АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НАПРАВЛЕННОГО ПОТОКА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК F03B1/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для эффективного преобразования кинетической энергии направленного потока газовой среды посредством организованной модуляции параметров потока (т.е. принудительного осуществления эффекта вихреобразования), например для обеспечения автономного вспомогательного (аварийного) энергоснабжения быстродвижущихся транспортных средств, в частности автомобильных, железнодорожных, авиационных и т.п. а также в качестве энергоемкого утилизатора энергии выхлопа в окружающую среду (атмосферу) паро-, газотурбинных и подобных им установок и агрегатов, в том числе двигателей внутреннего сгорания, например автомобильных.

Изобретение основано на использовании явления "вихревого эффекта" открытого Ж. Ж. Ранком и примененного в промышленности А. П. Меркуловым [1]
"Вихревой эффект" или эффект Ранка проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и практически может быть реализован в устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного (вихревого) потока среды охлаждаются, а периферийные нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в вихревой трубе за счет вязкости и теплопроводности движущегося по спиральной траектории потока и среды, например газового потока.

В настоящее время разработаны и широко используются в технике конструкции ветросиловых установок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта.

В частности, известны ветросиловые энергетические установки, в которых используется вихревой аэродинамический преобразователь энергии направленного потока газовой среды (ветра) [2, 3]
В известных ветросиловых энергетических установках параметры направленного потока газовой среды искусственно модулируются и даже при небольшой скорости упомянутого направленного потока, он (поток) преобразуется (посредством аэродинамического преобразователя, имеющего профилированные входные каналы, образованные спиралеобразными направляющими перегородками) в ускоренный закрученный (вихреобразный) поток, соответственно газовой среды (воздуха).

Таким образом, в известных технических решениях кинетическая энергия направленного потока газовой среды искусственно (принудительно) трансформируется в энергию вихревого потока, концентрированная энергия которого (вихревого потока) посредством известных механических (ветроколесо) и электромеханических (генератор электрического тока) устройств преобразуется в электрическую энергию.

Наибольшая эффективность преобразования энергии потока газовой среды в вихреобразный (закрученный) поток достигается при использовании аэродинамических преобразователей потока газовой среды, реализующих известные способы формирования вихреобразных (закрученных) потоков упомянутой среды, которые как правило характеризуются профилированием по определенной аналитической зависимости криволинейных поверхностей направляющих, определяющих форму входных каналов аэродинамического преобразователя энергии известных ветросиловых установок [4, 5]
В качестве недостатков аэродинамических преобразователей энергии известных ветросиловых энергетических установок необходимо отметить следующее:
сложность конструкции и высокая материалоемкость при низкой эффективности преобразования кинетической энергии потока газовой (воздушной) среды, обусловленные специфическим использованием разнонаправленных (во времени) потоков воздушных масс;
не обеспечивается возможность эффективного использования кинетической энергии однонаправленного (во времени) набегающего высокоскоростного потока газовой среды ввиду значительных потерь кинетической энергии высокоскоростного потока из-за высокого лобового аэродинамического сопротивления известных конструкций и малой величины эффективной площади входных каналов воздухозаборных средств, ортогональных набегающему потоку, т.е. известные аэродинамические преобразователи энергии не приемлемы для использования в качестве мобильных автономных источников электропитания, например, транспортных средств, что сужает их функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением по отношению к изобретению является ветроагрегат, который содержит внутренний конфузор с установленными в нем турбиной и генератором и наружный конфузор, внутренние спиральные направляющие которого выполнены с возможностью тангенциального примыкания к кромкам окон выбросной трубы, которая размещена соосно с внутренним конфузором [6]
В качестве недостатков ветроагрегата необходимо отметить:
низкий КПД съема мощности с набегающего воздушного потока, т.к. использование лопастей неэффективно при набегающем потоке газовой среды;
сложность и высокая материалоемкость конструкции обусловлена тем, что ветроагрегат предназначен для работы с использованием направленного набегающего потока газовой среды;
известная конструкция ветроагрегата совершенно неэффективна при работе на однонаправленных (во времени) набегающих потоках газовой среды повышенных скоростей (порядка 15-25 м/с) ввиду значительных потерь кинетической энергии высокоскоростного потока из-за высокого лобового аэродинамического сопротивления конструкции и малой величины эффективной площади входных каналов воздухозаборного средства, ориентированных ортогонально набегающему потоку, т. е. известный аэродинамический преобразователь энергии не приемлем для использования в качестве дополнительного мобильного автономного источника электропитания, например, транспортных средств, что сужает его функциональные возможности.

