ВОДЯНАЯ МЕЛЬНИЦА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2017 года по МПК F03B13/26 F03B17/06 

Настоящее изобретение относится к водяной мельнице для использования в водном потоке, например, реке или приливно-отливных водах, выполненной таким образом, что она может быть полностью размещена под водой для преобразования силы водного потока в электроэнергию.

Известно производство электроэнергии из силы водного потока. Такое производство энергии представляет собой интересный процесс, особенно в местах, где существуют большой спад или где можно искусственно создать большие перепады высот. Однако, даже при наличии малого перепада высот, водный поток можно использовать для преобразования в используемый человеком вид энергии. Однако недостаток известных решений состоит в том, что они зачастую создают препятствия на пути пользователей водного потока, например судоходству, а также рыбе. Таким образом, необходимы дополнительные меры для сведения к минимуму таких препятствий.

В US 2008/0231057 раскрыта водяная мельница, имеющая горизонтальный проточный канал с впускным и выпускным отверстиями и лопастное колесо. На внешней окружности лопастного колеса выполнены шарнирные пластинки, установленные на колесе с обеспечением пружинного демпфирования, таким образом, что они имеют сравнительно большое сопротивление при перемещении вместе с потоком и сравнительно малое сопротивление при перемещении против потока. Кроме того, выполнены средства передачи, например, в форме ремня, передающего вращательное движение лопастного колеса на генератор.

Как определено выше, задача настоящего изобретения состоит в создании водяной мельницы, которая преобразует энергию водного потока в электроэнергию более эффективно, чем известные устройства. Согласно изобретению эта задача решена с помощью водяной мельницы по пункту 1 формулы изобретения, при этом каждая лопасть которой содержит ламели, выполненные с возможностью поворота вокруг оси поворота, проходящей по меньшей мере по существу параллельно оси вращения лопастного колеса, а ось поворота всегда расположена на одной длинной стороне соответствующей ламели или вблизи нее, причем поворотное движение ламели затруднено ограничительными средствами при перемещении соответствующей лопасти, и ламели выполнены с возможностью свободного поворота при перемещении соответствующей лопасти против направления потока. Упомянутые в настоящем документе направление или ориентация предназначены для обозначения направление или ориентации, в или при которых водяная мельница с по существу горизонтально направленным проточным каналом, параллельным направлению потока, размещена в водотоке. Водяная мельница согласно изобретению может быть размещена полностью под водой так, что пользователи водного потока, называемого также в настоящем документе водотоком, например, лодки, плавающие животные и т.п., не испытывают или почти не испытывают затруднений от нее. Водяная мельница может быть установлена на дне водотока, например, реки, и, при достаточной глубине реки, на такой глубине, что речное судоходство не затруднено. Водяная мельница не требует закрытия водотока по всей его ширине для создания достаточного спада или для обеспечения суженного прохода. В рабочем состоянии вода протекает через впускное отверстие в по меньшей мере в один проточный канал и совместно по меньшей мере с одним лопастным колесом.

Согласно изобретению каждый механический вал или виртуальная ось, вокруг которых поворачиваются ламели лопастного колеса, расположены на длинной стороне соответствующей ламели или вблизи нее, в результате лопасти ведут себя в основном подобно лопаткам, всегда определяя ориентацию с наименьшим сопротивлением. Это означает, что при размещении в текучую среду ламели будут стремиться к самоориентации от соответствующих осей поворота, параллельных направлению потока в направлении ниже по потоку. Однако, если лопасть движется вместе с направлением потока, ограничительные средства будут предотвращать принятие ламелями ориентировочных положений с наименьшим сопротивлением. Ограничительные средства выполнены с возможностью ориентации ламелей лопасти, перемещающейся с потоком, по существу перпендикулярно потоку так, что образуется по меньшей мере по существу закрытая ламелями лопасть, что создает большое сопротивление водному потоку. Таким образом, водный поток прикладывает к соответствующей лопасти сравнительно большое усилие. Устройство согласно изобретению позволяет создать лопастное колесо с ламелями, расположенными по существу по всей его длине, за счет чего может быть достигнута сравнительно высокая эффективность. Поскольку лопастное колесо, перемещающееся вместе с потоком, испытывает сравнительно большое сопротивление потоку, а лопастное колесо, перемещающееся против потока, испытывает сравнительно малое сопротивление потоку, то лопастное колесо будет выполнять поворот вокруг своей оси вращения. Действующее на лопасть усилие водного потока для приведения лопастного колеса, будет изменяться за один поворот лопастного колеса от максимального значения, при котором лопасть по существу перпендикулярна направлению потока и перемещается с ним, до минимального значения, при котором лопасть по существу параллельна направлению потока, до еще одного минимального значения, то есть приводное усилие действует в отрицательном направлении, когда лопасть по существу перпендикулярна направлению потока и перемещается против течения, и далее через минимальное значение при параллельной ориентации вновь до максимального значения в конце вращения. Так как сопротивление потоку зависит от непрерывно изменяющегося положения в ходе вращения, лопастное колесо будет продолжать вращаться. Таким образом, будет достигнута задача настоящего изобретения.

