устройство для утилизации энергии текущей среды (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для утилизации энергии текущей среды, погруженное в последнюю вдоль течения потока и содержащее рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей и холостой ветвями, охватывающими головные шкивы, расположенные на валу отбора мощности и снабженные лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, отличающееся тем, что на валу отбора мощности установлены два разнесенных относительно друг друга шкива с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов, оба гибких элемента жестко соединены между собой поперечно расположенными штангами, расположенными дистантно относительно друг друга по окружности бесконечной цепи гибких элементов, при этом на одних из указанных штанг в их центре закреплена вертикально расположенная ось, на которой поворотно закреплены лопасти, расположенные между двух бесконечных цепей так, что при рабочем ходе они произвольно под напором текущей среды разворачиваются на 90° по обе стороны по типу книжки, а на холостом ходу произвольно складываются, причем другие из указанных штанг выполнены с жестко связанной с каждой из них продольной тягой, расположенной вдоль течения потока при раскрытых лопастях и связанной с возможностью свободного хода с перед ней лежащей по направлению потока текущей среды поперечно расположенной штангой с осью, на которой поворотно закреплены лопасти.

2. Устройство для утилизации энергии текущей среды, погруженное в последнюю вдоль течения потока и содержащее рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей и холостой ветвями, охватывающими шкивы, расположенные на валу отбора мощности и снабженные лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, отличающееся тем, что на валу отбора мощности установлены два разнесенных относительно друг друга шкива с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов, оба гибких элемента бесконечной цепи выполнены в виде отрезков заданной длины, смежно расположенные концы которых с каждой стороны соединены между собой поперечно расположенными штангами с образованием прямоугольной формы рамок, последовательно расположенных, при этом каждая поперечно расположенная в одной рамке штанга связана продольно расположенной тягой с поперечно расположенной штангой другой рамки, на каждой второй из указанных поперечно расположенных штанг в ее центре закреплена вертикально расположенная ось, на которой поворотно закреплены лопасти, расположенные между двумя соседними прямоугольной формы рамками так, что при рабочем ходе они произвольно под напором текущей среды разворачиваются на 90° по обе стороны по типу книжки, а на холостом ходу произвольно складываются, а длина гибких элементов и продольной тяги в сумме равна длине окружности головного шкива.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено ведомой осью со шкивами, зацепленными с ответными элементами зацепления гибких элементов, и расположенной на расстоянии от вала отбора мощности, при этом ведомая ось и вал отбора мощности связаны по концам продольными элементами рамы для образования рамной конструкции.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что лопасти выполнены свободно поворачивающимися на оси, или на указанной оси лопасти связаны между собой через шестерни.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что для позиционирования устройства в потоке текущей среды вал отбора мощности смонтирован в опорах, которые снабжены тросами для связи с опорными элементами на земле или с утопленными понтонами.

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поперечно расположенные тяги, на которых закреплена ось с поворотно смонтированными лопастями, выполнены с крыльными поверхностями для обеспечения развода гибких элементов и их встречных ветвей.

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что лопасти на стороне складывания выполнены с магнитными держателями для исключения преждевременного раскрытия при холостом ходе.

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено поплавками, монтированными с одного края на поперечно расположенных тягах или с одной внешней стороны шкива для обеспечения вертикального позиционирования вала отбора мощности в потоке текущей среды, а при горизонтальном позиционировании указанные поплавки смонтированы с внешних сторон обоих шкивов.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось, на которой поворотно смонтированы лопасти, расположена под углом атаки к набегающему потоку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для преобразования энергии текущей среды в электрическую, например рек, приливно-отливных и других течений, а также энергии перемещения воздушных масс в электрическую или механическую для вращения различных устройств.

Известно устройство для преобразования энергии текущей среды, например водного потока, выполненное в виде двигателя для утилизации энергии текущей среды, погруженного в последнюю против течения потока и имеющего рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочими ветвями, охватывающими шкивы и снабженными лопастями, расположенными под углом по направлению потока текущей среды (RU №2166664, 19.06.2000).

Известно устройство для утилизации энергии текущей среды, погруженное в последнюю против течения потока и содержащее рабочий орган в виде бесконечной гибкой цепи, охватывающей шкивы, жестко связанные с валами, один из которых является валом отбора мощности, а также лопасти, расположенные перпендикулярно направлению потока и выполненные в бесконечной гибкой цепи, охватывающей шкивы, жестко связанные с валами, один из которых является валом отбора мощности, а также лопасти, расположенные перпендикулярно направлению потока и выполненные с возможностью складывания по типу книжки относительно оси, связанной с бесконечной гибкой цепью, и раскрытия под напором потока среды (US №5134305, F03D 5/02, опубл. 28.07.1992).

