Преобразователь кинетической энергии потока сплошной среды в механическую энергию

Изобретение относится к технике энергетических преобразователей и может быть использовано в ветроэнергетических, гидроэнергетических электростанциях, насосных установках и подобных устройствах. Предложенный преобразователь кинетической энергии потока газа или жидкости в энергию механического движения относится к преобразователям колебательного типа и содержит корпус, набор поворотных пластин и механизм кинематической связи между пластинами. Пластины и механизм кинематической связи размещены в обойме со свободой поворота между установленными на ней угловыми ограничителями. Оси поворотов пластин размещены за центрами давления, а суммарный центр масс пластин и механизма кинематической связи отнесен от осей поворота пластин в сторону хвостовых оконечностей пластин. Обойма опирается на корпус через поступательные кинематические пары и имеет свободу линейного возвратно-поступательного движения в плоскости осей поворота пластин между установленными на корпусе аккумуляторами механической энергии. В преобразователе колебательного типа движение обоймы в каждом полупериоде цикла происходит с постоянным углом атаки по всей длине пластины. Это обеспечивает эквипотенциальность поля скоростей потока и ламинарный характер обтекания по всей длине пластины. Результат - повышение подъемной силы, действующей на каждую пластину, и, следовательно, повышение развиваемой преобразователем мощности. 1 ил.

 

Изобретение относится к преобразователям кинетической энергии потока жидкости или газа в энергию механического движения и может быть использовано в ветроэлектростанциях, ветронасосных установках, гидроэлектростанциях и других подобных устройствах.

Известны преобразователи с вращательным движением рабочего органа, которое происходит под действием силы, возникающей при его обтекании потоком среды (см., например, «Концепция использования ветровой энергии в России», 2005 г.). Таким преобразователям характерен относительно малый КПД и достаточно высокая шумность, обусловленные сложным характером аэродинамических явлений на вращающихся телах.

Эти недостатки значительно уменьшены в преобразователях колебательного типа. Известен преобразователь, у которого рабочий орган, выполненный в виде набора кинематически связанных с корпусом пластин, совершает угловые колебания с малой амплитудой вокруг продольных осей пластин (см. патент США №4347036, F03D 5/06). Данное техническое решение можно принять за прототип.

Хотя преобразователь с угловым колебательным движением рабочих пластин в значительной степени свободен от вредных аэродинамических эффектов, но и у него развиваемая мощность относительно мала вследствие непрерывного изменения угла атаки и нарушения ламинарности потока из-за противоположно направленных поперек потока движений частей пластины, находящихся по разные стороны от оси колебаний. Кроме того, при колебательном движении пластины относительно обтекающего потока и неблагоприятном сочетании геометрических и жесткостных параметров пластины возможно возникновение явления скручивания пластины, которое в сочетании с ее колебаниями может привести к лавинообразному развитию угловых и крутильных колебаний вплоть до разрушения пластины. Такое явление известно в аэродинамике как «флаттер». Но даже без разрушения пластины вокруг нее происходит бурная турбулизация потока, что приводит к падению возникающей на ней подъемной силы и, следовательно, развиваемой преобразователем мощности. Обычно такие явления возникают при некоторой критической для данной конструкции относительной скорости, поэтому диапазон рабочих скоростей потока может оказаться достаточно узким.

Наиболее эффективное использование энергии потока возможно только при ламинарном обтекании рабочего органа с постоянным углом атаки.

Другим недостатком преобразователя с угловыми колебаниями рабочего органа является циклическое знакопеременное нагружение пружин, что ограничивает их ресурс и приводит к необходимости приостановки эксплуатации преобразователя для замены пружин.

Оба эти основные недостатка обуславливают относительно невысокую мощность и пониженную надежность преобразователя.

Целью настоящего изобретения является повышение развиваемой преобразователем колебательного типа мощности и повышение его надежности.

Указанные цели достигаются тем, что в преобразователе кинетической энергии потока сплошной среды в механическую энергию, содержащем корпус, набор поворотных пластин и механизм кинематической связи между пластинами, пластины и механизм связи размещены в обойме со свободой поворота между установленными на ней угловыми ограничителями, оси поворота пластин размещены за центрами давления, суммарный центр масс пластин и механизма кинематической связи отнесен от осей поворота пластин в сторону хвостовых оконечностей пластин, обойма опирается на корпус через поступательные кинематические пары и имеет свободу линейного возвратно-поступательного движения в плоскости осей поворота пластин между установленными на корпусе аккумуляторами механической энергии.

На чертеже представлена схема предлагаемого преобразователя (вид сверху). Преобразователь состоит из корпуса 1, на который через поступательные кинематические пары 2 опирается обойма 3. В обойме со свободой поворота между угловыми ограничителями 4 и 5 размещены профилированные пластины 6, связанные между собой кинематическим механизмом 7, обеспечивающим одинаковость их углов поворота. Оси поворотов пластин сдвинуты от центров давления (Ц.Д) в сторону хвостовиков пластин на расстояние l₁. Суммарный центр масс (Ц.М) пластин и механизма кинематической связи сдвинут от осей поворота в сторону хвостовиков пластин на расстояние l₂. Обойма 3 имеет свободу линейного возвратно-поступательного движения между аккумуляторами 8 и 9 механической энергии, установленными на корпусе 1 в плоскости I-I осей поворота пластин. На обойме 3 установлено также устройство 10 связи с нагрузкой. Пластины 6 имеют оптимальные для данной схемы толщину, удлинение и профиль сечений, например симметричный. Аккумуляторы механической энергии 8 и 9 могут быть выполнены, например, в виде пневматических пружин. Конструкция поступательной кинетической пары подвеса обоймы определяется двумя главными требованиями - прочность и малое трение. Геометрические и прочностные показатели пластин определяются обтекающей средой (газ, жидкость), скоростью потока и размерами преобразователя.