В FR 2525694 (именуемом в дальнейшем D2) описана водяная мельница, выполненная с лопастями, имеющими ламели и выполненными с возможностью поворота вокруг центральной продольной оси соответствующей ламели, при этом ось проходит параллельно валу вращения лопастного колеса. Ламель, выполненная с возможностью поворота вокруг центральной продольной оси, становится неустойчивой, когда ориентирована параллельно потоку. Небольшие возмущения в потоке текучей среды, в которой расположена ламель, могут вызвать ее откидывание (частично). Это вызывает нестабильность ламели и создает излишне высокое сопротивление при перемещении соответствующей лопасти против потока, что способствует уменьшению эффективности водяной мельницы. При перемещении соответствующей лопасти с потоком ламель также чувствительна к возмущениям в потоке текучей среды, что приводит к относительному уменьшению сопротивления. Это также отрицательно сказывается на эффективности. Кроме того, в случае серьезного возмущения в потоке текучей среды, ламель может откидываться полностью, что приводит к почти полной остановке вращающегося лопастного колеса. Так как водяная мельница расположена в корпусе, оказывающем влияние на поток и предпочтительно пропускает в водяную мельницу сравнительно большое количество текучей среды, то возникновение турбулентности в потоке неизбежно.

Согласно изобретению по меньшей мере один проточный канал водяной мельницы предпочтительно выполнен с внутренними стенками, имеющими низкое сопротивление потоку, протекающему мимо них в рабочем состоянии. Очевидно, что эффективность водяной мельницы согласно настоящему изобретению возрастает пропорционально увеличению скорости воды в проточном канале.

Если по меньшей мере один проточный канал выполнен с возможностью направления протекающий по нему воды в направлении, где лопасти по меньшей мере одного лопастного колеса перемещаются вместе с потоком, поток можно лучше использовать для приведения соответствующих лопастей, которые необходимо привести в движение, а любое сопротивление, приложенное к лопастям, которые не должны быть приведены в движение в любой данный момент времени, может быть уменьшено, за счет частичного отведения потока в сторону.

Если по меньшей мере два лопастных колеса выполнены в проточном канале друг за другом, предпочтительно, чтобы указанные лопастные колеса, размещенные друг за другом, вращались во взаимно противоположных направлениях. Таким образом, вода может перемещаться через соответствующий проточный канал волнообразно, таким образом вода, присутствующая в проточном канале, достигает оптимального активизирующего эффекта на соответствующие лопастные колеса.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения вал вращения по меньшей мере одного лопастного колеса проходит по существу вертикально. Хотя возможны альтернативные ориентации вала вращения, предпочтительно перпендикулярно направлению потока, например, горизонтальная ориентация, лопастное колесо с вертикально ориентированным валом вращения нагружают наиболее благоприятным образом, при этом в последствии вал вращения по существу не подвергается влиянию переменных усилий гравитации лопастей в рабочем состоянии.

Каждая ламель предпочтительно закреплена на соответствующей лопасти с возможностью свободного перемещения вокруг соответствующей оси поворота и подвержена ограничению, приложенному ограничительными средствами. Таким образом, ламели имеют возможность свободно выбирать и принимать ориентацию при наименьшем сопротивлении во всех случаях, исключая ограничение, приложенное ограничительными средствами.

Согласно настоящему изобретению лопасти предпочтительно выполнены с ламелями, расположенными по длине по меньшей мере 50% радиуса лопастного колеса. Это означает, что по меньшей мере 50% длины радиуса колеса, как определено лопастью, покрыто ламелями на площади поверхности соответствующей лопасти при ориентации ламелей параллельно соответствующей лопасти. Чем больше площадь поверхности лопасти, выполненной с ламелями, тем выше эффективность, которая может быть достигнута лопастным колесом.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения расстояние между осями поворота двух взаимно примыкающих ламелей меньше ширины ламели, сопряженной с одной из двух указанных осей поворота. Таким образом, можно получить установку, в которой две взаимно примыкающие ламели частично перекрываются в случае параллельной ориентации так, что закрытая поверхность будет образована ламелями.

Ось поворота ламели предпочтительно образует ограничительные средства для примыкающей ламели. Таким образом, можно простым способом получить предусмотренное ограничение свободы движения ламелей.

Эффективная для потока форма ламели может быть получена, когда сечение ламели, выполненное от оси поворота в направлении края, расположенного напротив оси поворота в направлении, перпендикулярном оси поворота соответствующей ламели, выполнено суживающимся. Такая форма, например, форма капли, была обнаружена как обеспечивающая сравнительно малое сопротивление текучей среде, протекающей мимо нее, в конфигурации, параллельной направлению потока.

Ламель предпочтительно выполнена на стороне оси поворота так, что сопротивление воды, протекающей мимо нее, сведено к минимуму, в случае, когда соответствующая сторона обращена в направлении выше по потоку. Хотя этот критерий, по-видимому, сформулирован в настоящем документе в виде пожелания, специалистам в области гидрологии будет незамедлительно понятно, какие формы соответствующей стороны ламели могут приниматься для соответствия этому требованию.

