Хвильовий двигун та спосіб його установлення

1. Хвильовий двигун, який відрізняється тим, що виготовлений у вигляді широкого колеса діаметром, сумірним з висотою найбільш продуктивних 39353 руху води, тому воно непридатне для перетворення енергії морських хвиль в інші види енергій. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити колесо водяного млина шляхом збільшення довжини лопатів до величини, сумірної з довжиною найбільш продуктивних хвиль та установлення його на мілководді під кутом, в залежності від рельєфу морського дна, переважно від 20° до 70° (фіг. 1) і підвішення на такій висоті, щоб тільки нижні лопаті поринали у верхню частину гребенів хвиль (фіг. 2), що повинно забезпечити односторонній постійний тиск часток води на його лопаті при їх нерівномірному русі при хвилювані водяної поверхні. Досягнення очікуваного результату можливе тільки тому, що у гребені напрям руху часток води збігається з напрямом руху фронту хвилі, а їх лінійна швидкість на мілководді значно збільшується, при цьому фронт хвилі, як правило, паралельний береговій смузі. Розташування хвильового двигуна під кутом до фронту хвилі забезпечує поринання нижньої частини лопатей у гребінь хвилі по-черзі по всій його довжині. Частки води уздовж хвильового двигуна тисн уть на його лопаті в міру руху гребеня хвилі, приводячи його в рівномірне постійне обертання. Вода в улоговині хвилі не дістає лопатей хвильового двигуна, тому р ух часток води у зворотному напрямку не чинить тиск на його лопаті. Якщо проекція довжини хвильового двигуна на напрямок руху хвилі більше її довжини, то він обертається постійно. Електрогенератор закріплюється на опорах таким чином, щоб його ротор безпосередньо або через редуктор був з'єднаний із віссю хвильового двигуна (фі г. 2). Радіус та кількість лопатей хвильового двигуна вибирається з урахуванням енергоресурсу і забезпеченості повторювальності найбільш продуктивних хвиль для даного району [3], кута його установки до фронту хвилі і типу електрогенератора. Оптимальним радіусом хвильового двигуна, на думку авторів, є радіус, рівний висоті найбільш продуктивних хвиль із шириною лопатей, що складає 50-70% його радіуса. Під найбільш продуктивними хвилями маються на увазі висоти хвиль, характерні для місця установлення хвильового двигуна, що забезпечують йому максимальне вироблення електроенергії за певний період часу. Довжина хвильового двигуна і кут його установлення стосовно фронту хвилі визначаються особливостями рельєфу морського дна у прибережній смузі. При цьому проекція довжини хвильового двигуна (Lsin j ) на напрямок руху фронту хвилі повинна бути більша довжини (l ) найбільш продуктивних хвиль: Lsin j > l . Це - обов'язкова умова для забезпечення безупинного обертання хвильового двигуна. Найбільш прийнятним кутом установлення хвильового двигуна до фронту хвилі є кут у 20 градусів. Регулювання висоти установлення хвильового двигуна над рівнем моря дозволить максимально використовува ти енергію всього спектра висот морських хвиль незалежно від приливних явищ. Для розрахунку кінетичної енергії (Ек ) часток води, що тиснуть на нижні лопаті хвильового двигуна, скористаємося загальновідомою формулою: Eк =mv2/2 кГм, (1) де m - маса тіла; v - швидкість. Маса секундної витрати води через одиничний переріз складає: m гл = rv глS n g кГсек/м, де m гл - маса секундної витрати води на глибокій воді; r - щільність води; VГЛ - швидкість руху часток води, повязаного з хвилюванням на глибокій воді; Sn - одиничний переріз; g - прискорення сили тяжіння. Глибока вода - це вода з глибинами більше половини довжини хвиль ( l ). На глибокій воді кінетична енергія (Егл) часток води, що протікає через одиничний переріз за одиницю часу складає: (2) E гл = rv 3 Sn 2g кГм/сек гл На мілководді швидкість часток води у гребені хвилі значно збільшується: vмк =kvгл м/сек, (3) де VMK - швидкість часток води на мілководді; k - коефіцієнт, що враховує зміну швидкості руху часток води в гребені хвилі на мілководді. Тоді кінетична енергія часток вода на мілководді (Емк) складе: (4) E мк = rk 3 v 3 Sn 2g кГм/сек гл Для розрахунків енергії зручніше замість швидкості часток вода