега по течению размещены устройства с вращением против часовой стрелки, у правого против часовой стрелки. Цифрами 5 и 9 показаны соединяющие устройства основания и верхние конструкции для обеспечения устойчивости устройств. Цифрой 12 отмечен кабель, по которому электроэнергия от генераторов подается в блок 18, где она от разных генераторов преобразуется, суммируется, синхронизируется с действующей сетью и далее подается в сеть 19 потребителям.

На фиг. 6 показано размещение устройств на дне вдоль берега судоходной бухты, где регулярно происходят приливы и отливы; на фиг. 7 размещение устройств на возвышенности; на фиг. 8 размещение устройств на крышах зданий разных конфигураций; на фиг. 9 вертикальный разрез платформы для отбора энергии морских и океанских течений (по ее длине размещены 5 устройств); на фиг. 10 показан вид сверху четырех платформ в море или океане, на каждой платформе по 15 устройств.

Устройство состоит из вала 1 отбора энергии, цилиндрических секций, собираемых из верхних и нижних держателей 3 с закрепленными между ними лопастями 2.

Каждая лопасть на фиг. 1 и 2 состоит из двух сопряженных дуг разных размеров. Лопасти 2 между держателями 3 укреплены в один ряд с привязкой крайних наружных кромок внешним окружностям держателей 3, их профили представляют собой две сопряженные дуги разной величины выпуклыми сторонами по часовой стрелке, крайняя дальняя точка меньшей дуги расположена на внешней окружности держателя 3, ее другой крайней точкой является точка сопряжения с большой дугой и одновременно пересечения с хордой, направленной по часовой стрелке под углом 45^o к радиусу, проведенному от оси вала 1 к первой точке, другой крайней точкой большей дуги служит точка ее пересечения с хордой, проведенной от точки ее сопряжения с меньшей дугой под углом 90^o к хорде последней против часовой стрелки, такая конструкция лопастей 3 обеспечивает максимальное давление потока на вогнутые стороны лопастей 2 при их рабочем ходе и его минимальное сопротивление выпуклым сторонам при возвращении лопастей 2 в предрабочее положение и соответственно вращение устройства по часовой стрелке при попадании на него потока с любого направления, для его вращения против часовой стрелки достаточно перевернуть все устройство или только секции так, чтобы верх стал низом, а низ верхом, лопасти 2 перекрывают друг друга по центральному углу и не допускают бесполезного прорыва потока между ними, при этом он используется по ширине больше радиуса устройства, в зависимости от величины перекрываемой каждой лопастью 2 центрального угла и угла между ними устройство имеет 5 модификаций.

Первая модификация: у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 3,75^o, большая дуга с ее хордой в 11,25^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 7,5^o, их число по окружности 48.

Вторая модификация: у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5^o, большая дуга с ее хордой 22,5^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 15^o, их число по окружности - 24.

Третья модификация: лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16.

Четвертая модификация: у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5^o, большая дуга с ее хордой в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16.

Пятая модификация: у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 15^o, большая дуга с ее хордой в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности - 16.

Путем варьирования размерами лопастей с меньшей дугой от 3^o до 15^o и большей дугой больше меньшей дуги от трех до шести раз и углами смещения между лопастями в 7,5, 9, 10, 12, 15, 18, 20 и 22,5^o, т.е. на углы, которые укладываются в окружность в 360^o целое число раз, с обязательными угловыми перекрытиями лопастями друг друга или, в крайнем случае, без угловых зазоров между ними достигается максимальная эффективность устройства. При смещении лопастей друг от друга на углы меньше 7,5^o и больше 22,5^o даже при перекрытиях лопастями друг друга эффективность устройства падает, т.к. при частом расположении лопастей поток воды или ветер при рабочем ходе лопастей давят только на их крайние части, при слишком редких лопастях возрастает сопротивление их обратному ходу.

На устройства с указанными конфигурацией лопастей и их размещением в держателях поток воды или ветер могут поступать с любой стороны, на фиг. 1 и 2 для простоты описания это направление показано только с одной стороны, они будут вращаться по часовой стрелке при взгляде сверху вниз. Для обеспечения вращения устройств против часовой стрелки достаточно перевернуть их секции.

