ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ Российский патент 2018 года по МПК F03D3/04 F03D3/06 F03D9/32 

Описание патента на изобретение RU2671000C2

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для рекуперации кинетической энергии торможения высокоскоростных железнодорожных составов.

Известен самоориентируемый ветроагрегат, который содержит наклонный к горизонтальной поверхности шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей (см патент на изобретение №: 2115019, F03D 5/00, дата публикации 10.07.1998). Аналог содержит шнековый ротор, за счет подъема которого над землей он смонтирован на поворотной конструкции. Поворотная конструкция установлена на мачте и образована шнековым ротором, вертикальной стойкой с возможностью поворачиваться вокруг мачты и распоркой. Все три элемента поворотной конструкции соединены между собой с помощью шарниров. Данный аналог не допускает конструктивно его размещение в пространстве между вагонами с целью использования энергии набегающего воздушного потока при движении железнодорожного состава.

Известна также ветроэнергетическая установка в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего турбину, механически связанную с генератором, кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой входной и выходной воздушные каналы, а также направляющие ребра для закручивания воздушного потока (см. патент RU №2186244, F03D 1/04. дата публикации 27.07.2002). Существенным недостатком прототипа является его громоздкая и сложная конструкция, не позволяющая размещать устройство в пространстве между соседними вагонами железнодорожного состава.

Технической задачей изобретения является обеспечение конструктивного размещения устройства в пространстве между вагонами железнодорожного состава и упрощение конструкции энергетической установки с целью рекуперации кинетической энергии воздушного потока.

Для решения технической задачи энергетическая установка на воздушном потоке (далее по тексту «ЭУВП» или «установка»), содержащая турбину (ротор), механически связанную с электрическим генератором, кольцевую наружную оболочку, входной и выходной воздушные каналы и направляющие ребра для закручивания воздушного потока, дополнена вторым электрическим генератором, оси роторов электрических генераторов соединены с торцами центральной оси турбины, выполненной в виде спирали (шнека), а наружная кольцевая оболочка корпуса ЭУВП своими торцами жестко скреплена с корпусами электрических генераторов, причем направляющие ребра для закручивания воздушного потока дополнены секторами, прилегающими к наружной кольцевой оболочке и подвижно закрепленными на общей или отдельных осях, которые своими торцами жестко прикреплены к верхней части наружной кольцевой оболочки (корпуса), кроме того входной и выходной воздушные каналы выполнены в виде проемов в наружной кольцевой оболочке и закрываемые подвижными секторами этой оболочки. Выходы электрических генераторов соединены последовательно и подключены к первому выходному разъему, а через автоматическое зарядное устройство подключены к батарее аккумуляторов и ко второму выходному разъему. Подвижно закрепленные на оси и прилегающие к наружной кольцевой оболочке секторы снабжены магнитными защелками с электромагнитным приводом для их деблокирования по сигналам дистанционного управления. Кроме того, направляющие ребра для закручивания воздушного потока жестко присоединены к наружным боковым поверхностями цилиндрического корпуса, причем одно из направляющих ребер совмещено с кронштейном с постоянными магнитами для крепления ЭУВП к выполненной из ферромагнитного материала торцевой поверхности вагона. К тому же электромагнитные деблокираторы магнитных защелок подключены к выходам формирователя управляющих импульсов с двумя входами управления, подключенными к выходам приемника сигналов дистанционного управления ЭУВП, а выполненные в виде отверстий в центральном цилиндрическом корпусе входной и выходной воздушные каналы имеют площадь сечения Sв=(0.2-0,4)⋅Sc, где Sc - площадь поверхности сектора, прилегающего к отверстию.

На фиг. 1 показан эскиз ЭУВП в аксонометрии, на фиг. 2 показан торцевой разрез установки с турбиной в виде трехзаходного шнека при поджатых к наружной цилиндрической кольцевой оболочке подвижных секторах, а торцевой разрез с открытыми к воздушному потоку секторами изображен на фиг. 3. На фиг. 4 представлена зависимость энергии воздушного потока, воздействующего на установку, от его скорости. На фиг. 5 показаны в аксонометрии положение правого подвижного сектора в открытом состоянии и конфигурация воздушного канала, выполненного в наружной кольцевой оболочке ЭУВП. Вариант исполнения схемы размещения деблокираторов и магнитных защелок установки показан на фиг. 6. На фиг. 7 представлена структура электрической части ЭУВП.

