ПРИВОДНОЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2013 года по МПК F03B17/06 F03B13/12 

Описание патента на изобретение RU2478829C9

Данное устройство относится к устройствам для преобразования в электрическую или механическую энергию природных возобновляемых источников энергии, таких, как энергия морских и речных течений, потоков воды при сбросе ее с плотин водоемов и гидроэлектростанций, а также потоков воды за движущимися судами. Это устройство может служить приводом для исполнительных рабочих механизмов типа электрогенераторов и насосов. Кроме того, оно может быть использовано в пропульсивных движителях судов.

Известна электроэнергетическая установка с использованием кинетической энергии потока воды по патенту WO 9812433 А1, кл. 6F03B 13/20, содержащая каскад профилированных гидродинамических профилей, закрепленных на упругих элементах, размещенных по их продольной оси и связанных вертикальными стержнями, также закрепленными нижними концами на упругих элементах, установленных вертикально. При этом профили могут совершать не нужные для работы привода продольные и поворотные колебания вокруг поперечных осей профилей, на которые затрачивается энергия набегающего потока.

Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие малых амплитуд поворотных колебаний вокруг продольных осей профилей, что не позволяет получить крутящие моменты, необходимые для привода электрического преобразователя.

Известен волновой движитель для судов по авт. свид. СССР №946396, кл. В63Н 1/36, 1988 г., содержащий опору в виде стойки, закрепленной на корпусе судна, горизонтально расположенное крыло симметричного профиля, которое шарнирно закреплено на опоре, и рычаги, прикрепленные к крылу и посредством силовых элементов к опоре. Силовые элементы выполнены либо в виде пружин, либо в виде гидроцилиндров. Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие того, что крыло выполнено герметичным и, если отсутствуют волны, нуждается во внешнем приводе - гидроцилиндрах, приводимых в действие от источника давления.

Известна энергетическая установка по патенту US 6652232 В, кл. 7F03В 17/06 от 13.01.2002 г., в которой электроэнергия вырабатывается за счет энергии ветра, воды в реке или приливных течений. Установка содержит элевон и лопасть в виде крыла, имеющего симметричный профиль и установленного с возможностью свободного вращения относительно точки крепления, смещенной вперед относительно нейтральной оси. Угол атаки лопасти изменяют путем регулирования положения элевона. Недостатком устройства является низкая эффективность вследствие малых амплитуд поворотных колебаний, так как крыло выполнено герметичным и в нем отсутствует воздушная подушка и переливающаяся при поворотных колебаниях вода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является приводной механизм по патенту US 6323563 ВА, кл. 7F03В 13/10 от 25.07.2000 г., содержащий размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло с боковыми стенками, закрепленное в шарнирных опорах на задних концах траверс, которые присоединены передними концами посредством шарниров к опорной конструкции, а также связанный с крылом посредством трансмиссии исполнительный механизм. В качестве исполнительного механизма используется генератор, вырабатывающий электроэнергию. Существенным недостатком устройства является его низкая эффективность вследствие того, что в боковых стенках крыла отсутствуют отверстия, крыло выполнено герметичным и не содержит перемещающейся в нем под воздействием потока воды воздушной подушки и переливающейся воды, что не позволяет получить параметрическое усиление поворотных колебаний крыла.

Целью данного изобретения является повышение эффективности приводного механизма за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла.

Эта цель достигается тем, что приводной механизм, содержащий размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло с боковыми стенками, ось которого установлена в шарнирных опорах на задних концах траверс, которые присоединены передними концами посредством шарниров к опорной конструкции, снабжен размещенной в верхней части крыла над заполняющей его нижнюю часть водой упругой воздушной подушкой, а также закрепленным на крыле рычагом и вертикальными тягами, которые связаны нижними концами с подшипниками, установленными на оси крыла, и присоединены верхними концами посредством рессор к опорной конструкции, между которой и рычагом установлены последовательно упругий элемент и регулятор положения крыла, в боковых стенках которого по длине хорды, равной удвоенной величине скорости набегающего потока, выполнены отверстия, верх которых расположен ниже верхней точки профиля крыла примерно на 0,2 толщины крыла и совпадает с уровнем заполняющей его воды и с нижней границей воздушной подушки, которая выполнена в виде эластичной оболочки и заполнена воздухом, а опорная конструкция выполнена в виде двух арок, которые закреплены на основании по бокам крыла.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен приводной механизм на виде сбоку. На фиг.2 - вид по стрелке В.