скористатись основними параметрами хвиль - висотою, довжиною та періодом. На глибокій воді: vгл = ph t м/сек, де h - висота хвилі; t - період хвилі. Скористаємося співвідношенням між періодом та довжиною хвиль [1]: t = 0,8 l сек, де l - довжина хвилі, тоді: (5) v гл = ph l м/сек Підставивши в (4) значення швидкості часток води (5) та розрахувавши постійні члени формули, одержимо: (6) E мк = 3086,6k 3 h 3 Sn l3 кГм/сек Потужність, що розвивається на валу хвильового двигуна за рахунок тиску часток води, з урахуванням (6), складає: (7) Wмк = 30,26xk 3 h 3 L l cos j h l3 (кВт), де WMK - потужність; x - коефіцієнт використання енергії часток води, що тисне на лопаті хвильового двигуна, залежить від його конструктивних особливостей та висоти установлення над середнім рівнем моря; L - довжина лопатей хвильового двигуна; l - ширина лопатей; 2 39353 j - кут між хвильовим двигуном та фронтом хвилі. Дільник " h " у формулі (7) показує, що частки води на лопаті одночасно тиснуть тільки на 1/ h довжини хвильового двигуна. Якщо хвильовий двигун установлений над середнім рівнем моря на висоті, що складає 1/4 висоти хвилі, то h =4. У залежності від висоти установлення хвильового двигуна над середнім рівнем моря цей коефіцієнт може відрізнятися від зазначеного. Приклад 1 Для розрахунку параметрів хвильового двигуна для конкретного місця установлення необхідно, передусім, вивчити енергоресурс та забезпеченість найбільш продуктивних хвиль. Цю інформацію можна одержати у відповідних національних службах або скористатись даними, що містяться у спеціальній літературі, наприклад в [3]. Використання хвильових двигунів, що розраховані на висоти хвиль менше 1 м недоцільно. Для хвиль висотою 2 м найбільш прийнятні параметри хвильового двигуна: 1. діаметр – 2 м; 2. ширина лопатей l =0,5 м (1/4 діаметра); 3. довжина лопатей для установлення хвильового двигуна під кутом 20° до фронту хвиль при довжині хвиль 39 м розраховується по формулі: 5. потужність хвильового двигуна, що установлений на мілководді де швидкість часток води збільшується у 2 рази, при коефіцієнті x =0,7: - установлений під кутом 20° до фронту хвилі та довжиною 384 м матиме потужність - 1100 кВт; - установлений під кутом 70° та довжиною 140 м - 400 кВт. Співвідношення між довжиною та висотою хвиль розраховане для сталого вітрового хвилювання на глибокій воді. Кінетична енергія часток води одним хвильовим двигуном повністю не погашається. Тому для більш повного використання кінетичної енергії морських хвиль і здешевлення вироблюваної електроенергії можлива установка декількох паралельних хвильових двигунів на загальних опорах (фіг. 3). Хвильові двигуни необхідно установлювати з урахуванням пануючого напрямку поверхневих течій, щоб сумарна швидкість води, що тисне на лопаті хвильового двигуна була максимальна. Хвильовий двигун може використовуватися як в автономному режимі, так і для підключення в енергосистему. Від прототипу - колеса водяного млина хвильовий двигун відрізняється довжиною та способом його установки. Саме це дозволяє використовувати кінетичну енергію нерівномірного руху часток води, пов'язаного з хвилюванням водяної поверхні, для рівномірного постійного обертання хвильового двигуна. Ознаками, що характеризують винахід, на які повинний поширюватися правовий захист, є конструкція хвильового двигуна із заявленими параметрами та способом його установки: 1. діаметр повинний бути сумірним з висотою найбільш продуктивних хвиль; 2. проекція його довжин на напрямок руху морських хвиль повинна перевищувати довжину найбільш продуктивних хвиль; 3. установлюватись на мілководді під кутом, здебільшого, від 20° до 70° до фронту хвиль; 4. установлюватись таким чином, щоб тільки нижні лопаті поринали у верхню частину гребеня хвиль. Перерахування фігур. На фіг. 1 показаний спосіб установки хвильового двигуна 1 довжиною L відносно фронту хвилі 2 та його проекція (праворуч) на напрямок руху хвилі. Зліва показано профіль хвилі довжиною l . У центрі та ліворуч показані "робочі зони" 3 гребенів хвиль, в які поринають нижні лопаті хвильового двигуна. С трілкою показаний рух гребеня хвилі. На фіг. 2 показані креслення фрагмента хвильового