Изобретение относится к средствам преобразования возвратно-поступательного движения текучих сред, вызванного, например, морскими волнами, в одностороннее вращательное движение турбины.
Уровень техники
Известно устройство ветряная мельница или ветряк (Б.Экк. Введение в техническую гидромеханику. М. - Л.: 1941, Госэнергоиздат, - 256 с.). В ней на валу вращения в плоскости, перпендикулярной к оси вала вращения, закреплено несколько лопастей, которые под действием ветра приходят в движение, задавая при этом вращательное движение вала вращения.
К недостаткам известного устройства относятся:
- низкий коэффициент полезного действия (КПД): предельный теоретический КПД меньше 60%, реальный - в пределах 15-25%;
- однонаправленность ветряка по отношению к направлению ветра, задающая необходимое направление вращения вала.
Известно (Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций), http://dhes.ime.mrsu.ru/studies/nrps/lectures/lecture12.pdf) устройство, в котором используется принцип колеблющегося водного столба (разработка Национальной инженерной лабораторией NEL, Великобритания, размещается непосредственно на грунте, турбина приводится в действие потоком одного направления), при этом системой клапанов прямой и обратный воздушные потоки, меняющие направление движения под действием колебаний водного столба, поступают на турбину с одной стороны.
К недостаткам известного устройства относятся:
- потеря эффективности устройства из-за энергетических потерь, сопровождающих процесс прохождения текучими потоками системы клапанов и колен, изменяющих направления потоков;
- сохраняется неэффективный принцип работы ветряка;
Известна турбина Уэллса (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.), у которой знакопостоянный вращательный момент возникает независимо от прямого или обратного направления потока текучей среды. Это достигается за счет формы лопастей турбины, обладающих аэродинамическим профилем в виде капли, вытянутой в направлении движения лопасти в плоскости вращения турбины. При падении потока на лопасть под углом к ее поверхности, отличающимся от прямого угла, возникает составляющая силы, воздействующей на лопасть, выталкивающая ее из потока в направлении, перпендикулярном оси вращения турбины. В результате турбина приобретает вращательное движение, поддерживаемое совокупным воздействием всех лопастей, имеющихся у турбины. В силу симметрии профиля лопасти по отношению к плоскости вращения турбины воздействие прямого потока аналогично воздействию обратного потока, в результате чего турбина в обоих случаях имеет одно и то же направление вращения.
К недостаткам турбины Уэллса относятся:
- низкий коэффициент полезного действия (КПД). В связи с тем, что турбина Уэллса - это фактически ветряк, хоть и двухсторонний, его (КПД) в идеальном варианте может оцениваться как меньше 60%, а в реальном от 15 до 25%;
- избирательность в эффективности взаимодействия лопасти и потока из-за фиксированности профиля лопасти, что при нестабильности волнового спектра приводит, как следствие, к существенной потере общей эффективности турбины;
- из-за фиксированности профиля лопасти исключен ресурс возможного повышения эффективности работы турбины за счет снижения сопротивления;
- фиксированность аэродинамического профиля лопасти и механистический подход к возникновению движущей силы лопасти за счет отражения потока от наклонной плоскости представляют собой суррогат двух разделов физики - динамики твердого тела и аэродинамики обтекаемого профиля, что приводит к низкоэффективному варианту турбины;
- принцип работы турбины задает такую геометрию проходящих через нее потоков, что приводит к необходимости дополнительных затрат на строительство сооружений, задающих рабочие потоки и снижающих эффективность всего сооружения;
- геометрия расположения рабочих потоков и турбины исключает наращивание мощности на валу турбины путем каскадного расположения на нем группы последовательно расположенных турбин;
- турбулентность внешней атмосферы в штормовой период существенно влияет на эффективность работы турбины Уэллса.
Известна (http://www.energetech.com.au/) разработка Австралийских изобретателей - турбина Деннисса-старшего (The Demiiss-Auld Turbine). В этой турбине угол атаки жестких лопастей регулируется с помощью сенсорных датчиков, что позволяет учесть изменение направления динамического потока воздуха с прямого на обратное и сохранять знакопостоянное вращение турбины.