Приводной механизм содержит размещенное в неравномерном потоке воды, набегающем со скоростью V, симметричное крыло (1) с боковыми стенками (2), ось (3) которого установлена в шарнирных опорах (4) на задних концах траверс (5), которые присоединены передними концами посредством шарниров (6) к опорной конструкции (7), а также связанный с осью (3) крыла посредством трансмиссии (8) исполнительный механизм (9). Для повышения эффективности за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла приводной механизм снабжен размещенной в верхней части крыла над заполняющей его нижнюю часть водой (10) упругой воздушной подушкой (11), а также закрепленным на крыле (1) рычагом (12) и вертикальными тягами (13). Вертикальные тяги (13) связаны нижними концами с установленными на оси (3) подшипниками (14) и присоединены верхними концами посредством рессор (15) к опорной конструкции (7), между которой и рычагом (12) последовательно установлены упругий элемент (16) и регулятор (17) положения крыла. В боковых стенках (2) крыла по длине хорды, равной удвоенной величине скорости набегающего потока, выполнены отверстия (18). Верх отверстий (18) расположен ниже верхней точки профиля крыла примерно на 0,2 толщины крыла и совпадает с уровнем (19) заполняющей его воды (10) и нижней границей упругой воздушной подушки (11), которая выполнена в виде эластичной оболочки (20), заполненной воздухом (21). Опорная конструкция (7) выполнена в виде двух арок (22), закрепленных на основании (23), при этом крыло (1) размещено между арками (22).

Приводной механизм работает следующим образом.

При погружении приводного механизма крыло (1), подвешенное посредством тяг (13) на рессорах (15), которые установлены на арках (22) опорной конструкции (7), заполняется водой через отверстия (18), сжимая упругие рессоры (15).

При полном погружении крыло (1) заполняется водой (9) до уровня (19), совпадающего с верхом максимальных отверстий (18) в боковых стенках (2) и нижней границей воздушной подушки (11), выполненной в виде эластичной оболочки (20), заполненной воздухом (21). Ось (3) поворота крыла, проходящая через точку О, размещена впереди его центра масс С, и крыло по мере заполнения водой поворачивается совместно с рычагом (12) в подшипниках (4) и (14) по часовой стрелке, сжимая упругий элемент (16). Поэтому установка крыла в горизонтальное положение производится посредством регулятора (17) положения крыла за счет дополнительного сжатия упругого элемента (16), воздействующего на рычаг (12).

Под действием неравномерного потока воды, набегающего со скоростью V, крыло (1) совершает поворотные колебания вокруг оси О на собственной частоте ω 0 = c 2 a 2 I m , где c2 - жесткость упругого элемента (16), а - длина рычага (12), Im - средняя величина момента инерции крыла. Крыло также совершает вертикальные колебания по оси у на жесткости c1 рессор (15), установленных на арках (22) опорной конструкции (7).

При поворотных колебаниях полностью заполненного крыла вода в нем не переливается, поэтому момент инерции постоянный и не зависит от угла поворота и времени.

При поворотных колебаниях не полностью заполненного крыла (1) вода (10) в нем попеременно переливается в сторону периферийных участков, а воздушная подушка (11) перемещается в противоположном направлении по отношению к воде и изменяет форму. За один полупериод поворотных колебаний крыла упругая воздушная подушка смещается в одно из крайних положений и возвращается в среднее положение, а за полный период совершает это дважды, то есть частота перемещений воздушной подушки равна 2ω0. Условный момент инерции воды в объеме воздушной подушки составляет: I V m = ρ v n r 2 ( t ) , где ρ - плотность воды, vn - объем воздушной подушки, r(t) - условный радиус инерции воды в объеме воздушной подушки. Радиус инерции r(t) минимален при горизонтальном положении крыла (отрезок ОА на фиг.1) и значительно увеличивается при его повороте за счет того, что воздушная подушка получает значительные перемещения с частотой 2ω0 параллельно хорде крыла при высоте воздушной подушки, примерно равной 0,2 толщины крыла. При перемещениях воздушной подушки радиус инерции r(t) и момент инерции I m V также изменяются с частотой 2ω0, причем величина I m V существенно изменяется во времени, так как она пропорциональна величине r(t) во второй степени. Поэтому момент инерции не полностью заполненного водой крыла, определяемый как разность момента инерции полностью заполненного крыла и момента инерции воды в объеме воздушной подушки, существенно модулируется величиной I m V также с частотой 2ω0.

