Способ извлечения энергии из текучих жидкостей и устройство для его осуществления - RU2198318C2

Чертежи

Показать все 14 чертежа(ей)

Описание

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение включает усовершенствование способов и устройства, раскрытых в выданных автору патентах США 4184805 (январь 1980 г.) и 4347036 (август 1982 г. ), и в основном может использоваться в осциллирующих каскадных энергетических системах (ОКЭС).

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к технологии использования кинетической энергии движущегося потока жидкости или газа, в первую очередь к каскаду аэро- и гидрокрыльев, осциллирующих под действием таких потоков. Эти крылья будут производить полезную работу, т. е. генерировать электричество, за счет энергии потока или создавать движущую силу путем аккумулирования поступающей от внешнего источника энергии для создания негативного дифферента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Продолжающийся поиск альтернативных источников энергии вызвал возобновление интереса к использованию практически неистощимой кинетической энергии движущихся жидкостей или газов, таких как ветер, речные и океанические течения. Все эти источники являются производными от солнечной энергии в том смысле, что движение потоков возникает в результате солнечного прогрева. Ветряная мельница является простым примером устройства, способного использовать такую энергию, однако очень ограничена в использовании вследствие больших центробежных сил, создаваемых большими вращающимися лопастями, зависимости рабочей частоты от скорости ветра, необходимости больших рабочих площадей, т. е. больших кругов, описываемых вращающимися лопастями, чтобы произвести достаточно энергии из природных ветряных потоков.

Один из вариантов, альтернативных ветряной мельнице, раскрыт в патенте США 4024409, выданном Питеру Р. Пайне. Этот патент раскрывает устройство, включающее проволоку, осциллирующую за счет распространения вихря, вибрации которой затем превращаются в полезную работу. Подобно эоловой арфе, мосту Тахома Нэрроуз и уличной вывеске, развевающейся в порыве ветра, такой тип движения возникает, когда вихри отталкиваются от округлого тела при частоте, резонансной природной частоте предмета. Патент также раскрывает использование одной лопасти, которая осциллирует в зависимости от параметров ветра. Однако, так же как и в случае ветряной мельницы, количество энергии, которое может быть использовано, ограничено. Более того, такие вибрации скорее обусловлены Кармановским явлением уличного вихря, нежели аэроупругим явлением флаттера.

Патент США 3995972 раскрывает устройство, включающее набор аэрокрыльев, жестко связанных между собой и помещенных в ветряной поток. За счет последовательного изменения угла атаки аэрокрыльев возникает однородное колебательное движение, вызывающее возвратно-поступательное движение стрежня, который затем, в свою очередь, приводит в движение выходное устройство. Недостаток такой системы, аналогично ветряной мельнице, заключается в том, что не существует никакого способа компенсировать (избежать) изменения скорости ветра, с тем чтобы обеспечить достаточно постоянный выход энергии при достаточно одинаковой частоте.

Некоторые работы также были проведены по созданию негативного дифферента в случае одного осциллирующего аэрокрыла (см. И.Е. Гаррик "Движение колеблющегося осциллирующего аэрокрыла", НАСА Реп. 567, май 1936 г.).

Давно известно, что большое количество энергии высвобождается, когда аэрокрыло подвержено явлению аэроупругого флаттера. Несмотря на то, что при достаточно больших скоростях жидкостей гидрокрылья также подвержены явлению флаттера, в природе такое явление не наблюдалось. Более того, исследования этого явления были направлены только на предотвращение возникновения этого явления вследствие того, что в случае выхода из-под контроля, оно может привести к существенному разрушению аэрокрыла. Патенты США 4347036 и 4184805 указали полезное применение этого явления для производства энергии и поступательного движения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое изобретение расширяет изобретения, описанные в предыдущих патентах данного автора, с тем чтобы усовершенствовать их эффективность и применимость в природных воздушных и водных потоках. Изобретение исключает недостатки предыдущих работ посредством нового способа и устройства для использования большого количества энергии потоков движущихся жидкостей и газов с помощью каскада крыльев, помещенных в поток. За исключением тех случаев, когда указывается определенная жидкость, термин "аэрокрыло" будет также включать в себя концепцию гидрокрыла при соответствующим образом измененном языке, а именно гидросистемы и аэросистемы и т.д. Термин "аэрокрыло" используется вместо более обычного "авиакрыло", с тем чтобы акцентировать эту взаимосвязь и подчеркнуть использование таких крыльев для получения энергии, а не в качестве подъемного средства для самолетов (Под жидкостью при необходимости также понимается жидкость или газ). Другим аспектом этого изобретения является применение нового метода в водной среде. Несмотря на то, что явление флаттера в общем случае не наблюдалось при существующих в природе водных скоростях, возникновение этого явления было экспериментально подтверждено в случае гидросистем, если увеличить инерцию системы с помощью маховых колес, присоединенных к генераторам или между гидрокрыльями и генераторной системой.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается новый способ превращения кинетической энергии воздушных потоков в полезную работу с помощью каскада тонких аэрокрыльев, помещенных в движущийся поток. В состоянии равновесия аэрокрылья находятся под нулевым углом атаки и каждое крыло имеет две степени свободы, а соседние крылья могут двигаться в противофазе. Система находится в состоянии равновесия до тех пор, пока скорость движущегося потока не достигнет критического значения, достаточного для возбуждения флаттерных осцилляции. После этого система переходит в возбужденное состояние и возникшие осцилляции аэрокрыльев используются для получения полезной работы. Изменения скорости жидкости отслеживаются и система контролируется таким образом, чтобы поддерживалась критическая скорость и устойчивые колебания.

