двигатель для утилизации энергии текущей среды

Формула изобретения

Двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий каркас с проходным отверстием, в цилиндрических камерах каркаса установлены на вертикальных валах вращения, кинематически связанных с электрогенераторами, барабаны, к наружным цилиндрическим поверхностям которых по винтовой линии прикреплены лопасти таким образом, что начало каждой лопасти на одном торце барабана смещено по ходу его вращения относительно конца лопасти на втором торце барабана на 1-2 шага размещения лопастей на барабане, ширина входного отверстия проходного окна составляет не меньше двойной ширины лопасти и не больше диаметра барабана, причем выходной раструб по оси потока меньше входного раструба не менее чем в два раза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для утилизации энергии текущей среды, и может быть использовано для преобразования энергии потока текущей среды, например потока рек, в электрическую энергию.

Известен двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий каркас с установленными в нем валами, один из которых связан с электрогенератором, гибкий элемент, охватывающий упомянутые валы и снабженный лопастями, закрепленными на нем с возможностью поворота, при этом на внутренних продольных стенках каркаса выполнены направляющие с пазами, а лопасти снабжены штырями и роликами, установленными в пазах (а.с. СССР № 1694972, кл. F03B 9/00, 1989).

Аналог имеет следующие недостатки:

- известный двигатель размещен вдоль потока, вследствие чего рабочий ход совершает только одна ветвь (вторая ветвь движется вхолостую), что снижает КПД двигателя;

поток текущей среды воздействует на торцы лопастей и тыльную их сторону при возвращении лопастей в рабочее положение, что также снижает КПД устройства.

Известна принятая в качестве прототипа, речная береговая гидроэлектростанция, содержащая корпус, выполненный в виде бетонированного берега, наполовину размещенную в корпусе лопастную турбину, расположенную на оси, установленной в бетонном основании корпуса, муфту и генератор, корпус снабжен направляющими, размещенными за колесом ниже по течению реки, и перегородкой с поплавками, установленной с возможностью перемещения по направляющим, причем ось турбины расположена вертикально, муфта и генератор размещены над уровнем реки, а ширина лопастей турбины выполнена больше разности максимального и минимального уровней реки (RU № 2020260. М. кл⁵ F03B 7/00, 1991).

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

- вследствие фронтального расположения лопастей к потоку среды соответствующая передача движущих усилий сопряжена со значительными силами трения;

- лопасти известного устройства используют лишь малую часть энергии текущей среды;

- устройство является стационарной станцией, жестко привязанной к берегу и требует больших строительных затрат.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и КПД устройства и расписание диапазона его применения, включая даже как переносной вариант и расширение возможности применения по типу среды и силе потока.

Указанная задача решается тем, что двигатель для утилизации энергии текущей среды содержит каркас с проходным отверстием. В цилиндрических камерах каркаса установлены на вертикальных валах вращения, кинематически связанных с электрогенераторами, барабаны. К наружным цилиндрическим поверхностям барабанов по винтовой линии прикреплены лопасти таким образом, что начало каждой лопасти на одном торце барабана смещено по ходу его вращения относительно конца лопасти на втором торце барабана на 1-2 шага размещения лопастей на барабане. Ширина входного отверстия проходного окна составляет не меньше двойной ширины лопасти и не больше диаметра барабана, причем выходной раструб по оси потока меньше входного раструба не менее чем в два раза.

Размеры окон входного и выходного проходного отверстия устройства выбираются из условий обеспечения герметичности камер для размещения в них генераторов, привода и других энергообеспечивающих устройств.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - общий вид предлагаемого спаренного двигателя, вид сверху (схема);

фиг.2 - разрез по оси потока среды (вид сбоку);

фиг.3 - вариант одиночного двигателя с горизонтальным расположением рабочего барабана;

фиг.4 - вид с верхнего бьефа на ряд одиночных гидродвигателей;

фиг.5 - вид одиночного устройства, используемого как ветроэлектрогенератор.