Данное известное решение принято в качестве прототипа для обоих заявленных вариантов исполнения.

В известных устройствах для утилизации энергии текущей среды имеется существенный недостаток, заключающийся в том, что они занимают достаточную большую площадь, имеют сложный механизм с множеством деталей, что снижает надежность работы. В этих устройствах открытое движение верхних лопастей может тормозиться встречным ветром, снижая КПД. Проблематичной становится эксплуатация в зимнее время. Некоторые из них имеют недостаточную позиционную устойчивость лопасти относительно цепи, охватывающей шкивы. При движении лопасти в пространстве между шкивами цепь изгибается и скручивается, в результате чего лопасть наклоняется и теряет свое положение относительно направления текущей среды.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи, позволяющей наиболее полно извлекать энергию при минимальной сложности конструкции. Данное устройство для утилизации энергии текущей среды выполнено без механизмов для принудительного управления положением лопастей, которые складываются и раскладываются произвольно, в зависимости от направления падающего на них потока.

Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении ее надежности и долговечности.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в устройстве для утилизации энергии текущей среды, погруженном в последнюю вдоль течения потока и содержащем рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей и холостой ветвями, охватывающими головные шкивы, расположенные на валу отбора мощности и снабженные лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, на валу отбора мощности установлено два разнесенных относительно друг друга шкива с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов, оба гибких элемента жестко соединены между собой поперечно расположенными штангами, расположенными дистантно относительно друг друга по окружности бесконечной цепи гибких элементов, при этом на части штанг в их центре закреплена вертикально расположенная ось, на которой поворотно закреплены лопасти, расположенные между двух бесконечных цепей так, что при рабочем ходе они произвольно под напором текущей среды разворачиваются на 90° по обе стороны по типу книжки, а на холостом ходу произвольно складываются, причем другие штанги выполнены с жестко связанной с ними продольной тягой, расположенной вдоль течения потока на рабочем ходу при раскрытых лопастях и связанной с возможностью свободного хода с перед ней лежащей по направлению потока текущей среды поперечно расположенной штангой с осью, на которой поворотно закреплены лопасти.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в устройстве для утилизации энергии текущей среды, погруженном в последнюю вдоль течения потока и содержащем рабочий орган в виде бесконечной цепи гибких элементов с рабочей и холостой ветвями, охватывающими головные шкивы, расположенные на валу отбора мощности и снабженные лопастями, расположенными перпендикулярно направлению потока текущей среды, на валу отбора мощности установлено два разнесенных относительно друг друга шкива с элементами зацепления с ответными элементами зацепления гибких элементов, оба гибких элемента бесконечной цепи выполнены в виде отрезков заданной длины, смежно расположенные концы которых с каждой стороны соединены между собой поперечно расположенными штангами с образованием прямоугольной формы рамок, последовательно расположенных, при этом каждая поперечно расположенная в одной рамке штагна связана продольно расположенной тягой с поперечно расположенной штангой другой рамки, на каждой второй из указанных поперечно расположенных штанг в ее центре закреплена вертикально расположенная ось, на которой поворотно закреплены лопасти, расположенные между двумя соседними прямоугольной формы рамками так, что при рабочем ходе они произвольно под напором текущей среды разворачиваются на 90° по обе стороны по типу книжки, а на холостом ходу произвольно складываются, причем расстояние между двумя соседними прямоугольной формы рамками выполнено меньше окружности головного шкива, а длина гибких элементов и продольной тяги в сумме равна длине окружности головного шкива.

Для образования рамной конструкции устройство снабжено ведомой осью со шкивами, зацепленными с ответными элементами зацепления гибких элементов, расположенной на расстоянии от вала отбора мощности, при этом ведомая ось и вал отбора мощности связаны по концам с элементами каркаса продольными стяжками.

При этом лопасти могут быть выполнены свободно поворачивающимися на оси или на указанной оси лопасти могут быть связаны между собой через шестерни для обеспечения синхронного разворота и складывания. Причем для исключения преждевременного раскрытия на холостом ходу лопасти на стороне складывания могут быть выполнены с магнитными держателями, усилие удержание у которых меньше усилия давления потока текущей среды на раскрытие лопастей.