Лопасти предпочтительно размещены вокруг вала вращения по меньшей мере по существу с одинаковыми угловыми интервалами. Равномерное распределение лопастей вокруг вала вращения обеспечивает желаемое, как правило, равномерное вращательное движение лопастного колеса.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения по меньшей мере два лопастных колеса выполнены друг за другом в проточном канале. Выполнение второго, а возможно третьего и более рабочих колес в корпусе, возможно удлиненном для этой цели, требует сравнительно меньшего усилия по сравнению с выполнением второй, а возможно третьей и более водяных мельниц, каждая из которых содержит одно лопастное колесо и оборудование для преобразования вращательного движения вала вращения в электроэнергию. Скорость водного потока по меньшей мере в одном проточном канале действительно будет уменьшаться с помощью первого расположенного выше по потоку лопастного колеса так, что эффективность второго лопастного колеса будет ниже эффективности первого лопастного колеса, однако во многих случаях второе, третье и более рабочие колеса, по-прежнему, остаются выгодными.

Область подачи воды предпочтительно выполнена воронкообразной, сужающейся в направлении по меньшей мере одного проточного канала. Таким образом, сравнительно большая часть потока в проточном канале вталкивается в проточный канал, что обеспечивает более высокую эффективность водяной мельницы.

Кроме того, область подачи воды предпочтительно выполнена с защитным элементом, выполненным с возможностью предотвращения попадания в водяную мельницу предметов или животных, размер которых превышает определенное значение и которые присутствуют в воде. Очевидно, что предметы, а также рыбы или другие животные, которые попадают между лопастью и стенкой проточного канала и возможно застревают там, отрицательно влияют на выработку электроэнергии водяной мельницей. Водяную мельницу может заклинить или повредить. Такой защитный элемент по меньшей мере в значительной степени предотвращает такую опасность.

Если защитный элемент проходит с наклоном вверх, если смотреть в направлении потока, предметы и животные можно сравнительно просто отвести от водяной мельницы с пониженным риском нанесения повреждения защитного элемента и/или животного.

В предпочтительном примере осуществления изобретения водяная мельница содержит по меньшей мере корпус, образованный водонаправляющим средством, верхней стенкой и нижней стенкой, и окружающий соответствующим образом проточный канал. Таким образом, корпус создает полностью закрытый проточный канал по меньшей мере если смотреть в направлении, перпендикулярном направлению потока. Верхняя и нижняя стенка могут также обеспечивать защиту подвижных частей. Верхняя и/или нижняя стенка могут поочередно отсутствовать так, чтобы улучшить доступ к устройству, например, при проведении технического обслуживания.

В примере осуществления изобретения с полностью закрытым проточным каналом область подачи воды и/или область водоспуска образованы впускным отверстием и/или выпускным отверстием соответственно.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения в корпусе выполнены по меньшей мере два проточных канала. Таким образом, можно увеличить выработку, а также повысить эффективность водяной мельницы. Известно, что второй проточный канал требует большего корпуса, однако средства для преобразования вращательного движения различных валов вращения в электроэнергию и ее перенос на сушу обеспечивается эффективным образом.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения впускное отверстие и/или по меньшей мере один проточный канал выполнены/выполнен по меньшей мере с одним отводным отверстием, предназначенным для предотвращения (слишком) большого давления по меньшей мере на одно лопастное колесо, например в периоды, когда скорость потока в водотоке сравнительно высока. В этом случае часть воды, введенной через впускное отверстие, сбрасывают за пределы корпуса по меньшей мере через одно отводное отверстие.

Водяная мельница предпочтительно содержит водонепроницаемый отсек, в котором установлен генератор с постоянными магнитами. Генератор с постоянными магнитами должен работать в безводном пространстве. Соответственно желательно встраивать его в корпус или по меньшей мере в водонепроницаемый отсек. В качестве альтернативы генератор с постоянными магнитами выполняют или следует выполнять в виде автономного блока на расстоянии от корпуса водяной мельницы.

Для увеличения выработки водяная мельница может быть выполнена таким образом, что она содержит по меньшей мере два лопастных колеса, размещенных одно за другим. Такую конструкцию именуют модульной системой.

В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения водяная мельница выполнена так, чтобы быть реверсивной, т.е. Водяная мельница может работать в двух взаимно противоположных направлениях потока. Во многих случаях этого достигают тем, что устройство по меньшей мере по существу выполнено таким, чтобы иметь ось симметрии, т.е. область подачи воды аналогична области водоспуска; то же самое относится и к проточным каналам, если смотреть с разных сторон. Такая водяная мельница отлично подходит для использования в районах, где возможно движение водного потока в двух противоположных направлениях, например, в приливно-отличных водах.

Настоящее изобретение во втором аспекте относится к использованию водяной мельницы согласно первому аспекту настоящего изобретения в водном потоке, например, реке или приливно-отливных водах, в котором по меньшей мере один проточный канал предпочтительно полностью размещен под водой. Очевидно, возможна также работа при частичном размещении проточного канала над водой. Однако работа с по меньшей мере одним проточным каналом, полностью размещенным под водой, обеспечивает более высокую эффективность водяной мельницы. Еще одно главное преимущество работы под водой состоит в том, что водяную мельницу можно использовать вне пределов видимости, а при достаточно глубоководном водном потоке можно располагать таким образом, что суда с определенным водоизмещением, или даже все суда, могут проходить по водному пути без столкновения с водяной мельницей.