На фиг. 1 между вагонами 1 и 2 показан корпус 3 ЭУВП. выполненный в виде полого тонкостенного цилиндра - (наружной кольцевой оболочки) с жестко присоединенными к торцам корпуса электрическими генераторами 4 и 5. Сверху к цилиндрическому корпусу 3 прилегают секторы 6 и 7, подвижно присоединенные к корпусу 3 через ось 8. Выходящие внутрь корпуса 3 роторы электрических генераторов 4 и 5 присоединены к торцам центральной оси 9 ротора, выполненного в виде шнека - двух или многозаходной спирали. Набегающий от вагона 1 к вагону 2 воздушный поток ν от сектора 6 попадает через входной воздушный канал 10 на спиральный ротор, приводя ось 9 во вращательное движение. Через выходной воздушный канал 11 и сектор 7 воздушный поток вылетает в сторону вагона 2 и далее по ходу движения состава. Вращающий момент передается от оси 9 ротора на оси электрических генераторов 4 и 5, которые вырабатывают электрическую энергию за счет вращения ротора от воздействия воздушного потока.

На фиг. 2 показан разрез торца установки при стоянке или при движении железнодорожного состава без торможения. Воздушный поток ν плавно обтекает пространство между вагонами 1 и 2 и наружные поверхности секторов 6. и 7, поджатые к корпусу 3 как силой тяжести неуравновешенных секторов 6 и 7, так и силой магнитного удержания защелок 12 и 13. Корпус 3 надежно прижат к стальной торцевой стенке вагона 1 магнитными башмаками 14 и 15, жестко закрепленными на кронштейне 16. Кронштейн 16 снабжен направляющим ребром 17 для завихрения воздушного потока, усилия которого недостаточно для отрыва сектора 6 от корпуса 3 ниже сектора 7 Аналогично недостаточно жестко присоединенного к корпусу 3 направляющего ребра 18 для отрыва сектора 7 от корпуса 3 за счет блокировки магнитной защелкой 13. На спирали 19-21 шнекового ротора и на его ось 9 нет внешнего момента вращения, оси электрических генераторов неподвижны и на их выходах отсутствует электрическое напряжение и ток. Деблокираторы 22 и 23 магнитных защелок 12 и 13 обесточены. Конструктивно ЭУВП размещена верхней частью на уровне крыши вагона 1, а нижней частью находится выше тамбуров 24 и 25 вагонов 1 и 2 соответственно.

При необходимости торможения состава на деблокираторы 22 и 23 ЭУВП подаются внешние сигналы управления (см. фиг. 3), деблокираторы 22 и 23 вырабатывают импульсы разблокировки магнитных защелок 12 и 13. При этом магнитные защелки приобретают импульсы силового отталкивания от корпуса 3 - происходит приоткрытие секторов 6 и 7 от поверхности корпуса 3. В возникшие при этом за счет направляющих ребер 17 и 18 воздушные зазоры и воздушные каналы 10 и 11 в корпус 3 врываются воздушные потоки, поддерживающие открытое состояние секторов 6 и 7, как это показано на торцевом разрезе фиг. 3. Происходит интенсивное вращение оси 9 ротора ЭУВП и присоединенных к ней осей электрических генераторов - на выходах электрических генераторов вырабатывается электрическая энергия. Секторы 6 и 7 остаются открытыми до момента снижения скорости воздушного потока ν до минимального значения νmin, при котором сила тяжести неуравновешенных секторов 6 и 7 превышает силы воздействия воздушных потоков на поверхности секторов 6 и 7. Секторы 6 и 7 за счет подвижного крепления к оси 8 опускаются вниз к корпусу 3, срабатывают магнитные защелки 12 и 13 и секторы 6 и 7 надежно прижимаются к корпусу 3 - активная фаза торможения состава и выработки установкой электрической энергии завершена до момента следующего торможения состава.