Для позиционирования устройства в потоке текущей среды на определенной глубине (в воде) или на определенной высоте (в воздухе) вал отбора мощности может быть смонтирован в опорах, которые снабжены тросами для связи с опорными элементами на земле.

Для обеспечения развода гибких элементов и их встречных ветвей поперечно расположенные тяги, на которых закреплены оси с поворотно смонтированными лопастями, могут быть выполнены с крыльными поверхностями, при этом ось может иметь некоторый угол атаки для развода ветвей.

Для обеспечения вертикального позиционирования вала отбора мощности в потоке текущей среды устройство может быть снабжено поплавками, монтированными с одного края на поперечно расположенных тягах и со стороны верхнего головного шкива, а при горизонтальном позиционировании - с внешних сторон обоих головных шкивов.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 - общая схема устройства для утилизации энергии текущей среды, первый вариант исполнения, вид в аксонометрии;

фиг.2 - вид спереди по фиг.1;

фиг.3 - общая схема устройства для утилизации энергии текущей среды, второй вариант исполнения, вид в аксонометрии;

фиг.4 - выполнение связи тяги 8 со штангой 5, узел I;

фиг.5 - выполнение штанг с крыльными поверхностями, узел II.

Согласно настоящему изобретению рассматривается устройство для утилизации энергии текущей среды, которое погружается в последнюю вдоль течения потока (рассматривается пример использования энергии водного потока).

Это устройство содержит рабочий орган в виде бесконечной гибкой цепи 1, охватывающей головные шкивы 2, жестко связанные с валом отбора мощности 3, а также лопасти 4, расположенные перпендикулярно направлению потока. Лопасти 4 расположены между двух бесконечных цепей 1 так, что при рабочем ходе они произвольно под напором текущей среды разворачиваются на 90° по обе стороны по типу книжки, а на холостом ходу произвольно складываются.

В этом устройстве бесконечная гибкая цепь 1 выполнена в виде гибких элементов, охватывающих головные шкивы на концах валов. При этом эти шкивы выполнены с элементами зацепления для связи с ответными элементами зацепления гибких элементов, которые могут быть выполнены, например, в виде зубчатых ремней или цепей.

По первому варианту исполнения (фиг.1) на валу отбора мощности 3 установлено два разнесенных относительно друг друга головных шкива 2, зацепленных с гибкими элементами цепей 1, которые жестко соединены между собой поперечно расположенными штангами 5 и 6, расположенными дистантно относительно друг друга по окружности бесконечной цепи гибких элементов. На каждой второй из указанных штанг (поз.5) через элемент свободного хода в ее центре закреплена вертикально расположенная ось 7, на которой поворотно закреплены лопасти 4. Каждая другая из указанных штанг (поз.6) выполнена с жестко связанной с ней продольной тягой 8, расположенной вдоль течения потока при раскрытых лопастях и связанной с возможностью свободного хода (например, в виде проушины или цилиндра со штоком) с перед ней лежащей по направлению потока текущей среды поперечно расположенной штангой 5 с осью 7, на которой поворотно закреплены лопасти 4. Для обеспечения развода гибких элементов и их встречных ветвей поперечно расположенные штанги, на которых закреплены оси с поворотно смонтированными лопастями, могут быть выполнены с крыльными поверхностями 9. Крыльные поверхности 9 представляют собой плоскости, имеющие угол атаки или профиль крыла. Как вариант, ось, на которой поворотно смонтированы лопасти, может быть расположена под углом атаки к набегающему потоку (угол между осью 7 и продольной осью продольной штанги 8 в направлении к поперечной штанге 6 менее 90°).

При этом лопасти 4 могут быть выполнены свободно поворачивающимися на оси 7 или на указанной оси лопасти могут быть связаны между собой через шестерни для обеспечения синхронного разворота и складывания (шестеренчатая передача не показана). Причем для исключения преждевременного раскрытия при холостом ходе лопасти на стороне складывания могут быть выполнены с магнитными держателями (не показаны), усилие удержания у которых меньше усилия давления потока текущей среды на раскрытие лопастей.

