двигатель для утилизации энергии текущей среды

Формула изобретения

1. Двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий погруженный в последнюю каркас и корпус, а также жестко связанную с ними наружную площадку, имеющий как минимум три турбоколеса, установленные на единой направленной вдоль потока продольной оси, основной и вспомогательный валы отбора мощности, связанные между собой идентичными шестернями, причем турбоколеса установлены с возможностью синхронного вращения, а продольная ось закреплена на каркасе через подшипниковые узлы, при этом первое и третье турбоколеса, закрепленные на оси жестко, через цепную передачу связаны с основным валом отбора мощности, отличающийся тем, что второе турбоколесо, закрепленное на продольной оси через дополнительный подшипниковый узел, связано с вспомогательным валом отбора мощности через цепную передачу, при этом соседние турбоколеса, представляющие собой взаимное зеркальное отображение, кинематически связаны так, что вращаются встречно-синхронно.

2. Двигатель для утилизации энергии текущей среды по п.1, отличающийся тем, что при выполнении с пятью турбоколесами первое, третье и пятое по направлению потока турбоколеса закреплены на продольной оси жестко, а второе и четвертое - через подшипниковые узлы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для преобразования энергии текущей среды в электрическую, например, в бесплотинных гидроэлектростанциях.

Известен двигатель для утилизации энергии текущей среды (RU 2166664 C1, F03B 9/00, 2000 г.), который не требует плотин и реализует получение энергии при низких скоростях потока за счет использования встречного движения разнонаправленных лопаток. Из-за того, что лопатки движутся на роликах в пазах гибких направляющих с вращением каждой на собственной оси, устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что его конструкция не позволяет обеспечить требуемую мощность и имеет малый срок службы.

Известен двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий два турбоколеса, представляющих собой взаимное зеркальное отображение (RU 90131 U8, F01D 15/00, 2009 г.). Устройство позволяет получить более высокие мощности и имеет достаточный срок службы. Однако при использовании в турбодетандерной установке его конструкция требует организации двух встречных потоков текущей среды, что в бесплотинных гидроэлектростанциях не реализуемо. Кроме того, для получения необходимой выходной мощности при низких скоростях потока текущей среды (что характерно для бесплотинных гидроэлектростанций) наличия двух турбоколес недостаточно.

Наиболее близким к изобретению является двигатель для утилизации энергии текущей среды, содержащий погруженный в последнюю каркас и корпус, а также жестко связанную с ними наружную площадку, имеющий, как минимум, три турбоколеса установленные на единой продольной оси, направленной вдоль потока, основной и вспомогательный валы отбора мощности, связанные между собой шестернями, причем турбоколеса установлены с возможностью синхронного вращения, а продольная ось закреплена на каркасе через подшипниковые узлы, причем первое и третье турбоколеса закреплены на оси жестко и через цепную передачу связаны с основным валом отбора мощности (US 1396609 A, F03B 17/06, 1921 г.).

В известном устройстве все турбоколеса закреплены на продольной оси жестко, а их лопатки направлены в одну сторону, поэтому скорость потока через двигатель и, следовательно, его мощность ограничена, т.к. определяется только скоростью вращения турбоколес (скоростью движения внешнего потока), не завися от конструктивных особенностей системы.

Техническим результатом, который можно достичь при осуществлении изобретения, является повышение выходной мощности двигателя.

Технический результат достигается тем, что в двигателе для утилизации энергии текущей среды, содержащем погруженный в последнюю каркас и корпус, а также жестко связанную с ними наружную площадку, имеющий, как минимум, три турбоколеса, установленные на единой, направленной вдоль потока продольной оси, основной и вспомогательный валы отбора мощности, связанные между собой идентичными шестернями, причем турбоколеса установлены с возможностью синхронного вращения, а продольная ось закреплена на каркасе через подшипниковые узлы, при этом первое и третье турбоколеса, закрепленные на оси жестко, через цепную передачу связаны с основным валом отбора мощности, согласно изобретению, второе турбоколесо, закрепленное на продольной оси через дополнительный подшипниковый узел, связано с вспомогательным валом отбора мощности через цепную передачу, при этом соседние турбоколеса, представляющие собой взаимное зеркальное отображение, кинематически связаны так, что вращаются встречно-синхронно.

При выполнении двигателя с пятью турбоколесами первое, третье и пятое по направлению потока турбоколеса закреплены на продольной оси жестко, а второе и четвертое - через подшипниковые узлы.