По меньшей мере один проточный канал предпочтительно расположен на расстоянии от дна одного потока. Расстояние по вертикали от дна водного потока по меньшей мере до одного проточного канала составляет по меньшей мере 50 см. Размещение на (достаточном) расстоянии от дна, предпочтительно по меньшей мере 75 см, предотвращает или по меньшей мере уменьшает риск попадания в корпус осадочных веществ вместе с водой, а также возникновения глубинных течений, которые могут оказать влияние на дно водотока.

Предпочтительно, по меньшей мере один проточный канал ориентирован по существу горизонтально в водном потоке. При по существу горизонтальной ориентации проточного канала, протекающая по нему вода не будет иметь излишних препятствий, а водяная мельница будет иметь сравнительно высокую эффективность.

Для предотвращения повреждения дна на стороне выпускного отверстия проточного канала, предпочтительно, чтобы выпускное отверстие по меньшей мере одного проточного канала проходило немного в направлении вверх относительно по меньшей мере одного проточного канала, если смотреть в направлении потока. Это позволяет предотвратить или по меньшей мере снизить любое повреждение дна водотока позади водяной мельницы.

Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие два предпочтительных примера осуществления водяной мельницы согласно настоящему изобретению, где

На фиг. 1а схематически показан вид сверху в разрезе примера осуществления водяной мельницы согласно настоящему изобретению;

На фиг. 1b схематически показан вид сбоку в разрезе водяной мельницы, изображенной на фиг. 1а.

На фиг. 2 схематически показан вид сверху в разрезе потока, проходящего по лопастному колесу водяной мельницы, изображенной на фиг. 1.

На фиг. 3 схематически показан вид сверху в разрезе другого примера осуществления водяной мельницы согласно настоящему изобретению.

На фиг. 4 показано вертикальное сечение по линии IV-IV согласно фиг. 3.

На фиг. 5 схематически показано перспективное изображение другого примера осуществления изобретения водяной мельницы согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6а, 6b схематически показаны виды сверху водяной мельницы, изображенной на фиг. 5.

На фиг. 7а и 7b показаны виды в разрезе двух взаимно прилегающих ламелей в состоянии, при котором связанная с ними лопасть перемещается, соответственно, с потоком и против него.

На фиг. 1а схематически показан вид сверху в разрезе примера осуществления водяной мельницы 1 согласно настоящему изобретению. Водяная мельница 1 содержит корпус 2, включающий в себя впускное отверстие 3, проточный канал 4 и водонепроницаемый отсек 5 генератора с постоянными магнитами (PMG). Впускное отверстие 3 имеет две вертикальные боковые стенки 6, 7, которые сужаются по направлению к проточному каналу 4, нижнюю стенку 8 и верхнюю стенку (не показана на фиг. 1а). В боковой стенке 7 выполнен отводной цилиндр 10. Схематически показано расположение отводных пластин 11 на верхней стенке. Проточный канал 4 образован двумя боковыми стенками 12, 13, нижней стенкой 14 и верхней стенкой (не показана на фиг. 1а). На внутренней стороне боковых стенок 12, 13 проточного канала 4 выполнены вертикально проходящие профили 16, сечение которых имеет форму усеченного конуса. В проточном канале 4 установлены три лопастных колеса 17а, 17b, 17с, траектории лопастей 28 которых частично ограничены профилями 16, расположенными на небольшом расстоянии от участка указанных траекторий. Лопастные колеса 17а-с вращаются в рабочем состоянии вокруг соответствующих валов 18а, 18b, 18с вращения в направлении стрелок Pa, Pb, Pc. Водонепроницаемый отсек 5 генератора с постоянными магнитами образован в области переходного участка от впускного отверстия 3 к проточному каналу 4 с помощью части боковой стенки 6 впускного отверстия 3, части боковой стенки 13 проточного канала 4, боковой стенкой 19, боковой стенкой 20, нижней стенкой 21 и верхней стенкой (на фиг. 1a не показана). Цифрой 23 на фиг. 1a схематически показана известная механическая передача, обеспечивающая передачу вращательного движения лопастного колеса 17 на генератор с постоянными магнитами (PMG) внутри водонепроницаемого отсека 5 генератора с постоянными магнитами. Впускное отверстие 3 выполнено с сеткой 25 от рыб и загрязняющих веществ на его стороне выше по потоку.

На фиг. 1b схематически показан вид сбоку в разрезе водяной мельницы 1, изображенной на фиг. 1а. Элементы водяной мельницы 1 имеют те же самые номера позиций, что и на фиг. 1a. Верхняя стенка впускного отверстия 3 обозначена цифрой 9, а верхняя стенка проточного канала 4 обозначена цифрой 15. Водяная мельница 1 надежно закреплена на опорной поверхности 27 с помощью опор 26.

