волновой двигатель (варианты)

Формула изобретения

1. Волновой двигатель, содержащий кинематически связанные понтоны, выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, и первый преобразователь движения, отличающийся тем, что содержит взаимодействующие с первым преобразователем и друг с другом и выходным валом второй и третий преобразователи энергии, при этом первый преобразователь движения содержит кинематически связанные первый и второй валы, первую, вторую и третью шестерни, первую и вторую звезды, установленные на обгонных муфтах, цепь, первый, второй и третий тросы и якоря, а также груз, причем первая, вторая и третья шестерни, а также первая и вторая звезды установлены на соответствующих валах, первый конец цепи, взаимодействующий со звездами на обгонных муфтах через третий трос связан с грузом, а второй конец связан с третьим якорем, кроме того, первый понтон с помощью первого троса и двух якорей привязан ко дну моря.

2. Волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит второй преобразователь движения, включающий в себя второй понтон, первый и второй рычаги, третью и четвертую обгонные муфты, при этом первые концы первого и второго рычага через третью и четвертую обгонные муфты взаимодействуют с соответствующими валами, а вторые концы указанных рычагов шарнирно связаны со вторым понтоном.

3. Волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит третий преобразователь движения, включающий в себя пятую и шестую обгонные муфты, а также первое и второе водяные колеса, установленные с помощью обгонных муфт на концах второго вала.

4. Волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что первый преобразователь движения содержит четвертый узел преобразования движения, включающий в себя седьмую и восьмую обгонные муфты, первый и второй барабаны и четвертый трос, к концам которого привязаны якорь и груз и которые взаимодействуют через барабаны и обгонные муфты с первым валом.

5. Волновой двигатель по п.4, отличающийся тем, что содержит дополнительный четвертый узел преобразования движения, при этом четвертые узлы преобразования движения вынесены за пределы корпуса первого понтона и установлены попарно симметрично на концах первого и второго валов.

6. Волновой двигатель, содержащий кинематически связанные центральный и периферийные понтоны, радиальные рычаги, выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, отличающийся тем, что двигатель снабжен узлами преобразования колебательного движения, центральный понтон имеет яйцевидную обтекаемую форму, верхний конец которого переходит в плоскую платформу, в центре которой на центральном валу неподвижно установлена центральная коническая шестерня, при этом узлы преобразования колебательного движения размещены на платформе симметрично по кругу, через которые посредством рычагов каждый периферийный понтон взаимодействует с центральной конической шестерней.

7. Волновой двигатель по п.6, отличающийся тем, что каждый узел преобразования колебательного движения содержит взаимодействующие друг с другом обгонные муфты, перемычку, первую, вторую, третью и четвертую конические шестерни, вал, ось, кронштейны и шарнирное крепление, при этом обоймы обгонных муфт неподвижно соединены перемычкой с концом рычага, а ступицы неподвижно соединены с первым и вторым коническими шестернями, шарнирно установленными на одной оси и входящими в сцепление с третьей конической шестерней, установленной неподвижно на валу, на другом конце которого также неподвижно установлена четвертая коническая шестерня, входящая в сцепление с центральной конической шестерней.

Описание изобретения к патенту

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

Известен преобразователь энергии ветра и волн [Алиев А.С., Алиева Б.З. «Преобразователь энергии ветра и волн». Патент РФ № 2254494 от 10.09.2003 г., F03D 5/04], который может быть указан в качестве аналога данного изобретения.

Аналог содержит связанные с помощью рычагов вращающиеся платформы. На каждой платформе установлены лопасти (парус) и кинематически связанные преобразователь движения и узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти. Последние установлены в центре преобразователя и взаимодействуют со всеми лопастями и флюгером, установленном также в центре преобразователя.

Платформы выполнены в виде герметичных камер обтекаемой формы, на которых установлены плоские лопасти и связанные с ними неподвижно звездочки, с возможностью свободного вращения вокруг вертикальных стоек. При этом звездочки через цепи и тросы кинематически связаны с соответствующими сегментными звездочками.

В качестве недостатка указанного устройства можно указать конструктивную сложность преобразователя, а также то, что преобразователь энергии не реагирует на угловые колебания герметичных камер на волнах по тангажу.