На фиг. 3 и 4 показаны вертикальные разрезы энергоагрегатов для отбора энергии водных потоков и ветра с рассмотренными выше устройствами из трех секций с валами 1, держателями 3 и подразумеваемыми, но не нарисованными, лопастями. Далее в состав агрегатов входят нижние подшипники 4, основания агрегатов 5, соединенные для устойчивости с основаниями соседних агрегатов, электрогенераторы 6, механизмы передачи энергии вращения устройств в генераторы 7, верхние подшипники 8, конструкции 9, соединенные агрегаты с соседними агрегатами для устойчивости, кабели 12, отводящие электроэнергию от генераторов к блокам, в которых она преобразуется, суммируется от многих энергоагрегатов, синхронизируется с действующей сетью и далее передается в сеть потребителям. Гидроэнергоагрегат устанавливается на дне 16, ветроэнергоагрегат на земле или крыше здания 17. У гидроэнергоагрегата, фиг. 3, добавляются: прикрепляющаяся к верхней конструкции 9 герметичная капсула 11, в которой размещается электрогенератор 6, герметичный подшипник 10, через который проходит вал механизма 7 передачи энергии вращения устройства в электрогенератор 6, нижний держатель капсулы 13, подшипник 14, с помощью которого этот держатель прикрепляется к валу отбора энергии 1. При достаточно надежном креплении капсулы 11 к конструкции 9 нижний держатель 13 и его подшипник 14 можно не устанавливать. И, наконец, в зимнее время на поверхности водных потоков устанавливается лед 15.

Для удобства обслуживания, ремонта и замены у гидроэнергоагрегата, размещенного на дне, фиг. 3, электрогенератор 6 в герметичной капсуле 11 размещается выше устройства, а у ветроэнергоагрегата, фиг. 4, генератор размещается ниже устройства.

На фиг. 5 схематично показано размещение гидроэнергоагрегатов вдоль берегов реки, чтобы не мешать судоходству. Учитывая, что течение реки ближе к середине сильнее, в соответствии с направлением потока у правого берега устанавливаются устройства, вращающиеся по часовой стрелке, у левого против часовой стрелки. Одной чертой с цифрами 5 и 9 показаны соединяющие соседние гидроэнергоагрегаты для устойчивости нижние основания и верхние конструкции. Т. к. у этих агрегатов генераторы расположены выше устройств, то по верхним конструкциям агрегатов правого и левого берегов, от агрегатов левого берега к правому по дну и далее на правый берег прокладывается кабель 12, по которому электроэнергия от генераторов энергоагрегатов поступает в блок 18, где электроэнергия от разных агрегатов преобразуется, суммируется, синхронизируется с действующей трехфазной сетью 19, и далее от блока 18 передается в сеть 19 потребителям. На фиг. 5 показаны также берега реки 20.

На фиг. 6 схематично показано размещение гидроэнергоагрегатов на дне вдоль берега 20 судоходной бухты, где регулярно происходят приливы и отливы. Так же как на фиг. 5, здесь одной чертой показаны соединяющие для устойчивости соседние гидроэнергоагрегаты нижние основания 5 и верхние конструкции 9. Т. к. генераторы у этих агрегатов расположены выше устройств, то по верхним соединительным конструкциям и далее на берег бухты прокладывается кабель 12, по которому электроэнергия от генераторов этих агрегатов направляется в блок 18, где она преобразуется, суммируется от разных агрегатов, синхронизируется с действующей трехфазной сетью 19, и от блока 18 передается в сеть 19 потребителями.

На фиг. 7 схематично показано размещение ветроэнергоагрегатов на возвышенности, контуры которой очерчены извилистой линией 21. Также одной чертой показаны нижние основания 5 и верхние конструкции 9. Т.к. у ветроагрегатов генераторы располагаются ниже устройств, то кабели 12 от генераторов прокладываются по нижним основаниям и электроэнергия по ним направляется в блок 18 и далее, как и в предыдущие случае.

На фиг. 8 также схематично показано возможное размещение ветроэнергоагрегатов на крышах зданий 22 разных конфигураций. Для уменьшения вибрации производится тщательная центровка устройств и под их основания подкладываются резиновые амортизаторы.

