Хвильова енергетична установка

Корисна модель належить до енергетичного машинобудування і може бути використана з метою перетворення хвильової енергії. Найближчим аналогом запропонованої установки служить конструкція, приведена у корисній моделі UА №5181U "Хвильова енергетична установка" (далі "аналог"). У обох установках використовується занурена у воду, здібна переміщуватись вертикально, накриваюча зверху нерухому відносно дна основу, при незмінному рівні рідини, займаюча положення стійкої рівноваги під дією сил тиску повітря оболонка, яка складається з випуклої поверхні та зістикованих з нею вертикальних коаксіальних порожнистих циліндрів; об'єм оболонки поділяється зануреним у рідину, яка знаходиться усередині основи, меншим циліндром на дві частини: внутрішню, котра приєднана до атмосфери та зовнішню, котра стикається з водним середовищем (у ній підтримується високий тиск повітря), ("камера”). В установці використовується механізм формування коливальної системи, запропонований у аналозі. Він полягає у наступному. Якщо припустити, що тиск повітря у внутрішній частини оболонки практично не змінюється (дорівнює атмосферному), то реакція оболонки на зовнішні зміни визначається Ра(х). Х - положення оболонки по відношенню до точки рівноваги (позитивно при відхиленні оболонки угору); Ра(х) - реальна залежність тиску у "камері" від Х; Рв(х) - розрахункова залежність тиску у "камері" від X; С1 - площа перерізу меншого циліндра оболонка; С2 - площа перерізу більшого циліндра оболонка; Виконання умови, щоб залежність Ра(х), по можливості, збігалася з Рв(х) досягається наступним чином. Припустимо, що оболонка зміщується угору (X позитивно та зростає), тобто об'єм "камери” зростає, а тиск повітря зменшується. Виберемо три точки X1, Х2, Х3 (Х1 менше Х2, Х2 менше Х3). Цим точкам відповідають три значення тиску Pв(x1), P в(x2), Pв(х3). На підставі дослідних даних (результати модельних випробувань; це стосується і значень Т1, Т2, Т3 – температура газового середовища, відповідно у точках Х1, Х2, Х3), знаходимо V1 - такий об'єм повітря, для котрого виконується перехід з стану V1, Рв(х1), Т1 у стан V1+(С2-C1)×(X2-X1), Рв(х2), Т2. Аналогічно знаходимо V2 (переход з стану V2, Pв(x2), Т2 у стан \/2+(С2-С1)×(Х3-Х2), P в(х3), Т3). Щоб з'єднати ці два відрізка, необхідно в Х2 змінити об'єм "камери" на DV = V1+ (C2 - C1) × ( X2 - X1) - V2 (1) Розділяючи діапазон змін величини Х на необхідну кількість відрізків та коригуючи об'єм "камери" у вузлови х точках можливо відтворити залежність Рв(х) (у рамках можливості запропонованого способу). В установці використовуються "коригуючи елементи", запропоновані у аналозі. Це герметично закріплені куполоподібні, повітронепроникні, нерозтяжні тканинні оболонки заданого об'єму, масу повітря у котрих можливо змінювати за допомогою насосів. Поки тиск повітря усередині цій оболонки більше тиску повітря зовні, оболонка знаходиться у напруженому стані і її об'єм не змінюється; коли тиск повітря зовні зрівняється з тиском усередині оболонки, повітря у оболонці починає стискаться разом з оточуючим середовищем. Проте установка значно відрізняється від "аналога": "коригуючі елементи" розміщуються в повітряній камері, яка встановлена на дні водойми; основа, при необхідності, може переміщуватися відносно дна водойми. Ці зміни дозволяють спростити конструкцію установки та поліпшити її експлуатаційні характеристики. Основа ("основа") установки (Фіг.) виконана у вигляді чотирьох вертикальних коаксіальних порожнистих циліндрів (1, 2, 3, 4); менший циліндр (1) закритий знизу, циліндри (1) та (2) верхніми кінцями зістиковані з горизонтальною поверхнею (5), внутрішня порожнина (6) заповнена повітрям; циліндри (2) та (3) нижніми кінцями зістиковані з горизонтальною поверхнею (7), вн утрішня порожнина (8) заповнена рідиною; горизонтальна поверхня (9) поділяє простір поміж циліндрами (3) та (4) на дві частини: верхню (10), яка регульовано заповнюється водою через трубу (11) та замикаючий пристрій (12), а нижня частина (13) запевнена повітрям. Повітряна оболонка ("оболонка") складається з випуклої поверхні (14) та зістикованих з нею двох вертикальних коаксіальних порожнистих циліндрів таких розмірів, що менший (15) розташований між циліндрами (2) та (3) "основи", а більший (16) зовні "основи". Таким чином "оболонка" складається з двох розділених жаром рідини (8) частин: це простір усередині циліндра (15), з'єднаний через турбіну (17), трубу (18) та замикаючий пристрій (19) з атмосферою, та простір між циліндрами (15) та (16) ("камера"), яка з'єднана через замикаючий пристрій (20), трубу (21), убавленої у неї тр убу (22), обтискний пристрій (23), з розташованою на дні водойми повітряної камери (24), у котрої розташовані ємності з повітрям: одні являють собою звичайні резервуари (25), котрі через замикаючий пристрій (26) можуть бути приєднані до "камери". Інші ("коригуючи елементи") складаються з недеформованої ємності (27), яка накрита герметично закріпленою куполоподібною, повітронепроникною, нерозтяжною тканинною оболонкою (28). Повітряна порожнина (6) приєднана