СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА СРЕДЫ И ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к технологии и средствам для использования энергии потоков различной физической природы путем преобразования энергии потока среды во вращательное движение энергопреобразующего устройства и может быть использовано для использования энергии потока ветра или воды.

Для оценки новизны и изобретательского уровня первого независимого объекта заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известен способ использования энергии потока среды путем преобразования энергии потока среды во вращательное движение энергопреобразующего устройства, выполненного в виде укрепленной на валу конструкции, включающей две вращающиеся поверхности, установленного в поток среды с ориентацией вала и поверхностей вдоль потока среды, согласно которому обеспечивают вращение поверхностей в виде приводных дисков в двух противоположных друг другу направлениях, при этом за счет образования на этих поверхностях разности давлений и подъемной силы обеспечивают возможность вращения конструкции энергопреобразующего устройства, см. RU 2124649.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа первого независимого объекта заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа является недостаточная эффективность преобразования энергии потока среды, в частности энергии ветра.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования энергии потока среды различной физической природы за счет использования эффекта перепада давления на вращающихся и перемещающихся поверхностях помещенного в поток среды энергопреобразующего устройства.

Сущность первого независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения поставленной цели.

Способ использования энергии потока среды путем преобразования энергии потока среды во вращательное движение энергопреобразующего устройства характеризуется тем, что энергопреобразующее устройство выполняют в виде укрепленной на валу конструкции, включающей по меньшей мере две перемещающиеся или две вращающиеся и две перемещающиеся поверхности, после чего устанавливают энергопреобразующее устройство в поток среды, ориентируя его вал и плоскости поверхностей конструкции вдоль потока среды, обеспечивают перемещение или, соответственно, перемещение и вращение поверхностей в двух противоположных друг другу направлениях, при этом за счет образования на этих поверхностях разности давлений обеспечивают возможность вращения конструкции энергопреобразующего устройства, с вала которого осуществляют съем энергии.

Для оценки новизны и изобретательского уровня других независимых объектов заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известна установка, которая содержит две соединенные под углом рамы, связанные с опорой в местах соединения с центральным опорным узлом, ветроколеса, установленные на стойках рам, поддерживающие тележки. Согласно изобретению рамы снабжены шарнирами, установленными в центральном опорном узле, и имеют направляющие механизмы и синхронизирующее устройство, см. патент РФ №2187019, F03D 5/04, 2001 г. Недостатками данного устройства является боковое расположение статора дугового типа относительно ветроколес, что в условиях атмосферных осадков, гололедных явлений, запыленности приводит к возможности заполнения воздушного зазора инородными телами, например льдом, что, в свою очередь, нарушает нормальное функционирование установки вплоть до возможности механического заклинивания ветроколеса.

Известно ветроколесо, содержащее лопасти, имеющие профиль крыла, и горизонтальный вал вращения. Одним из основных параметров, по которым оценивается степень совершенства крыла, является его аэродинамическое качество, показывающее, во сколько раз при данном угле атаки подъемная сила крыла больше силы его бокового сопротивления. Величина аэродинамического качества во многом зависит от геометрических характеристик крыла. Так, подъемная сила крыла при данной скорости воздушного потока увеличивается при увеличении циркуляции вдоль профиля крыла, что может быть достигнуто при увеличении кривизны профиля. Однако с увеличением кривизны профиля крыла его аэродинамическое качество уменьшается, так как коэффициент лобового сопротивления растет быстрее коэффициента подъемной силы, см. Л.Х.Кокунина. Основы аэродинамики. М.: Транспорт, 1982, с.54. Подъемная сила такой конструкции крыла может быть увеличена лишь при увеличении размаха крыла. Недостатками ветроколеса, имеющего лопасти крыльчатого типа, является большой диаметр, требующий высоких опорных конструкций, недостаточно высокий КПД, большой коэффициент лобового сопротивления.

Известно ветроколесо, содержащее горизонтальный вал и закрепленный на нем вращающийся элемент, который выполнен в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, ось вращения которых перпендикулярна горизонтальному валу, и кольцевого кожуха по окружностям дисков с зазорами к поверхностям дисков, причем горизонтальный вал проходит в пространстве между дисками по диаметральной оси и соединен с жестко фиксированным в плоскости соосного вращения приводных дисков кольцевым кожухом, см. патент РФ №2124649. В таком ветроколесе при приведении во вращение приводных дисков и размещении его в потоке ветра создается подъемная сила за счет разности давлений около внешних поверхностей соосно вращающихся в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, причем наличие кольцевого кожуха исключает проникновение ветрового потока в пространство между дисками, что создало бы препятствие возникновению подъемной силы.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа других независимых объектов заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа является недостаточная жесткость вращающих элементов, приводящая во время работы к вибрациям их периферийных частей и выходу их за пределы кожуха, что приводит к попаданию в пространство между дисками воздуха, создающего препятствие возникновению подъемной силы, что нарушает нормальный режим работы установки.