На фиг. 2 схематически показан вид сверху в разрезе части проточного канала 4, в которой установлено лопастное колесо 17а. Лопастное колесо 17а показано схематически, но более подробно, чем на фиг. 1а. Лопастное колесо 17а имеет вал 18а вращения, проходящий в вертикальном направлении в проточном канале в рабочем состоянии, и вокруг которого могут вращаться три лопасти 28. Каждая из трех лопастей 28 имеет центральные поверхности 29 в форме простой решетки в настоящем примере осуществления. Ламели 31, выполненные с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 30, размещены на указанной решетке.

На фиг. 3 показан другой пример осуществления водяной мельницы согласно настоящему изобретению. Водяная мельница 51 сопоставима с водяной мельницей 1, но имеет два проточного канала 54. Если однозначно не указано иное, элементам, показанным на фиг. 3, которые соответствуют элементам, показанным на фиг. 1а и 1b, присвоены номера позиций, отличающиеся на значение, равное 50. Существенное отличие водяной мельницы 51 от водяной мельницы 1 состоит в том, что в водяной мельнице 51 два проточных канала 54а, 54b, разделенные разделительной стенкой 82, питают с помощью одного впускного отверстия 53, через которое также проходит разделительная стенка 82. Разделительная стенка 82 выполняет по отношению к двум проточным каналам 54а, 54b то же, что и боковые стенки 12 и 13 на фиг. 1a.

Наконец, на фиг. 4 показано вертикальное сечение по линии IV-IV согласно фиг. 3. Элементы на фиг. 4, соответствующие элементам на фиг. 3, присвоены те же номера позиций, что и элементам на фиг. 3. Проточные каналы 54а, 54b образованы нижней стенкой 64 и верхней стенкой 65, боковыми стенками 62 и 63 и разделительной стенкой 82. Два лопастных колеса 67а1 и 67а2 выполнены внутри проточных каналов 54а, 54b. Каждое лопастное колесо 67а1 и 67а2 имеет вал 68а1, 68а2 вращения и лопасти, из которых на фиг. 4 показана только решетка 79, образующая центральную поверхность. Ламели лежат напротив решетки соответствующей лопасти на заштрихованных сторонах валов 68а1, 68а2 вращения. В результате этого становятся видимыми ламели, расположенные впереди решетки. Однако на других концах валов вращения ламели расположены непосредственно позади вертикальных участков решетки 79, то есть в его вытянутом направлении, если смотреть в направлении наблюдения, причем вертикальные участки совпадают с осями 80 поворота ламелей, так что решетка видна впереди ламелей.

На фиг. 5, 6а и 6b соответственно схематически показаны перспективное изображение и вид сверху примера осуществления водяной мельницы 101 согласно настоящему изобретению, где проточный канал 104 образован только двумя боковыми стенками 112а, 112b и 113а, 113b водонаправляющих элементов 106а, 106b и 107а, 107b соответственно, которые будут более подробное описаны ниже. Водяная мельница 101 также имеет отсек генератора с постоянными магнитами, который, в целях обеспечения ясности, отсутствует на чертежах этого примера осуществления изобретения. Специалистам в данной области известно, как соединить лопастные колеса 117а, 117b с PMG генератором для преобразования вращательного движения лопастных колес 117а, 117b в электрическую энергию. Каждое лопастное колесо 117а, 117b содержит три лопасти 128, расположенные под углом 120° друг к другу. Каждая лопасть 128 имеет верхний рычаг 128а и нижний рычаг 128b, между которыми проходят выполненные с возможностью поворота ламели 131. Ламели 131 расположены в водяной мельнице 101 таким образом, что ось 130 поворота ламели 131 образует упор для примыкающей ламели 131 при движении соответствующей лопасти 128 вместе с потоком. Таким образом, ось 130 поворота ограничивает поворотное движение примыкающих выполненных с возможностью поворота ламелей 131. Это показано на фиг. 6а, 6b и более подробно на фиг. 7b. Водонаправляющие элементы водяной мельницы 101 имеют центр симметрии на оси вращения или вале 118а расположенных одно над другим лопастных колес 117а, 117b. Тщательное соблюдение этой центральной симметрии не требуется, однако она способствует тому, что два лопастных колеса 117а, 117b принимают водный поток на с обеих сторон. Таким образом, водяная мельница 101 отлично подходит для размещения в приливно-отливных водах, когда лопастные колеса 117а, 117b вращаются по часовой стрелке (стрелка R1 на фиг. 6а) или против течения (стрелка R2 на фиг. 6b), в зависимости от направления водного потока.

