УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F03B9/00 F03B17/06 F03D5/02 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для преобразования энергии текущей среды, например рек, приливно-отливных и др. течений, а также энергии перемещения воздушных масс в электрическую или механическую для обеспечения привода потребителей.

Известные способы преобразования энергии текущей среды имеют ряд недостатков. В решении, например, по SU 1810598, F 03 B 1/00, устройство располагается над поверхностью воды, что, занимая достаточную площадь, мешает возможному движению судов, имеет сложный механизм с множеством деталей, что снижает надежность работы, а открытое движение верхних лопастей может тормозиться встречным ветром, снижая к.п.д.

Известно устройство для отбора энергии текущей среды, погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока и содержащее гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды (RU 2037640, F 03 B 9/00).

Недостатком данного устройства является его сложность, обусловленная необходимостью постройки целого гидросооружения.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по исключению механизмов для принудительного управления положением лопастей, обеспечению самопроизвольного их складывания и раскладывания в зависимости от направления падающего на них потока среды. Достигаемый при этом технический результат заключается в наиболее полном извлечении энергии среды при минимальной сложности конструкции и отсутствии управления ею.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора энергии текущей среды, погруженном в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока и согласно первого варианта исполнения содержащем гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы, связанные посредством цепной или шестеренчатой передачи с валом отбора мощности, и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, связанные с валом отбора мощности, и шкивы, расположенные на каркасе натяжной лопасти, параллельном валу отбора мощности и снабженном по крайней мере одной натяжной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока, каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и одним своим концом закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через дугообразные тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, а смежно расположенные части створок каждой лопасти, размещенные под осью, выполнены с обращенными друг к другу боковыми вырезами, при этом каждая дугообразная тяга выполнена в виде встроенного в гибкий замкнутый элемент звена, расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и обращена выпуклостью в направлении, совпадающем с направлением расположения незакрепленного конца оси.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора энергии текущей среды, погруженном в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока и согласно второго варианта исполнения содержащем гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и шкивы, расположенные на дополнительном валу, параллельном валу отбора мощности и снабженном по крайней мере одной натяжной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока, каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, при этом каждая прямая тяга расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента вдоль него и связана с последним с возможностью свободного хода относительно этого гибкого замкнутого элемента в плоскости его вращения.

Указанные признаки для каждого варианта исполнения являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На фиг.1 изображена общая схема устройства по первому варианту;
на фиг.2 - вид на лопасти по фиг.1;
на фиг.3 изображена общая схема устройства по второму варианту;
на фиг.4 - пример исполнения натяжной лопасти.

Согласно изобретению погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока устройство для отбора энергии текущей среды по первому варианту исполнения содержит гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока.

Гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, связанные с валом отбора мощности, и шкивы, расположенные на опорах натяжной лопасти параллельно валу отбора мощности и снабженные по крайней мере одной натяжной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока.

Каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и одним своим концом закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через дугообразные тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, а смежно расположенные части створок каждой лопасти, размещенные под осью, выполнены с обращенными друг к другу боковыми вырезами.

При этом каждая дугообразная тяга выполнена в виде встроенного в гибкий замкнутый элемент звена, расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и обращена выпуклостью в направлении, совпадающем с направлением расположения незакрепленного конца оси.

Ниже приводится пример конкретного исполнения устройства применительно к размещению его в водной среде.

Устройство устанавливается вдоль течения потока. Устройство (фиг.1, 2) содержит с возможностью вращения вал 1, который посредством передачи 2 соединен со шкивами 3 и 4 соответственно, при этом вал 1 является валом отбора мощности, связанным с потребителем энергии.

Шкивы охвачены гибкими бесконечными элементами 5, в качестве которых может быть использован трос из синтетических материалов, а при выполнении шкивов зубчатыми или в виде звездочек используется бесконечная цепь. Два гибких элемента 5 связаны между собой поперечно располагаемыми штангами 6, концы которых связаны с дугообразными тягами 7, вставленными в виде отдельных звеньев в трос или цепь.

С центральной частью каждой поперечной штанги 6 прочно соединена одним своим концом ось 8 лопастей 9, являющаяся осью поворота (разворота) по типу книжки двух створок 10 лопасти 9.

Дугообразные тяги расположены в плоскости вращения гибких элементов 5 и перпендикулярно поперечной штанге 6.

