УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ 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.

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 или троса, охватывающей шкивы, одни из которых расположены на валу отбора мощности, и снабженной лопастями, поворотно смонтированными на осях, расположенных перпендикулярно направлению потока текущей среды, при этом указанные лопасти связаны с осями с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания при перемещении вдоль потока среды (US, пат. 5134305, F 03 D 5/02, опубл. 28.07.1992 г.).

Недостатком данного устройства является то, что использованная схема размещения и укрепления осей с лопастями обеспечивает слабую позиционную устойчивость лопастей по потоку среды. Последнее обусловлено тем, что оси крепятся консольно к цепи, а цепь имеет определенную гибкость в плоскости вращения и в поперечном направлении от воздействия боковых нагрузок (смещение потока, боковые течения и т.д.). В результате лопасть при перемещении постоянно меняет свое положение, смещаясь от вертикали под действием не только давления по потоку среды, но и боковых усилий. Так как эффективность наклонной лопасти в части восприятия давления недостаточна, то это сказывается на величине отбора мощности.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению позиционной устойчивости лопастей в разложенном их положении за счет формирования многоточечной опорной системы и исключения воздействия боковых нагрузок за счет локализации устройства в каркас. Достигаемый при этом технический результат заключается в наиболее полном извлечении энергии среды при минимальной сложности конструкции.

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 содержащем гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса, охватывающей шкивы, одни из которых связаны с валом отбора мощности, и снабженной лопастями, выполненными в виде двух створок каждая, поворотно смонтированных на осях, расположенных перпендикулярно направлению потока текущей среды, при этом указанные лопасти связаны с осями с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания при перемещении вдоль потока среды, гибкий рабочий орган выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности или связанные с валом отбора мощности, и шкивы, расположенные на дополнительном валу, параллельном валу отбора мощности, или отдельных дополнительных валах, каждая ось каждых двух створок установлена перпендикулярно направлению потока среды при движении лопасти вдоль потока и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые гибкие тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами и другим поперечно расположенным элементом, связанным с гибкими элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный первый жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, каждая ось каждых двух створок дополнительно связана с другим поперечно расположенным элементом прямой тягой, установленной с возможностью свободного хода относительно этого элемента, при этом устройство снабжено каркасом, расположенным в вертикальном направлении под углом к направлению потока среды, при этом каркас выполнен в виде параллелепипеда из трубчатых элементов, на элементах которого смонтированы валы и шкивы, причем гибкие замкнутые элементы выполнены одинаковой длины, превышающей расстояние, равное сумме полуокружности шкива на валу отбора мощности, полуокружности шкива на дополнительном валу и двойному межцентровому расстоянию между указанными шкивами.

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

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На чертеже изображена общая схема устройства.

Согласно изобретению погруженное в среду с удержанием от перемещений в последней вдоль течения потока устройство для отбора энергии текущей среды содержит гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса, охватывающей шкивы, одни из которых расположены на валу отбора мощности или связаны кинематически с валом отбора мощности, приводящим в движение потребитель энергии. Рабочий орган снабжен лопастями, выполненными в виде двух створок каждая, поворотно смонтированных на осях, расположенных перпендикулярно направлению потока текущей, при этом указанные лопасти связаны с осями с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания при перемещении вдоль потока среды.

Гибкий рабочий орган выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности или связанные с ним кинематически, например, через зубчатую передачу (или иную передачу - ременную или цепную передачу), и шкивы, расположенные на дополнительном валу, параллельном валу отбора мощности. Последние шкивы могут располагаться на отдельных дополнительных валах-осях.

Каждая ось каждых двух створок установлена перпендикулярно направлению потока среды при движении лопасти вдоль потока и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые гибкие тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами, и другим поперечно расположенным элементом, связанным с гибкими элементами. Указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный первый жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды. Каждая ось каждых двух створок дополнительно связана с другим поперечно расположенным элементов прямой тягой, установленной с возможностью свободного хода относительно этого элемента. Устройство снабжено каркасом, расположенным в вертикальном направлении под углом к направлению потока среды, при этом каркас выполнен в виде параллелепипеда из трубчатых элементов, на элементах которого смонтированы валы и шкивы, причем гибкие замкнутые элементы выполнены одинаковой длины, превышающей расстояние, равное сумме полуокружности шкива на валу отбора мощности, полуокружности шкива на дополнительном валу и двойному межцентровому расстоянию между указанными шкивами. При таком исполнении и при вертикальном размещении по отношению к потоку среды каркаса, вытянутого по длине (высоте), по вертикали гибкие элементы вытягиваются вдоль потока и находятся в уравновешенно свободном положении в воде, как это показано на чертеже.