В основу изобретения была положена задача разработки такого конструктивного решения аэродинамического преобразователя энергии потока газовой среды, который при относительной простоте конструкции обладал бы высокой эффективностью преобразования кинетической энергии однонаправленного набегающего потока газовой среды в электрическую и одновременно обеспечивал бы осуществление указанного преобразования кинетической энергии высокоскоростного набегающего потока с минимальными потерями его кинетической энергии, расширяя эксплуатационные возможности предлагаемого устройства в целом.

Поставленная задача решается посредством того, что в аэродинамическом преобразователе энергии направленного потока газовой среды, содержащем последовательно по ходу потока размещенные средство для генерации закрученного потока газовой среды и вытяжное устройство, ветроколесо с профилированными лопастями и генератор электрического тока, средство для генерации закрученного потока газовой среды включает в себя полый направляющий элемент и вертикальные закрученные по спирали перегородки, расположенные в его полости с образованием между взаимообращенными поверхностями сменных перегородок вихреобразующих спиральных каналов, выходные сечения которых ориентированы во встречно радиальных направлениях с образованием в центральной части полости направляющего элемента вытяжного канала, а ветроколесо размещено в зоне полости вытяжного устройства, при этом полый направляющий элемент выполнен в форме усеченного гиперболоида вращения, преобразователь снабжен газозаборным средством, выполненным в виде обечайки, продольная ось которого ориентирована вдоль продольной оси направляющего элемента средства для генерации, вытяжной канал сообщен с полостью упомянутой обечайки посредством вихреобразующих спиральных каналов, сформированных перегородками, входное сечение вихреобразующих спиральных каналов расположено в полости, перпендикулярной продольной оси газозаборного средства, а источник магнитного поля и охватывающая его обмотка для наведения ЭДС генератора электрического тока связаны, соответственно, с ветроколесом и вытяжным устройством так, что ветроколесо функционально является ротором, а вытяжное устройство статором генератора электрического тока.

Оптимально, чтобы образующей внутренней поверхности обечайки газозаборного средства аэродинамического преобразователя энергии являлась лемниската.

Целесообразно вытяжное устройство аэродинамического преобразователя энергии выполнять в виде диффузора, имеющего форму усеченного конуса с профилем поперечного сечения в виде круга или овала.

Разумно источник магнитного поля генератора электрического тока аэродинамического преобразователя энергии выполнять в виде кольцевого ряда постоянных магнитов, закрепленных по периферии ветроколеса.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, не обнаружен, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности существенных признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных (по отношению к прототипу) признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует критерию патентоспособности "новизна" по действующему патентному законодательству РФ.

Для проверки соответствия изобретения требованию критерия патентоспособности "изобретательский уровень" был проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными (по отношению к прототипу) признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного уровня техники не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение усматриваемого технического результата.

В частности, изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа:
дополнение известного объекта какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного объекта другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части объекта с одновременным исключением, обусловленной наличием этой части функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
увеличение количества однотипных элементов в объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких элементов;
выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание объекта, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения в отношении изобретения свидетельствуют о выполнении при практической реализации изобретения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий изобретение, при его практическом осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно в малой энергетике для эффективного преобразования кинетической энергии направленного набегающего потока газовой среды посредством организованной модуляции параметров упомянутого потока (т.е. принудительного осуществления эффекта вихреобразования), например, для обеспечения автономного вспомогательного (аварийного) энергоснабжения быстродвижущихся транспортных средств, в частности автомобильных, железнодорожных, авиационных и т.п. а также в качестве энергоемкого утилизатора энергии выхлопа в окружающую среду (атмосферу) паро-, газотурбинных и подобных им установок и агрегатов, в том числе двигателей внутреннего сгорания, например автомобильных;
совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение в том виде, как оно изложено в независимом пункте формулы изобретения, подтверждает возможность его практического осуществления посредством описанных или известных средств и методов;
объект, воплощающий изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности "промышленная применимость" по действующему Патентному законодательству РФ.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 1.