Согласно следующему аспекту изобретения предлагается устройство для превращения кинетической энергии жидкостного или воздушного потока в полезную работу, состоящее из опорной структуры, открытой с противоположных краев для того, чтобы жидкость могла течь через устройство, со множеством тонких аэрокрыльев и средств для укрепления этих крыльев внутри опорной структуры в каскад и расположенных в равновесном состоянии под нулевым углом атаки. Кроме того, аэрокрылья имеют две степени свободы, а соседние крылья могут двигаться в противофазе друг к другу. Опорная структура состоит из рамы с перегородками, находящимися внизу и/или наверху и по сторонам к потоку, проходящему через устройство, и увеличивающими скорость потока, а следовательно, и эффективность системы. Устройство также включает средства для использования осцилляторного движения аэрокрыла с целью получения полезной работы.

Аэрокрылья предпочтительно объединены в две подсистемы чередующихся крыльев, аэрокрылья каждой подсистемы взаимосвязаны таким образом, чтобы осциллировать в фазе. Подсистемы могут быть связаны друг с другом таким образом, чтобы двигаться на 180 градусов в противофазе, или могут быть соединены только с действующими в противофазе механическими осцилляторами, которые поддерживают и увеличивают флаттерные осцилляции и также обеспечивают начальное возмущение аэрокрыльев внутри потока жидкости.

Устройство может быть снабжено контрольной системой для поддержания флаттерных осцилляции, когда скорость жидкости меняется.

Согласно следующему аспекту изобретения предлагается способ для превращения кинетической энергии потока жидкости в полезную работу посредством помещения устройства, включающего пару параллельных пластин и тонкое аэрокрыло, расположенное на одинаковом расстоянии от каждой пластины и имеющее по крайней мере две степени свободы, внутри потока жидкости. Пластины расположены параллельно свободному потоку, и аэрокрыло в равновесном состоянии системы расположено под нулевым углом атаки для обеспечения аэродинамической системы. Система находится в равновесии до тех пор, пока скорость жидкости не станет достаточной для возбуждения флаттерных осцилляции, аэрокрыло затем переходит в возбужденное состояние, и возникшие осцилляции используются для получения полезной работы.

Согласно следующему аспекту изобретения предлагается устройство для превращения кинетической энергии потока жидкости в полезную работу, состоящее из опорной структуры, открытой с противоположных краев для того, чтобы жидкость могла течь через устройство, и включающее множество плоских пластин, расположенных на равных расстояниях друг от друга параллельно потоку жидкости, и множества тонких аэрокрыльев внутри опорной структуры, образующих каскад, при этом каждое крыло имеет по крайней мере две степени свободы и расположено на равных расстояниях от соседних плоских пластин под нулевым углом атаки в равновесном состоянии, средств, связывающих аэрокрылья, с тем чтобы последние осциллировали в фазе, и средств, непосредственно соединенных с аэрокрыльями, чтобы использовать их осцилляторное движение для получения полезной работы.

Согласно следующему аспекту изобретения, предлагается либо одно аэрокрыло в связанной жидкости, либо каскад аэрокрыльев, расположенный в потоке движущейся жидкости. Аэрокрылья механически приводятся в колебательное движение, чтобы создать или увеличить движущую силу жидкости. Механические средства могут быть любого типа, включая отдачу (выделенную энергию) из каскада аэрокрыльев, подверженных флаттерным осцилляциям.

Таким образом, здесь были довольно широко описаны наиболее важные особенности изобретения, для того чтобы детальное описание настоящего изобретения, приведенное ниже, было лучше понято и для того, чтобы настоящий вклад в работу был должным образом оценен. Естественно, существуют дополнительные особенности изобретения, которые образуют содержание формулы настоящего изобретения. Специалисты оценят, что данное изобретение может служить основой для создания других устройств или способов для достижения нескольких целей настоящего изобретения. Поэтому важно, чтобы формула настоящего изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные устройства или способы, не выходящие за пределы объема изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ И ИНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С целью иллюстрации и описания изобретения были выбраны несколько конструктивных вариантов и их усовершенствований, которые приведены ниже:
Фиг. 1. Перспективный вид модулей, отдельных либо соединенных, каждый из которых включает каскад крыльев, вертикальный или горизонтальный, согласно исходному изобретению; а) представляет модуль, установленный над барьером; b) представляет модуль, закрепленный на боковой стороне барьера; с) представляет модуль, укрепленный на шарнире и свободно вращающийся в потоке.