Известна также волновая энергетическая машина, использующая энергию волн [Саламатов A.M., Юнжаков А.П., Бухяков В.И. Волновая энергетическая машина. Патент RU 2141057 C1, кл. F13/20, 10.11/1999 г.], которая является наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к первому варианту волнового двигателя.

Прототип содержит кинематически связанные понтоны, выходной вал, мультипликатор и взаимодействующий с выходным валом преобразователь потенциальной энергии колебаний понтона (поплавка) на волнах во вращательное движение генератора.

Прототип обладает низким КПД, т.к. не использует энергию колебательного движения рычагов, связывающих первый и второй понтоны друг с другом, а также кинематическую энергию надвигающейся волны.

Известен также преобразователь энергии [Алиев А.С., Алиева Б.З. Преобразователь энергии ветра и волн, патент РФ № 2254494 С2, F03D 5/04 от 09.10.2003 г.], который может быть указан в качестве прототипа второго варианта волнового двигателя.

Прототип имеет сложную конструкцию и может быть использован в преобразователях энергии малой мощности.

Техническая задача заключается в значительном повышении мощности и КПД преобразователя за счет одновременного использования энергии поступательного (кинетической энергии) и поперечного движения (потенциальной энергии) волн, а также энергию угловых колебаний рычагов, соединяющих друг с другом герметичные камеры (потенциальной энергии).

Данная техническая задача решается путем создания принципиально новой конструкции волнового двигателя (первый вариант), содержащего кинематически связанные понтоны, выходной вал, мультипликатор и электрогенератор и первый преобразователь движения, согласно изобретению двигатель содержит взаимодействующие с первым преобразователем и друг с другом и выходным валом второй и третий преобразователи энергии, при этом первый преобразователь движения содержит кинематически связанные первый и второй валы, первую, вторую и третью шестерни, первую и вторую звезды, установленные на обгонных муфтах, цепь, первый, второй и третий тросы и якоря, а также груз, причем первая, вторая и третья шестерни, а также первая и вторая звезды установлены на соответствующих валах, первый конец цепи, взаимодействующей со звездами на обгонных муфтах через третий трос, связан с грузом, а второй конец связан с третьим якорем, кроме того, первый понтон с помощью первого троса и двух якорей привязан ко дну моря.

Волновой двигатель содержит второй преобразователь движения, включающий в себя второй понтон, первый и второй рычаги, третью и четвертую обгонные муфты, при этом первые концы первого и второго рычага через третью и четвертую обгонные муфты взаимодействуют с соответствующими валами, а вторые концы указанных рычагов шарнирно связаны со вторым понтоном.

Волновой двигатель содержит третий преобразователь движения, включающий в себя пятую и шестую обгонные муфты, а также первое и второе водяные колеса, установленные с помощью обгонных муфт на концах второго вала.

Первый преобразователь движения содержит четвертый узел преобразования движения, включающий в себя седьмую и восьмую обгонные муфты, первый и второй барабаны и четвертый трос, к концам которого привязаны якорь и груз и которые взаимодействуют через барабаны и обгонные муфты с первым валом.

Волновой двигатель содержит дополнительный четвертый узел преобразования движения, при этом четвертые узлы преобразования движения вынесены за пределы корпуса первого понтона и установлены попарно симметрично на концах первого и второго валов.

По второму варианту волновой двигатель содержит кинематически связанные центральный и периферийные понтоны, радиальные рычаги, выходной вал, мультипликатор и электрогенератор, согласно изобретению двигатель снабжен узлами преобразования колебательного движения, центральный понтон имеет яйцевидную обтекаемую форму, верхний конец которого переходит в плоскую платформу, в центре которой на центральном валу неподвижно установлена центральная коническая шестерня, при этом узлы преобразования колебательного движения размещены на платформе симметрично по кругу, через которые посредством рычагов каждый периферийный понтон взаимодействует с центральной конической шестерней.

