Способ отбора энергии текущей среды

Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике, в частности к устройствам для преобразования энергии текущей среды, например рек, приливно-отливных и др. течений, а также энергии перемещения воздушных масс в электрическую или механическую для обеспечения привода потребителей. Способ отбора энергии текущей среды заключается в том, что в текущую среду погружают раструб и отводят текущую среду, проходящую через раструб, к рабочему органу, например турбине. Раструбу придают выпуклую форму в сторону проходящего через него потока текущей среды. Соотношение площадей входного и выходного отверстий раструба выполняют бóльшим соотношения скорости потока среды на входе и граничной скорости потока, при дальнейшем увеличении которой скоростной напор уменьшается. После прохождения раструба в зависимости от энергии текущего потока его распределяют между несколькими рабочими органами. Повышается эффективность отбора энергии текущей среды. 1 ил.

 

Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике, в частности к устройствам для преобразования энергии текущей среды, например рек, приливно-отливных и др. течений, а также энергии перемещения воздушных масс в электрическую или механическую для обеспечения привода потребителей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ отбора энергии текущей среды, заключающийся в том, что в текущую среду погружают раструб и отводят текущую среду, проходящую через раструб, к рабочему органу, например турбине (SU 1810599 A1, 23.04.1993, F03B 13/42). При этом раструбу придают коническую форму.

Недостатком данного способа является низкий коэффициент использования энергии потока текущей среды из-за нерациональных гидродинамических параметров раструба.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности отбора энергии текущей среды.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе отбора энергии текущей среды, заключающемся в том, что в текущую среду погружают раструб и отводят текущую среду, проходящую через раструб, к рабочему органу, например турбине, раструбу придают выпуклую форму в сторону проходящего через него потока текущей среды, соотношение площадей выходного и входного отверстий раструба выполняют большим соотношения скорости потока среды на входе и граничной скорости потока, при дальнейшем увеличении которой скоростной напор уменьшается, а после прохождения раструба в зависимости от энергии текущего потока его распределяют между несколькими рабочими органами.

Так как раструбу придают выпуклую в сторону проходящего через него потока среды форму, то это уменьшает сопротивление стенок раструба текущему потоку, что снижает потери энергии потока в момент прохождения его через раструб и повышает коэффициент использования его энергии. Ввиду того что площади поперечных сечений выходного и входного отверстий раструба берут в зависимости от скорости потока среды и критической скорости среды, с помощью раструба можно эффективно отбирать энергию текущей среды в большом диапазоне колебаний скоростей потока. Это также способствует повышению коэффициента использования энергии потока среды. Разделение потока текущей среды на выходе из раструба на несколько потоков позволяет снизить чувствительность скорости потока, подаваемого в рабочие механизмы, от скорости входного потока, что повышает коэффициент использования потока текущей среды в рабочих органах.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема осуществления предлагаемого способа.

В движущейся среде на грунте 1 устанавливают основание 2, на котором закрепляют раму 3 с возможностью свободного поворота вокруг вертикальной оси. На раме 3 жестко закрепляют раструб 4, которому придают выпуклую форму в сторону проходящего через него потока текущей среды. Плоскость входного отверстия раструба располагается на расстоянии а от оси поворота рамы 3. Выходное отверстие раструба 4 с помощью муфты 5 соединяют с трубопроводом 6, который переносит движущуюся среду к рабочему органу 7.

Под действием потока среды (на чертеже показано стрелкой) раструб 4 вместе с рамой 3, свободно поворачиваясь вокруг ее оси, всегда устанавливается навстречу потоку среды. По мере продвижения потока среды внутри раструба 4 от входного отверстия к выходному за счет уменьшения площади поперечного сечения раструба скорость потока возрастает и на выходе из раструба приобретает наибольшее значение. После выхода из раструба поток попадает в соединительную муфту 5 и далее в трубопровод 6. По трубопроводу 6 скоростной поток направляется по назначению, например, в рабочие органы гидротурбин 7. В зависимости от энергии текущего потока он может направляться к одной турбине или распределяться между двумя, тремя или несколькими рабочими органами. Это повышает коэффициент использования энергии потока.

Известно, что в соответствии с законом неразрывности потока среды скорость потока V (м/с) в произвольном поперечном сечении раструба будет равна:

где V_O - скорость потока среды на входе в раструб (м/с);

F_O - площадь поперечного сечения входного отверстия раструба (м²);

F - площадь текущего поперечного сечения раструба (м²).