Целью изобретения является выполнение вращающих элементов в виде конструкций повышенной жесткости, что повышает надежность и эффективность работы установки в целом.

Сущность второго независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения поставленной цели.

Энергопреобразующее устройство для осуществления вышеописанного способа, содержащее ориентированный вдоль потока среды вал и закрепленный на нем энергопреобразующий элемент, выполненный в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях, причем вал размещен в пространстве между дисками и соединен с кольцевым защитным кожухом, прикрепленным с зазорами к периферийным поверхностям дисков, характеризующееся тем, что диски выполнены в виде плоского основания и выпуклой внешней части, внутри объема которой размещены ребра жесткости.

Кроме этого, второй независимый объект изобретения имеет ряд факультативных признаков, характеризующих его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения, а именно:

- выпуклые внешние части дисков выполнены ступенеобразными и образованы совокупностью кольцевых элементов разного диаметра и поперечных ребер жесткости;

- выпуклые внешние части дисков выполнены в виде поверхностей второго порядка;

- поверхности второго порядка внешних частей дисков образованы совокупностью кольцевых или радиальных элементов;

- устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях аналогично основному энергопреобразующему элементу и установленному по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно оси синхронного вращения дисков основного энергопреобразующего элемента;

- каждый дополнительный энергопреобразующий элемент снабжен кожухом. препятствующим доступу среды к половинке диска, ближайшей к валу;

- устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях аналогично основному энергопреобразующему элементу, и размещенным по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков дополнительного энергопреобразующего элемента расположена перпендикулярно оси синхронного вращения дисков основного энергопреобразующего элемента.

Сущность третьего независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения поставленной цели.

Энергопреобразующее устройство для осуществления вышеописанного способа, содержащее ориентированный вдоль потока среды вал и закрепленный на нем энергопреобразующий элемент, характеризующееся тем, что энергопреобразующий элемент выполнен в виде двух бесконечных лент, вращающихся в соответствующих приводных барабанах и установленных в одной плоскости с возможностью синхронного перемещения вдоль вала в противоположных друг относительно друга направлениях, причем вал размещен в пространстве между бесконечными лентами.

Кроме этого, третий независимый объект изобретения имеет ряд факультативных признаков, характеризующих его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения, а именно:

- устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному энергопреобразующему элементу и установленному по отношению к нему так, что плоскость синхронного перемещения бесконечных лент дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно плоскости синхронного перемещения бесконечных лент основного энергопреобразующего элемента.

Заявленное техническое решение является новым, так как все заявленные объекты характеризуются единым изобретательским замыслом и наличием новых совокупностей признаков, отсутствующих в известных из уровня техники технических решениях.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков, заключается в повышении жесткости конструкции энергопреобразующих элементов, а также в повышении эффективности работы установки в целом за счет обеспечения возможности совместной работы нескольких энергопреобразующих элементов, что приводит к более эффективному использованию энергии потока среды различной физической природы, которой может быть поток ветра или поток воды.

Указанное позволяет признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез А-А по диску энергопреобразующего элемента, на фиг.2 - разрез В-В, на фиг.3 - вид энергопреобразующего элемента с дисками, плоскости синхронного вращения которых совпадают, на фиг.4 - то же, но с симметрично измененным положением осей вращения дисков в плоскости, перпендикулярной плоскости их синхронного вращения, на фиг.5 - вариант установки с дополнительными энергопреобразующими элементами, ось синхронного вращения дисков которых смещена относительно оси вала основного энергопреобразующего элемента; на фиг.6 - вариант установки с дополнительным энергопреобразующим элементом, ось синхронного вращения дисков которого расположена на оси вала основного энергопреобразующего элемента, при этом плоскость синхронного вращения дисков дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно плоскости синхронного вращения дисков основного энергопреобразующего элемента; на фиг.7 - вид А по фиг.6, на фиг.8 - вариант выполнения энергопреобразующего элемента в виде двух бесконечных лент, на фиг 9 - вариант установки с одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, плоскость синхронного перемещения бесконечных лент которого смещена относительно плоскости синхронного перемещения бесконечных лент основного энергопреобразующего элемента.