При вертикальных колебаниях крыла траверсы (5), шарнирно закрепленные в точках О и N (в шарнирных опорах (4) и шарнирах (6)), поворачиваются относительно точки N, удерживая крыло от перемещений по оси х. У крыла, совершающего вертикальные колебания в потоке воды, происходит изменение угла атаки. При этом вследствие переменной во времени разности скоростей на верхней и нижней поверхностях крыла возникает система распределенных по длине его хорды присоединенных вихрей и постоянно сходящих с задней кромки свободных вихрей. Присоединенные вихри перемещаются вдоль профиля крыла и создают пульсации давления, которые воздействуют через отверстия (18) в стенках (2) на воздушную подушку (11), сжимают ее и перемещают с частотой 2ω0. При этом набегающий поток совершает работу на сжатие воздушной подушки и перемещение ее. При сжатии воздушной подушки ее объем уменьшается и замещается водой, что вызывает увеличение динамического момента и угла поворота крыла. При этом увеличивается перемещение воздушной подушки, и происходит дальнейшее замещение свободного объема жидкостью. Динамические воздействия на периферийные участки крыла происходят в такт с колебаниями. Вследствие существенной модуляции момента инерции крыла при высоте воздушной подушки, составляющей примерно 0,2 толщины крыла, происходит параметрическое усиление его поворотных колебаний, и на частоте 2ω0 возникает параметрический резонанс, если работа внешней системы (неравномерного потока) превышает потери энергии в колеблющемся крыле. Параметрические колебания возникают только в не полностью заполненном водой крыле при наличии упругой воздушной подушки. В результате, наряду с кинетической энергией набегающего потока используется энергия присоединенных вихрей.

Максимальные амплитуды поворотных колебаний достигаются, когда неравномерный поток воды перемещается за одну секунду на длину, равную половине хорды крыла, что аналогично нагрузке моментом. При этом величина скорости потока совпадает с величиной половины длины хорды крыла, или величина хорды крыла совпадает с удвоенной скоростью набегающего потока. Можно «настроить» крыло на известную заранее скорость набегающего потока (например, на скорость течения) с тем, чтобы получить максимальные амплитуды поворотных колебаний на частоте параметрического резонанса. Интенсивные колебания крыла передаются через трансмиссию (8) на исполнительный механизм (9) (генератор электрического тока или насос). Таким образом, при значительном увеличении амплитуд колебаний на частоте параметрического резонанса существенно возрастает эффективность приводного механизма.

Похожие патенты RU2478829C9

название год авторы номер документа
ЛОПАСТЬ ЦИКЛОИДНОГО РОТОРА ИЛИ ЦИКЛОИДНОГО ПРОПЕЛЛЕРА С ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИЕЙ ФОРМЫ И ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ В ПРЕДЕЛАХ ОДНОГО ОБОРОТА 2017
  • Бограш, Филипп
RU2772353C2
УРАВНОВЕШЕННЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР 2013
  • Вишневский Вадим Семенович
RU2567488C2
РОТОР ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ 1992
  • Мозжилкин В.В.
  • Чернов А.М.
  • Маркушин А.Г.
  • Блинков Ю.А.
RU2034169C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЗИМУТАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУЗА НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 2005
  • Паршенцев Сергей Алексеевич
RU2307049C1
СУДНО, ПИТАЕМОЕ И ДВИЖИМОЕ ЭНЕРГИЕЙ КАЧКИ СВОЕГО КОРПУСА 2006
  • Горшков Владислав Васильевич
RU2365520C2
ЗАДНЕЕ КРЫЛО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С РЕГУЛИРУЕМЫМ СЕЧЕНИЕМ И ВЫДВИЖНЫМ ЩИТКОМ (ВАРИАНТЫ) 2017
  • Чапка Ричард Энтони
  • Козли Джоэл Дэвид
  • Грубер Рудольф
RU2695253C1
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СУДНО 2000
  • Григорчук В.С.
RU2190546C2
МАХОЛЕТ 2010
  • Рябов Александр Викторович
  • Рябов Дмитрий Александрович
RU2451623C1
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 2002
  • Янг Кендалл Дж.
  • Паулетти Стивен Л.
RU2296694C2
Транспортная система, содержащая трубопровод и транспортное средство для перемещения внутри трубопровода 2019
  • Ахияртдинов Эрик Минисалихович
RU2714277C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 478 829 C9