Аэродинамический преобразователь энергии направленного потока газовой среды включает последовательно связанные между собой газозаборное средство, средство для генерации закрученного потока газовой среды и вытяжное устройство. Средство для генерации закрученного потока газовой среды состоит из полого направляющего элемента 1, выполненного в виде усеченного гиперболоида вращения, с размещенными в его полости вертикальными разделяющими перегородками 2 спиралеобразной формы. Внутренняя поверхность усеченного гиперболоида вращения направляющего элемента 1 и взаимообращенные поверхности смежных разделяющих перегородок 2 и совокупности образуют спиральные вихреобразующие каналы 3 средства для генерации закрученного потока газовой среды. Посредством внутренних торцов профилированных перегородок 2 в центральной зоне направляющего элемента 1 преобразователя энергии сформирован осесимметричный вытяжной канал 4 цилиндрической формы, в зоне выхода которого размещено ветроколесо 5 с жесткими профилированными лопастями 6. Ветроколесо 5 выполнено в виде полого тела вращения и размещено в зоне полости вытяжного устройства последовательно с вытяжным каналом 4 таким образом, что наружная поверхность ветроколеса 5 в совокупности с внутренней, взаимообращенной к ней поверхностью вытяжного устройства образуют профилированный щелевой диффузор.

На входе направляющего элемента 1 аэродинамического преобразователя энергии размещено газозаборное средство, выполненное в виде обечайки 7, продольная ось которой ориентирована вдоль продольной оси направляющего элемента 1 средства для генерации закрученного потока газовой среды. Внутренняя образующая поверхность обечайки 7 сформирована преимущественно в соответствии с профилем кривой четвертого порядка лемнискаты. Полость обечайки 7 сообщается с вытяжным каналом 4 исключительно посредством спиральных вихреобразующих каналов 3, входные сечения которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси газозаборного средства.

Полость обечайки 7 целесообразно отделять от внешней среды посредством защитной (фильтрующей) сетки 8.

На выходе направляющего элемента 1 средства для генерации закрученного потока газовой среды аэродинамического преобразователя энергии организовано вытяжное устройство, выполненное преимущественно в виде диффузора 9, имеющего форму полого усеченного конуса с основанием круглой или овальной формы.

Ветроколесо 5 снабжено источником магнитного поля, выполненным преимущественно в виде кольцевого ряда вставок из постоянных магнитов 10, которые расположены по периферии ветроколеса 5 вблизи его торца, обращенного в сторону выходной зоны полости диффузора 9. Концентрично кольцевому ряду вставок из постоянных магнитов 10 на диффузоре 9 расположена неподвижная обмотка 11 для наведения ЭДС (электродвижущей силы), которая в совокупности с вращающимся источником магнитного поля выполняет функцию генератора электрического тока, ротором которого функционально является ветроколесо 5, а статором вытяжное устройство (диффузор 9) аэродинамического преобразователя потока газовой среды.

Средства предназначенные для съема тока, наводимого в обмотке генератора электрического тока условно не показаны, поскольку не являются предметом изобретения ввиду их широкой известности. Проектирование конструкций ветроколеса-ротора и диффузора-статора осуществляется в соответствии с общеизвестными требованиями, предъявляемыми к синхронным электрическим машинам (см. А. В. Иванов-Смоленский. "Электрические машины". М. Энергия. 1980, с. 490-696).