На фиг. 7а, 7b схематически показаны две взаимно прилегающие ламели 31a, 31b в разрезе в случае, когда лопасть 28, на которой установлены ламели 31а, 31b с возможностью поворота вокруг оси 30 поворота в направлении стрелок Z, перемещается против направления потока, показанного стрелками S, и перемещается в направлении потока, показанного стрелками S, соответственно. Ниже приведено описание работы водяной мельницы 1. Если водяная мельница 1 закреплена на дне 27, например, реки, с помощью опор 26, а ее впускное отверстие 3 обращено в направлении выше по потоку, как показано на фиг. 1b, вода из реки будет протекать в водяную мельницу 1 в направлении, показанном стрелками S, через стопорную сетку 25 от рыбы и загрязняющих веществ, и впускное отверстие 3. Стопорная сетка 25 от рыбы и загрязняющих веществ, имеет такой размер, что вода может протекать по существу беспрепятственно, маленькие предметы и какая-либо мелкая рыба, которые по существу не мешают работе водяной мельницы, также могут проходить сквозь них, но крупные предметы и сравнительно большие животные будут задерживаться сеткой 25. Как показано на фиг. lb, для предотвращения засорения сетки 25, ее размещают перед впускным отверстием 3 под некоторым углом, обеспечивая соскальзывание загрязняющих веществ с сетки 25. Вода будет протекать из впускного отверстия 3 в проточный канал 4 при нормальном течении. Однако, в случае мощного течения, вода будет вытекать через отводные ворота в отводных пластинах 11 и отводной цилиндр 10. С этой целью давление воды на лопасти или скорость вращения лопастей могут быть измерены с помощью датчика, который выдает сигнал отводному цилиндру на сброс воды известным способом. По желанию, можно использовать датчик, расположенный снаружи корпуса, который измеряет, например скорость потока воды снаружи водяной мельницы. Кроме того, можно обеспечить открытие и закрытие механических клапанов в ответ на сигнал датчика. Это предотвращает или по меньшей мере снижает риск того, что силы, приложенные водой на лопастные колеса 18а, 18b, 18с, могут повредить водяную мельницу 1. Поскольку боковая стенка 6 впускного отверстия удлинена за счет профиля 16, подача воды осуществляется, в частности, с левой стороны лопастного колеса 18а, если смотреть в направлении потока. Ламели 31 соответствующей лопасти 28 закрыты, т.е. ламели 31 проходят по меньшей мере по существу параллельно центральной плоской поверхности 29 (см. фиг. 2), где лопасть 28 закрыта и соответственно к ней приложено усилие. До тех пор, пока усилие, действующее на ламели 31 на стороне выше по потоку, больше усилия на стороне, расположенной ниже по потоку, ламели 31 будут оставаться на стороне выше по потоку водного потока. Ламели 31, проходящие перпендикулярно направлению потока, будут поджаты к решетку, расположенной ниже по потоку от ламелей 31. По мере дальнейшего вращения лопастного колеса 17а в направлении Ра вращения, ламели 31 будут поворачиваться так, чтобы ориентироваться, как показано на фиг. 2 для двух других лопастей 28. Как показано на фиг. 2, ламели 31 будут находиться на стороне ниже по потоку соответствующей лопасти 28 при перемещении лопасти 28 против направления потока, и таким образом, будут высвобождать соответствующую лопасть 28 по существу для прохождения воды через соответствующую решетку, расположенную в центральной плоскости 29. По меньшей мере специалистам в данной области понятно, что таким образом обеспечивается и поддерживается вращательное движение лопастного колеса 17а. Профиль 16 и боковая стенка 13 отталкивают поток от лопастного колеса 17а к лопастному колесу 17b, вращающемуся в противоположном направлении с помощью того же принципа, что описан выше. Затем вода протекает в направлении лопастного колеса 17с и покидает через выпускное отверстие 4 для того, чтобы смешаться с водой, которая протекает вокруг водяной мельницы 1. Скорость воды, проходящей через корпус, по сравнению со скоростью воды, протекающей вокруг корпуса, частично определяется отношением площади поверхности стороны, расположенной выше по потоку от впускного отверстия, к площади поверхности проточного канала. Вода ускоряется за счет того, что используют впускное отверстие, площадь поперечного сечения которого больше площади поперечного сечения проточного канала. С другой стороны, в проточном канале скорость уменьшается. При условии, что впускное отверстие не слишком большое (относительно проточного канала), в выпускном отверстии возникает эффект Вентури (Venturi), обеспечивающий ускорение водного потока внутри проточного канала 4 и дальнейшее увеличение эффективности водяной мельницы. Лопастные колеса 17а, 17b, 17с вращаются вокруг соответствующих валов 18а, 18b, 18с вращения, движение которых способом, известным для специалистов в данной области, например посредством системы шестерен и тяг, передается на генератор 24 с постоянными магнитами в отсеке 5 генератора с постоянными магнитами, где вращательное движение преобразуется в электроэнергию. Эту электроэнергию по кабелю (на фигурах не показан) подают на сушу, где и осуществляется ее использование.

Работа водяной мельницы 51 аналогична работе водяной мельницы 1 и, следовательно, не требует никакого дальнейшего объяснения.