По второму варианту исполнения (фиг.3) на валу отбора мощности также установлено два разнесенных относительно друг друга головных шкива, зацепленных с гибкими элементами. Но оба гибких элемента бесконечной цепи выполнены в виде отрезков 10 заданной длины, смежно расположенные концы которых с каждой стороны соединены между собой поперечно расположенными штангами 11 с образованием прямоугольной формы рамок 12, последовательно расположенных с образованием бесконечной цепи. Длина гибких элементов и продольной тяги в сумме равна длине окружности головного шкива. Последнее является условием надежного и непрерывного попадания сложенных лопастей в окна шкивов.

Каждая поперечно расположенная в одной рамке 12 штанга 11 связана продольно расположенной тягой 13 с поперечно расположенной штангой 11 другой рамки 12, на каждой второй из указанных поперечно расположенных штанг в ее центре закреплена вертикально расположенная ось 7, на которой поворотно закреплены лопасти 4, расположенные между двумя соседними прямоугольной формы рамками 12 с возможностью при рабочем ходе самопроизвольного раскрытия под напором текущей среды по типу книжки, а на холостом ходу произвольного складывания.

Для образования рамной конструкции устройство по любому из вариантов может быть снабжено ведомой осью со шкивами (не показаны), зацепленными с ответными элементами зацепления гибких элементов, расположенной на расстоянии от вала отбора мощности, при этом ведомая ось и вал отбора мощности связаны по концам продольной рамой. Для позиционирования устройства в потоке текущей среды на определенной глубине (в воде) или на определенной высоте (в воздухе) вал отбора мощности может быть смонтирован в опорах, которые снабжены тросами 14 для связи с опорными элементами 15 на земле или на дне реки (фиг.2). Может быть вариант использования в качестве опорных элементов поплавков или утопленных понтонов.

Для обеспечения вертикального позиционирования вала отбора мощности в потоке текущей среды устройство может быть снабжено поплавками, монтированными с одного края на поперечно расположенных штангах или на верхнем головном шкиве (пример иллюстративно не показан). А при горизонтальном позиционировании указанные поплавки смонтированы с внешних сторон обоих шкивов.

Каждая из лопастей 4 выполнена в виде паруса из армированной синтетической ткани на жесткой металлической раме и образует в паре единую лопасть, способную складываться при движении в обратном направлении. Общее количество лопастей, используемых в двигателе, может быть не ограничено, но не менее двух.

При такой конструкции двигателя энергия текущей среды посредством раскрытых лопастей поперек потока максимально преобразуется в электрическую энергию при рабочем ходе гибких элементов, при этом сложенные лопасти холостого хода с минимальным сопротивлением возвращаются в исходное положение.

Устройство работает следующим образом (на примере первого варианта исполнения).

Находясь в погруженном состоянии вдоль течения потока, например, реки, на некоторой глубине, достаточной для беспрепятственного прохода судов, лопасть 4, раскрытая под напором потока среды, давит на переднюю поперечную штангу 5, передавая усилие через гибкие элементы цепей 1 на охватываемые ими головные шкивы 2, которые вращают через вал отбора мощности 3 электрогенератор или другое устройство, например помпу (не показано).

При этом продольная тяга 8, прочно соединенная с задней поперечной штангой 6 и с возможностью свободного хода в продольном направлении с перекрестьем оси 7 лопастей 4 и передней поперечной штангой 5 одним концом, и находясь в соединении с задней поперечной штангой 6 другим концом, задает строго вертикальное положение лопасти 4 перпендикулярно потоку. По мере продвижения передней штанги 5 на криволинейном участке гибких элементов цепей 1 раскрытая лопасть 4 на оси 7 посредством перпендикулярно стоящей продольной тяги 8 плавно меняет угол с 90° по отношению к направлению потока на угол 0° и становится нижним ребром к потоку, плавно складывается и, оказывая минимальное сопротивление в сложенном виде, возвращается на холостом ходу назад. По мере продвижения сложенной лопасти 4 и передней поперечной штанги 5 по кривой вокруг головных шкивов 2 расстояние между передней и задней штангами уменьшается, для компенсации чего продольная тяга 8 имеет свободный ход в соединении с передней продольной штангой 5. Далее сложенная лопасть, следуя по кругу, попадает в поток, который ее раскрывает, и она, оказывая давление на переднюю продольную штангу 5, совершает очередной рабочий ход.

Из приведенного выше примера реализации лучшего из прилагаемых заявителем вариантов осуществления изобретения очевидно, каким образом описанное устройство для преобразования энергии текущей среды, выполненное в виде двигателя для утилизации энергии текущей среды, может быть изготовлено и применено в гидроэнергетике, в сельском хозяйстве и т.д. для вращения различных устройств.