Такое конструктивное выполнение аэродинамического преобразователя энергии направленного потока газовой среды обеспечивает предлагаемому техническому решению следующие преимущества:
за счет выполнения газозаборного средства (обечайки 7) с внутренней поверхностью, сформированной в соответствии с профилем кривой четвертого порядка (лемнискаты), расположения продольной оси упомянутого средства вдоль (преимущественно соосно) продольной оси направляющего элемента 1 средства для генерации закрученного потока газовой среды, сообщения вытяжного канала 4 с полостью газозаборного средства исключительно посредством вихреобразующих спиральных каналов 3 и расположения входных сечений спиральных каналов 3 в плоскости, перпендикулярной продольной оси газозаборного средства, во-первых, снижается лобовое аэродинамическое сопротивление конструкции, во-вторых, обеспечивается возможность уменьшения количества спиральных вихреобразующих каналов без снижения эффективности вихреобразования в вытяжном цилиндрическом канале 4, а также обеспечивается возможность максимального приближения ветроколеса 5 к максимально эффективной (с энергетической точки зрения) области вынужденного вихря, то есть, совокупность указанных существенных признаков при их совместной реализации в изобретения обеспечивает синергетический результат, характеризующийся не только снижением непроизводительных энергетических потерь (т.е. повышением КПД) в процессе работы устройства и упрощением его конструкции, но и расширением эксплуатационных возможностей за счет обеспечения эффективного преобразования кинетической энергии высокоскоростного набегающего потока газовой среды, что неприемлемо для известных вихревых энергоустановок;
выполнение вытяжного устройства (диффузора) в виде усеченного конуса с круглым или овальным профилем поперечного сечения обеспечивает при обтекании его потоком газовой среды, например воздуха, наличие разряженной зоны, что способствует беспрепятственному выбросу отработанной газовой массы в атмосферу и соответственно существенному повышению КПД аэродинамического преобразователя энергии в целом;
совмещение соответствующими элементами аэродинамического преобразователя собственных (основных) функций с функциями определенных элементов генератора электрического тока помимо упрощения конструкции, снижения ее материалоемкости и габаритных параметров позволяет в значительной степени уменьшить величину момента трогания ветроколеса-ротора, что также в совокупности с ранее перечисленными признаками обеспечивает повышение КПД аэродинамического преобразователя в целом и, кроме того, обеспечивает возможность его эффективной работы при низких скоростях (порядка 4-5 м/с) набегающего потока газовой среды.

Аэродинамический преобразователь энергии направленного потока газовой среды работает следующим образом.

Для эффективной работы преобразователя продольную ось газозаборного средства (обечайки 7) ориентируют вдоль набегающего направленного потока (условно показан стрелками) газовой среды. Набегающий поток газовой среды через газозаборное средство (обечайку 7) поступает в спиральные вихреобразующие каналы 3 направляющего элемента 1 средства для генерации закрученного потока газовой среды. Ввиду того, что каналы 3 имеют спиральную форму и сужаются по мере приближения к вытяжному цилиндрическому каналу 4, происходит закрутка (в каждом канале) отдельных струй набегающего потока газовой среды и образование единого вихря (закрученного потока) в вытяжном цилиндрическом канале 4. То есть, на данном этапе осуществляется так называемая генерация вихря, кинематическая энергия которого преобразуется в механическую энергию вращательного движения ветроколеса 5 и далее посредством ранее описанных средств, функционально образующих в своей совокупности генератор электрического тока, упомянутая энергия преобразуется в электрическую.

Отработанная (мятая) масса потока газовой среды попадает в вытяжное устройство (диффузор 9) и выбрасывается в окружающую среду.

Следует также отметить, что выполнение вытяжного устройства в виде диффузора, имеющего форму усеченного конуса с профилем поперечного сечения в основании в виде круга или овала, обеспечивает (при обтекании вытяжного устройства набегающим потоком газовой среды) разряжение за обрезом конуса диффузора, способствующее эффективному отсасыванию отработанной массы газовой среды из полости аэродинамического преобразователя энергии, что в значительной мере способствует повышению КПД преобразователя именно для предлагаемой компоновки конструкции предлагаемого устройства.