Ниже приведено описание работы водяной мельницы 101 со ссылкой на фиг. 5 и 6. В отличие от предыдущих примеров осуществления изобретения, водяная мельница 101 по существу выполнена открытой с верхней стороны и с нижней стороны, поскольку верхняя и нижняя стенки проточного канала 104 отсутствуют. Преимущество этого состоит в обеспечении хорошего доступа к лопастным колесам 117 в случае неисправности и/или для проведения техобслуживания. Каждый водонаправляющий элемент 106а, 106b имеет направляющую поверхность 103, которая расположена выше по потоку (в рабочем состоянии) и отклоняет часть потока, обычно препятствующего работе водяной мельницы 101, в направлении проточного канала 104. Проточный канал 104 образован боковыми стенками 112, 113, которые близко примыкают к траектории В лопастей 128 соответствующего лопастного колеса 117. На фиг. 5 и 6 расстояние между траекторией лопастей 128 и боковыми стенками 112, 113 показано сравнительно большим. На практике, соответствующее расстояние может быть уменьшено для ограничения количества воды, протекающей между лопастями 128 и боковыми стенками 112, 113 без приведения в действие соответствующей лопасти 128. После прохождения через проточный канал 104 вода может свободно покинуть водяную мельницу 101. Благодаря по существу симметричной конструкции водяной мельницы 101, ее работа осуществляется в реверсивном режиме, как направление потока S изменено, например, в приливных водах. Этот показано на фиг. 6b, где ориентация ламелей 131 лопастей 128 показана при направлении водного потока S, противоположного направлению потока, показанному на фиг. 6а. Для этого водяная мельница 101 не требует особой адаптации или трансформации. Хотя движение ламелей 131 и осей поворота 130 изменено на противоположное, их действие аналогично действию, показанному на фиг. 6а.

Очевидно, что для водяной мельницы 101 также могут быть предусмотрены средства, предотвращающие проникновение рыбы и загрязняющих веществ, например, сетки. Наличие таких средств позволяет направлять рыбу и/или загрязняющие вещества на более высокий уровень водотока. Наличие или отсутствие верхней стенки, защищающей проточный канал, в этом случае существенного значения не имеет.

Основным аспектом настоящего изобретения является определение, на основании чего ламель автоматически ищет ориентацию с наименьшим сопротивлением потоку при движении соответствующей лопасти (частично) против направления движения потока S, т.е. если движение соответствующей лопасти имеет составляющую, противоположную направлению водного потока, при этом такая ориентация компенсирует или ограничивает при движении соответствующей лопасти (частично) в направлении движения потока S, т.е., если движение соответствующей лопасти имеет составляющую, параллельную направлению водного потока. На фиг. 7 показана возможность осуществления этого согласно настоящему изобретению. На фиг. 7а показано движение лопасти 28 в направлении R, противоположном направлению S водного потока. Как видно из фиг. 7а, ламели 31а, 31b, которые по меньшей мере в этом случае выполнены с возможностью свободного поворота, автоматически определяют свою ориентацию в ответ на это действие. Это определяется конструктивно. При дальнейшем движении соответствующей лопасти 28, ламели всегда будут ориентированы параллельно направлению потока S позади оси 30 поворота до момента, когда соответствующая лопасть 28 будет ориентирована параллельно направлению потока S. Таким моментом является момент, в который задний край соответствующей ламели 31а, расположенный напротив оси 30 поворота, упирается в примыкающую ламель 31b, которая, таким образом, препятствует любому дальнейшему повороту ламели 31а. Такое состояние сохраняется при вращательном движении лопастного колеса приблизительно на 180°, после чего упор ламели 31а против ламели 31b вновь будет поднят потоком воды. Действия ламелей 131 водяной мельницы 101 сопоставимы с действиями ламелей 31.

Очевидно, что соприкосновение и ограничение движения ламелей может быть осуществлено различными способами. Изобретение определенно не ограничено способами, проиллюстрированными на фиг. 7.

Только два примера осуществления водяной мельницы согласно настоящему изобретению проиллюстрированы фигурами и рассмотрены в тексте описания. Очевидно, что возможны различные модификации, известные или нет специалистам в данной области, в объеме настоящего изобретения, определенном прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, в проточном канале можно разместить только одно или два или большее количество лопастных колес. Кроме того, лопастные колеса можно установить в корпусе в три, четыре или большее количество рядов, предпочтительно, но не обязательно, в разных проточных каналах. Желательно, но не обязательно иметь профили, которые направляют поток, причем они могут быть разной формы. Водяная мельница может быть установлена не только на дне реки, но и в нижней части приливных течений, например, в приливно-отливном канале. Приливно-отливной канал обычно сравнительно глубокий, и поток в нем имеет высокую концентрацию, т.е. он сравнительно сильный, и по существу проходит всегда в одном и том же направлении.

Группа изобретений относится к водяной мельнице. Мельница содержит водонаправляющее средство с по меньшей мере одним проточным каналом 54а, в котором установлено по меньшей мере два лопастных колеса 67а1 и 67а2, имеющих вал вращения 68а1 и 68а2 соответственно, ориентированный в рабочем состоянии перпендикулярно направлению потока, и по меньшей мере три лопасти, и средства передачи вращательного движения вала 68а1 и 68а2 на генератор. Каждая лопасть содержит ламели, выполненные с возможностью поворота вокруг оси поворота, проходящей параллельно валу 68а1 и 68а2. Ось поворота каждой ламели расположена на одной длинной стороне соответствующей ламели или вблизи нее. Поворотное движение ламели затруднено ограничительными средствами при перемещении соответствующей лопасти вместе с потоком. Ламели выполнены с возможностью свободного поворота при перемещении соответствующей лопасти против направления потока. Ламели имеют форму капли. Колеса 67а1 и 67а2 выполнены в канале 54а друг за другом. Область подачи воды выполнена воронкообразной, сужающейся в направлении канала 54а. Группа изобретений направлена на обеспечение эффективного преобразования водного потока в электроэнергию. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Водяная мельница для использования в водном потоке, содержащая