через замикаючий пристрій (29) та повітровід (30) до "камери". По периметру верха циліндра (4) "основи" розташована загорожа, яка здібна складатися при опусканні "оболонки", та розправлятися при 11 русі угору. В корпус камери (24) умонтовані палі (32), яки через труби (33) уводяться у "камеру", а на циліндрі (3) "основи" розташовані пристрої (34), котрі закріплюють "основу" на палях (32) та через амортизатори (35) блокують горизонтальні переміщення "оболонки". На випуклій поверхні (14) "оболонки" розташовані закрити зверху вертикальні труби (38), у які всовуються палі (32) при русі "оболонки" униз у випадку консервації. Знизу "основи" розташовано баласт (36); камера (24) засипана ґрунтом (37); для утримування камери (24) у ґрунті передбачені виступаючи за межу корпусу елементи конструкції (39). Щоб зменшити площу бокової поверхні циліндрів (15) та (16) "оболонки" та відповідно площу бокової поверхні (2) та (3) "основи", необхідно зменшити Ро. Ро - тиск у "камері" в стані рівноваги; Ро залежить від глибини занурення, ваги, максимального відхилення униз при коливаннях "оболонки". Задаючи оптимальне значення Ро, можливо розрахувати із умови рівноваги площу перерізу "камери": Pc (2) Po - Paтм. Рс - сума ваги стовпа рідини над "оболонкою" в стані рівноваги та ваги "оболонки"; Ратм. - атмосферний тиск; Vo - об'єм "камери" в стані рівноваги; Збільшення площі перерізу "камери" спричиняє збільшення об'єму Vo та об'єму "коригуючих елементів", тому доцільно розташувати "коригуючи елементи" у камері (24), яка розташована на дні водойми: не потрібен баласт (камера (24) утримується ґрунтом); непотрібно занурювати палі у ґр унт. Збільшення об'єму Vo дозволяє спростити механізм реагування на зміну середнього рівня рідини: досить контролювати глибину занурення "оболонки" (не змінюється тиск Ро), частково компенсуючи зміну об'єму Vo (змінюється рівень рідини у ємності (10), але не ураховуються зміни, пов'язані з площею перерізу непокритих водою елементів "основи" усередині "камери": ці зміни незначні у порівнянні з об'ємом Vo). Площа перерізу ємності (6) (верх) дорівнює площі перерізу непокритих водою елементів "основи" усередині "камери" (компенсується маса повітря у "камері" так, щоб тиск Ро не змінювався). У режимі "чекання" (немає, хвилювання) “оболонку" можна опустити на "основу": збільшення тиску повітря у "камері" зменшує навантаження на тканинні оболонки "коригуючих елементів"; не потрібно реагувати на зміну середнього рівня рідини. Для цього закривають замикаючий пристрій (12) та перекачують повітря із "камери" в ємність (6) у цьому випадку використовується весь переріз циліндра (2) "основи". Для переведення установки у робочий стан потрібно проробити технологічні операції у зворотному порядку. "Основа" може переміщатися по палі (32) пристрій (34). Це дозволяє зменшити висоту бічної поверхні ємкості (10): при зміні глибини занурення "оболонки", "основа" також переміщується у нове положення (в "аналозі" змінюється рівень води у ємкості (10); у випадку консервації, можливо опустити установку на значну глибину /в "аналозі" ця глибина обмежена нерухомою "основою"). Ємність (13) з повітрям спрощує регулювання рівня води у ємкості (10) та використовується як нагромаджувач повітря (енергетично доцільно перекачувати повітря із "камери" у ємність (13), ніж випускати його до атмосфери). Щоб поверхня труби (22) не зазнавала дії навколишнього середовища, її затуляють еластичною оболонкою, яка складається при опусканні "основи". Хвильова енергетична установка працює таким чином: при коливаннях повітряний оболонки (оболонка уперед занурена на потрібну глибину та налагоджена на таку власну частоту коливань, при котрій її рух буде оптимальний для даного хвилювання) відбувається стиснення (розширення) повітря усередині циліндра (15) оболонки і при його видавлюванні через турбіну у а тмосферу здійснюється перетворення енергії. Переваги, характеризуючи "аналог", властиві і установці: 1. Практично занурена у воду (зменшено вилив вітру та хвиль). 2. Є точковим перетворювачем енергії (не залежить від напряму хвилі). 3. Традиційне перетворення енергії (повітряна турбіна). 4. Відносно просто та зручно виготовити (конструкцію можна виготовити із традиційних матеріалів (сталь, бетон) на верфі та відбуксирува ти на місце експлуатації). 5. Відносно просто консервувати (у випадку великого шторму оболонку можна опустити на глибину та закріпити). На кресленні показана уся енергетична установка, подовжній розріз. Камера (24) може бути наповнена водою (тканині оболонки закріплюються герметичне, електрообладнання можна установити усередині оболонки), тому не потрібно кріпити додатковий баласт при її буксируванні та установленні на дні водойми. Камера (24) використовується як якір, що дозволяв розташовувати установку практично на будь-якому ґрунті. В літературі [1, стор.145-147] подаються дані про захоплювач, який може бути застосований у пристрої (34). Джерела інформації 1. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. Л.: Судостроение. 1986. С.280. ил. (Техника освоения океана). (C2 - C1) =