Фиг. 2. График, иллюстрирующий, что для данного набора параметров критическая скорость, необходимая для индуцирования флаттерных осцилляции, меньше для каскада крыльев, чем для одного крыла.

Фиг. 3. График, показывающий, как с помощью введения устройства для подвода энергии к рабочему месту в систему, испытывающую флаттерные осцилляции, может быть получена энергия.

Фиг. 4 и 5. Проекции модулей, показанных на рис. 1, в разрезе, иллюстрирующие расположение крыльев при критической скорости потока в равновесном и возбужденном состояниях; крылья могут иметь либо аэродинамическую форму, либо иметь форму плоских пластин с закругленными ребрами атаки и схода.

Фиг. 6. Схематический вид системного модуля с горизонтально расположенными крыльями, иллюстрирующий укрепление крыльев в соответствии с первым конструктивным вариантом и показывающий чередующиеся рычажные соединения как ребер атаки, так и ребер схода.

Фиг. 7. Схематическое представление системы крыльев, соединенных с маховыми колесами с помощью троса, намотанного на ось маховых колес, или с помощью тонких стержней с цилиндрическим храповым механизмом, прикрепленным к шестерне на оси маховых колес; рама не показана для лучшей иллюстрации конструкции.

Фиг. 8. Схематическое представление маховых колес и массы, укрепленной на плече для сообщения увеличенной эффективной инерции ребрам атаки и ребрам схода каждого спаренного набора крыльев, которые присоединены к поддерживающей оси махового колеса; стержень соединяет большое маховое колесо с коленчатым валом, который вращает генератор.

Фиг. 9. Схематическое представление типового рычажного соединения четных/нечетных пар ребер атаки/схода крыльев с генератором; сопровождается тяжелым маховым колесом.

Фиг. 10. Схематический проекционный вид, иллюстрирующий еще один конструктивный вариант изобретения, в котором аэродинамическое крыло используется вместе с элероном.

Фиг. 11. Проекционный вид, иллюстрирующий крыло согласно конструктивному варианту, изображенному на фиг. 10.

Фиг. 12. Схематический перспективный вид, иллюстрирующий еще один конструктивный вариант изобретения.

Фиг. 13. График, иллюстрирующий повышенный КПД, полученный от системы каскада крыльев, осциллирующих в потоке движущейся жидкости, обеспечивающий поступательное движение.

Фиг. 14. Схематический вид в разрезе одного из вариантов силовой установки согласно настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Фиг.1 показывает серию (а), (b), (с) преобразователей энергии или систем (ОКЭС), включающих раму 1 с вертикальными либо горизонтальными крыльями 2 в различных вариантах.

На фиг. 1 (а) представлена система, укрепленная над барьером 3, который представляет собой круглый или эллиптический цилиндр. Круглый цилиндр 4, закрепленный над системой, содержит рычажные соединения, коленчатые валы и генераторы, чтобы защитить их от элементов. Фиг. 1 (b) показывает систему, укрепленную на боковой стороне существующей структуры, такой как бункер или водяная башня 5. Цилиндр 4 на этом рисунке, установленный сбоку от водяной башни, вновь содержит рычажные соединения, коленчатые валы и генераторы. Наконец, фиг. 1 (с) показывает систему, свободно закрепленную на шарнире 6 с цилиндром 4 вверху, который содержит рычажные соединения, коленчатые валы и генераторы, и сверху имеет так называемый плавник 7, чтобы ориентировать систему поперек потоку жидкости. Каждый преобразователь энергии включает в себя множество расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга крыльев 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 2₅, 2₆, 2₇, 2₈, расположенных внутри опорной структуры 1 под нулевым углом атаки в равновесном состоянии. Расстояние между крайними крыльями и стенками структуры равно половине расстояния между соседними крыльями.

Как будет описано ниже, крылья укреплены таким образом, чтобы в возбужденном состоянии, наступающем при условии возникновения флаттерных осцилляции, соседние крылья осциллировали в противофазе на 180 градусов и это осцилляторное движение использовалось для получения полезной работы. Каждое крыло симметрично относительно закругленных ребра атаки и ребра схода и по остальной ширине может быть плоским, имеет нулевую кривизну профиля для уменьшения подъемной силы и в проекции сверху имеет прямоугольную форму. Несмотря на то, что обычно показывается каскад из восьми крыльев, необходимо понять, что число крыльев в каскаде может изменяться в зависимости от назначения устройства. Крылья могут быть установлены в каскад вертикально или горизонтально, они могут быть установлены в любом направлении при условии, что в равновесном состоянии крылья находятся под нулевым углом атаки.

Настоящее изобретение использует явление самовозбуждающейся обратной связи, связанное с аэроупругим явлением, известным как явление флаттера. Несмотря на то, что это явление обнаружено в воздухе, оно также возникает в воде, где благодаря большим перепадам плотностей количество энергии, высвобождаемое в природных водных потоках, гораздо больше по сравнению с количеством энергии, высвобождаемым в природных воздушных потоках. Нижеследующее обсуждение будет приведено для воздушных потоков, но оно также применимо и для водных потоков с учетом определенных ограничений, которые будут обсуждены отдельно.