водонаправляющее средство, которое образует по меньшей мере один горизонтальный проточный канал с областью подачи воды, расположенной выше по потоку в рабочем состоянии, и областью водоспуска, расположенной ниже по потоку в рабочем состоянии; по меньшей мере два лопастных колеса, установленных в проточном канале и имеющих вал вращения, ориентированный в рабочем состоянии по существу перпендикулярно направлению потока, и

по меньшей мере три лопасти, выполненные таким образом, что при перемещении с составляющей движения в направлении потока они имеют сравнительно высокий коэффициент сопротивления к воде, протекающей через указанный по меньшей мере один проточный канал, а при перемещении с составляющей движения против направления потока они имеют сравнительно низкий коэффициент сопротивления к воде, протекающей через указанный по меньшей мере один проточный канал, и

средства передачи для передачи вращательного движения вала вращения указанных по меньшей мере двух лопастных колес на генератор с постоянными магнитами, отличающаяся тем, что

каждая лопасть содержит ламели, выполненные с возможностью поворота вокруг оси поворота, проходящей по существу параллельно валу вращения лопастных колес, при этом указанная ось поворота каждой ламели расположена на одной длинной стороне соответствующей ламели или вблизи нее, а поворотное движение ламели затруднено ограничительными средствами при перемещении соответствующей лопасти вместе с потоком, причем ламели выполнены с возможностью свободного поворота при перемещении соответствующей лопасти против направления потока, причем ламели имеют форму капли,

по меньшей мере два лопастных колеса выполнены в проточном канале друг за другом,

а область подачи воды выполнена воронкообразной, сужающейся в направлении указанного по меньшей мере одного проточного канала.

2. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один проточный канал выполнен с внутренними стенками, имеющими низкое сопротивление потоку по отношению к воде, протекающей мимо них в рабочем состоянии.

3. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один проточный канал выполнен с внутренними стенками, формы которых соответствуют траектории, описываемой указанными по меньшей мере двумя лопастными колесами.

4. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один проточный канал выполнен с возможностью направления воды, протекающей в нем в направлении, где лопасти указанных по меньшей мере двух лопастных колес перемещаются вместе с потоком.

5. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что размещенные друг за другом лопастные колеса выполнены с возможностью вращения во взаимно противоположных направлениях.

6. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что каждая ламель прикреплена к соответствующей лопасти с возможностью свободного перемещения вокруг соответствующей оси поворота и подвержена ограничению, приложенному ограничительными средствами.

7. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что лопасть выполнена с ламелями, длина которой составляет по меньшей мере 50% радиуса лопастных колес.

8. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между осями поворота двух взаимно примыкающих ламелей меньше ширины ламели, сопряженной с одной из двух указанных осей поворота.

9. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что ось поворота ламели образует ограничительные средства для примыкающей ламели.

10. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что сечение ламели, выполненное от оси поворота в направлении края, расположенного напротив оси поворота в направлении, перпендикулярном оси поворота соответствующей ламели, выполнено суживающимся.

11. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что ламель выполнена на стороне оси поворота таким образом, что при обращении соответствующей стороны в направлении выше по потоку сопротивление к воде, протекающей мимо нее, сведено к минимуму.

12. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти размещены вокруг вала вращения по меньшей мере по существу с одинаковыми угловыми интервалами.

13. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что область подачи воды выполнена с защитным элементом, выполненным с возможностью предотвращения попадания предметов или животных, размер которых превышает определенное значение и которые присутствуют в воде, в водяную мельницу.

14. Водяная мельница по п. 13, отличающаяся тем, что защитный элемент проходит с наклоном вверх, если смотреть в направлении потока.

15. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, корпус, образованный водонаправляющим средством, верхней стенкой и нижней стенкой и окружающий соответствующим образом проточный канал.

16. Водяная мельница по п. 15, отличающаяся тем, что область подачи воды и область водоспуска образованы соответственно впускным отверстием и/или выпускным отверстием.

17. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены по меньшей мере два проточных канала.

18. Водяная мельница по любому из пп. 15-17, отличающаяся тем, что впускное отверстие и/или указанный по меньшей мере один проточный канал выполнены/выполнен по меньшей мере с одним отводным отверстием.

19. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит водонепроницаемый отсек, в котором размещен генератор с постоянными магнитами.

20. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере два лопастных колеса, размещенных друг над другом.

21. Водяная мельница по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы в двух взаимно противоположных направлениях потока.

22. Способ производства электроэнергии посредством водяной мельницы по любому из пп. 1-21 в водотоке, согласно которому указанный по меньшей мере один проточный канал полностью находится под поверхностью воды.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один проточный канал расположен на расстоянии от дна водотока.

24. Способ по п. 22 или 23, отличающийся тем, что расстояние по вертикали от дна водотока до указанного по меньшей мере одного проточного канала составляет по меньшей мере 50 см.

25. Способ по п. 22 или 23, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один проточный канал ориентирован в водотоке по существу горизонтально.

26. Способ по п. 22 или 23, отличающийся тем, что выпускное отверстие указанного по меньшей мере одного проточного канала проходит немного в направлении вверх.