ВОЛНОВОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F03B13/12 

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно волновой энергии и преобразования его в другие виды, преимущественно в электрическую.

Известно волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор [см. US 4319454 A (LUCIA LOUIS V), 16.03.1982, F03 B 13/12].

Данное энергетическое устройство является средством того же назначения, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения по первому варианту волнового энергетического устройства. Его можно принять за ближайший аналог (прототип) для первого варианта волнового энергетического устройства.

Известно также волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами. Устройство также содержит первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, преобразователи движения, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, каждый из которых включает взаимодействующие друг с другом первое и второе храповые колеса и подпружиненные собачки, установленные на рычагах, мультипликатор и генератор [см. US 4319454 A (LUCIA LOUIS V), 16.03.1982, F03B 13/12].

Данное устройство является средством того же назначения, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения по второму варианту волнового энергетического устройства. Оно может быть принято за ближайший аналог (прототип) для второго варианта волнового энергетического устройства.

Известно также волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтон, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор [см. US 4319454 A (LUCIA LOUIS V), 16.03.1982, F03B 13/12].

Данное устройство является средством того же назначения, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения по третьему варианту волнового энергетического устройства. Его можно принять за ближайший аналог (прототип) для третьего варианта волнового энергетического устройства.

В качестве недостатка прототипов можно указать низкую КПД и конструктивную сложность преобразователя.

Техническая задача заключается в значительном повышении КПД и упрощении конструкции преобразователя.

Данная техническая задача решается путем создания принципиально новой конструкции волнового энергетического устройства, которая содержит взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек. Устройство содержит также попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор. На каждом валу установлено N-e количество пар обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на соответствующих валах, а обоймы плоскими шарнирами связаны с верхними концами рычагов. Нижние концы рычагов, также плоскими шарнирами, связаны с соответствующими понтонами. При этом расстояние между шарнирами двух параллельных рычагов равно расстоянию между двумя горизонтальными валами, и когда обойма верхней муфты каждой пары входит в зацепление со ступицей обоймы, обойма нижней муфты выходит из зацепления и наоборот.

Верхний рычаг каждой левой пары через кронштейн и раму ориентации выполнен взаимодействующим с соответствующей запараллеленной парой рычагов, установленных с правой стороны.

Выходной вал мультипликатора через обгонную муфту подключен к валу генератора, на котором установлен маховик.

Второй вариант волнового энергетического устройства содержит взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек. Устройство также содержит попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, преобразователи движения, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, каждый из которых включает взаимодействующие друг с другом первое и второе храповые колеса и подпружиненные собачки, установленные на рычагах, мультипликатор и генератор. Нижние концы рычагов шарнирно соединены с понтонами, а на верхних концах установлены первая, вторая, третья и четвертая подпружиненные собачки, поочередно входящие в зацепление с соответствующими первым и вторым храповыми колесами. При этом расстояние между шарнирами двух параллельных рычагов равно расстоянию между двумя горизонтальными валами.

Третий вариант волнового энергетического устройства содержит взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтон, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор. Устройство снабжено обгонными муфтами, первой и второй зубчатыми рейками, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости, третьей и четвертой шестернями, установленными на первом и втором валах, закрепленными неподвижно на обоймах обгонных муфт и сдвинутыми относительно друг друга в продольном направлении. При этом зубчатые рейки сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении, третья шестерня входит в зацепление с первой зубчатой рейкой, четвертая - со второй, а нижние концы зубчатых реек с помощью кронштейнов неподвижно связаны с понтоном».

На фиг.1 приведена конструкция первого варианта волнового энергетического устройства, вид с боку, где:

1 - вертикальные стойки;

2 - вертикальная опора;

3 - платформа;

4, 5, 6, 7 - первый, второй, третий, четвертый валы;

8, 9 - первое, второе карданные соединения;

10, 11 - первая, вторая шестерни;

12, 13, 14, 15 - первая, вторая, третья, четвертая обгонные муфты;

16, 17, 18, 19 - пятая, шестая, седьмая, восьмая обгонные муфты;

20 - первый рычаг;

21 - шестой рычаг;

22 - четвертый понтон;

23 - второй понтон;

24 - шарнирные соединения;

25 - мультипликатор;

26 - девятая обгонная муфта;

27 - маховик;

28 - генератор;

29 - рама ориентации рычагов.