Это явление возникает в результате взаимодействия силы упругости, силы инерции и диссипативных сил аэрокрыла с непостоянными аэродинамическими силами, возникающими в результате движения аэрокрыла в потоке жидкости. Колебательное движение аэрокрыла и поступательное движение аэрокрыла вызывают сложное образование вихрей, отлетающих от ребра стока, которые, в свою очередь образуют турбулентный след. Завихренность следа затем по обратной связи возвращается к аэрокрылу, создавая силу и движение, имеющие +/-90-градусные составляющие, противофазные движению аэрокрыла. Эта противофазная составляющая очевидным образом вызывает демпфирование аэрокрыла. При критической скорости (V_С) эта аэродинамическая демпфирующая компонента становится отрицательной и уравновешивает положительное механическое затухание аэрокрыла, обеспечивая гармонические колебания аэрокрыла. При скоростях, больших чем критическая скорость, увеличение аэродинамической энергии создает большую нестабильность и, по существу, аэродинамическая энергия может стать настолько большой, что результатом будет разрушение крыла. Несмотря на то, что очень много работы по изучению явления флаттера было сделано и уже давно обнаружено, что при этом явлении высвобождается огромное количество энергии, исследования были направлены на избежание разрушительных последствий этого явления, так как во время полета самолета такие флаттерные осцилляции не могут контролироваться и продолжают нарастать до тех пор, пока крыло самолета не разрушится. Изобретение, однако, делает возможным использование явление флаттера благодаря наличию контрольной системы, которая предотвращает нестабильность и разрушение, обычно имеющее место в случае флаттерных осцилляции крыла. Это позволяет применить данное явление для генерации энергии при условии наличия контроля.

Использование каскада имеет очевидное преимущество по сравнению с использованием одного крыла, подверженного явлению флаттера. Может быть показано, что для данного набора параметров критическая скорость, необходимая для возбуждения осцилляции каскада, должна быть меньше, чем в случае одного крыла. Более того, когда аэрокрылья установлены таким образом, что соседние аэрокрылья осциллируют в 180 градусов противофазе друг к другу, критическая скорость для определенного набора параметров будет наиболее низкой.

Тем не менее должны быть отмечены два важных фактора. Для того чтобы производить электрическую энергию из энергии природных ветряных течений, поперечное сечение, через которое проходит поток, должно быть очень большим (вариант ветряной мельницы) или скорость жидкости должна быть увеличена, т. е. должен быть использован вариант с барьерами, описанный в настоящем изобретении. Разместив барьер на пути природного потока и таким образом заставив жидкость перенести такое же количество массы через меньшую площадь, можно увеличить скорость жидкости. Так как высвобождаемая энергия пропорциональна кубу скорости жидкости, использование барьеров оказывается довольно эффективным. В случае водяных потоков, скоростей, при которых возникает явление флаттера в обычном случае, в природе не наблюдаются. Однако когда эффективная масса системы увеличена, т.е. маховые колеса присоединены к вращающимся стержням, посредством которых поступательная и вращательная энергия гидрокрыла передается электрическому генератору, критическая скорость, необходимая для возникновения флаттера, уменьшается до значений, существующих в природных речных и океанических течениях. Два этих усовершенствования формируют основу настоящего изобретения.

На фиг.2 изображен график, иллюстрирующий преимущество каскада. Параметр S/C по оси абсцисс на этом рисунке характеризует расстояние между крыльями в каскаде, где S - расстояние между соседними крыльями и С - диаметр крыла, как показано на фиг. 4. По оси ординат безразмерное отношение критической скорости V (S/C), где соседние крылья осциллируют в противофазе на 180 градусов, к критической скорости в случае одного крыла V∞. Для определенного набора параметров можно увидеть, что если S/C равна α, критическая скорость для каскада равна приблизительно 1/2, что является достаточным для индуцирования флаттерных колебаний в случае одного крыла. Соответственно, при использовании каскада для выделения энергии жидкостного потока, возникшей в результате флаттерного возбуждения, явление флаттера может быть достигнуто при гораздо более низких скоростях жидкости, чем в случае одного крыла. В действительности, контролируя параметры в соответствии с тем, как будет объяснено ниже, критическая скорость воздуха, необходимая для индуцирования гармонических колебаний, может быть равна всего 1 миле в час. Это также справедливо для возникновения флаттера в воде при условии, что системе будет сообщена дополнительная инерция в соответствии с объяснением, приведенным ниже.