К недостаткам известного средства относятся:
- тот же низкоэффективный принцип действия ветряка, т.е., по сути, гребковый способ создания силы тяги лопастями;
- жесткие лопасти снижают эффективность работы устройства;
- введение в устройство системы управления лопастями, усложняющей устройство, неизбежно приводит к снижению надежности работы турбины.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является наш «Способ и устройство для перемещения затопленного тела» (патент №2259302 RU), в котором к плоскому или объемному гидродинамически обтекаемому гибкому упругому телу, находящемуся в текучей среде, в поперечном к поверхности профиля направлении в определенной области, удовлетворяющей правилу U=0.29, прикладывается сила. Это приводит к возникновению у тела силы тяги в направлении вперед, поперечном к направлению прикладываемой силы.
Известное решение допускает расширение в виде применимости его для случая, когда сила, воздействующая на вышеуказанное тело, создается за счет энергии, например, морских волн.
Цель предлагаемого решения - разработка способа и устройства-турбины, вращательное движение которой возникает под воздействием текучей среды при возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды относительно турбины вдоль оси ее вращения, лишенного вышеперечисленных недостатков известных технических решений и являющегося естественным развитием нашего известного технического решения.
Цель достигается применением в качестве лопасти турбины плоского или объемного гидродинамически обтекаемого гибкого упругого тела, область жесткого захвата которого удовлетворяет правилу U=0.29, причем в состоянии покоя хорда лопасти располагается в плоскости вращения турбины, перпендикулярной оси вращения турбины, а сама турбина состоит из n отдельных элементов, закрепленных на валу вращения турбины, каждый из которых составлен из двух и более лопастей, симметрично расположенных относительно вала вращения турбины, при этом сила тяги лопасти возникает под воздействием текучей среды при возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды относительно турбины вдоль оси ее вращения за счет гибких деформаций лопасти, подобных деформациям крыла птицы или хвоста рыбы в процессе махового движения, и возникновения вихревого движения среды в поперечном относительно направления махового движения направлении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
А. При разработке «Способа и устройства для перемещения затопленного тела» (патент №2259302 RU) нами получено, что при воздействии в поперечном направлении на плоское или объемное гидродинамически обтекаемое гибкое упругое тело типа крыла, находящееся в текучей среде, в определенной его области приводит к возникновению силы тяги, вынуждающей тело двигаться вперед в поперечном к воздействующей силе направлении.
Поясним это.
Прежде всего, особого внимания требует вопрос определения области приложения внешнего усилия к движителю.
Рассмотрим (фиг.1) тело, находящееся под действием внешней силы. Для определенности пусть это будет плоская пластина прямоугольной формы с размерами l×k, где l - поперечный, a k - продольный ее размеры, причем l<k. Рассматривать пластину будем в плоскости XOY прямоугольной системы координат, образованной осями X, Y и Z. В продольном направлении пластина направлена параллельно оси Z, идущей из листа. В результате на плоскости XOY проекция пластины будет выглядеть как отрезок АВ прямой линии, длиной l. Начало координат, точку О, выберем так, что она будет совпадать с точкой выбора тяги, с начальной длиной ρо. Ось ОХ направим по вертикали вниз так, что прямая, соединяющая точку О с пластиной, будет совпадать с осью ОХ. Ось OY направим в сторону возникающего поступательного движения пластины так, что траектория движения, как плоская кривая, будет расположена в плоскости XOY. Точкой С обозначим геометрический центр отрезка АВ, являющийся в нашем случае одновременно центром масс этого отрезка. Точкой О' обозначим точку захвата тягой (тросом) пластины на отрезке АВ.
Существует две крайние ситуации: первая - это когда тяга захватывает пластину в точке, соответствующей максимальному миделевому сечению, т.е. в точке С, где смещение СО'=δ точки захвата пластины тягой равно δ=0. В этом случае прикладываемая к пластине внешняя сила будет порождать максимальную противоположно направленную силу реакции среды. Это приводит к максимальным потерям в связи с совершением работы, затрачиваемой на преодоление силы реакции среды, и сила тяги не возникает. Эффективность выполнения работ в таком случае низкая. Вторая ситуация - это когда тяга захватывает пластину в точке, расположенной в середине фронтовой линии пластины. На плоскости XOY это положение соответствует точке А отрезка АВ, где δ=l/2. В этом случае сила натяжения тяги, внешняя сила, минимальна. При выводе пластины из горизонтального положения осуществляется, прежде всего, поворот пластины до положения, близкого к вертикальному. Сила тяги не возникает. Т.е. эффективность приложения силы и в этом случае низкая. Следует ожидать, что между двумя крайними случаями, когда δ=0 и δ=l/2, должна существовать точка, захват пластины в которой будет способствовать максимальной эффективности за счет возникновения силы тяги как результата действия двух неизбежно существующих начальных сил - внешней силы и силы реакции среды.
