RU2360141C1

RU2360141C1 - Motor for fluid energy utilisation

Info

Publication number: RU2360141C1
Application number: RU2007136641/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Яковенко (RU); Александр Леонидович Яковенко; Антон Александрович Райский (RU); Антон Александрович Райский; Валерий Валентинович Ермолаев (RU); Валерий Валентинович Ермолаев; Наталья Ивановна Рябых (RU); Наталья Ивановна Рябых; Елисей Викторович Булатов (RU); Елисей Викторович Булатов; Глеб Андреевич Тихомиров (RU); Глеб Андреевич Тихомиров; Роман Алексеевич Орехов (RU); Роман Алексеевич Орехов
Original assignee: ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства (МГУП)
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-06-27
Also published as: RU2007136641A

Abstract

FIELD: motors and pumps. ^ SUBSTANCE: motor for fluid energy utilisation consists of a frame with an orifice. There are drums in the cylindrical chambers of the frame. They are installed on vertical shafts, which are cinematically coupled with electrical generators. Blades are attached to the external cylindrical surfaces of the drums along helical line so that front edge of each blade is shifted on one end of the drum in the rotation direction relative to the blade end on the second drum end by 1 or 2 intervals of blades arrangement on the drum. The width of orifice inlet is no less than the doubled blade width and no more than the drum diametre. The exit cone along flow axis is less than the inlet cone no less than in two times. ^ EFFECT: simple structure, improved reliability, increased efficiency factor and wide range of application. ^ 5 dwg

Description

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.The invention relates to hydropower, in particular to devices for utilizing the energy of the current medium, and can be used to convert the energy of the flow of the current medium, such as river flow, into electrical energy.

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).A known engine for utilizing the energy of the current medium, comprising a frame with shafts installed therein, one of which is connected to an electric generator, a flexible element covering said shafts and provided with blades mounted for rotation, with guides made on the inner longitudinal walls of the frame grooves, and the blades are equipped with pins and rollers installed in the grooves (AS USSR No. 1694972, CL F03B 9/00, 1989).

Аналог имеет следующие недостатки:The analogue has the following disadvantages:

- известный двигатель размещен вдоль потока, вследствие чего рабочий ход совершает только одна ветвь (вторая ветвь движется вхолостую), что снижает КПД двигателя;- the known engine is placed along the stream, as a result of which the working stroke is made by only one branch (the second branch moves idle), which reduces the efficiency of the engine;

поток текущей среды воздействует на торцы лопастей и тыльную их сторону при возвращении лопастей в рабочее положение, что также снижает КПД устройства.the flow of the current medium affects the ends of the blades and their back side when the blades return to their working position, which also reduces the efficiency of the device.

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).Known adopted as a prototype, a river coastal hydroelectric power station containing a housing made in the form of a concrete shore, a blade turbine half placed in the housing located on an axis mounted in the concrete base of the housing, a coupling and a generator, the housing is equipped with guides located behind the wheel downstream river, and a partition with floats installed with the ability to move along the rails, the axis of the turbine being located vertically, the coupling and generator are located above the level of the river, and the width l the turbine parts are made larger than the difference between the maximum and minimum levels of the river (RU No. 2020260. M. cl ⁵ F03B 7/00, 1991).

Недостатки прототипа заключаются в следующем:The disadvantages of the prototype are as follows:

- вследствие фронтального расположения лопастей к потоку среды соответствующая передача движущих усилий сопряжена со значительными силами трения;- due to the frontal arrangement of the blades to the fluid flow, the corresponding transmission of moving forces is associated with significant friction forces;

- лопасти известного устройства используют лишь малую часть энергии текущей среды;- the blades of the known device use only a small part of the energy of the current medium;

- устройство является стационарной станцией, жестко привязанной к берегу и требует больших строительных затрат.- the device is a stationary station, rigidly tied to the shore and requires large construction costs.

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.The objective of the invention is to simplify the design, increase the reliability and efficiency of the device and schedule the range of its application, including even as a portable version and expanding the applicability of the type of medium and flow rate.

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.This problem is solved in that the engine for utilizing the energy of the current medium contains a frame with a through hole. In the cylindrical chambers of the frame mounted on the vertical shafts of rotation, kinematically connected with electric generators, drums. The blades are attached to the outer cylindrical surfaces of the drums along a helix in such a way that the beginning of each blade at one end of the drum is shifted along its end relative to the end of the blade at the second end of the drum by 1-2 steps for placing the blades on the drum. The width of the inlet of the passage window is not less than the double width of the blade and not more than the diameter of the drum, and the outlet bell along the flow axis is less than two times the inlet bell.