На фиг.3 изображен график, иллюстрирующий преимущества внедрения прибора для отвода энергии, например, такого как электрическая сеть в осциллирующий каскад. По оси ординат показано безразмерное отношение скорости флаттера V/W_αb, где V - скорость жидкости; W_α - природная частота, относящаяся только к частоте колебания вокруг поперечной оси, когда V равна нулю и b - радиус аэрокрыла. По оси абсцисс показано отношение W_h к W_α, где W_h - природная частота, относящаяся только к частоте поступательного движения, когда V равна нулю. Область под каждой кривой определяет домен, где аэродинамическая энергия Е_А меньше, чем механическая энергия Е_М. Для данного набора значений Wh и W_α критическая скорость V_С может быть установлена. Область над каждой кривой, которая представляет критическую скорость V_С, Е_А, больше, чем Е_М и, соответственно, является областью нестабильности.

Нижняя кривая представляет собой критическую скорость в случае одного крыла, а верхняя кривая представляет собой критическую скорость в том случае, когда в систему внедрено устройство для отвода энергии. Этот график показывает, что при внедрении устройства для отвода энергии аэродинамическая энергия, которая в противном случае могла бы заставить систему перейти в нестабильную область, вместо этого поглощается устройством для отвода энергии и система остается в стабильной области. В случае каскада, вследствие того, что критическая скорость меньше для определенного набора параметров, соответствующие кривые будут проходить ниже по сравнению с теми же кривьми, показанными на фиг.3, в случае одного крыла.

Фиг. 4 и 5 иллюстрируют гармонические колебания, которые возникают, когда каскад аэрокрыльев (на данных фигурах показано десять крыльев) подвержен действию жидкого потока при его критической скорости V_С, т.е. флаттерным осцилляциям. На этих фигурах изображен вид сверху вертикально расположенных крыльев (или вид сбоку горизонтально расположенных крыльев), которые имеют типичное симметричное сечение аэрокрыла. Как упоминалось выше, термин "аэрокрыло" применяется в тех случаях, когда речь идет о воздушных потоках, а термин "гидрокрылья" используется в случае жидкостных потоков. В обоих случаях или в каждом отдельном случае применяется термин "крыло". Поперечное сечение этих крыльев должно быть симметричным или может быть, как показано на других фигурах, плоскими плоскостями с закругленными ребрами атаки и схода. Термин "аэрокрыло" будет использоваться в случае типичных сечений, используемых в самолетах.

На фиг. 4 аэрокрылья расположены под нулевым углом атаки в равновесном состоянии до перехода в возбужденное состояние. Даже несмотря на то, что скорость ветра имеет критическое значение, крылья находятся в покое благодаря их симметричному контуру. Однако, как только система выходит из равновесного состояния вследствие движения хотя бы одного крыла, наблюдается эффект спаривания соседних крыльев, что приводит к возникновению осцилляции, происходящих на 180 градусов в противофазе, как схематически показано на фиг. 5. Четные и нечетные ребра атаки двигающихся в фазе крыльев соединены стержнями или тросами 8_е и 8_о, a четные и нечетные ребра схода соединены стержнями 9_е и 9_о соответственно. (На этих фигурах нижний стержень или трос не виден, поскольку он закрыт верхним). Фиг.6 показывает, что стержни или тросы 8 и 9 соединены с крыльями с помощью штифтов 10₁, 10₂ и т.д. на лицевых и оборотных сторонах крыльев. Осцилляторное движение, возникающее при критической скорости, впервые было обнаружено во время изучения разрушительных эффектов флаттера на вращающиеся компрессорные лопасти.

На фиг. 6 показан первый конструктивный вариант укрепления аэрокрыльев. Для удобства показаны только четыре крыла, обозначенных 2₃, 2₄, 2₅, 2₆, внутри опорной структуры, в целом обозначенной цифрой 1. Эти крылья на фиг.6 расположены в горизонтальном положении, но также могут быть укреплены в вертикальном положении. Как показано на фиг. 6 крылья объединены в две подсистемы, нечетные крылья пронумерованы цифрами 2₃, 2₅, а четные - цифрами 2₄, 2₆. Вся система включает в себя обе подсистемы крыльев. Крылья каждой подсистемы соединены таким образом, чтобы двигаться в одной фазе, в то время как каждое крыло имеет по крайней мере две степени свободы, так как для индуцирования флаттерных осцилляции необходимо по крайней мере две степени свободы. Оба края крыла скреплены с рамой опорной структуры с помощью пружин, для удобства обозначенных 12₃ для обоих краев крыла 2₃ и т.д.

В случае вертикально укрепленных крыльев нижние пружины могут быть заменены канатами, так как в этом случае поддерживающий эффект пружины не требуется. Пары стержней или тросов 8_е и 8_о присоединены с помощью штифтов 10₄ и 10₃ с двух концов крыла к ребрам атаки, а стержни или тросы 9_е и 9_о с помощью штифтов 11₄ и 11₃ присоединены с двух концов к ребрам схода крыла. Стержни или тросы выходят за пределы рамы через отверстия 13_е и 13_о достаточно большого диаметра, что позволяет избежать защемления, и соединяются с генераторным устройством. Если используемые стержни имеют жесткость, достаточную для передачи как сжатия, так и растяжения, никаких дополнительных приспособлений не требуется, однако в случае использования гибких тросов, которые передают растяжение, но не сжатие, эти тросы должны быть изначально растянуты с помощью дополнительных пружин 14_е и 14_о, соединяющих трос с рамой. Стопоры не показаны раздельно для ясности остальной части чертежа, служат для ограничения движения внутри системы.