Эффективность действия внешней силы будем оценивать по максимуму возникающей силы тяги в зависимости от параметра δ. Физически это должно выглядеть так, что при приложении внешнего усилия к движителю возникает сила реакции среды. Векторы этих сил складываются и дают вектор результирующей силы, приводящий к поступательному движению пластины по криволинейной траектории.
Оценим то расстояние δ, на котором должна располагаться точка захвата внешней тягой пластины по отношению к геометрическому центру этой пластины.
На фиг.2, а приведены:
XOY - исходная прямоугольная система координат, точка О - точка выбора тяги, например, троса;
X''О''Y'' - система координат, связанная с мгновенной осью вращения, проходящей через начало координат О''. Пусть положение тела в пространстве будет характеризоваться какой-либо точкой этого тела, например, как в нашем случае, точкой его захвата. Тогда введение системы координат X''О''Y'' связано с тем, что при криволинейном движении тела имеется ось, которая в рассматриваемый момент движения находится в покое, т.е. тело в этот момент как бы совершает вращательное движение вокруг этой оси, проходящей через точку О''. Такая ось может, как в нашем случае, находиться за пределами тела. А результирующая криволинейная траектория движения тела будет представлять собой множество точек, последовательно образованных совокупностью положений в пространстве точки захвата.
ρ - мгновенная длина троса;
ρ′ - расстояние от точки захвата пластины до мгновенной оси вращения О'';
F - вектор прикладываемой тяговой силы троса (здесь и далее жирными буквами будут обозначаться векторные величины);
N - вектор силы реакции среды.
На фиг.2, б приведены:
АВ=l - ширина пластины;
l1 - плечо силы f1;
f1 - вектор силы, задающей вращение пластины вокруг точки О', связанной с захватом пластины тросом;
С - центр масс пластины и одновременно ее геометрический центр;
O'С=δ - расстояние смещения точки захвата пластины от центра масс С;
Fn=F·Cosα-N' - результирующая нормальная составляющая силы, действующей на пластину со стороны троса;
Fτ - тангенциальная составляющая силы действующей на пластину со стороны троса;
F'=Fn+Fτ - та результирующая сила, которая вынуждает тело двигаться поступательно по криволинейной траектории, отличающейся от окружности;
β - угол между мгновенным направлением движения пластины и осью Y;
γ - мгновенное значение угла поворота мгновенного радиуса ρ' по отношению к оси O''X'';
ϕ - угол отклонения троса от вертикальной оси X;
α - угол между тросом и мгновенным радиус-вектором ρ'.
Момент M1 (нежирными буквами в дальнейшем обозначаются модули соответствующих векторов) силы Fτ, прикладываемой к пластине и имеющей плечо ρ', определяется произведением силы на плечо. Тот же момент силы определяется моментом инерции JO'' системы и приобретенным угловым ускорением d2γ/dt2. Тогда имеет место равенство
(Н.И.Карякин, К.Н.Быстров, П.С.Киреев. Краткий справочник по физике. "Высшая школа". М., 1962).
Другой момент М2 силы f1, действующей на пластину с плечом l1, причем в этом случае момент инерции - JO' и угловое ускорение - d2β/dt2, определяется равенством
Рассмотрим случай равенства углов γ=β и соответствующих угловых ускорений d2γ/dt2=d2β/dt2.
Случай γ<β соответствует тому, что d2γ/dt2<d2β/dt2, т.е. в соответствии с геометрией фиг.2а, б пластина под действием троса будет разворачиваться по часовой стрелке. При этом пластина будет приобретать поступательное движение назад. Случай γ>β соответствует тому, что d2γ/dt2>d2β/dt2, т.е. пластина под действием троса будет разворачиваться против часовой стрелки. Но при этом согласно геометрии фиг.2а, б будет уменьшаться сила реакции среды N. В результате сила F становится просто силой, тянущей за собой тело, но не той силой, которая действует в поперечном к поступательному направлению движению затопленного тела.