Для отбора практически неограниченных объемов энергии морских и океанских течений предлагается создание платформ, на которых монтируется несколько гидроэнергоагрегатов. На фиг. 9 показаны вертикальный разрез одной из платформ 23, по длине которой размещены пять гидроэнергоагрегатов с устройствами описанной выше конструкции из трех секций. Указаны валы отбора энергии 1, дисковые держатели лопастей 3, механизмы 7 передачи энергии вращения устройств в электрогенераторы и сами генераторы 6. Верхняя часть валов равна высоте платформы, чтобы под напором течения устройства не выворачивались из платформы. Для предотвращения выскальзывания достаточно тяжелых устройств из платформы вниз в верхних частях валов внутри платформы имеются по два наплыва, верхний и нижний, которые закрепляются в верхних и нижних подшипниках 4 и обеспечивают устойчивое вращение устройств. Нижние подшипники 4 делаются герметичными. Оборудование агрегатов, т.е. верхние части валов, подшипники 4, механизмы передачи энергии 7 и генераторы 6 размещены в отсеках с герметичными переборками 29, которые обеспечивают дополнительную жесткость конструкции платформы и ее плавучесть при прорыве воды в любой из отсеков. В переборках для прохода ремонтников делаются герметично закрывающиеся люки. Для уменьшения плавучести платформы и облегчения ее погружения на нужную глубину, чтобы не мешать судоходству, платформа обеспечивается балластными цистернами 24. Для удержания платформы на определенной глубине и в определенном месте она прикрепляется к дну моря или океана 16 с помощью тросов 25 и якорей 26. Для погружения платформы на нужную глубину, кроме закачивания воды в балластные цистерны 24, предусмотрено ее подтягивание к якорям 26 четырьмя тросами 25 с помощью установленных в специальных отсеках по углам платформы четырех лебедок 27, которые при необходимости путем отматывания тросов 25 позволяют всплыть платформе для капитального осмотра и ремонта платформы и ее оборудования. При полном вытеснении воды из балластных цистерн обеспечивается такая плавучесть платформы, которая позволяет подтянуть к ней якоря с помощью лебедок для последующего буксирования платформы в нужное место. Поверхность моря или океана отмечена цифрой 28.

В качестве примера на фиг. 10 показано размещение четырех платформ, в каждой из которых по 15 гидроэнергоагрегатов, электроэнергия от их генераторов по кабелям 12 собирается в одном месте одной из ближайших к берегу платформ и далее по объединенному кабелю направляется на берег 20 в блок 18 и в сеть 19. Платформы предусмотрено строить на заводах и потом буксировать их к месту установки. Размеры платформ и соответственно объем получаемой от нее энергии ограничивается прочностью конструкционных материалов и возможностями завода-изготовителя и буксиров. Для уменьшения трения о воду, защиты от коррозии и морских организмов устройства имеют специальные покрытия.

Таким образом, предлагается устройство для получения электроэнергии абсолютно экологически чистым способом от природных процессов водных потоков и ветра и в таких объемах, которые покроют значительную часть потребности в ней и можно будет в немалой степени отказаться от наносящих природе атомных, тепловых и плотинных электростанций. Устройство просто в строительстве и надежно в эксплуатации. Возможно массовое производство таких устройств по типоразмерам в зависимости от мощности гидро(ветро)энергоагрегатов.