Для эффективного аэродинамического торможения состава необходимо значительное увеличение поверхности Sл его лобового сопротивления, поскольку известна аналитическая зависимость энергии торможения набегающего на состав воздушного потока: Ет=ξ⋅ν3⋅Sл/2, где ξ - плотность воздуха (при атмосферном давлении ξ≈1,225 кг/м3), ν - скорость воздушного потока, воздействующего на состав в м/сек, Ет - энергия торможения в джоулях. Применительно к рассматриваемой ВЭУ поверхность Sл ее лобового сопротивления воздушному потоку составит: Sл≈1,0 м2 при высоте секторов 6 и 7 около 0,35 м и длине около 2,5 м. На фиг. 4 представлена зависимость энергии воздействующего на ортогональную поверхность Sл=1 м2 воздушного потока от его скорости ν в диапазоне скоростей от 50 до 250 км/час. Фактическое тормозящее воздействие открытых секторов 6 и 7 на состав и кинетическая энергия движения, преобразуемая в электрическую составят около 35% от показанных на фиг. 4 значений. При скорости 50 км/ч эта величина близка к 600 Дж, а при скорости 250 км/ч энергия торможения и рекуперации в электрическую близка к 75 кДж.

На фиг. 5 показан в аксонометрии вариант выполнения воздушных каналов и секторов 6 и 7 по всей длине корпуса 3. Позиционные обозначения на фиг. 5 в скобках справедливы при направлении набегающего воздушного потока от вагона 2 к вагону 1 - иными словами предложенная ЭУВП инвариантна к направлению движения состава как от первого вагона за локомотивом, так и от последнего вагона за локомотивом. Исполнение секторов 6 и 7 по всей длине корпуса 3 вызвано стремлением обеспечить повышенное значение поверхности Sл лобового сопротивления ВЭУ как с позиций обеспечения высокого тормозящего эффекта, так и обеспечения высокой энергетической эффективности установки. Приемлемые варианты геометрической формы воздушных каналов 26 и 27 - прямоугольная или овальная по одной, например правой, части корпуса с целью обеспечить движение воздушных потоков внутри корпуса через шнековый ротор. Секторы 6 и 7 могут быть размещены как на общей оси 8, как это показано фигурах 1 и 5, так и на двух отдельных осях 8, размещенных параллельно по верхней части корпуса 3. Вариант исполнения деблокираторов 22 и 23 магнитных защелок 12 и 13 представлен на фиг. 6. При подаче с пульта машиниста на формирователь 28 сигнала торможения Uт на его выходах 29 и 30 формируются управляющие импульсы, которые подаются на электромагниты 31 и 32, расположенные в зоне магнитного взаимодействия с защелками 12 и 13 установки. В электромагнитах 31 и 32 возникает магнитный поток одноименной направленности с постоянными магнитными потоками защелок 12 и 13. Как следствие, между магнитными защелками 12 и 13 и электромагнитами 31 и 32 возникают силы взаимного отталкивания. Между корпусом 3 и секторами 6 и 7 возникают воздушные зазоры, в которые мгновенно врывается воздушный поток, открывающий сектор 6 до верхнего крайнего положения и надежно удерживающий сектор 6 в этом положении. Сектор 7 также открывается и удерживается в состоянии равновесия между выходящим из корпуса 3 в воздушный канал 11 воздушным потоком и набегающим на внешнюю поверхность сектора 7 наружным воздушным потоком. Абсолютное давление в выходном канале корпуса 3 фактически существенно ниже абсолютного давления во входном воздушном канале 10.

Снижение скорости ν движения состава при торможении влечет за собой снижение напора на сектор 6 и снижение разности абсолютных давлений в воздушных каналах 10 и 11 устройства - неуравновешенная на оси 8 масса секторов 6 и 7 обеспечивает их призакрывание за счет силы тяжести. При скорости νmin происходит автоматический захват (притягивание) секторов 6 и 7 с помощью магнитных защелок 12 и 13 к электромагнитам 31 и 32 деблокиратора, чем обеспечено полное закрытие секторами 6 и 7 входного 10 и выходного 11 воздушных каналов корпуса 3. Таким образом завершен процесс аэродинамического торможения и рекуперации электрической энергии с помощью ЭУВП.

