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 кпд.

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 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.

Данное решение принято в качестве прототипа для обоих вариантов заявленного изобретения.

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 энергию среды при минимальной сложности конструкции.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения 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 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, гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса 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, на каждой оси смонтирована одна лопасть, а указанные оси смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, с направлением лопасти одной оси на одном конце штанги в положении ее раскладывания в сторону лопасти другой оси на другом конце этой штанги в положении ее раскладывания и с расположением всех лопастей в положении складывания в плоскости, параллельной плоскости вращения гибких элементов, каждые две смежно расположенные на штанге оси или указанная штанга с этими осями связаны через тяги, расположенные вдоль плоскости вращения гибких элементов, с поперечно расположенной по направлению вдоль потока среды после лопастей другой штангой, связанной с гибкими элементами и с которой указанные тяги связаны с возможностью свободного хода в направлении по потоку среды, при этом устройство снабжено коробообразным открытым с торцов полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении.

При этом часть каркаса с торца со стороны входа потока среды может быть выполнена в виде раструба, а в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды могут быть смонтированы вдоль боковых вертикальных стенок направляющие створки.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения 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 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, гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса 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, а указанные оси лопастей смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, каждая ось связана также с другой штангой через тягу, расположенную вдоль плоскости вращения гибких элементов и с возможностью свободного хода относительно этой другой штанги, при этом устройство снабжено коробообразным открытым с торцев полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении.

Как и в первом варианте часть каркаса с торца со стороны входа потока среды может быть выполнена в виде раструба, а в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды в центральной части нижней стенки каркаса может быть смонтирована центрально расположенная направляющая створка.

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

На фиг.1 изображена общая схема устройства.

Согласно изобретению устройство для отбора энергии текущей среды по первому варианту исполнения погружается в текучую среду (например, реку) и удерживается от перемещений в последней вдоль течения потока. Устройство содержит 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. 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 в виде бесконечной цепи или троса 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.

На каждой оси смонтирована одна лопасть, а указанные оси смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, с направлением лопасти одной оси на одном конце штанги в положении ее раскладывания в сторону лопасти другой оси на другом конце этой штанги в положении ее раскладывания и с расположением всех лопастей в положении складывания в плоскости, параллельной плоскости вращения гибких элементов, каждые две смежно расположенные на штанге оси или указанная штанга с этими осями связаны через тяги, расположенные вдоль плоскости вращения гибких элементов, с поперечно расположенной по направлению вдоль потока среды после лопастей другой штангой, связанной с гибкими элементами и с которой указанные тяги связаны с возможностью свободного хода в направлении по потоку среды.

Устройство снабжено коробообразным открытым с торцов полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении.

При этом часть каркаса с торца со стороны входа потока среды может быть выполнена в виде раструба, а в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды могут быть смонтированы вдоль боковых вертикальных стенок направляющие створки.

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

Устройство устанавливается вдоль течения потока с погружением под воду. Устройство (фиг. 1) 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 является валом отбора мощности, связанным с потребителем энергии (не показано).

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. На краевых участках каждой штанги 6 смонтированы оси 7, прочно соединенные одним своим концом с этой штангой и несущие лопасти 8, каждая по одной. Лопасти 8 смонтированы с возможностью ограниченного поворота вокруг оси 7.

Каждая поперечная штанга 6 связана с другой поперечной штангой 9, расположенной за лопастями 8 и связанной с гибкими элементами 5. При этом штанга 6 или ось на этой штанге связана со штангой 9 прямой тягой 10, установленной в дугообразный хомут на штанге 9 с возможностью свободного хода в плоскости, параллельной плоскости вращения гибких элементов 5.

Оси 7 закреплены на штанге 6 перпендикулярно направлению вращения гибких элементов 5.

Каждая из лопастей 8 выполнена в виде паруса из армированной синтетической ткани на жесткой металлической раме, имеющего возможность складываться при движении в обратном направлении.

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.

Данное устройство имеет каркас 11, фиксирующий пространственное взаимное положение валов со шкивами и гибких элементов. Каркас выполнен коробобразным с полым с открытыми торцевыми входными отверстиями. Стенки каркаса могут быть выполнены из синтетического материала. Главное, чтобы эти стенки могли воспринимать напор воды при боковых возмущающих воздействий текущей среды и ограничивать передачу этих возмущений в зону перемещения раскрытых лопастей внутри каркаса.