Тогда имеет место равенство
Поскольку
(m - эффективная равномерно распределенная масса пластины, включающая присоединенную массу [Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. "Наука". 1988]),
то из равенства (3) с учетом (4), (5) и (6) вытекает
Обозначив всю совокупность сомножителей, не зависящих от δ, буквой К, равной
перепишем равенство (7) в виде
Тогда первая производная Fτ' функции Fτ по δ может быть записана в виде
Равенство нулю первой производной Fτ'=0 определяет то значение величины δ, при котором функция Fτ' имеет экстремум (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике. "Наука". 1964). Опуская очевидные промежуточные выражения и преобразования, запишем,
А поскольку вторая производная Fτ'' меньше нуля
то полученное значение величины δ определяет максимум функции Fτ от δ.
Если же учесть, что сила тяги Fτ=F·Sinα, то оказывается, что при
затопленное тело приобретает максимальное тангенциальное ускорение при заданной прикладываемой силе F и растет с ростом угла α пропорционально Sinα.
Этот же угол α задает угол между вектором силы N реакции среды, воздействующей на пластину, и прямой, вдоль которой действует прикладываемая к пластине сила F.
Отсюда следует, что упругость и гибкость пластины должны в процессе работы задавать такое значение угла α для хорды, которое соответствует условию возникновения максимальной силы тяги.
Таким образом, оказывается, что размещение точки захвата пластины в соответствии с условием δ=0,2887·l или правилом U=δ/l=0.29 позволяет достичь оптимальных условий перемещения пластины под действием результирующей двух сил - тяговой силы троса и силы реакции среды. В этом случае поступательное движение тела энергетически оптимально уже хотя бы потому, что движение пластины осуществляется в соответствии с теми условиями, которые приводят к минимуму энергетические потери движущегося тела. Т.е., имея в своем распоряжении оборудование, позволяющее развить тяговую силу F, следует определять точку захвата пластины на основании полученного условия. Тогда возникающая скорость перемещения пластины будет максимальной, а соответствующие энергетические затраты на преодоление сил сопротивления среды - минимальными.
Необходимо обратить внимание на то, что точка, характеризующаяся условием δ=0,2887·l, оказывается близкой к области так называемого фокуса профиля крыла, определяющегося из других соображений. Это понятие используется в самолетостроении (A.M.Мхитарян. Аэродинамика. М.: Машиностроение. 1976. 448 с.) при выборе оптимальной формы крыла в целях, в частности, определения такого профиля крыла, при котором крыло будет иметь максимальную подъемную силу при наилучшем его качестве. При этом крыло самолета жесткое, а не гибкое, что влияет на эффективность крыла, лишая его универсальности.
В ходе экспериментов мы выявили, что гибкое упругое тело, захваченное в соответствии с правилом U=0.29 и находящееся под воздействием внешнего поперечного усилия, имеет наилучшие динамические показатели - максимальную силу тяги и минимальную потерю энергии при заданной величине воздействующей силы.
Б. В наших исследованиях (Устюгина Г.П. "Полеты в воздушной и водной средах". Газета "Физика", №29, Изд. Дом "Первое сентября". 2004) показано, что для маховых перьев птиц от воробья, синицы, городских вороны и голубя до чайки сокола и аиста характерным является равенство параметра U=0.29. Определялось оно измерениями взаимного расположения опахала и ствола пера. Причем ствол - это та часть пера, через которую осуществляется ударное маховое взаимодействие крыла с воздушной средой. Т.е. природные движители подтверждают справедливость правила U=0.29 как наилучшего для создания максимальной силы тяги у гибкого упругого аэродинамически обтекаемого плоского или близкого к тому объемного тела при воздействии на него поперечной силы с минимальной потерей энергии.
В. Дальнейшие наши исследования заключались в том, чтобы применить результат пункта А (правило U=0.29) в варианте не одностороннего, а знакопеременного воздействия на тело с целью создания силы тяги вынуждающей тело двигаться не по криволинейной траектории с монотонным изменением направления движения, а в среднем поступательно в одном прямом направлении движения.