Двигатель для утилизации энергии потока текущей среды содержит каркас 1, имеющий по обе стороны от продольной оси цилиндрические камеры 2, раструбы 3 и 4, соответственно формирующие входное 5 и выходное 6 окна потока среды. В цилиндрических камерах 2 размещены барабаны 7, установленные, в первом варианте, на вертикальных валах вращения 8.

На наружных цилиндрических поверхностях барабанов 7 по винтовым линиям закреплены лопасти 9 таким образом, что начало каждой лопасти на одном торце барабана смещено по ходу его вращения относительно конца лопасти на втором торце барабана на 1-2 шага размещения лопастей на барабане. При меньших значениях параметров указанного диапазона уменьшается число одновременно работающих лопастей, при больших - уменьшается составляющая сил давления потока среды на лопасти. Так как винтовая поверхность лопасти направлена вперед и вверх по ходу потока, то привод барабанов 7 осуществляется с наибольшим крутящим моментом и большим захватом потоком количества лопастей 9, отмеченных во входном проеме окна 5.

Ширина входного окна 5 проходного отверстия должна быть не меньше двойной ширины лопасти (чтобы лопасти не касались одна другой) и не больше диаметра барабана 7 (чтобы давление воды не создавало момента противовращения барабана). Ширина выходного окна 6 проходного отверстия должна быть не меньшей диаметра барабана 7 (из условия свободного истечения среды из барабанов без сопротивления их вращению, чему способствует форма раструба 4).

Конструкции входного 5 и выходного 6 окон проходного отверстия устройства, формируемые направляющими раструбами 3-4, выполняются из условия обеспечения герметичности камер 10 для размещения в них генераторов 11, привода 12 и других энергообеспечивающих устройств.

Устройство может состоять из одного барабана, установленного на горизонтальной оси вращения с каркасом, обеспечивающим формирование потока среды с одной стороны барабана с помощью раструба 3, и плоской донной части корпуса. В устройстве линия осей рабочих барабанов смещена на 1/3 корпуса к его выходному торцу, а входной раструб занимает 2/3 части корпуса. Такое исполнение (см. фиг.3 и 4) может быть целесообразным на малых водотоках, подпираемых барабаном с истечением потока из-под него, или в качестве ветродвигателя, использующих в качестве рабочей среды воздушный поток со скоростью более 7 м/сек.

Двигатель работает следующим образом.

Поток среды, поступающий по раструбу 3 корпуса 1 к входному окну 5 проходного отверстия, воздействует на лопасти 9 барабанов 7, размещенных в цилиндрических камерах 2, вращая барабаны 7 на валах 8. Благодаря размещению лопастей на барабанах по винтовым линиям подвергаются давлению среды сразу несколько лопастей (не менее 3), обеспечивая работу генераторов 11 посредством устройств привода 12, размещенных в герметичных камерах 10. При этом раструб 4 выходного окна 6 благодаря своим размерам и форме оказывает минимальное сопротивление потоку среды без его завихрения.

При варианте использования одного барабана, установленного на горизонтальной оси вращения, устройство раструбов корпуса должно обеспечить концентрацию сил давления среды между плоскостью донной части корпуса и раструбом 3 (для воды может осуществляться подпор любым способом) с входной стороны корпуса.

Технические результаты заявленного предложения заключаются в конструктивной простоте и надежности работы предложенного устройства, не имеющего подвижных соединений, изменяющих положение лопастей, и гибких связей. Благодаря предложенной конструкции лопастей барабанов 7, размещенных в камерах 2, энергия потока среды используется барабанами с максимальным КПД для данной конструкции. Устройство может применяться как в прямых речных потоках и искусственных каналах, любой глубины от 0,1 м, так и в донных морских и речных течениях, размещенных в вертикальных стеллажах, а также размещаться на поплавках в верхних потоках рек, если дно реки не позволяет их использовать.