Размеры окон входного и выходного проходного отверстия устройства выбираются из условий обеспечения герметичности камер для размещения в них генераторов, привода и других энергообеспечивающих устройств.The dimensions of the windows of the inlet and outlet openings of the device are selected from the conditions for ensuring the tightness of the chambers for placing generators, a drive and other energy-supplying devices in them.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

фиг.1 - общий вид предлагаемого спаренного двигателя, вид сверху (схема);figure 1 is a General view of the proposed twin engine, a top view (diagram);

фиг.2 - разрез по оси потока среды (вид сбоку);figure 2 is a section along the axis of the flow of the medium (side view);

фиг.3 - вариант одиночного двигателя с горизонтальным расположением рабочего барабана;figure 3 is a variant of a single engine with a horizontal arrangement of the working drum;

фиг.4 - вид с верхнего бьефа на ряд одиночных гидродвигателей;figure 4 is a view from the upper pool on a number of single hydraulic motors;

фиг.5 - вид одиночного устройства, используемого как ветроэлектрогенератор.5 is a view of a single device used as a wind generator.

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.The engine for utilizing the energy of the flow of the current medium contains a frame 1 having cylindrical chambers 2 on both sides of the longitudinal axis, bells 3 and 4, respectively forming the input 5 and output 6 windows of the medium flow. In the cylindrical chambers 2 placed drums 7, installed, in the first embodiment, on the vertical shafts of rotation 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.On the outer cylindrical surfaces of the drums 7, blades 9 are fixed along helical lines in such a way that the beginning of each blade at one end of the drum is shifted along its rotation relative to the end of the blade at the second end of the drum by 1-2 steps for placing the blades on the drum. With lower values of the parameters of the specified range, the number of simultaneously working blades decreases, with large - decreases the component of the pressure forces of the medium flow on the blades. Since the screw surface of the blade is directed forward and upstream, the drive of the drums 7 is carried out with the greatest torque and a large flow capture of the number of blades 9 marked in the inlet opening of the window 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).The width of the inlet window 5 of the passage opening must be not less than the double width of the blade (so that the blades do not touch one another) and not more than the diameter of the drum 7 (so that the water pressure does not create a moment of counter-rotation of the drum). The width of the outlet window 6 of the passage opening should be no less than the diameter of the drum 7 (from the condition of free flow of medium from the drums without resistance to their rotation, which contributes to the shape of the socket 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.The design of the input 5 and output 6 windows of the device aperture, formed by the guide sockets 3-4, are carried out from the condition of ensuring the tightness of the chambers 10 for placement of generators 11, drive 12 and other energy-supplying devices in them.

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.The device may consist of a single drum mounted on a horizontal axis of rotation with a frame, providing the formation of a flow of medium on one side of the drum using a bell 3, and a flat bottom of the housing. In the device, the line of axes of the working drums is shifted by 1/3 of the housing to its output end, and the input bell takes up 2/3 of the housing. Such a design (see Figs. 3 and 4) may be appropriate on small streams supported by a drum with a flow out from under it, or as a wind turbine using air flow at a speed of more than 7 m / s as a working medium.

Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.

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.The fluid flow entering through the bell 3 of the housing 1 to the inlet window 5 of the passage opening acts on the blades 9 of the drums 7 located in the cylindrical chambers 2, rotating the drums 7 on the shafts 8. Due to the placement of the blades on the drums along the helical lines, several blades are subjected to the pressure of the medium (at least 3), ensuring the operation of generators 11 by means of drive devices 12 located in sealed chambers 10. In this case, the bell 4 of the output window 6, due to its size and shape, has a minimum resistance to the flow of medium of it swirls.

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.In the case of using one drum mounted on a horizontal axis of rotation, the device of the body sockets must provide a concentration of the medium pressure forces between the plane of the bottom part of the body and the socket 3 (water can be supported by any means) from the input side of the body.

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.The technical results of the claimed proposal consist in the structural simplicity and reliability of the proposed device, which does not have movable joints, changing the position of the blades, and flexible connections. Due to the proposed design of the blades of the drums 7, placed in the chambers 2, the energy of the medium flow is used by the drums with maximum efficiency for this design. The device can be used both in direct river flows and artificial channels, of any depth from 0.1 m, and in bottom sea and river currents placed in vertical racks, as well as placed on floats in the upper river flows, if the river bottom does not allow them use.

Claims

An engine for energy recovery of the current medium, comprising a frame with a through hole, in the cylindrical chambers of the frame is mounted on vertical rotation shafts kinematically connected with electric generators, drums, to the outer cylindrical surfaces of which there are blades attached along a helical line so that the beginning of each blade at one end the drum is shifted along its rotation relative to the end of the blade at the second end of the drum by 1-2 steps of placing the blades on the drum, the width of the inlet passage ok It is not less than double the width of the blade and not more than the diameter of the drum, and the output socket along the axis of the stream is less than the input socket by at least two times.