Работает предлагаемый преобразователь следующим образом. При обтекании пластин 6 потоком среды со скоростью V_в под некоторым докритическим углом атаки α на каждой пластине развивается приложенная в центре давления аэродинамическая подъемная сила:

где ρ - удельная плотность среды,

S - обтекаемая площадь пластины,

С_у - коэффициент подъемной силы, зависящий от угла α.

Под действием суммарной силы F_∑=nF_а, где n - количество пластин в обойме 3, обойма движется в направлении силы F_∑, например в сторону аккумулятора 8, с ускорением

где m - масса обоймы с размещенными в ней элементами,

развивает линейную скорость V₁(t)=∫∫adt² и накапливает кинетическую энергию .

При этом шток механизма 7 под действием момента силы

M_n=F_∑·l₁

прижимается к ограничителю 4, что обеспечивает постоянство угла атаки α.

В момент подхода обоймы 3 к аккумулятору 8 обойма 3 натыкается на шток аккумулятора 8, перемещает его, отдавая аккумулятору накопленную кинетическую энергию, и затормаживается. В то же время центр масс пластин продолжает движение по инерции в направлении силы F_∑, что приводит к развитию относительно осей поворота пластин момента силы инерции

M_u=-ml₂W(t),

где W(t) - ускорение торможения, направленного противоположно моменту Мп.

Если конструкционными мерами обеспечено условие

|M_u|>|M_n|,

пластины начнут поворачиваться в обойме 3 так, что угол атаки меняется на противоположный по знаку. Поскольку пластины соединены между собой кинематической связью 7, они поворачиваются на одинаковые углы. В процессе торможения обоймы и поворота пластин шток механизма 7 натыкается на угловой ограничитель 5, который ограничивает угол поворота пластин конструкционно заданным значением.

В некоторый момент времени кинетическая энергия обоймы 3 оказывается полностью поглощенной аккумулятором 8, движение обоймы и поворот пластин прекращаются. В этот момент пластины оказываются повернутыми относительно обоймы 3 на угол -α. С этого момента сила F_∑ меняется на противоположную -F_∑. Одновременно аккумулятор 8 отдает поглощенную кинетическую энергию обойме 3 и она, используя отданную ей аккумулятором энергию и воздействие силы -F_∑, движется к противоположной стороне корпуса 1 со скоростью V₂(t). При ее подходе к аккумулятору 9 происходят явления, аналогичные имеющим место при подходе к аккумулятору 8, только теперь угол атаки пластин 6 меняется на α. Так, процесс периодически повторяется, т.е. обойма совершает линейные возвратно-поступательные движения между аккумуляторами 8 и 9. В результате предельная развиваемая ею скорость будет

где K_∂ - коэффициент демпфирования,

а максимальная мощность составит

Средняя за период колебательного движения мощность

При холостом, т.е. без нагрузки на штоке 10, движении обоймы демпфирование создается только силами трения элементов обоймы 3 об окружающую среду, если же шток 10 присоединен, например, к линейному электрогенератору, коэффициент K_∂ будет главным образом определяться скоростным сопротивлением генератора.

Поскольку каждое сечение пластины движется относительно обтекающего потока с одинаковым и постоянным углом атаки на всей длине рабочего хода, пластина движется в эквипотенциальном по всей ее длине поле скорости ламинарного потока. В результате отсутствуют паразитные аэродинамические явления, такие как индуктивные вихри вдоль пластины и срывы потока. Это обеспечивает, во-первых, высокое значение аэродинамической подъемной силы и, следовательно, развиваемой мощности, во-вторых, бесшумность работы, в-третьих, отсутствие на пластине большей части тех нагрузок, которые имеют место у преобразователей вращательного типа или у преобразователя-прототипа. Последнее обстоятельство снижает требование к прочности пластины и в конечном счете к массе преобразователя в целом.

Надежность и ресурс предлагаемого преобразователя выше, чем у прототипа, т.к. в нем нет пружин, подвергающихся огромному количеству циклов нагружения, и нет конструкционных предпосылок для развития флаттера.

Преобразователь кинетической энергии потока сплошной среды в механическую энергию, содержащий корпус, набор поворотных пластин и механизм кинематической связи между пластинами, отличающийся тем, что пластины и механизм кинематической связи размещены в обойме со свободой поворота между установленными на ней угловыми ограничителями, оси поворотов пластин размещены за центрами давления, суммарный центр масс пластин и механизма кинематической связи отнесен от осей поворота пластин в сторону хвостовых оконечностей пластин, обойма опирается на корпус через поступательные кинематические пары и имеет свободу линейного возвратно-поступательного движения в плоскости осей поворота пластин между установленными на корпусе аккумуляторами механической энергии.