Из вышесказанного можно сделать заключение, что две подсистемы могут свободно осциллировать вокруг поперечной оси и совершать поступательное движение относительно друг друга и что когда устройство помещено в поток жидкости, движущийся с критической скоростью, соседние крылья будут осциллировать в противофазе на 180 градусов, как показано на фиг.5 Таким образом, критическая скорость будет наиболее низкой для определенного набора параметров.

Так как для установления гармонических колебаний крылья должны быть приведены в возбужденное состояние, по крайней мере один механический осциллятор должен находиться в одной из подсистем. Он может быть размещен непосредственно в подсистеме или каким-либо образом связан с электромеханической генераторной системой, к которой присоединены стержни или тросы подсистем. Кроме функции сообщения первоначального возмущения системе, осцилляторы поддерживают и усиливают осцилляторное движение. Таким образом, если скорость потока уменьшится до значения, недостаточного для того, чтобы контрольная система, описанная ниже, могла поддерживать критическую скорость, механические осцилляторы будут поддерживать осцилляторное движение крыльев до тех пор, пока скорость жидкости не увеличится до значения, достаточного для восстановления критической скорости потока.

Изобретение использует в качестве критической скорости природную скорость потока. Следовательно, для того чтобы эта скорость была достаточной для возбуждения флаттерных осцилляции, один или более параметров системы, которая включает генераторную систему, должен быть изменен. Более того, вследствие того, что скорость жидкости может изменяться со временем, эти параметры должны изменяться в соответствии с изменениями скорости жидкости таким образом, чтобы преобладающая скорость была достаточной для поддержания осцилляции. Для изменения параметров системы предлагается контрольная система, которая включает в себя детектор (не показан), такой как анемометр для скоростей ветра, скоростей жидкости, или детектор, который контролирует амплитуду колебаний. Сигнал от детектора подается в систему, чтобы изменить по крайней мере один из ее параметров. Так как критическая скорость зависит от жесткости крыльев и расположения их центра тяжести, эти параметры могут быть изменены, например, с помощью изменения эффективной жесткости пружины или центра масс, с помощью изменения импеданса генераторов, каждый из которых соединен с ребром атаки или ребром схода крыла, т.е. каждая подсистема четных и нечетных аэрокрыльев сама по себе состоит из двух подсистем, состоящих из стержней или тросов, соединяющих ребра атаки или ребра схода, и системы преобразователей энергии, к которым эти стержни или тросы подсоединены.

Кроме того, что в соответствии с вышесказанным параметры, связанные с преобразователями энергии, контролируются, в рамках настоящего изобретения также установлен контроль за флуктуациями скорости жидкости таким образом, чтобы крылья все время находились в потоке постоянной скорости.

Фиг. 7 иллюстрирует один из способов увеличения инерции системы с помощью маховых колес. Используя ту же самую нумерацию, что и на предыдущих рисунках, стержни и тросы 8_е, 8_о, 9_е, 9_о соединены с осями 15_е, 15_о, 16_е и 16_о соответственно. Связь осуществляется с помощью шестерней в случае жестких стержней и с помощью цепей и цепных колес в случае гибких тросов, которым сообщено начальное растяжение для обеспечения передачи как сжатия, так и растяжения. Эти оси соединяются с маховыми колесами 17_е, 17_о, 18_е и 18_о, которые вращаются с частотой движения подсистем. Эти большие маховые колеса соединяются с помощью шестерней с набором маховых колес меньшего радиуса 19_е, 19_о, 20_е и 20_о, которые благодаря разнице в радиусах будут вращаться с частотой, кратной частоте подсистемы. К маховым колесам меньшего диаметра прикреплены дополнительные массы 21_е, 21_о, 22_е и 22_о, укрепленные на плечах 23_е, 23_о, 24_е и 24_о , которые увеличивают инерцию системы и позиция которых вдоль плеча может подбираться таким образом, чтобы обеспечивать оптимальную инерцию подсистем. Опорная рама и другие, если какие-либо существуют, крылья не показаны с целью переноса акцента на соединение маховых колес.

Фиг. 8 показывает комбинацию маховых колес и масс, описанных на фиг. 7, в деталях в случае ребер атаки четных крыльев подсистемы. Ось 15_е приводит в движение большое маховое колесо 17_е, которое, в свою очередь, с помощью шестерни приводит в движение малое маховое колесо 19_е с массой 21_е, укрепленной на плече 23_е. Большое маховое колесо в этом конструктивном варианте также соединено с рычажной передачей 25_е с помощью штифта 27_е. Связывающее плечо, в свою очередь, вращает коленчатый вал 29_е и приводит в движение электрогенератор 31_е. Эта комбинация повторяется для случая ребер атаки нечетных крыльев подсистемы, ребер схода четных крыльев подсистемы и ребер схода нечетных крыльев подсистемы.