Элементы устройства (шкивы, гибкие элементы) монтируются на элементах каркаса так, что полость каркаса является рабочим каналом, через который лопасти проходят в разложенном положении. В нижней части каркаса со стороны входа сложенных лопастей в рабочий канал каркаса выполнено пропускное отверстие 12 под лопасти и штанги. Со стороны входа потока текучей среды каркас может быть выполнен с раструбом, имеющим направляющие створки 13, которые перекрывают зону прохода сложенных лопастей через нижнюю стенку каркаса от воздействия потока среды.

Устройство работает следующим образом.

Находясь в разложенном состоянии вдоль течения потока, например реки, на некоторой глубине, достаточной для беспрепятственного прохода судов, лопасти 8, раскрытые под напором потока среды, давят на поперечную штангу 6, передавая усилие через гибкие элементы 5 на охватывающие ими шкивы 3 и 4, которые вращают вал отбора мощности, связанный кинематически, например, с электрогенератором или другим устройством, например помпой (не показано).

При этом тяги 10, связанные с поперечной штангой 6, задают строго вертикальное положение лопасти 8 перпендикулярно потоку. По мере продвижения передней штанги 6 на криволинейном участке гибких элементов 5 раскрытая лопасть 8 на оси 7 посредством тяг 10 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.

Так как устройство смонтировано в каркасе, то на лопасти не воздействует боковое усилие, которое могло бы изменить пространственное положение лопасти по отношению к потоку. Такие особенности позволяют реализовать максимальную отдачу водной энергии на лопасти.

Второй вариант исполнения устройства, представленный на фиг.2, отличается от первого тем, что оси лопастей смонтированы на поперечно расположенных одних поперечных штангах 6 в центральной их части, связанных с гибкими элементами. Каждая ось 7 связана также с другой поперечной штангой 9 через тягу 10, расположенную вдоль плоскости вращения гибких элементов и с возможностью свободного хода относительно этой другой штанги 9. Кроме того, в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды в центральной части нижней стенки каркаса смонтирована направляющая створка 13.

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. Устройство содержит 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. Гибкий рабочий орган выполнен в виде двух параллельно расположенных гибких замкнутых элементов, на каждой оси смонтирована одна лопасть, а указанные оси смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, с направлением лопасти одной оси на одном конце штанги в положении ее раскладывания в сторону лопасти другой оси на другом конце этой штанги в положении ее раскладывания и с расположением всех лопастей в положении складывания в плоскости, параллельной плоскости вращения гибких элементов, каждые две смежно расположенные на штанге оси или указанная штанга с этими осями связаны через тяги, расположенные вдоль плоскости вращения гибких элементов, с поперечно расположенной по направлению вдоль потока среды после лопастей другой штангой, связанной с гибкими элементами и с которой указанные тяги связаны с возможностью свободного хода в направлении по потоку среды. Устройство снабжено коробообразным открытым с торцов полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 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 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, отличающееся тем, что гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса 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, на каждой оси смонтирована одна лопасть, а указанные оси смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, с направлением лопасти одной оси на одном конце штанги в положении ее раскладывания в сторону лопасти другой оси на другом конце этой штанги в положении ее раскладывания и с расположением всех лопастей в положении складывания в плоскости, параллельной плоскости вращения гибких элементов, каждые две смежно расположенные на штанге оси или указанная штанга с этими осями связаны через тяги, расположенные вдоль плоскости вращения гибких элементов, с поперечно расположенной по направлению вдоль потока среды после лопастей другой штангой, связанной с гибкими элементами и с которой указанные тяги связаны с возможностью свободного хода в направлении по потоку среды, при этом устройство снабжено коробообразным открытым с торцов полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть каркаса с торца со стороны входа потока среды выполнена в виде раструба. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды смонтированы вдоль боковых вертикальных стенок направляющие створки. 4. 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, отличающееся тем, что гибкий рабочий орган в виде бесконечной цепи или троса 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, а указанные оси лопастей смонтированы на поперечно расположенных одних штангах, связанных с гибкими элементами, каждая ось связана также с другой штангой через тягу, расположенную вдоль плоскости вращения гибких элементов и с возможностью свободного хода относительно этой другой штанги, при этом устройство снабжено коробообразным открытым с торцов полым каркасом, в полости которого смонтированы гибкие элементы, шкивы и оси с лопастями, и у которого с торца со стороны входа потока среды в нижней стенке выполнены сквозные прорези для прохода указанных штанг и лопастей в сложенном положении. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что часть каркаса с торца со стороны входа потока среды выполнена в виде раструба. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в зоне торца каркаса со стороны входа потока среды в центральной части нижней стенки каркаса смонтирована направляющая створка.