Реферат патента 2013 года ПРИВОДНОЙ МЕХАНИЗМ

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к устройствам, использующим энергию текущей воды и преобразующим ее в электрическую или механическую энергию. Приводной механизм содержит размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло 1 с боковыми стенками 2, ось 3 которого установлена в шарнирных опорах 4 на задних концах траверс 5, присоединенных передними концами посредством шарниров 6 к опорной конструкции 7, а также связанный с осью крыла 1 посредством трансмиссии 8 исполнительный механизм 9. Механизм 9 снабжен размещенной в верхней части крыла 1 над заполняющей его нижнюю часть водой 10 упругой воздушной подушкой 11, рычагом 12, закрепленным на крыле 1, и вертикальными тягами 13. Тяги 13 связаны нижними концами с установленными на оси 3 подшипниками 14 и присоединены верхними концами посредством рессор 15 к конструкции 7. Между конструкцией 7 и рычагом 12 установлены последовательно упругий элемент 16 и регулятор 17 положения крыла 1. В стенках 2 выполнены отверстия 18. Верх отверстий 18 расположен ниже верхней точки профиля крыла 1 и совпадает с уровнем 19 заполняющей его воды 10 и нижней границей подушки 11, которая выполнена в виде эластичной оболочки 20, заполненной воздухом 21. Изобретение направлено на повышение эффективности за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла приводного механизма. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 478 829 C9

1. Приводной механизм, содержащий размещенное в неравномерном потоке воды симметричное крыло с боковыми стенками, ось которого установлена в шарнирных опорах на задних концах траверс, которые присоединены передними концами посредством шарниров к опорной конструкции, а также связанный с осью крыла посредством трансмиссии исполнительный механизм, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет параметрического усиления поворотных колебаний крыла, он снабжен размещенной в верхней части крыла над заполняющей его нижнюю часть водой упругой воздушной подушкой, а также рычагом, который закреплен на крыле, и вертикальными тягами, связанными нижними концами с подшипниками, установленными на оси крыла, и присоединенными верхними концами посредством рессор к опорной конструкции, между которой и рычагом установлены последовательно упругий элемент и регулятор положения крыла, в боковых стенках которого по длине хорды, равной удвоенной скорости набегающего потока, выполнены отверстия, верх которых расположен ниже верхней точки профиля крыла примерно на 0,2 толщины крыла и совпадает с уровнем заполняющей его воды и нижней границей упругой воздушной подушки, которая выполнена в виде эластичной оболочки, заполненной воздухом.

2. Приводной механизм по п.1, отличающийся тем, что опорная конструкция выполнена в виде двух арок, которые закреплены на основании по бокам крыла.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2478829C9

US 6323563 В, 27.11.2001
Энергетическая установка для преобразования гидродинамического и гидростатического давлений 1984
  • Денисенко Григорий Иванович
  • Кудря Степан Александрович
  • Валенко Владимир Иванович
SU1213238A1
Волновой движитель для судов 1978
  • Эйнар Якобсен
SU946396A3
ТУРБИНА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ВРАЩЕНИЯ 2006
  • Кунеевский Владимир Васильевич
  • Грунин Юрий Александрович
  • Оснос Владимир Борисович
RU2316671C1
US 6652232 А1, 25.11.2003
Дорожная спиртовая кухня 1918
  • Кузнецов В.Я.
SU98A1

RU 2 478 829 C9

Авторы

Вишневский Вадим Семенович

Даты

2013-04-10Публикация

2010-11-11Подача