Фиг. 9 показывает альтернативный способ увеличения инерции подсистем.

Рычажный механизм в случае жесткого стержня 8_е, соединяющего четные ребра атаки крыльев, соединен с помощью штифта 33_е со вторым стержнем 35_е, который, в свою очередь, поворачивает коленчатый вал 29_е, который, в свою очередь, вращает генератор 31_е с маховым колесом 37е, находящимся на том же коленчатом валу. На этой фигуре маховое колесо расположено за генератором для большей ясности. Обычно маховое колесо располагается перед генератором.

Следующий конструктивный вариант ОКЭС с такой же нумерацией, обозначающей те же самые элементы, показан на фиг.10. Если в предыдущих вариантах крылья свободно могли двигаться вокруг поперечной оси и совершать поступательное движение, то в этом варианте крылья могут свободно двигаться только вокруг поперечной оси, в то время как закрылки 39₁, 39₂, 39₃ и т.д. с помощью шарниров закреплены на крыльях 2₁, 2₂, 2₃ и т.д., с тем чтобы обеспечить вторую степень свободы. Каждое крыло снабжено штифтами 40₁, 40₂, 40₃ на ближнем и 41₁, 41₂, 41₃ на дальнем конце крыла для укрепления крыла внутри опорной структуры 1. Эти штифты позволяют крылу осуществлять вращательное движение и в то же время предотвращают поступательное движение. В состоянии покоя закрылки находятся в положении, показанном на чертеже, но они могут двигаться под действием динамических сил потока, когда крылья колеблются вокруг поперечной оси. Набор стержней 8_е и 8_о, 9_е и 9_о, прикрепленных к ребрам атаки и схода, четных и нечетных крыльев соответственно, связывает подсистемы. На фиг. 11 изображено сечение крыла.

Фиг. 12 иллюстрирует еще один конструктивный вариант изобретения с такой же нумерацией для соответствующих элементов. В предыдущих вариантах ОКЭС включала две подсистемы крыльев, которые двигались в противофазе на 180 градусов. Может быть показано, что одно крыло, расположенное на одинаковом расстоянии между двумя пластинами, находясь в равновесном состоянии, ведет себя как бесконечный каскад, так как две подсистемы, осциллирующие на 180 градусов в противофазе, в которых соседние крылья расположены на расстоянии s друг от друга, будут иметь невозмущенный поток на расстоянии s/2 согласно симметрии. Тот же самый тип потока будет наблюдаться, если вместо каскада крыльев, на расстоянии s/2 от одного крыла сверху и снизу поместить плоские пластины. Этот вывод вытекает из следующего.

В случае двух подсистем, осциллирующих в противофазе на 180 градусов, соседние крылья которых находятся на расстоянии s друг от друга, невозбужденный поток наблюдается на расстоянии s/2, т.е. на половине расстояния между крыльями. Тот же самый тип потока будет наблюдаться, если вместо каскада крыльев на расстоянии s/2 от одного крыла сверху и снизу поместить плоские пластины. Таким образом, на фиг.12 показан каскад крыльев, расположенных на расстоянии s/2 от опорной рамы и на расстоянии s друг от друга. Крылья, штифты, стержни, тросы, рамы и т.д. пронумерованы в полном соответствии с используемой выше нумерацией. Однако тонкие плоские пластины 43₁, 43₂, 43₃, и т. д. расположены посередине между крыльями (в состоянии покоя), т.е. на расстоянии s/2 от крыла. Пластины имеют отверстия 44 для того, чтобы стержни и тросы могли проходить через пластины без защемления. Очевидно, что каждое ограниченное пластинами крыло будет вести себя как бесконечный каскад, т.е. для определенного набора параметров критическая скорость для такого крыла будет наименьшей. Кроме того, так как каждая подсистема определена стержнями, энергия, поглощаемая каждым крылом в каждой подсистеме может подаваться на устройство для отвода энергии, которое может состоять из двух генераторных систем, одна для ребер атаки, другая для ребер схода для обеспечения способа контроля движения путем изменения импеданса соответствующих генераторных систем.

Кроме того, необходимо отметить, что все вышеописанные варианты допускают три или более степени свободы. Например, закрылки могут быть представлены в комбинации с крыльями, которые могут свободно двигаться вокруг поперечной оси и совершать поступательное движение, что позволит ОКЭС иметь три степени свободы.

На практике ОКЭС располагается в жидкостных потоках. Следовательно, в зависимости от скорости жидкости все параметры системы настраиваются таким образом, чтобы скорость жидкости являлась критической скоростью для системы. Затем по крайней мере одно крыло механически приводится в возмущенное состояние, что приводит к возникновению гармонических колебаний в системе и устройство для отвода энергии использует энергию потока и превращает ее в полезную работу, например, для производства электрической энергии или для колебания (пульсации). Вследствие существования контрольной системы изменения скорости жидкости будут обнаруживаться и система автоматически будет настраиваться таким образом, чтобы преобладающая скорость обеспечивала гармонические колебания, обусловленные явлением флаттера.