В случае необходимости прекращения процесса аэродинамического торможения состава при скорости νc его движения, превышающей νmin, на вход формирователя 28 с пульта машиниста подается сигнал U0, по которому на электромагнитах 31 и 32 формируется импульс, создающий дополнительное усилие притяжения магнитных защелок 12 и 13 - как следствие притяжение секторов 6 и 7 к магнитным защелкам 12 и 13 происходит при скорости νcmin набегающего на секторы воздушного потока.

На фиг. 7 представлена структура подсистемы бесперебойного питания ЭУВП. В состав подсистемы кроме электрических генераторов 4 и 5 с выводами 33…36 и элементов 28…32 деблокиратора введено адаптивное зарядное устройство 37, батарея электрических аккумуляторов 38, приемник 39 сигналов Uт деблокирования магнитных защелок и выходные разъемы 40 и 41. Электрическая энергия с выводов 33…36 генераторов 4 и 5 подается через зарядное устройств 37 на входы батареи 38 электрических аккумуляторов после подачи на вход подсистемы деблокирующего импульса Uт с выхода приемника 39 на вход запуска формирователя 28 и открывания подвижных секторов 6 и 7. Открытие секторов 6 и 7 и их принудительный переход в верхнее положение происходит за счет высокой скорости набегающего воздушного потока после деблокирования магнитных защелок 12 и 13 с помощью электромагнитов 31, 31' и 32, 32. Автоматическое зарядное устройство 37 обеспечивает эффективное накопление электрической энергии в аккумуляторах при торможении состава и исключает перезаряд батареи аккумуляторов. Ненормированная электрическая энергия с выводов электрических генераторов 4 и 5 и накопленная в батарее 38 нормированная электрическая энергия может сниматься с выходных разъемов 40 и 41 для использования в вагоне по назначению. Для полностью автономного варианта предложенной ЭУВП батарея 38 электрических аккумуляторов конструктивно может быть размещена на нижней полочке кронштейна 16 между торцевой стенкой вагона и наружной поверхностью цилиндрического корпуса установки (см. фиг. 2). Это пространство защищено сверху направляющим ребром 17 от попадания атмосферных осадков.

В качестве электрических генераторов 4 и 5 в предложенной ВЭУ конструктивно пригодны электрические машины с постоянными магнитами и с компенсацией сил магнитного удержания ротора (см. патент RU №2340068 от 27.11.2008; патент RU №2394336 от 10.07.2010 и патент KZ №26179 от 14.09.2012, Н02K 57/00, Б.И. №9). Их достоинствами являются повышенная энергоотдача и малый тормозящий момент в широком диапазоне угловых скоростей вращения. Магнитные башмаки 14 и 15 целесообразно выполнить на основе постоянных магнитов из NeFeBr, которые обеспечивают силу притяжения к ферромагнитной торцевой стенке вагона на уровне до 2000 Ньютон. При использовании в каждой установке 4х таких магнитов нет необходимости в дополнительном креплении ЭУВП к вертикальной стенке вагона. Предложенная установка может также использоваться в большегрузных автомобилях и автопоездах как для рекуперации кинетической энергии в электрическую, так и для снижения нагрузки на тормозную систему автопоезда или большегрузного автомобиля. Основными преимуществами данной ЭУВП являются ее полная законченность и простота конструкции, а также инвариантность к вектору движения воздушного потока, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Похожие патенты RU2671000C2

название год авторы номер документа
СИСТЕМА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ И РЕКУПЕРАЦИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ 2016
  • Харитонов Петр Тихонович
  • Омаров Амангельды Джумагалиевич
  • Султангазинов Сулеймен Казиманович
RU2661413C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТОРМОЗЯЩИХ СИЛ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ 2009
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2394336C1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ РОТОРА 2011
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2538788C2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА 2008
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2374090C1
ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДВЕРНОЙ И ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАН ДЛЯ НЕГО 2004
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2282702C2
ВЕТРОАГРЕГАТ 2004
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2276284C1
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДИСКОВЫМ РОТОРОМ 2011
  • Ахметов Бахытжан Сражатдинович
  • Харитонов Петр Тихонович
  • Чеботарь Антон Евгеньевич
RU2505910C2
СПОСОБ, КОНТЕЙНЕР И СИСТЕМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБ 2006
  • Харитонов Петр Тихонович
  • Дерябин Геннадий Николаевич
RU2348855C2
СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ И ЗАГЛУШКА ПАТРУБКОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ 2005
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2310822C2
ФЛЮГЕР РАДИОПЕРЕДАЮЩИЙ И ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕГО 2005
  • Харитонов Петр Тихонович
RU2303785C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 671 000 C2