Каждый узел преобразования колебательного движения содержит взаимодействующие друг с другом обгонные муфты, перемычку, первую, вторую, третью и четвертую конические шестерни, вал, ось, кронштейны и шарнирное крепление, при этом обоймы обгонных муфт неподвижно соединены перемычкой с концом рычага, а ступицы неподвижно соединены с первым и вторым коническими шестернями, шарнирно установленными на одной оси и входящими в сцепление с третьей конической шестерней, установленной неподвижно на валу, на другом конце которого также неподвижно установлена четвертая коническая шестерня, входящая в сцепление с центральной конической шестерней.

Принцип действия волнового двигателя поясняется чертежами, представленными на фиг.1-6.

На фиг.1 представлен разрез А-А волнового двигателя по фиг.2, где

1 - первый понтон;

2 - второй понтон;

3, 4, 5 - первый, второй и третий тросы;

6 - якоря;

7 - цепь;

8 - груз;

9, 10, 11 - первый, второй и третий валы;

12, 13, 14 - первая, вторая и третья шестерни;

15, 16 - первая и вторая звезды, установленные на обгонных муфтах.

На фиг.2 представлен вид по фиг.1, где

17 - электрогенератор, 18 - мультипликатор;

19 - маховик;

20, 21, 22, 23 - третья, четвертая, пятая и шестая обгонные муфты;

24, 25 - первое и второе водяные колеса;

26, 27 - первый и второй рычаги;

28 - шарнирные соединения рычагов.

На фиг.3 представлена конструкция второго преобразователя вертикальных перемещений первого понтона во вращательное движение первого и второго валов, где признаки 9-13, те же, что на фиг.1 и фиг.2,

29, 30 - седьмая и восьмая обгонные муфты;

31, 32 - первый и второй барабаны;

33 - четвертый трос;

34 - якорь;

35 - груз.

На фиг.4 приведена конструкция третьего преобразователя движения, где симметрично размещены узлы преобразования вертикальных перемещений понтона (фиг.3) относительно корпуса понтона 1 во вращательное движение, где позиции 29-35 те же, что на фиг.3,

36, 37 - третий и четвертый рычаги;

38, 39 - девятая и десятая обгонные муфты.

На фиг.5 представлена конструкция второго варианта волнового двигателя, где

40 - третий (центральный) понтон;

41 - верхняя платформа понтона;

42 - периферийные понтоны;

43 - радиальные рычаги;

44 - перемычка;

45, 46 - одиннадцатая и двенадцатая обгонные муфты;

47 - кронштейны;

48, 49, 50 - первая, вторая и третья конические шестерни;

51 - четвертый вал;

52 - шарнирное крепление;

53 - четвертая коническая шестерня;

54 - центральная (пятая) коническая шестерня;

55 - центральный вал;

На фиг.6 представлен вид В-В волнового двигателя по фиг.5 (разрез), где позиции 50-55 те же, что на фиг.5.

56, 57 - шестая и седьмая конические шестерни;

58 - маховик;

59 - мультипликатор;

60 - электрогенератор;

61 - подставка;

62, 63 - первый и второй кронштейны;

64 - герметичный корпус понтона 40;

65 - трос;

66 - якорь.

Принцип работы первого варианта волнового двигателя, конструкция которого представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем.

Вся конструкция волнового двигателя имеет положительную плавучесть и размещается на двух понтонах 1, 2.

Двигатель может быть установлен в любом месте - на берегу моря, или в открытом море, или в океане. Положение двигателя фиксируется с помощью двух тросов 3, 4, на концах которого установлены якоря 6, разнесенные друг от друга на определенное расстояние. При этом тросы 3, 4 связаны с петлей, закрепленной в носовой части первого понтона.

Первый 1 и второй 2 понтоны имеют обтекаемую форму, герметичны и связаны друг с другом первым и вторым рычагами 26, 27.

Вся основная конструкция волнового двигателя размещена на первом понтоне.

Под действием волн моря понтоны, соединенные рычагами 26, 27, ориентируются вдоль направления волн. При этом тросы 3, 4 препятствуют изменению координат понтонов. Два троса, концы которых закреплены ко дну моря с помощью двух якорей 6, разнесенных друг от друга на фиксированное расстояние, задают фиксированную высоту понтонов (h). Приход и уход волны меняет высоту понтонов от этого заданного уровня на ± h.