Каждая из створок 10 выполнена в виде паруса из армированной синтетической ткани на жесткой металлической раме и образует в паре единую лопасть, способную складываться при движении в обратном направлении. Общее количество лопастей, используемых в устройстве, может быть не ограничено, но не менее трех. Указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси 8 при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенную штангу 6 лопасти при перемещении вдоль потока среды, а смежно расположенные части створок каждой лопасти, размещенные под осью, выполнены с обращенными друг к другу боковыми вырезами 11, образующими центральный проход для перемещающихся в сложенном состоянии лопастей другой ветви гибкого элемента. Такое исполнение створок позволяет обеспечить максимальную парусность лопасти за счет развития ее опорной поверхности.

При такой конструкции устройства энергия текущей среды посредством раскрытых лопастей поперек потока максимально преобразуется, например, в электрическую при рабочем ходе гибких элементов, при этом сложенные лопасти в режиме холостого хода с минимальным сопротивлением возвращаются в исходное положение.

Так как данное устройство не имеет каркаса, фиксирующего пространственное взаимное положение валов со шкивами и гибких элементов, то для организации рабочего состояния устройства в целом необходимо поддерживать оптимальное натяжение гибких элементов. В рамках настоящего изобретения это обеспечивается удержанием, например, вала относительно дна реки для формирования опоры, не позволяющей устройству в целом смещаться по течению потока, и снабжением устройства центральной натяжной лопастью 12 или двумя по бокам расположенными натяжными лопастями (фиг. 3). В этом случае напор потока среды, воздействуя давлением на поверхности тормозных лопастей, будет натягивать гибкие элементы, обеспечивая возможность функционирования бескаркасной системы отбора энергии потока воды. В поперечном направлении относительно потока среды пространственная фиксация элементов устройства в целом обеспечивается поперечными штангами 6, имеющими фиксированную длину и связывающими гибкие замкнутые элементы.

Устройство работает следующим образом.

Находясь в разложенном состоянии вдоль течения потока, например реки, на некоторой глубине, достаточной для беспрепятственного прохода судов, лопасть 9, раскрытая под напором потока среды, давит на поперечную штангу 6, передавая усилие через гибкие элементы 5 на охватывающие ими шкивы 3 и 4, которые вращают вал 1 отбора мощности, связанный кинематически, например, с электрогенератором или другим устройством, например помпой (не показано).

При этом дугообразные тяги 7, связанные с поперечной штангой 6, задают строго вертикальное положение лопасти 9 перпендикулярно потоку. По мере продвижения передней штанги 6 на криволинейном участке гибких элементов 5 раскрытая лопасть 9 на оси 8 посредством дугообразных тяг плавно меняет угол с 90^o по отношению к направлению потока на 0^o и становится нижним ребром к потоку, плавно складывается и, оказывая минимальное сопротивление в сложенном виде, возвращается на холостом ходу назад. Далее сложенная лопасть, следуя по кругу, попадает в поток среды, который ее раскрывает, и она, оказывая давление на поперечную штангу 6, совершает очередной рабочий ход.

Согласно изобретению погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока устройство для отбора энергии текущей среды по второму варианту исполнения отличается от первого тем, что каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, при этом каждая прямая тяга расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и связана с последним с возможностью свободного хода относительно этого гибкого замкнутого элемента в плоскости его вращения.

Ниже рассматривается конкретное исполнение данного примера исполнения.

Устройство устанавливается вдоль течения потока. Устройство (фиг.3) содержит параллельно друг другу установленные с возможностью вращения валы 1 и 2, которые жестко соединены со шкивами 3 и 4 соответственно, при этом один из валов, например вал 1, является валом отбора мощности, связанным с потребителем энергии.

Шкивы охвачены гибкими бесконечными элементами 5 в виде тросов или цепей. Два гибких элемента 5 связаны между собой поперечно располагаемыми штангами 6, концы которых связаны с прямыми тягами 13. Каждая прямая тяга расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и вдоль него и связана с последним с возможностью свободного хода относительно этого гибкого замкнутого элемента в плоскости его вращения.

С центральной частью каждой поперечной штанги 6 прочно соединена средней своей частью ось 8 лопастей 9, являющейся осью поворота (разворота) по типу книжки двух створок 10 лопасти 9. При таком исполнении часть лопастей находится над верхней ветвью гибкого элемента 5, а часть лопасти расположена под этой ветвью.

Прямые тяги расположены в плоскости вращения гибких элементов 5 и перпендикулярно поперечной штанге 6.

Каждая из створок 10 выполнена в виде паруса из армированной синтетической ткани на жесткой металлической раме и образует в паре единую лопасть, способную складываться при движении в обратном направлении. Общее количество лопастей, используемых в устройстве, может быть не ограничено, но не менее трех. Указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси 8 при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенную штангу 6 лопасти при перемещении вдоль потока среды.