Пусть (фиг.3) пластина будет закреплена тягой в виде не троса, а подвижного вдоль оси ОХ штока, через который осуществляется воздействие на пластину. Пусть также шток будет лишен возможности вращения в точке О системы координат XOY. А сама точка О пусть будет жестко связана, например, с плавсредством. Тогда (фиг.3), если реализуем внешнее воздействие в виде знакопеременной периодической силой, принуждающей точку захвата пластины к возвратно-поступательному движению, то следует ожидать возникновения результирующей силы тяги вперед. Эта сила тяги, приложенная к плавательному аппарату, приведет к его поступательному движению. При этом совершаемые вынужденные колебания точки захвата пластины будут являться движениями, поперечными по отношению к направлению движения плавсредства, что идеально соответствует машущему движению крыла птицы и хвоста рыбы. Одновременно это означает, что все средства возбуждения силы тяги в текучих средах, ориентированные на колебательное вееропобное движение движителя принципиально противоречат условию максимальной эффективности δ=0,2887·l и, следовательно, по определению имеют меньший коэффициент полезного действия, чем в предлагаемом случае.
В таком случае не возникает необходимость задавать угол атаки движителя, поскольку движитель под воздействием внешних сил и условий сам, деформируясь, принимает энергетически выгодные форму и угол атаки.
При работе движителя возникает вихревой поток (фиг.4), формирующийся последовательно сходящими с движителя замкнутыми вихрями типа тора. При этом направление вихревого потока (фиг.5) прямо противоположно направлению силы тяги. Поток формируется группой вихрей, образующих за движителем дорожку типа дорожки Кармана (Н.Е.Кочин, Н.В.Розе. Введение в теоретическую гидромеханику. Гос. технико-теоретическое издательство. М.-Л. 1932 г. 316 стр.). Здесь уместна аналогия с картиной возникновения подъемной силы крыла, движущегося в текучей среде с некоторой скоростью: при небольших углах атаки, примерно 5-10 градусов, у крыла возникает значительная подъемная сила. В нашем случае, прикладывая к пластине внешнюю силу так, что она играет роль подъемной силы, а деформации изгиба пластины приводят ее форму к форме крыла, мы создаем для внешней текучей среды условия, при которых возникающее вихревое движение среды должно быть таким, чтобы оно соответствовало подъемной силе. В этом смысле наш способ возбуждения движения среды является обратным способу возникновения подъемной силы крыла, находящегося в движущемся потоке. В этом случае исключено применение текучей среды в качестве упора, а потому исключен элемент движения "провал" движителя в среду, когда он, как гребковое средство, используется для того, чтобы опереться о текучую среду.
Проблема неэффективной стадии "перекладывания движителя" в предлагаемом решении снимается полностью тем, что движитель в этой стадии распрямляется и возвращает потенциальную энергию изгиба в виде кинетической энергии поступательного движения плавательного аппарата вперед.
В результате наших исследований движителя с помощью метода физического моделирования получено КПД≈76%. В аналогичных условиях винт-движитель обладает КПД≈45%.
Г. Применение нашего движителя в варианте лопасти для турбины дает устройство, изначально обладающее высоким КПД и знакопостоянным моментом вращения при знакопеременном направлении падения потока текучей среды на турбину.
На фиг.6 показан элемент турбины, состоящий из двух лопастей 1, закрепленных на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U=0.29 для лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z приводит к изгибным деформациям 5 лопастей, противоположное движение приводит к изгибным деформациям 6 лопастей. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 - против часовой стрелки. Наращивание числа элементов турбины, последовательно расположенных на одном валу вращения, приводит к пропорциональному возрастанию мощности на валу вращения. Это позволяет наращивать необходимую мощность на одном валу вращения турбины без увеличения поперечных размеров колеса турбины.
Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых:
Фиг.1. Вид сбоку (сечение) АВ пластины. XOY - декартова система координат; начальная точка О совпадает с точкой отбора троса OO'; О' - точка захвата пластины тросом. С - геометрический центр пластины. S - траектория и направление движения пластины. F - вектор внешней силы, прикладываемой через трос к пластине.
Фиг.2.а - вид сбоку (сечение) пластины АВ в движении; XOY - исходная система координат; X"O"Y" - мгновенная система координат; F - вектор внешней силы, N - вектор силы реакции среды; б - вид сбоку пластины АВ в начальном положении.
Фиг.3. В системе координат XOY изображены две стадии движения гибкой пластины 1 (АВ) под действием внешней силы удара Fудар, прикладываемой к пластине через шток в точке 2: а) - сила удара направлена вверх; б - сила удара направлена вниз. Ось OY соответствует направлению движения пластины. Ось ОХ соответствует вертикальной прямой, вдоль которой шток осуществляет свое собственное возвратно-поступательное движение и движение точки захвата пластины. Векторами N показаны силы реакции среды. OO' - линия горизонта; mm' - хорда изогнутой пластины.