В конструкции волнового двигателя предусмотрен еще третий трос 5, который с помощью третьего якоря 6 закрепляется ко дну моря непосредственно под первым понтоном. К верхнему концу этого троса крепится цепь 7, а к другому концу цепи крепится груз 8, имеющий обтекаемую форму.

Цепь кинематически связана с двумя звездами, 15, 16, неподвижно установленными на обоймах соответствующих обгонных муфт. Ступицы обгонных муфт установлены на соответствующих валах 9, 10.

Обгонные муфты установлены на валах так, что при вхождении в сцеплении одной муфты, вторая муфта крутится вхолостую и наоборот:

В этом случае подъем первого понтона 1 приводит к вращению первого вала по часовой стрелке, а его опускание - второго вала - против часовой стрелки. Вращение первого вала 9 обеспечивается также с помощью троса 5, привязанного к третьему якорю.

Вращение второго вала 10 в противоположном направлении обеспечивается с помощью груза 8, привязанного ко второму концу цепи 7.

На первом и втором валах неподвижно установлены соответствующие шестерни 12, 13. Указанные шестерни имеют одинаковые диаметры делительных окружностей и число зубьев.

При этом вторая шестерня 13 входит в сцепление с третьей шестерней 14. Независимо от противоположных направлений вращения первого и второго валов, третье колесо вращается только в одном направлении - против часовой стрелки.

Чтобы выравнивать моменты вращения выходного (третьего) вала при подъеме и опускании понтона 1 необходимо выравнивать подъемную силу первого понтона 1 и массу груза 8.

Для этой цели необходимо, чтобы первый понтон под весом всех деталей и узлов волнового двигателя (3-25) погрузился только наполовину своего объема. Подъемная сила, создаваемая при погружении понтона выше ватерлинии, была равна массе груза 8 с вычетом веса воды, вытесненной его объемом.

Для стабилизации скорости вращения выходного вала 11 на нем может быть установлен массивный маховик 19.

Вращение третьего вала 11 через мультипликатор 18 передается на электрогенератор 17. Мультипликатор согласует скорости вращения третьего вала с номинальной скоростью вращения электрогенератора.

Для накопления энергии могут быть использованы аккумуляторы. Перспективным направлением является получение водорода путем электролиза воды для последующего его применения в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания и т.д.

Для повышения КПД волнового двигателя используется колебательное движение двух рычагов 26, 27, связывающих первый понтон 1 со вторым понтоном 2.

Первый рычаг 26 связан с обоймой третьей обгонной муфты, ступица которой неподвижно установлена на первом валу 9.

Конец второго рычага 27 аналогичным путем через четвертую обгонную муфту 21 связан с валом 10.

При этом третья и четвертая обгонные муфты установлены так, что при подъеме второго понтона 2 первый вал вращается против часовой стрелки, а при его опускании второй вал вращается по часовой стрелке.

Вторые концы рычагов 26, 27 шарнирно связаны со вторым понтоном. Шарниры 28 рычагов 26, 27 имеют возможность смещения относительно друг друга и корпуса второго понтона 2 в продольном направлении. Понтоны 1, 2 имеют обтекаемую форму. При изменении направления волны понтоны меняют свою ориентацию так, что рычаги 26, 27 устанавливаются вдоль направления волн. Длины рычагов подбираются такими, чтобы они совершали наибольшие колебательные движения. Для этого необходимо, чтобы расстояние между центрами понтонов было равно нечетному количеству полуволн ( /2). В этом случае, когда первый понтон 1 оказывается на гребне волны, второй понтон 2 окажется во впадине, и наоборот.

Для использования кинетической энергии надвигающейся волны применяются первое 24 и второе 25 водяные колеса. Колеса устанавливаются на обоймах пятой 22 и шестой 23 обгонных муфт. Ступицы указанных муфт неподвижно закреплены на концах второго вала 10. Под воздействием волн колеса с помощью соответствующих обгонных муфт 22, 23 приводят во вращение второй вал по часовой стрелке (см. фиг.1). Обгонные муфты 15, 16, 20-23 обеспечивают параллельную работу двигателя от пяти видов движения: подъема и опускания первого понтона, колебаний рычагов 26, 27 в ту или другую стороны и вращения водяных колес 24, 25.