На фиг.2 представлен вид с торца волнового энергетического устройства по сечению А-А фиг.1, где позиции 1-29 те же, что на фиг.1;

30 - пятый рычаг;

31, 32 - седьмой, восьмой рычаги;

33 - первый понтон;

34 - шарнирное соединение рычагов;

35 - кронштейны, связанные с рамами ориентации.

На фиг.3 представлена конструкция второго варианта волнового энергетического устройства, где позиции 1-5 те же, что на фиг.1 и фиг.2;

36,37 - первое, второе храповые колеса;

38, 39, 40, 41 - первая, вторая, третья и четвертая подпружиненные собачки;

42, 43, 44, 45 - девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый рычаги;

46, 47 - третий и четвертый понтоны.

На фиг.4 представлена конструкция третьего варианта волнового энергетического устройства, где позиции 1-5 те же, что на фиг.1 и фиг.2,

48, 49 - десятая, одиннадцатая обгонные муфты;

50, 51 - третья и четвертая шестерни;

52, 53 - первая и вторая зубчатые рейки;

54 - пятый понтон;

55 - направляющая планка;

56 - перемычка;

57 - кронштейны.

На фиг 5 представлен вид В по фиг.4 третьего варианта волнового энергетического устройства, где позиции 48 - 57 те же, что на фиг.4;

На фиг.6 представлена кинематическая схема параллельного включения выходных валов энергетического устройства,

где 58, 59 - первый и второй выходные валы;

60, 61 - двенадцатая и тринадцатая обгонные муфты;

62, 63 - первая и вторая ведущие конические шестерни;

64, 65 - первая и вторая ведомые конические шестерни;

66 - общий выходной вал.

Принципы работы первого варианта волнового энергетического устройства, конструкция которого представлена на фиг.1 и 2 заключается в следующем.

Волновое энергетическое устройство устанавливается непосредственно на берегу или на некотором расстоянии от берега моря. В зависимости от вырабатываемой мощности оно может быть растянуто вдоль берега на десятки - сотни метров. Вертикальные стойки 1 бетонируются в дно моря на расстоянии нескольких метров от берега и на определенном расстоянии друг от друга.

Через вертикальные стойки пропускают горизонтально первый 4 и второй 5 валы с возможностью свободного вращения. Горизонтальные валы 6, 7 соседних участков, расположенных под углом, соединяются друг с другом через карданные соединения. Такое соединение валов позволяет путем их наращивания обходить береговые препятствия, увеличить суммарную мощность на первом (выходном) валу 4 и одновременно повысить синхронность его вращения.

На первом 4 и втором 5 валах неподвижно установлены первая 10 и вторая 11 шестерни, которые входят в сцепление друг с другом. Взамен шестерен 10, 11 на валах могут быть установлены первая и вторая звезды, кинетически связанные друг с другом цепью. С торца цепная связь (на фигуре не указан) имеет вид восьмерки. Цепная связь приводит к вращению валов 4, 5 во взаимно противоположных направлениях. Замена шестерен звездами, цепная связь между ними позволят установить большие расстояния между параллельными валами 4 и 5.

На первом валу 4 неподвижно установлены ступицы первой 12, третей 14, пятой 16 и седьмой 18 обгонных муфт.

При этом на втором валу 5 также неподвижно установлены ступицы второй 13, четвертой 15, шестой 17 и восьмой 19 обгонных муфт.

Нечетные обгонные муфты 12, 14, 16, 18 установленные на первом (верхнем) валу, входят в сцепление с обоймами соответствующих муфт и передает вращение первому валу 4 против часовой стрелки. В это время обоймы четных муфт 13, 15, 17 и 19 находятся вне сцепления со ступицами и крутятся в холостую. [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Машиностроение 1980 г., том 2, стр.215-220] Однако из-за сцепления шестерен 10 и 11 второй (нижний) вал 5 крутится по часовой стрелке. Через полпериода обоймы четных муфт входят в сцепление со ступицами соответствующих муфт, установленными на нижнем валу 5, что приводит его во вращение по часовой стрелке. Таким образом, второй вал и установленная на нем вторая шестерня 11 становятся ведущими. Верхний вал 4 сохраняет свое направление вращения против часовой стрелки. При этом все нечетные муфты, установленные на верхнем валу, выходят из сцепления со ступицами и не препятствуют вращению первого вала против часовой стрелки. Таким образом, ведущими становятся то верхний, то нижний валы.