На фигурах 1, 2, 3 представлена конструкция устройства при использовании трех турбоколес.

На фиг.1 изображен общий вид конструкции.

На фиг.2 - вид слева.

На фиг.3 - вид сверху.

На фигуре 4 представлена конструкция устройства при использовании пяти турбоколес.

Устройство (Фиг.1, 2, 3, 4) содержит каркас 1, жестко фиксированный в потоке, корпус 2, выполненный в виде трубы с открытыми участками, и жестко связанную с ними наружную площадку 3. Продольная ось 4 закреплена на каркасе с помощью подшипниковых узлов 5. Первое турбоколесо 6 жестко закреплено на оси 4, второе турбоколесо 7 связано с ней через подшипниковый узел, а третье турбоколесо 8 также жестко закреплено на оси. Турбоколеса связаны с основным 9 и вспомогательным 10 валами отбора мощности через цепную передачу 11. Валы 9 и 10 связаны между собой через шестерни синхронизации 12. Основной вал 9 соединен с генератором 13. При использовании пяти турбоколес (Фиг.4) на оси 4 дополнительно установлены четвертое 14 и пятое 15 турбоколеса.

Устройство работает следующим образом.

Поток текущей среды, например, воды, воздействует на лопатки турбоколес 6, 7, 8 (в варианте с тремя турбоколесами).

Поскольку турбоколеса 6 и 8 идентичны и жестко соединены с осью 4, которая закреплена на каркасе 1 на подшипниковых узлах 5, турбоколеса 6 и 8 начинают вращаться под воздействием потока. Закрепленное на оси 4 через подшипниковый узел турбоколесо 7, являющееся зеркальным отображением турбоколес 6 и 8, начинает вращаться им навстречу. Вращательное движение турбоколеса 7 через цепную передачу 11 передается на вспомогательный вал 10 отбора мощности, а вращательное движение турбоколес 6 и 8 передается на основной вал 9 отбора мощности, соединенный с генератором 13.

Поскольку валы 9 и 10 связаны между собой через идентичные шестерни 12 (Фиг.3), то все турбоколеса вращаются синхронно, при этом соседние турбоколеса вращаются встречно из-за выполнения их конструкций в зеркальном исполнении. Лопатки соседних (6-7 и 7-8) турбоколес перемещают зоны текущей среды: одни с повышенным давлением, другие - с пониженным давлением. При встрече этих зон, движущихся навстречу друг другу, поток из зоны повышенного давления устремляется в зону пониженного давления с образованием вихрей.

Поскольку движение лопаток всех турбоколес синхронизировано, то данный процесс носит не стохастический, а упорядоченный характер. В результате скорость потока через двигатель увеличивается, и, следовательно, увеличивается его мощность.

Дальнейшее повышение мощности установки возможно за счет увеличения числа турбоколес, например, до пяти (Фиг.4). В этом случае первое 6, третье 8 и 15 (все нечетные по направлению потока) турбоколеса закрепляются на оси жестко, а второе 7 и четвертое 14 (все четные по направлению потока) - через подшипниковые узлы. Каждое из турбоколес кинематически связано с основным и вспомогательным валами отбора мощности в соответствии с их номерами.

Работа двигателя с пятью и более турбоколесами аналогична работе двигателя с тремя турбоколесами, но обеспечивает еще большее увеличение скорости проходящего через двигатель потока и скорости вращения основного вала, следствием чего является увеличение передаваемой электрогенератору 13 мощности, причем это реализовано без существенного усложнения установки и, следовательно, ее стоимости.

Таким образом, за счет установки турбоколес с четными номерами с возможностью вращения на продольной оси и выполнения конструкции соседних турбоколес в зеркальном отображении обеспечивается неизменность направления вращения основного вала, связанного с генератором, а также увеличивается скорость движения потока через двигатель, что способствует повышению выходной мощности установки, т.е. достижению технического результата.

Установлено, что при применении трех турбоколес мощность установки увеличивается более чем на 50%, при этом цена гидроэлектростанции увеличивается только на 20-30%, а при применении пяти турбоколес мощность увеличивается более, чем в два раза, при этом цена установки возрастает примерно на 50%.

Благодаря высокой отдаваемой мощности при относительно низкой стоимости установки изобретение может быть рекомендовано при проектировании бесплотинных гидроэлектростанций.