Любое из этих звеньев, препятствующих заданному направлению вращения третьего вала 11, выводится обгонными муфтами из кинематической схемы работы двигателя.

Для стабилизации скорости вращения выходного вала 11 может быть использован классический стабилизатор скорости вращения [Алиев А.С. Преобразователь энергии текучей среды. Патент РФ №2253039 от 07.04.2005 г.].

На фиг.3 представлен второй вариант конструкции преобразователя движения, реагирующий на подъем и опускание первого понтона 1.

В этой конструкции взамен цепной передачи и звезд 15, 16, установленных на обгонных муфтах, используются первый 31 и второй 32 барабаны. Последние установлены на соответствующих валах 9, 10 с помощью седьмой 29 и восьмой 30 обгонных муфт. Обоймы указанных муфт неподвижно связаны с барабанами 31 и 32, обоймы которых установлены на первом 9 и втором 10 валах соответственно [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. - М.: Машиностроение 1980 г., том 2, стр.215-220]. На барабаны намотан четвертый трос 33. К одному концу указанного троса привязан якорь 34, к другому - груз 35. При неподвижно закрепленном тросе ко дну моря с помощью якоря подъем первого понтона приводит к вращению барабанов и связанных с ним валов 9 и 10.

Трос 33 намотан на барабаны так, что они вращаются в разные стороны. Первый барабан вращается против часовой стрелки, а второй по часовой стрелке.

При опускании понтона 1 груз 35 тянет за собой трос 33. Обойма седьмой обгонной муфты 29 входит в сцепление со ступицей и вращает первый вал 9 против часовой стрелки. Обойма восьмой обгонной муфты 30 выходит из сцепления, и трос 33 наматывается на второй барабан 32. Первый вал является ведущим и через шестерни 12, 13 и 14 вращает третий вал 11 в том же направлении - т.е. против часовой стрелки.

Во второй конструкции упрощается механизм преобразования движения и существенно увеличиваются моменты вращения на валах.

На фиг.4 приведена конструкция, когда узлы преобразования движения установлены с двух сторон первого понтона 1 и вынесены за его пределы. Принцип работы каждого из них совпадает с вышеизложенным вариантом (фиг.3).

Тросы 33 закреплены с двух сторон первого понтона. При подъеме понтона ведущими становятся также оба вала 9 и 10. Обгонные муфты 29 и 30 переключают направление вращения барабанов 31 и 32, установленных с двух сторон так, что при опускании понтона 1 с помощью грузов 35 ведущими становятся оба вала 9, 10, сохраняя прежние направления своих вращений.

Подбирая массу грузов и подъемную силу понтона возможно выровнять моменты вращения валов, создаваемые при подъеме и опускании понтона 1 на волнах.

Связь третьего 36 и четвертого 37 рычагов с первым и вторым валами в данном варианте осуществляется аналогично первому варианту через девятую 38 и десятую 39 обгонные муфты соответственно (фиг.4).

Аналогично первому варианту на втором валу 10 симметрично с двух сторон с помощью пятой 22 и шестой 23 обгонных муфт устанавливаются водяные колеса 24 и 25. Эти колеса создают момент вращения от напора надвигающей волны и преобразуют кинетическую энергию волны.

В указанных вариантах трос (или цепь) выводится из корпуса по центру понтона 1. Это требует применения специальных уплотнителей, не пропускающих воду внутрь понтона.

В последнем варианте тросы 33 вынесены за пределы понтона. Симметричное натяжение тросов с двух сторон понтона повышает устойчивость его крепления и распределяет снимаемую мощность преобразователя вертикального движения понтона на два троса 30.

Подбирая объем и массу второго понтона такими, чтобы он погрузился на половину своего объема, можно выровнять моменты вращения, создаваемые рычагами 26 и 27 на первом и втором валах.

Суммарная мощность, создаваемая на выходном валу от преобразования пяти видов движения, может составить сотни - тысячи киловатт.

Принцип работы второго варианта волнового двигателя, представленного на фиг.5 и фиг.6, принципиально отличается от всех предыдущих вариантов.

Третий понтон 40 имеет яйцевидную обтекаемую форму, верхний конец которого переходит в плоскую форму 41.