Обойма каждой муфты с помощью плоского (одноступенного) шарнира 34 соединена с верхним концом соответствующего рычага. Шарнирное соединение позволяет менять угловое положение рычага в горизонтальной плоскости в зависимости от изменения направления течения волны. Каждый понтон (22,23) связан с нижними концами двух параллельных рычагов соответствующими плоскими шарнирами 24. Расстояние между шарнирными соединениями равно расстоянию между двумя горизонтальными валами 4, 5, а следовательно, расстоянию между верхними шарнирными соединениями рычагов 34. При равенстве длин соответствующих параллельных пар рычагов 21, 30 (31, 32) понтоны 23, 33 под воздействием волн совершают колебательное движение вверх-вниз.

Вес понтона подбирается таким образом, чтобы он погрузился в воду на половину своего объема. В этом случае моменты, создаваемые верхними и нижними рычагами на соответствующих валах 4,5 при подъеме и опускании понтона, будут равны.

При подъеме понтона 23 пятый рычаг 30, связанный с обоймой пятой обгонной муфты 16, приводит первый (верхний) вал 4 во вращение против часовой стрелки. Обойма шестой обгонной муфты 17 в это время крутится в холостую.

При опускании понтона с уходом волны нижний (шестой) рычаг 21 вводит в сцепление шестую обгонную муфту 17 и приводит во вращение нижний вал 5 по часовой стрелке. Из-за сцепления между шестернями 10, 11 верхний вал 4, который стал ведомым, продолжает свое вращение против часовой стрелки.

Аналогичным образом на первый и второй валы передаются моменты вращения от всех пар рычагов, связанных с соответствующими понтонами. Мощность на выходном валу 4 волновой энергетической установки определяется объемом и весом понтонов, длинами рычагов и высотой волн, а также зависит от количества параллельно работающих пар рычагов (понтонов).

Для увеличения суммарной выходной мощности волнового энергетического устройства возможно последовательное включение однотипных устройств по фиг.1 и фиг.2. При этом верхние и нижние валы могут быть соединены карданными соединениями или плавающими кулачковыми муфтами, когда валы соседних пар соосны друг другу.

Если волна надвигается справа (см. фиг.2), левый понтон 33 и рычаги 31, 32 под воздействием надвигающейся волны ориентируются вдоль направления ее течения.

Шарнирные соединения 34 позволяют свободно устанавливать направление рычагов 31, 32, находящихся левее от стоек 1, вдоль направления течения волны.

Понтоны имеют цилиндрическую форму и ориентируются перпендикулярно течению волны. Такая форма и ориентация понтонов обеспечивает максимальную амплитуду их колебаний на волнах, что приводит к увеличению выходной мощности энергетического устройства.

Подъемная сила понтона не зависит от высоты волны. Длина рычагов также не меняется при их подъеме и опускании. Следовательно, моменты вращения, создаваемые на первом и втором валах, не зависят от высоты волны, когда она превышает радиус сечения цилиндрического понтона. Это способствует синхронности вращения выходного вала и генератора 28.

Для изменения ориентации шарнирно закрепленных рычагов 21, 30 и т.д., находящихся правее стоек 1, используются рамы ориентации 29. Рама ориентации представляет собой вертикальную, удлиненную прямоугольную металлическую раму, которая с двух сторон охватывает с небольшим зазором каждую пару рычагов 21, 30, находящихся с правой стороны (см. фиг.2). С помощью кронштейна 35 прямоугольная рама 29 крепится неподвижно к верхнему левому рычагу 31 противоположной пары. При этом изменение ориентации рычага 31 приводит к изменению ориентации противоположных (правых) рычагов 21, 30. Таким образом вдоль направления волны устанавливаются как левые, так и правые рычаги, что обеспечивает максимальный отбор энергии волн.

Выходной вал подключается к мультипликатору 25, который повышает скорость вращения выходного вала до номинальной скорости вращения генератора 28.