Таким образом, явление было раскрыто как включающее каскад крыльев, приводимых в движение только потоком жидкости для получения полезной работы. Однако каскад также может быть приведен в колебательное движение механическим способом таким образом, чтобы движущая сила потока жидкости, имеющего скорость V, увеличивалась. В 1936 году И.Е. Гаррик указал, что вследствие осцилляции одного крыла в потоке воздуха возникает негативный дифферент. На фиг.13 изображен график, иллюстрирующий это явление. По оси ординат показано отношение средней работы, производимой в единицу времени (РхV), к средней работе, производимой за единицу времени W для поддержания осцилляции, демпфируемых аэродинамическими силами и вращающим моментом. По оси ординат показано безразмерное отношение V/(Wb), где W частота колебаний вокруг поперечной оси и b радиус крыла.

Кривая 104 представляет результаты исследований Гаррика для одного крыла, совершающего только поступательное движение, где S/C стремится к бесконечности. Результаты для каскада крыльев, где S/C равно 1/3, представлены кривой 105. Для примера, V=10 ft./c, b=l/2 ft., W=40 рад/с и отношение V/(W b)=l/2.

Из фиг.13 можно увидеть, что для одного крыла (S/C = ∞), (РхV)/W=0,53, а для каскада (S/C-1/3), (РхV)/W=0,9. Таким образом, за счет колебательного движения каскада крыльев в потоке жидкости КПД движущей энергии будет приблизительно в 1,7 раза превышать КПД движущей энергии для случая одного крыла. Подобное увеличение КПД может быть достигнуто, когда каскад осуществляет колебательное движение только вокруг поперечной оси как вращательное, так и колебательное движение, или в случае использования закрылков, а также в случае использования закрылков в комбинации с вращательным и/или поступательным движением крыла. Так как каскад используется с целью увеличения движущей силы жидкости, в поток которой он помещен, флаттерные осцилляции и критическая скорость не являются важными факторами в данном аспекте.

Фиг. 14 и 15 иллюстрируют конструктивные варианты настоящего изобретения для увеличения движущей силы движущего потока. На фиг.14 показан каскад крыльев 45₁, 45₂, 45₃ и т.д., организованный в две подсистемы (четную и нечетную) в пределах потока жидкости 46, который нагнетается через напорный трубопровод 47. Подсистема приводится в поступательное осцилляторное движение, происходящее в противофазе на 180 градусов, двумя механическими источниками 48₁, 48₂. Источники, приводящие в движение, могут быть любого типа, включая некоторые ОКЭС. Таким образом, использование каскада, приводимого в движение потоком жидкости в состоянии флаттера для сообщения механического движения осциллирующим крыльям, находится в рамках настоящего изобретения. В такой конструкции первый каскад помещается в первый поток жидкости, скорость которого поддерживается на уровне критической скорости, и используется для приведения в осцилляторное движение второго каскада для увеличения движущей силы второго потока.

Фиг. 15 иллюстрирует другой конструктивный вариант устройства для увеличения движущей силы движущегося потока. В соответствии с предыдущими фигурами поток жидкости 46 нагнетается через напорный трубопровод 47 и крылья организуются таким образом, что формируют две подсистемы, каждая из которых связана с одним из двух источников механической приводной системы 48₁, 48₂, работающих в противофазе (180 градусов). В данном конструктивном варианте каждая подсистема совершает вращательное движение вокруг поперечной оси и поступательное движение.

Так как, как упомянуто выше, одно крыло, расположенное на одинаковом расстоянии от противоположных стенок, в случае ограниченного объема жидкости ведет себя как бесконечный каскад, одно крыло может быть приведено в осцилляторное движение для увеличения движущей силы. Несмотря на то, что каскад крыльев, показанный на фиг.14 и 15, расположен в замкнутом объеме жидкости, в рамках настоящего изобретения также можно использовать такой каскад в существующих в природе неограниченных в объеме потоках жидкости, например в речных или воздушных потоках.

После описания таким образом изобретения и его усовершенствований с приведением предпочтительных вариантов для специалистов в той области, к которой относится настоящее изобретение, после изучения изобретения становится очевидным, что различные изменения и дополнения к данному изобретению могут быть внесены без отклонения от сущности изобретения, определенной в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Изобретение предназначено для использования кинетической энергии движущегося потока жидкости или газа и получения полезной работы. Способ и устройство для преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости или газа в полезную работу осуществлены посредством использования набора аэро- и гидрокрыльев. Крылья могут иметь, по меньшей мере, две степени свободы, и смежные крылья могут двигаться в противофазе. Крылья испытывают индуцированные жидкостью вибрации, известные как флаттер (неустойчивые колебания). Для повышения эффективности внизу, наверху или по бокам устройства могут быть установлены заслонки. Для увеличения инерции крыльев гидрокрылья могут сочетаться с системой маховых колес. Вибрации каскада аэро- и гидрокрыльев могут быть механическими. Изобретение позволяет генерировать электрическую энергию за счет преобразования энергии потока текучей среды. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 15 ил.

Формула