Реферат патента 2018 года ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ

Изобретение относится к устройству для рекуперации кинетической энергии торможения высокоскоростных железнодорожных составов. Энергетическая установка на воздушном потоке содержит полый цилиндрический корпус, снабженный входным и выходным воздушными каналами и направляющими ребрами для закручивания воздушного потока, внутри которого размещен шнековый ротор, механически связанный с электрическим генератором, при этом в нее введен второй электрический генератор, причем торцы электрических генераторов жестко присоединены к торцам полого электрического корпуса, а оси их роторов соединены с осью шнекового ротора, входной и выходной воздушные каналы выполнены в виде отверстий в полом электрическом корпусе и накрыты снаружи подвижно закрепленными к верхней части корпуса секторами с магнитными защелками, бесконтактно взаимодействующими с дистанционно управляемыми электромагнитными деблокираторами. Изобретение направлено на обеспечение конструктивного размещения устройства в пространстве между вагонами железнодорожного состава и упрощение конструкции ветроэнергетической установки. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула изобретения RU 2 671 000 C2

1. Энергетическая установка на воздушном потоке, содержащая полый цилиндрический корпус, снабженный входным и выходным воздушными каналами и направляющими ребрами для закручивания воздушного потока, внутри которого размещен шнековый ротор, механически связанный с электрическим генератором, отличающаяся тем, что в нее введен второй электрический генератор, причем торцы электрических генераторов жестко присоединены к торцам полого электрического корпуса, а оси их роторов соединены с осью шнекового ротора, входной и выходной воздушные каналы выполнены в виде отверстий в полом электрическом корпусе и накрыты снаружи подвижно закрепленными к верхней части корпуса секторами с магнитными защелками, бесконтактно взаимодействующими с дистанционно управляемыми электромагнитными деблокираторами.

2. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие ребра для закручивания воздушного потока жестко присоединены к наружным боковым поверхностям полого цилиндрического корпуса, причем одно из направляющих ребер совмещено с кронштейном с постоянными магнитами для крепления установки к выполненной из ферромагнитного материала торцевой поверхностью вагона.

3. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что выполненные в виде отверстий в полом цилиндрическом корпусе входной и выходной воздушные каналы имеют площадь сечения Sd=(0,2-0,4) Sc, где Sc - площадь поверхности сектора, прилегающего к отверстию.

4. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что электромагнитные деблокираторы магнитных защелок подключены к выходам формирователя управляющих импульсов с двумя входами управления, подключенными к выходам приемника сигналов дистанционного управления установкой.

5. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что выходы электрических генераторов соединены последовательно и подключены к первому выходному разъему, а через автоматическое зарядное устройство подключены к батарее аккумуляторов и ко второму выходному разъему.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2671000C2

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ВЕТРОСИЛОВАЯ ТУРБИНА 2010
  • Куинтал Реджин
RU2539945C2
US 2006152012 A1, 13.07.2006
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 2001
  • Рыбак М.Б.
RU2186244C1
МАГНИТНЫЙ ФИКСАТОР 2010
  • Петров Сергей Юрьевич
RU2425204C1
Электрическое устройство для избирательного управления с паровоза различными приборами, находящимися на входящих в поезд единицах, в частности автоматическими сцепными приборами 1934
  • Ушаков И.М.
SU44571A1
Вибрационная шпалоподбойка для подбивки балластом шпал железнодорожного пути 1949
  • Дулгарян А.А.
SU88071A1
US 5642984 A1, 01.07.1997.

RU 2 671 000 C2

Авторы

Харитонов Петр Тихонович

Омаров Амангельды Джумагалиевич

Султангазинов Сулеймен Казиманович

Кайнарбеков Асемхан Кайнарбекович

Кажигулов Аспан Кайыртаевич

Даты

2018-10-29Публикация

2016-11-02Подача