Центральный понтон имеет большую положительную плавучесть. К днищу понтона 64 привязан трос 65 и с помощью якоря 66 устанавливается в море. Длина троса подбирается такой, чтобы верхняя платформа 41 оказалась выше уровня моря.

Вокруг центрального понтона симметрично по кругу устанавливаются N-е количество периферийных понтонов 42. На фиг.5 шесть периферийных понтонов связанны с центральным понтоном с помощью радиальных рычагов 43 с узлами преобразования колебательного движения, установленными на центральном понтоне.

Периферийные понтоны имеют обтекаемую форму и шарнирно связаны с концами рычагов 43. Другие концы рычагов неподвижно соединены с помощью перемычек 44 с обоймами соответствующих (одиннадцатой 45 и двенадцатой 46) обгонных муфт узлов преобразования колебательного движения. Ступицы указанных муфт неподвижно связаны с первой 48 и второй 49 коническими шестернями, установленными шарнирно на одной оси, концы которой с помощью кронштейнов 47 шарнирно закреплены на платформе 41.

Первая 48 и вторая 49 конические шестерни находятся в сцеплении с третьей конической шестерней 50.

Обгонные муфты 45 и 46 установлены так, что они входят в сцепление по очереди. Например, если при опускании рычага 43 поворачивает ступицу одиннадцатой 45 обгонной муфты, ступица двадцатой 46 находится в нейтральном положении и наоборот.

Последняя входит в сцепление при подъеме рычага. Расположение конических шестерен 48-50 обеспечивает вращение третьей шестерни в одном направлении как при подъеме, так и при опускании периферийного понтона 42 на волнах.

Третья 50 и четвертая 53 конические шестерни неподвижно установлены на четвертом валу 51. Валы с помощью шарнирных креплений 52 веерообразно симметрично по кругу установлены на платформе 40.

В центре платформы на центральном валу 55 неподвижно установлена центральная (пятая) коническая шестерня 54. Направление вращения четвертых конических шестерен 53 с помощью обгонных муфт 45, 46 обеспечивается таким, чтобы центральная коническая шестерня вращалась в одном направлении - по часовой стрелке (см. фиг.5).

Для защиты от агрессивной соленой водной среды узел электрогенератора установлен внутри герметичного корпуса 53 понтона 1.

На центральном валу 55 неподвижно установлены шестая коническая шестерня 56 и маховик 58. Седьмая коническая шестерня 57 неподвижно установлена на входном 57 валу мультипликатора 59 и входит в сцепление с шестой конической шестерней.

Маховик обеспечивает синхронность вращения центрального вала. Для синхронизации скорости вращения центрального вала может быть применен классический центробежный регулятор скорости вращения [Алиев А.С. Преобразователь энергии текучей среды. Патент РФ № 2253039 от 07.04.2005 г.].

Выходной вал мультипликатора 59 подключен к электрогенератору 60. Мультипликатор согласует скорость вращения центрального вала с номинальной скоростью вращения якоря электрогенератора 60.

Мультипликатор и электрогенератор установлены на подставке 61, которая с помощью первого кронштейна 62 крепится параллельно платформе. Для установки маховика 58 используется дополнительный второй кронштейн 62.

Полученная электрическая энергия используется для освещения и отопления плавучих нефтяных платформ. Перспективными направлениями являются использование электрической энергии для получения водорода путем электролиза воды для опреснения морской воды.

Следует заметить, в случае необходимости при соответствующем упрощении конструкции волнового двигателя в нем могут быть использованы каждое из нижеуказанных движений в отдельности:

а) вертикальное движение первой герметичной камеры (понтона) вверх и вниз, преобразующее потенциальную энергию волн;

б) колебательное движение рычагов, связывающих понтоны 1, 2 друг с другом, преобразующее также потенциальную энергию волн;

в) вращательное движение водяных колес, преобразующее кинетическую энергию надвигающего потока волн.

Волновой двигатель может быть использован как автономный источник электрической и механической энергии, а также тепла там, где нет централизованного электроснабжения - вдоль побережья и далеко от берегов морей и океанов

Потенциальными потребителями таких волновых двигателей являются пограничники, нефтяники, рыболовы, моряки и т.д.