Изобретение предназначено для работы в составе гидро- и ветроагрегатов. Сущность изобретения: устройство имеет простую и надежную конструкцию, высокие КПД и мощность благодаря тому, что: вал отбора энергии расположен вертикально, на него насаживаются цилиндрические секции, высота, диаметр и число которых определяются мощностью устройства и глубиной потока среды, энергия которого отбирается, состоящие из верхних и нижних дисковых держателей и закрепленного между ними параллельно валу по внешним концентрическим окружностям оптимального числа лопастей оптимальных размеров без угловых зазоров или с некоторыми взаимными угловыми перекрытиями, профилирование которых выполнено в виде двух сопряженных дуг разной величины, причем большая дуга размещена ближе к валу, меньшая - дальше, а хорды дуг взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45^o к радиусу, проведенному от оси вала к крайней дальней точке меньшей дуги и ее хорды на внешней окружности держаталей, при таких профиле, размерах и размещении лопасти при рабочем движении вогнутыми сторонами к потоку не допускают его бесполезного прорыва между собой, позволяют использовать его по ширине больше радиуса устройства и сводят к минимуму сопротивление потока их выпуклым сторонам при возвращении в рабочее положение. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство с лопастями в один ряд для отбора энергии текучей среды, содержащее вертикальный вал с насаженными на нем цилиндрическими секциями, состоящими из верхних и нижних держателей и закрепленных между ними параллельно валу лопастей, отличающееся тем, что все секции имеют свои верхние и нижние держатели, секции унифицированы, насаживаются на вал и снимаются с него последовательно друг за другом без нарушения целостности соседних секций, секции на валу имеют суммарную высоту, не превышающую глубину потока, энергию которого отбирают, для преобразования отбираемой энергии в электроэнергию оно сопряжено с генератором с помощью механизма передачи энергии вращения, для получения энергии в необходимых объемах устройства устанавливают рядом друг с другом, электроэнергию от генераторов подают по кабелям в блок, где она преобразуется, суммируется, синхронизируется с действующей сетью и далее подается в сеть потребителям. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для отбора энергии рек, приливов и отливов в неглубоких бухтах их устанавливают ниже кромки льда в подшипники на массивные основания, заглубляемые в дно, для устойчивости основания соседних устройств объединены и соединены жесткими конструкциями их подшипники, насаживаемые на верхние части валов, к валам выше секций прикреплены механизмы передачи энергии вращения в генераторы и с помощью подшипников герметичные капсулы с размещенными внутри генераторами. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для отбора энергии морских и океанских течений и глубоководных приливов и отливов их монтируют на герметичной платформе по несколько штук, верхнюю часть валов, равную высоте платформы, закрепляют в ней с помощью двух наплывов, зажимаемых верхним подшипником внутри платформы и нижним герметичным, на высовывающиеся из платформы вниз части валов насаживают секции, верхние подшипники, механизмы передачи энергии вращения в генераторы и генераторы каждого устройства размещают в отдельном отсеке платформы с герметичными переборками, обеспечивающими жесткость платформы и ее плавучесть при прорыве воды в любой из отсеков, в одной из переборок каждого отсека или двух, если он проходной, сделаны отверстия с герметично закрывающимися дверками для прохода ремонтников, платформа имеет балластные цистерны, по углам лебедки с тросами и якорями, ее погружают в нужном месте на глубину, чтобы не мешала судоходству, закачиванием воды в цистерны, спуском якорей на дно и подтягиванием лебедками к якорям, поднимают продуванием цистерн сжатым воздухом, разматыванием троса, при полном вытеснении воды из цистерн плавучесть платформы позволяет подтянуть к ней якоря для ее ремонта и буксировки в намеченное место, для защиты от коррозии и морских микроорганизмов нижняя часть валов, секции и платформа имеют специальное покрытие. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для отбора энергии ветра их размещают на возвышенностях и крышах домов, в последних случаях с одной секцией, подкладкой под основания резиновых амортизаторов и тщательной центровкой, устанавливают в подшипники на массивные основания, для устойчивости основания соседних устройств объединяют и соединяют жесткими конструкциями их подшипники, насаживаемые на верхние части валов, механизмы передачи энергии вращения к генераторам и генераторы монтируют ниже секций. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лопасти между держателями укреплены в один ряд с привязкой крайних наружных кромок к внешним окружностям держателей, их профили представляют собой две сопряженные дуги разной величины выпуклыми сторонами по часовой стрелке, крайняя дальняя точка меньшей дуги расположена на внешней окружности держателя, ее другой крайней точкой является точка сопряжения с большей дугой и одновременно пересечения с хордой, направленной по часовой стрелке под углом 45^o к радиусу, проведенному от оси вала к первой точке, другой крайней точкой большей дуги служит точка ее пересечения с хордой, проведенной от точки ее сопряжения с меньшей дугой под углом 90^o к хорде последней против часовой стрелки, такая конструкция лопастей обеспечивает максимальное давление потока на вогнутые стороны лопастей при их рабочем ходе и его минимальное сопротивление выпуклым сторонам при возвращении лопасти в предрабочее положение и соответственно вращение устройства по часовой стрелке при попадании на него потока с любого направления, для его вращения против часовой стрелки достаточно перевернуть все устройство или только секции так, чтобы верх стал низом, а низ верхом, лопасти перекрывают друг друга по центральному углу и не допускают бесполезного прорыва потока между ними, при этом он используется по ширине больше радиуса устройства, в зависимости от величины перекрываемой каждой лопастью центрального угла и угла между ними устройство имеет 5 модификаций. 6. Устройство по п. 5, отличающийся тем, что у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 3,75^o, большая дуга с ее хордой в 11,25^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 7,5^o, их число по окружности 48. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5, большая дуга с ее хордой в 22,5, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 15^o, их число по окружности 24. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16. 9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 7,5^o, большая дуга с ее хордой в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16. 10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что у каждой лопасти меньшая дуга с ее хордой перекрывает центральный угол в 15^o, большая дуга с ее хордой в 45^o, лопасти по центральному углу отстоят друг от друга на 22,5^o, их число по окружности 16.