Соотношение (1) справедливо только до критических скоростей потока среды. При превышении критической скорости с уменьшением площади выходного отверстия раструба соотношение (1) выдерживаться не будет, коэффициент использования энергии текущей среды будет уменьшаться, в системе может возникнуть кавитация. Поэтому соотношение площадей входного F_O и выходного F_ν отверстия раструба берут из соотношения:

где V_g - критическая скорость потока, при дальнейшем увеличении которой резко возрастают потери энергии потока (для каждого вида среды определяется экспериментально).

Обычно скорость потока текущей среды на входе Vo в раструб колеблется в очень широких пределах. Так, известны резкие колебания скорости ветра, резко изменяется скорость рек летом, весной, в засуху, в ливень, различна скорость морских и океанических волн и т.д. Если не учесть соотношение (2), то до какого-то значения скорости V_O потери энергии в раструбе будут незначительными. Но как только значение V_O станет таким, при котором скорость потока на выходе из раструба V_ν приблизится к значению V_O, сопротивление раструба потоку текущей среды резко возрастет, а коэффициент использования энергии этого потока снизится. Чтобы этого не происходило, надо на выходе из раструба использовать площадь отверстия, при котором даже при резком повышении скорости потока среды V_O скорость потока на выходе всегда была бы меньше критической скорости V_g. В таком случает потери энергии потока будут минимальны.

Но при этом возникает угроза потерять энергию, отобранную раструбом, в рабочих органах. Для каждой пневматической или гидравлической машины имеется своя оптимальная скорость потока движущей среды. А так как скорость потока на входе в раструб колеблется в широких пределах, то в широких пределах будет колебаться и скорость потока на выходе из раструба. Следовательно, она не будет совпадать с оптимальной для данного рабочего органа скоростью потока, и коэффициент использования энергии потока будет низким. Для предотвращения этого текущую среду на выходе из раструба разделяют на несколько потоков. Если скорость потока текущий среды на входе в раструб V_O мала, то от раструба отводят один или два потока среды, но со скоростью, близкой к оптимальной для данного рабочего органа. Если скорость V_O резко возрастает, то текущую среду на выходе из раструба разделяют на большее число потоков так, чтобы их подавать к большему числу рабочих органов со скоростью, близкой к оптимальной. В таком случает коэффициент использования энергии текущей среды будет максимальным.

Наконец, известно, что сопротивление стенок раструба потоку текущей среды зависит от скорости потока и от угла атаки. Как с увеличением скорости потока, так и с увеличением угла атаки сопротивление перемещению потока возрастает. Если раструб имеет коническую форму, то угол атаки по всему сечению раструба остается неизменным, а скорость потока возрастает пропорционально уменьшению квадрата диаметра раструба. Следовательно, ближе в выходу из конического раструба сопротивление потоку резко возрастает, в результате чего коэффициент использования энергии текущей среды снижается.

Если же по мере уменьшения диаметра раструба уменьшать и угол атаки текущей среды, то сопротивление стенок раструба потоку уменьшится, а следовательно, повысится коэффициент использования энергии текущей среды. Для достижения этого раструбу придают выпуклую форму в сторону проходящего через него потока текущей среды. При такой форме раструба с возрастанием скорости потока по мере его перемещения вдоль раструба одновременно уменьшается угол атаки потока, что приводит к уменьшению сопротивления потоку и повышению коэффициента использования его энергии.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает решение поставленной задачи повышения эффективности отбора энергии текущей среды за счет придания раструбу рациональных формы и размеров и за счет рационального использования отобранной энергии.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его практической реализации не требуется использования специальных технологий, кроме тех, которые применяются в машиностроении при изготовлении подобных изделий.

Технико-экономисческая эффективность предлагаемого способа заключается в следующем.

1. Повышается эффективность использования энергии текущей среды.

2. Обеспечивается возможность использования низкоскоростных потоков среды.

3. Обеспечивается возможность сравнительно простого управления параметрами потока среды на выходе из раструба.

Способ отбора энергии текущей среды, заключающийся в том, что в текущую среду погружают раструб и отводят текущую среду, проходящую через раструб, к рабочему органу, например турбине, отличающийся тем, что раструбу придают выпуклую форму в сторону проходящего через него потока текущей среды, соотношение площадей входного и выходного отверстий раструба выполняют большим соотношения скорости потока среды на входе и граничной скорости потока, при дальнейшем увеличении которой скоростной напор уменьшается, а после прохождения раструба в зависимости от энергии текущего потока его распределяют между несколькими рабочими органами.