Энергопреобразующее устройство содержит ориентированный по потоку среды вал 1 и закрепленный на нем вращающийся энергопреобразующий элемент, который выполнен в виде двух соосно расположенных приводных дисков 2. Вал 1 размещен в пространстве между дисками 2 и соединен с кольцевым защитным кожухом 3, укрепленным с зазорами к периферийным поверхностям дисков 2. Диски 2 выполнены в виде плоского основания 4 и выпуклой внешней части и установлены друг относительно друга так, что их основания обращены друг к другу. Выпуклые внешние части дисков 2 могут быть выполнены ступенеобразными и образованы совокупностью кольцевых элементов 5 разного диаметра и поперечных ребер жесткости 6. Выпуклые внешние части дисков 2 могут быть выполнены в виде поверхностей второго порядка, которые также могут быть образованы совокупностью кольцевых или радиальных элементов.

Устройство может быть снабжено по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному энергопреобразующему элементу и установленному по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков 7 дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно оси синхронного вращения дисков 2 основного энергопреобразующего элемента. Устройство может быть снабжено по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному ветроприемному элементу и установленному по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков 8 дополнительного энергопреобразующего элемента расположена перпендикулярно оси синхронного вращения дисков 2 основного энергопреобразующего элемента.

В другом варианте энергопреобразующее устройство имеет вращающийся энергопреобразующий элемент, который выполнен в виде двух вращающихся в соответствующих приводных барабанах бесконечных лент 9, установленных в одной плоскости с возможностью синхронного перемещения в противоположных друг относительно друга направлениях, причем вал 1 размещен в пространстве между бесконечными лентами 9. Такой вариант установки может быть снабжен по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному ветроприемному элементу и установленному по отношению к нему так, что плоскость синхронного перемещения бесконечных лент 10 дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно плоскости синхронного перемещения бесконечных лент 9 основного энергопреобразующего элемента.

Заявленный способ преобразования энергии потока среды с помощью заявленного устройства реализуют следующим образом.

При приведении во вращение приводных дисков 2 энергопреобразующего элемента и размещении его в потоке потока среды создается подъемная сила за счет разности давлений около внешних поверхностей соосно вращающихся в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков 2. Наличие кольцевого кожуха 3 исключает проникновение ветрового потока в пространство между дисками 2, что создало бы препятствие возникновению подъемной силы. Над двумя половинами внешних поверхностей дисков 2, которые вращаются навстречу потоку ветра, будут образовываться области пониженного давления P₁, а над двумя другими половинами внешних поверхностей дисков 2, которые вращаются по направлению потока среды, будут образовываться области повышенного давления P₂. Вследствие разности давления на двух относительно диаметральной оси поверхностях вращающегося элемента возникают подъемные силы F, направленные в противоположные стороны, что приводит к вращению вала 1, с которого отводится выходная мощность.

Подъемную силу можно определить, используя уравнение Бернулли, устанавливающее связь между скоростью и давлением в потоке воздуха, и складывая силы, действующие на внешние и внутренние поверхности соосно вращающихся дисков 2. Аналогичным образом подъемная сила возникает и на поверхностях вращающихся бесконечных лент 9.

Диски 2 для повышения жесткости могут быть выполнены в виде плоского основания 4 и выпуклой внешней части, которая может быть образована совокупностью кольцевых элементов 5 разного диаметра и ребер жесткости 6.

Для повышения эффективности использования энергии потока среды устройство может быть снабжено одним (или несколькими) дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному энергопреобразующему элементу.

В другом варианте энергопреобразующее устройство имеет вращающийся энергопреобразующий элемент, который выполнен в виде двух вращающихся в соответствующих приводных барабанах бесконечных лент 9, установленных в одной плоскости с возможностью синхронного перемещения в противоположных друг относительно друга направлениях, причем вал 1 размещен в пространстве между бесконечными лентами 9. Такой вариант установки может быть снабжен по меньшей мере одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному ветроприемному элементу и установленному по отношению к нему так, что плоскость синхронного перемещения бесконечных лент 10 дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно плоскости синхронного перемещения бесконечных лент 9 основного энергопреобразующего элемента.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения сомнения не вызывает, поскольку во всех вариантах заявленная установка может быть реализована с применением известных технологий и технических средств.

Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы установки в целом за счет обеспечения возможности совместной работы нескольких энергопреобразующих элементов, что приводит к более эффективному использованию энергии потока среды различной физической природы, которой может быть поток ветра или поток воды.

Изобретение относится к технологии и средствам для преобразования энергии потоков различной физической природы, например ветра или воды. Энергопреобразующее устройство выполняют в виде укрепленной на валу конструкции, включающей, по меньшей мере, две перемещающиеся поверхности или две вращающиеся и две перемещающиеся поверхности, после чего устанавливают энергопреобразующее устройство в поток среды, ориентируя его вал и плоскости поверхностей конструкции вдоль потока среды, обеспечивают перемещение или, соответственно, перемещение и вращение поверхностей в двух противоположных друг другу направлениях, при этом за счет образования на этих поверхностях разности давлений обеспечивают возможность вращения конструкции энергопреобразующего устройства, с вала которого осуществляют съем энергии. Вследствие разности давления на двух относительно диаметральной оси поверхностях вращающегося элемента возникают подъемные силы, направленные в противоположные стороны, что приводит к вращению вала, с которого отводится выходная мощность. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет обеспечения возможности совместной работы нескольких энергопреобразующих элементов, что приводит к более эффективному использованию энергии потока среды различной физической природы, которой может быть поток ветра или поток воды. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ использования энергии потока среды путем преобразования энергии потока среды во вращательное движение энергопреобразующего устройства, отличающийся тем, что энергопреобразующее устройство выполняют в виде укрепленной на валу конструкции, включающей, по меньшей мере, две перемещающиеся или две вращающиеся и две перемещающиеся поверхности, после чего устанавливают энергопреобразующее устройство в поток среды, ориентируя его вал и плоскости поверхностей конструкции вдоль потока среды, обеспечивают перемещение или соответственно перемещение и вращение поверхностей в двух противоположных друг другу направлениях, при этом за счет образования на этих поверхностях разности давлений обеспечивают возможность вращения конструкции энергопреобразующего устройства, с вала которого осуществляют съем энергии.2. Энергопреобразующее устройство для осуществления способа, содержащее ориентированный вдоль потока среды вал и закрепленный на нем энергопреобразующий элемент, выполненный в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях, причем вал размещен в пространстве между дисками и соединен с кольцевым защитным кожухом, прикрепленным с зазорами к периферийным поверхностям дисков, отличающееся тем, что диски выполнены в виде плоского основания и выпуклой внешней части, внутри объема которой размещены ребра жесткости.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выпуклые внешние части дисков выполнены ступенеобразными и образованы совокупностью кольцевых элементов разного диаметра и поперечных ребер жесткости.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выпуклые внешние части дисков выполнены в виде поверхностей второго порядка.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поверхности второго порядка внешних частей дисков образованы совокупностью кольцевых или радиальных элементов.6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных относительно друг друга направлениях аналогично основному энергопреобразующему элементу и установленному по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно оси синхронного вращения дисков основного энергопреобразующего элемента.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что каждый дополнительный энергопреобразующий элемент снабжен кожухом, препятствующим доступу среды к половинке диска, ближайшей к валу.8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным в виде двух соосно расположенных приводных дисков, установленных с возможностью синхронного вращения в противоположных относительно друг друга направлениях аналогично основному энергопреобразующему элементу и размещенным по отношению к нему так, что ось синхронного вращения дисков дополнительного энергопреобразующего элемента расположена перпендикулярно оси синхронного вращения дисков основного энергопреобразующего элемента.9. Энергопреобразующее устройство для осуществления способа, содержащее ориентированный вдоль потока среды вал и закрепленный на нем энергопреобразующий элемент, отличающееся тем, что энергопреобразующий элемент выполнен в виде двух бесконечных лент, вращающихся в соответствующих приводных барабанах и установленных в одной плоскости с возможностью синхронного перемещения вдоль вала в противоположных относительно друг друга направлениях, причем вал размещен в пространстве между бесконечными лентами.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным вращающимся энергопреобразующим элементом, выполненным аналогично основному энергопреобразующему элементу и установленному по отношению к нему так, что плоскость синхронного перемещения бесконечных лент дополнительного энергопреобразующего элемента смещена относительно плоскости синхронного перемещения бесконечных лент основного энергопреобразующего элемента.