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

Устройство устанавливается вдоль течения потока. Устройство содержит трубчатый открытый по всем сторонам каркас вытянутой параллелепипедной формы, расположенный в потоке вертикально вверх по длине. На его элементах могут быть смонтированы параллельно друг другу установленные с возможностью вращения валы, которые жестко соединены со шкивами 1 и 2 соответственно. Один из валов может быть кинематически связан с валом 3 отбора мощности, связанным с потребителем энергии. Указанные валы могут отсутствовать. Шкивы могут быть установлены на отдельных валах или осях, закрепленных на трубчатых элементах каркаса, как это показано на примере исполнения.

Шкивы охвачены гибкими бесконечными элементами 4, в качестве которых может быть использован трос из синтетических материалов, а при выполнении шкивов зубчатыми или в виде звездочек используется бесконечная цепь. При этом гибкие элементы 4 выполняются длиной, существенно превышающей необходимую длину для обеспечения огибания шкивов и формирования функции передачи вращения. При расположении в потоке текучей среды такой конструкции гибкие элементы увлекаются потоком и обеспечивают требуемый контакт со шкивами и требуемое натяжение. Последнее также усиливается взаимодействием воды в потоке с парусными элементами устройства.

Два гибких элемента 4 связаны между собой поперечно располагаемыми штангами 5, концы которых связаны с гибкими тягами 6, в виде отдельных звеньев связанных шарнирами 7 с тросом или цепью (гибким элементом).

С центральной частью каждой поперечной штанги 5 прочно соединена одним своим концом ось 8 лопастей, являющаяся осью поворота (разворота) по типу книжки двух створок 9, которые и образуют лопасть в виде парусного элемента.

Каждая из створок 9 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. 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. Створки между собой или с осью 8 могут быть связаны зубчатой передачей 10.

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.

Каркас данного устройства фиксирует пространственное взаимное положение валов со шкивами и гибких элементов.

Устройство работает следующим образом.

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

При этом прямая тяга 11, связанная одним концом с поперечной штангой 5 или осью 8 на этой штанге, а другим концом с возможностью свободного хода с другой поперечной штангой 12, задает строго вертикальное положение лопасти перпендикулярно потоку. По мере продвижения передней штанги 5 на криволинейном участке гибких элементов 6 раскрытая лопасть на оси 8 посредством тяг 6 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 5, совершает очередной рабочий ход.

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.

Изобретение предназначено для отбора энергии текущей среды течения потока. Устройство содержит гибкий рабочий орган, 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. Каждая ось каждых двух створок установлена перпендикулярно направлению потока среды при движении лопасти вдоль потока и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые гибкие тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами и другим поперечно расположенным элементом, связанным с гибкими элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный первый жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды. Устройство снабжено каркасом, расположенным в вертикальном направлении под углом к направлению потока среды, при этом каркас выполнен в виде параллелепипеда из трубчатых элементов, на элементах которого смонтированы валы и шкивы, причем гибкие замкнутые элементы выполнены одинаковой длины, превышающей расстояние, равное сумме полуокружности шкива на валу отбора мощности, полуокружности шкива на дополнительном валу и двойному межцентровому расстоянию между указанными шкивами. 1 ил.

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 или троса, охватывающей шкивы, одни из которых связаны с валом отбора мощности, и снабженной лопастями, выполненными в виде двух створок каждая, поворотно смонтированных на осях, расположенных перпендикулярно направлению потока текущей среды, при этом указанные лопасти связаны с осями с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания при перемещении вдоль потока среды, отличающееся тем, что гибкий рабочий орган выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, охватывающих шкивы, расположенные на валу отбора мощности или связанные с валом отбора мощности, и шкивы, расположенные на дополнительном валу или на отдельных дополнительных валах каждый, каждая ось каждых двух створок установлена перпендикулярно направлению потока среды при движении лопасти вдоль потока и средней своей частью закреплена на поперечно расположенном жестком элементе, концы которого через прямые гибкие тяги связаны с гибкими замкнутыми элементами и другим поперечно расположенным элементом, связанным с гибкими элементами, указанные створки выполнены с возможностью складывания поворотом вокруг оси при перемещении против потока среды и раскладывания с формированием опирающейся на поперечно расположенный первый жесткий элемент лопасти при перемещении вдоль потока среды, каждая ось каждых двух створок дополнительно связана с другим поперечно расположенным элементом прямой тягой, установленной с возможностью свободного хода относительно этого элемента, при этом устройство снабжено каркасом, расположенным в вертикальном направлении под углом к направлению потока среды, при этом каркас выполнен в виде параллелепипеда из трубчатых элементов, на элементах которого смонтированы валы и шкивы, причем гибкие замкнутые элементы выполнены одинаковой длины, превышающей расстояние, равное сумме полуокружности шкива на валу отбора мощности, полуокружности шкива на дополнительном валу и двойному межцентровому расстоянию между указанными шкивами.