Для установки мультипликатора и генератора используется горизонтальная платформа 3, которая поддерживается вертикальной опорой 2. Другой конец платформы приварен к ближайшей вертикальной стойке 1.

Выходной вал мультипликатора через обгонную муфту 26 связан с валом генератора 28, на котором установлен массивный маховик 27. Маховик повышает синхронность вращения генератора.

При необходимости устройство может быть установлено непосредственно на берегу. При этом отпадает необходимость в стойках 1 и левых понтонах и рычагах в шарнирных соединениях 34 и в раме 29, что существенно упрощает устройство.

Второй вариант волнового энергетического устройства, представленный на фиг.3, отличается от первого варианта тем, что относительно вертикальных стоек попарно симметрично с двух сторон устанавливаются идентичные преобразователи движения, каждый из которых включает первые и вторые храповые колеса, первую - четвертую собачки с пружинами 38-41. Обгонные муфты, установленные на первом и втором валах, заменены храповыми колесами 36 и 37. Они установлены на валах так, чтобы передать им вращение в двух противоположных направлениях. Для этой цели на девятом - двенадцатом рычагах 42-45 установлены подпружиненные собачки 38-41. Пружины обеспечивают прижатие собачек к храповым колесам. Причем, сцепление собачек с соответствующими храповыми колесами происходит по очереди. Если при подъеме понтона ведущим становится первое храповое колесо 36 (вал.4), то при опускании понтона под собственным весом ведущим становится второе храповое колесо 37 (вал 5). Из-за сцепления первой и второй шестерен 10, 11 направление вращения валом 4, 5 не меняется. Первый вал 4 крутится против часовой стрелки, второй вал 5 - по часовой стрелке.

В остальном принцип работы второго варианта энергетической установки полностью совпадает с принципом работы первого варианта.

Принцип работы третьего варианта волнового энергетического устройства (см. фиг.4,5) заключается в следующем.

Как и в предыдущих вариантах, первый 4 и второй 5 валы установлены на стойках 1 с возможностью свободного вращения. На них также неподвижно закреплены соответствующие шестерни 10, 11, находящиеся в сцеплении друг с другом.

В отличие от предыдущих вариантов на валах 4,5 дополнительно установлены третья 50 и четвертая 51 шестерни, закрепленные неподвижно на обоймах десятой 48 и одиннадцатой 49 обгонных муфт. Причем они сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении (см. фиг.5). При этом третья 50 шестерня входит в сцепление с первой зубчатой рейкой 52, а четвертая 51 - со второй зубчатой рейкой 53.

Зубчатые рейки 52, 53 с помощью направляющей планки 55 и перемычки 56 установлены вертикально с возможностью свободного хождения вверх-вниз по вертикали. Зубчатые рейки 48, 49 сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении, как и соответствующие им шестерни 50, 51.

Обгонные муфты 48 и 49 установлены на валах 4 и 5 так, чтобы они входили в сцепление по очереди. Такое сцепление обгонных муфт обеспечивает постоянное направленное вращение валов. При этом ведущими становятся то верхний, то нижний валы.

Верхние концы вертикальных зубчатых реек соединены друг с другом горизонтальной перемычкой 56. Нижние наконечники зубчатых реек с помощью кронштейнов 57 также неподвижно соединены с пятым понтоном 54. Это обеспечивает жесткость конструкции при воздействии надвигающихся волн. Понтон под собственным весом и весом зубчатых реек должен быть погружен в воду на половину своего объема. Это обеспечивает равенство моментов вращения, создаваемых на валах 4 и 5 шестернями 50, 51 как при подъеме, так и при опускании пятого понтона.

Для создания дополнительного момента вращения на выходном валу может быть использована кинетическая энергия надвигающейся волны. Для этой цели на выходном валу с помощью обгонной муфты может быть установлено лопастное колесо. Лопастное колесо крепится неподвижно на обойме обгонной муфты. Под воздействием надвигающейся волны крутится лопастное колесо и передает вращение через обгонную муфту на выходной вал.