Таким образом, изобретение наиболее эффективно может быть промышленно реализовано при использовании в качестве источника первичной энергии высокоскоростного направленного (набегающего) потока газовой среды, ориентированного вдоль продольной оси аэродинамического преобразователя энергии, например:
в железнодорожном транспорте (средняя скорость набегающего потока газовой среды (воздуха) при отсутствии ветра 60 км/ч) для автономного (аварийного) энергоснабжения;
в автомобильном транспорте (средняя скорость набегающего потока газовой среды (воздуха) при отсутствии ветра 60-80 км/ч) для подзарядки аккумуляторов, в качестве автономного источника энергообеспечения рефрижераторов;
в авиационных транспортных средствах в качестве малогабаритного автономного источника энергоснабжения и т.п.

Необходимо отметить, что с увеличением скорости направленного набегающего потока газовой среды пропорционально повышается эффективность использования аэродинамического преобразователя энергии при одновременном упрощении его конструкции и уменьшении габаритных параметров.

Использование: в ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетический энергии направленного потока газовой среды посредством организованной модуляции параметров потока (т.е. принудительного эффекта вихреобразования), например для обеспечения автономного вспомогательного энергоснабжения быстродвижущихся транспортных средств, в частности автомобильных, железнодорожных, авиационных. Сущность изобретения: аэродинамический преобразователь энергии направленного потока газовой среды включает последовательно размещенные газозаборное средство, средство для генерации закрученного потока газовой среды и вытяжное устройство, а также расположенные в зоне полости вытяжного устройства ветроколесо (В) 5 с профилированными лопастями 6 и генератор электрического тока. Средство для генерации закрученного потока газовой среды включает в себя полый направляющий элемент (НА) 1, выполненный в форме усеченного гиперболоида вращения, и вертикальные закрученные по спирали перегородки (П) 2, расположенные в полости НА 1 с образованием между взаимообращенными поверхностями смежных П 2 вихреобразующих спиральных каналов (СК) 3. Выходные сечения СК З ориентированы во встречно радиальных направлениях с образованием в центральной части полости НА 1 вытяжного канала 4. Газозаборное средство выполнено в виде обечайки 7, продольная ось которой ориентирована вдоль продольной оси НА 1. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэродинамический преобразователь энергии направленного потока газовой среды, содержащий последовательно по ходу потока размещенные средства для генерации закрученного потока газовой среды и вытяжное устройство, ветроколесо с профилированными лопастями и генератор электрического тока, при этом средство для генерации закрученного потока газовой среды включает в себя полый направляющий элемент и вертикальные закрученные по спирали перегородки, расположенные в его полости с образованием между взаимообращенными поверхностями смежных перегородок вихреобразующих спиральных каналов, выходные сечения которых ориентированы во встречно радиальных направлениях с образованием в центральной части полости направляющего элемента вытяжного канала, а ветроколесо размещено в зоне полости вытяжного устройства, отличающийся тем, что полый направляющий элемент выполнен в форме усеченного гиперболоида вращения, преобразователь снабжен газозаборным средством, выполненным в виде обечайки, продольная ось которой ориентирована вдоль продольной оси направляющего элемента средства генерации, вытяжной канал сообщен с полостью упомянутой обечайки посредством вихреобразующих спиральных каналов, сформированных перегородками, входное сечение вихреобразующих спиральных каналов расположено в плоскости, перпендикулярной продольной оси газозаборного средства, а источник магнитного поля и охватывающая его обмотка для наведения ЭДС генератора электрического тока связаны соответственно с ветроколесом и вытяжным устройством так, что ветроколесо функционально является ротором, а вытяжное устройство статором генератора электрического тока. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что образующей внутренней поверхности обечайки газозаборного средства является лемниската. 3. Преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вытяжное устройство выполнено в виде диффузора, имеющего форму усеченного конуса с профилем поперечного сечения в основании в виде круга или овала. 4. Преобразователь по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что источник магнитного поля генератора электрического тока выполнен в виде кольцевого ряда постоянных магнитов, закрепленных по периферии ветроколеса.