Угол между отрезками прямых mm' и OO' соответствует углу атаки, порожденному деформацией пластины и силами удара и реакции среды. Отдельно вынесены параллелограммы сил Fудар и N, с помощью которых геометрически определяется вектор силы тяги R.
Фиг.4. Схематично показано образование цепочки вихрей, образующейся за действующей пластиной, движущейся в среде со скоростью V. Цифрами 1, 2, 3 отмечены последовательные во времени и пространстве положения пластины при прохождении срединной линии поступательного движения движителя вперед. Замкнутые и незамкнутые кривые со стрелкой указывают направления движения частиц среды. Замкнутые кривые отражают отдельные вихри положительной и отрицательной интенсивности.
Фиг.5. Приведена фотография вихревого следа за кормой действующей модели. След отразился в виде расширяющейся слева направо полосы возмущений на поверхности воды. Модель движется справа налево.
Фиг.6. Диметрическая проекция вращательного элемента турбины. Лопасти 1 закреплены на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U=0.29 для лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z, приводит к изгибным деформациям лопастей вида 5, противоположное движение приводит к изгибным деформациям лопастей вида 6. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 - против часовой стрелки.
Фиг.7. Фотография модели турбины с одним вращательным элементом, содержащая две симметрично расположенные прямоугольные лопасти 1, закрепленные на поперечине 2, жестко связанной с валом 3. На вал 3 насажены поплавок 8 с возможностью свободного вращения на валу и жестко большая шестерня 9.
Фиг.8. Показаны проекции лопасти 1: а - вид сбоку, b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и лопасти.
Фиг.9. Фотография турбины с тремя последовательно расположенными элементами на валу 3, смещенными один по отношению к другому на угол 120° и расстояние 0.1 м.
Фиг.10. Фотография генератора 12, закрепленного на платформе 11, 13 - выводы проводов генератора.
Фиг.11. Цветная фотография работы устройства: под действием вертикальных движений руки устройство, захваченное за поплавок, с турбиной, погруженной в воду, зажигает красный светодиод 14. Светодиод подсоединен к выводам генератора 13 и для удобства фотосъемки механически закреплен на штативе 15.
Фиг.12. Черно-белый вариант фотографии фиг.11.
Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.
На фотографии фиг.7 приведена фотография модели турбины с одним вращательным элементом, содержащая две симметрично расположенные прямоугольные лопасти 1, закрепленные на поперечине 2, жестко связанной с валом 3. На вал 3 насажены поплавок 8 с возможностью свободного вращения и жестко большая шестерня 9. Лопасти выполнены из гибкой упругой полимерной пленки толщиной 0.00025 м так, что образуют прямоугольное тело с размерами 0.07×0.105 м2. В области, соответствующей правилу U=0.29, создан карман 10 для насаживания и крепления лопасти 1 на поперечине 2. На фиг.8 показаны проекции лопасти 1: а - вид сбоку, b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и лопасти.
На фотографии фиг.9 приведена турбина с тремя последовательно расположенными элементами на валу, смещенными один по отношению к другому в плоскости вращения на угол 120° и расстояние 0.1 м вдоль вала вращения. 11 - площадка для крепления генератора 12 так, как это показано на фотографии фиг.10. Вращение вала 3 приводит в движение шестерню 9, которая, в свою очередь, через зубчатую передачу приводит во вращение малую шестерню, насаженную на вал генератора 12. Коэффициент передачи шестеренок 132:8. В результате вращения турбины на выводах генератора 13 возникает разность потенциалов. В качестве генератора используется электрический микродвигатель постоянного тока в обратном режиме. Двигатель постоянного тока ДПМ-25-Н1-03 рассчитан на напряжение питания 12 В и силу тока 0.3 А; угловая скорость - 6000 об/мин. В качестве индикатора используется светодиод марки GNL-1206URC красного цвета с рабочими напряжением 1.9 В и силой тока 70 мА, подключаемый к выводам генератора. Для имитации движения поплавка на волне используется ручной вариант: удерживая устройство за поплавок, производим вертикальные колебательные движения устройства так, что трехэлементная турбина все время находится в погруженном в воду состоянии. При этом возникает вращательное движение турбины, не зависящее от прямого или обратного направления движения устройства, возбуждающее в цепи генератор-светодиод электрический ток. На фотографиях фиг.11 в цветном и фиг.12 в черно-белом вариантах можно видеть работу устройства: под действием вертикальных движений руки устройство, захваченное за поплавок, с турбиной, погруженной в воду, зажигает красный светодиод 14. Светодиод подсоединен к выводам генератора 13 и для удобства фотосъемки механически закреплен на штативе 15. Динамометрические измерения и измерения напряжения и силы электрического тока дали следующие результаты (таблица 1). Максимальное значение прикладываемой силы выбрали равным 3.0 Н. Средняя прикладываемая сила 3.0×0.5 действовала в течение 0.5 с на интервале вертикального смещения устройства, равном 0.06 м, что определило среднюю скорость движения как 0.12 м/с и угловую 1.0 обор/с. Мощность, прикладываемая к устройству, равна 3.0×0.5×0.12=0.18 Вт. Измерение напряжения (2.0 В) и силы тока (0.5 А) на светодиоде, подключенном к выводам генератора, дало оценку выходной (полезной) мощности 2.0×0.5=0.1 Вт.