При необходимости для увеличения выходной мощности энергетического устройства могут быть одновременно использованы все три варианта преобразования энергии волн. Это позволит суммировать моменты вращения, создаваемые каждым из трех вариантов в отдельности. При этом относительный временной сдвиг между крутящими моментами, создаваемыми каждым из трех вариантов, позволяет повысить синхронность вращения выходного вала. Применение первого и второго вариантов устройства идентичны. Они отличаются только по конструкции преобразователей движения. КПД устройства возрастает за счет одновременного преобразования потенциальной и кинетической энергии одновременного преобразования потенциальной и кинетической энергии волн.

Для увеличения выходной мощности энергетического устройства возможно параллельное включение выходных валов 58 и 59 по кинематической схеме, приведенной на фиг.6. Ведущие конические шестерни 62 и 63 устанавливаются на обоймах обгонных муфт 60 и 61, ступицы которых неподвижно закреплены на концах валов 58, 59. Ведомые конические шестерни 64, 65 неподвижно установлены на общем валу 66. Моменты вращения валов 58 и 59 суммируются на выходе общего вала 66. Кроме того, повышается синхронность работы общего вала, на котором может быть установлен дополнительно маховик.

Волновое энергетическое устройство может быть эффективно использовано для защиты береговых зон от разрушительного воздействия волн и одновременно для получения альтернативной электрической, механической и тепловой энергии в прибрежных зонах морей и океанов.

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно волновой энергии и преобразования его в другие виды, преимущественно в электрическую. Волновое энергетическое устройство содержит взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор. На каждом валу установлено N-e количество пар обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на соответствующих валах. Обоймы плоскими шарнирами связаны с верхними концами рычагов, нижние концы которых, также плоскими шарнирами, связаны с соответствующими понтонами. Расстояние между шарнирами двух параллельных рычагов равно расстоянию между двумя горизонтальными валами. Когда обойма верхней муфты каждой пары входит в зацепление со ступицей обоймы, обойма нижней муфты выходит из зацепления и наоборот. Изобретение направлено на повышение КПД и упрощение конструкции устройства. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор, отличающееся тем, что на каждом валу установлено N-e количество пар обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на соответствующих валах, а обоймы плоскими шарнирами связаны с верхними концами рычагов, нижние концы которых также плоскими шарнирами связаны с соответствующими понтонами, при этом расстояние между шарнирами двух параллельных рычагов равно расстоянию между двумя горизонтальными валами, и когда обойма верхней муфты каждой пары входит в зацепление со ступицей обоймы, обойма нижней муфты выходит из зацепления и наоборот.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний рычаг каждой левой пары через кронштейн и раму ориентации выполнен взаимодействующим с соответствующей запараллеленной парой рычагов, установленных с правой стороны.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходной вал мультипликатора через обгонную муфту подключен к валу генератора, на котором установлен маховик.

4. Волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтоны, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, попарно запараллеленные рычаги, шарнирно связанные с соответствующими понтонами, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, преобразователи движения, установленные попарно симметрично относительно вертикальных стоек, каждый из которых включает взаимодействующие друг с другом первое и второе храповые колеса и подпружиненные собачки, установленные на рычагах, мультипликатор и генератор, отличающееся тем, что нижние концы рычагов шарнирно соединены с понтонами, а на верхних концах установлены первая, вторая, третья и четвертая подпружиненные собачки, поочередно входящие в зацепление с соответствующими первым и вторым храповыми колесами, при этом расстояние между шарнирами двух параллельных рычагов равно расстоянию между двумя горизонтальными валами.

5. Волновое энергетическое устройство, содержащее взаимодействующие друг с другом первый и второй горизонтальные валы, установленные на вертикальных стойках с возможностью свободного вращения, понтон, первую и вторую шестерни, неподвижно установленные на первом и втором валах и входящие в зацепление друг с другом, мультипликатор и генератор, отличающееся тем, что устройство снабжено обгонными муфтами, первой и второй зубчатыми рейками, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости, третьей и четвертой шестернями, установленными на первом и втором валах, закрепленными неподвижно на обоймах обгонных муфт и сдвинутыми относительно друг друга в продольном направлении, при этом зубчатые рейки сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении, третья шестерня входит в зацепление с первой зубчатой рейкой, четвертая - со второй, а нижние концы зубчатых реек с помощью кронштейнов неподвижно связаны с понтоном.