Так как данное устройство также не имеет каркаса, фиксирующего пространственное взаимное положение валов со шкивами и гибких элементов, то для организации рабочего состояния устройства в целом необходимо поддерживать оптимальное натяжение гибких элементов. В рамках настоящего изобретения это обеспечивается удержанием, например, вала 1 относительно дна реки для формирования опоры, не позволяющей устройству в целом смещаться по течению потока, и снабжением устройства в зоне вала 2 центральной натяжной лопастью 12 (фиг.4) или двумя по бокам расположенными натяжными лопастями (фиг.3). В этом случае напор потока среды, воздействуя давлением на поверхности тормозных лопастей, будет натягивать гибкие элементы, обеспечивая возможность функционирования бескаркасной системы отбора энергии потока воды. В поперечном направлении относительно потока среды пространственная фиксация элементов устройства в целом обеспечивается поперечными штангами 6, имеющими фиксированную длину и связывающими гибкие замкнутые элементы.

Устройство работает следующим образом.

Находясь в разложенном состоянии вдоль течения потока, лопасть 9, раскрытая под напором потока среды, давит на поперечную штангу 6, передавая усилие через гибкие элементы 5 на охватывающие ими шкивы 3 и 4, которые вращают вал отбора мощности 1, связанный кинематически с потребителем.

При этом прямые тяги 13, связанные с поперечной штангой 6, задают строго вертикальное положение лопасти 9 перпендикулярно потоку.

По мере продвижения сложенной лопасти 9 и поперечной штанги 6 по кривой вокруг шкивов 3 или 4 прямые тяги 13 имеют свободный ход в соединении с гибким элементом 5. По мере продвижения передней штанги 6 на криволинейном участке гибких элементов 5 раскрытая лопасть 9 на оси 8 посредством прямых тяг плавно меняет угол с 90^o по отношению к направлению потока на 0^o и становится нижним ребром к потоку, плавно складывается и, оказывая минимальное сопротивление в сложенном виде, возвращается на холостом ходу назад. Далее сложенная лопасть, следуя по кругу, попадает в поток среды, который ее раскрывает, и она, оказывая давление на поперечную штангу 6, совершает очередной рабочий ход.

На фиг.4 представлен пример исполнения устройства с одной центрально расположенной натяжной лопастью 12, которая крепится на каркасе, несущем по своим концам набор роликов, охваченных гибкими элементами 5, которые для каждого гибкого элемента выполняют функцию шкива. При таком исполнении каркас натяжной лопасти формирует пространственное положение роликов и гибких элементов в поперечном направлении относительно друг друга.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его изготовления не требуется использования специальных технологий кроме тех, которые применяются в машиностроении при изготовлении передач с гибкими элементами и кораблестроении в части изготовления парусной оснастки.

Устройство предназначено для преобразования энергии текущей среды. Устройство содержит гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, выполненный в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и шкивы, расположенные на дополнительном валу, параллельном валу отбора мощности и снабженном по крайней мере одной тормозной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока. Устройство также содержит ряд лопастей, каждая из которых расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые или дугообразные тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами. Створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды. В случае исполнения тяг прямыми каждая такая тяга расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента вдоль него и связана с последним с возможностью свободного хода относительно этого гибкого замкнутого элемента в плоскости его вращения. Если тяга выполнена дугообразной, то каждая такая тяга выполнена в виде встроенного в гибкий замкнутый элемент звена, расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и обращена выпуклостью в направлении, совпадающем с направлением расположения незакрепленного конца оси. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для отбора энергии текущей среды, погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока и содержащее гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, отличающееся тем, что гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные параллельно валу отбора мощности, устройство снабжено по крайней мере одной тормозной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока, каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и одним своим концом закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через дугообразные тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, а смежно расположенные части створок каждой лопасти, размещенные под осью, выполнены с обращенными друг к другу боковыми вырезами, при этом каждая дугообразная тяга выполнена в виде встроенного в гибкий замкнутый элемент звена, расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента и обращена выпуклостью в направлении, совпадающим с направлением расположения незакрепленного конца оси. 2. Устройство для отбора энергии текущей среды, погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока и содержащее гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи, охватывающей шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и снабженной лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, отличающееся тем, что гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности, и шкивы, расположенные на дополнительном валу, параллельном валу отбора мощности и снабженном по крайней мере одной тормозной лопастью, расположенной поперек потока для натяжения гибких замкнутых элементов от давления среды потока, каждая лопасть расположена между двумя гибкими замкнутыми элементами и представляет собой связанные между собой через ось с возможностью складывания две створки, ось установлена перпендикулярно направлению потока среды и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, при этом каждая прямая тяга расположена в плоскости гибкого замкнутого элемента вдоль него и связана с последним с возможностью свободного хода относительно этого гибкого замкнутого элемента в плоскости его вращения.