В результате КПД устройства оказалось равным 0.1/0.18=0.56=56%.
Если учесть, что КПД генератора (обратного двигателя) может оцениваться в пределах от 60 до 80%, то для КПД турбины можно получить оценки - от 93 до 70%.
Таким образом, предложенное техническое решение оказывается экономически существенно более выгодным, чем известные решения. Причина выигрыша заключается в том, что мы принципиально отходим от варианта использования текучей среды в качестве опоры для движителя, поскольку в этом случае движитель всегда будет "проваливаться" в среду, при этом его действенность будет заключаться в том, сколько текучей массы в единицу времени он успеет оттолкнуть от себя. Но это уже ближе к реактивному движению, причем в самом экономически невыгодном варианте. Наш же вариант заключается в том, что движитель создает условия для возникновения вихревых потоков, т.е. таких потоков, которые возникают при маховых движениях крыла у птицы или хвоста у рыбы, КПД которых примерно 95%.
Предлагаемое техническое решение естественным образом допускает следующие расширения:
- турбина может располагаться не только в водной, но и в воздушной среде;
- на одном валу вращения возможно совместное применение и подводного и воздушного вариантов турбины.
Способ и устройство турбина "Устюг" предназначены для преобразования энергии морских волн в механическую энергию вращения турбины. Турбина (Т) размещается в глубоких спокойных слоях воды, а поплавок (П), удерживающий вал вращения Т, но не участвующий в его вращении, находится на поверхности воды, участвуя в ее волновом движении. Посредством жесткой продольной связи с Т через вал вращения смещения П передаются затопленной Т, что приводит ее во вращательное движение. В силу гибкости лопастей (Л) движение Т всегда осуществляется в одну сторону, причем в состоянии покоя хорды Л располагаются в плоскости вращения Т, а в активном состоянии Л изгибаются, как крыло птицы или хвост рыбы при маховом поперечном к направлению движения ударе. Захват Л и силовое воздействие от П к Л осуществляется в соответствии с правилом U=0.29 в поперечном к плоскости движения Л направлении. Л расположены попарно симметрично относительно вала вращения на поперечине так, что образуют отдельный элемент Т с знакоодинаковыми для обеих Л порождаемых ими моментов вращения. Количество n таких элементов, расположенных вдоль вала вращения Т, определяет мощность Т, возрастающую пропорционально числу элементов Т, взаимное расположение которых по углу в плоскости вращения и расстоянию между элементами на валу вращения определяется из условия максимальной эффективности работы элементов. Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность преобразования энергии волн и надежность работы. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 12 ил.
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗАТОПЛЕННОГО ТЕЛА | 2003 |
|
RU2259302C2 |
| Турбина волновой энергетической установки | 1989 |
|
SU1783140A1 |
| Прямоточный поворотно-лопастной быстроходный гидротурбоагрегат | 1950 |
|
SU91753A1 |
| US 4447740 А, 08.05.1984 | |||
| US 4462211 А, 31.07.1984 | |||
| US 3912938 А, 14.10.1975 | |||
| Устройство для запайки ампул из стекла | 1987 |
|
SU1447758A1 |
| GB 20028929 А, 12.03.1980. | |||