двигуна 1 у профіль і анфас. На вісь у вигляді труби 4 приварюються металеві бруски 5, до яких в свою чергу приварюються металеві пластини 6, що виконують роль лопатей. Вісь 4 закріплюється через підшипники 7 до опор 8. На опорах 8 закріплюється електрогенератор 9 таким чином, щоб його ротор безпосередньо або через редуктор був з'єднаний із віссю 4 хвильового двигуна 1. Вісь 4 хвильового двигуна 1 встановлюється на такій висоті над середнім рівнем моря 11, щоб тільки нижні його лопаті поринали у верхню частину морських гребенів 3. o L = l sin j = 39 sin20 = 114 м (не менше), для кута 70° довжина лопатей має бути не менше 42м. Для забезпечення постійного рівномірного обертання пропонується розраховані мінімальні довжини лопатей збільшити у 2 рази (228 м та 84 м відповідно); 4. вісь хвильового двигуна установлюється на такій висоті, щоб у гребінь хвилі поринали повністю тільки його нижні лопаті. Для висоти хвиль 2 м та ширини лопатей 0,5 м ця висота складає 1,25 м. Тоді одночасно тільки 1/4 довжини лопатей хвильового двигуна будуть поринати у гребені хвиль, тобто 1/ h =0,25; 5. потужність на валу хвильового двигуна можна розрахувати, підставивши в формулу (7) його параметри та допустивши, що швидкість руху часток води на мілководді збільшується у 2 рази, а коефіцієнт використання кінетичної енергії хвилі складає x =0,7: - установлений під кутом 20° до фронту хвилі та довжиною 228 м матиме потужність – 149 кВт; - установлений під кутом 70° та довжиною 84м - 20 кВт. Приклад 2 Для хвиль висотою 3,5 м найбільш прийнятні параметри: 1. діаметр – 3,5 м; 2. ширина лопатей l =0,9 м (1/4 діаметра); 3. довжина лопатей для установлення хвильового двигуна під кутом 20° до фронту хвиль при довжині хвиль 66 м має бути не менше 192 м, під кутом 70° - 70 м. Для рівномірного обертання хвильового двигуна доцільно розраховану його довжину збільшити у 2 рази: 384 м і 140 м відповідно; 4. вісь хвильового двигуна належить установити на висоті 2,65 м над середнім рівнем моря, тоді 1/ h =0,25; 3 39353 На фіг. 3 показані два паралельні хвильні двигуни 1, що встановлені на загальних платформах під кутом до фронту хвилі 2, сполучених між собою і берегом 12 містками 13. Хвильовий двигун (фіг. 3) складається із сполучених між собою фрагментів (фіг. 2) через спільну вісь з єдиним електрогенератором. Хвильовий двигун, підшипники, редуктори, електрогенератори та інші вузли і деталі виготовляються з матеріалів і по технологіях, що застосовуються у кораблебудуванні. Платформи для кріплення хвильових двигунів виго товляються з матеріалів і установлюються способом, що застосовується у морському нафто- і газовидобутку. Перш, ніж розпочати роботи, потрібно детально вивчити в місці встановлення хвильових двигунів забезпеченість повторювальності найбільш продуктивних хвиль, пануючі течії та характер морського дна на мілководді. Будівельні роботи починаються з монтажу платформ, на опори яких кріпляться силові установки. Морська вода є агресивним середовищем для усі х матеріалів. Тому на платформі передбачаються спеціальні устрої підйому хвильових двигу нів або їх фрагментів для проведення ремонтних та профілактичних робіт. Ці ж устрої використовуються для регулювання висоти установлення хвильових двигунів над рівнем моря у залежності від висоти хвиль і середнього рівня моря, а також для їх підняття у штормову погоду. Платформи можуть сполучатись з берегом за допомогою спеціальних мостиків (фіг. 3). Це забезпечить можливість технічного обслуговування силових установок незалежно від погодних умов і стану водяної поверхні. По мостиках прокладаються силові кабелі. Джерела інформації 1. Росс Девід. Енергія хвиль. Переклад з англійської. -Л.: Гідрометеовидавництво. 1981.-112 с. 2. Твайдейл Дж., Уейр А. Відновлювальні джерела енергії. Переклад з англійської. М. Енергоатомвидавництво. 1990. 392 с. 3. Дремлюг В.В., Шифрін Л.С. Навігаційна гідрометеорологія. М. "Транспорт". 1978. 301 с. 4. Брокгауз Ф.А., Ефрон І.А. Енциклопедичний словник. Том 19. Мекенен - Міфу - Баня. С. Петербург. Тіло-Літографія І.А. Є фрона, 1896. 52 с. 5. Грибов В., Рівіліс Д. Довідник мельника. М. Московський робочий. 1947. 162-173 с. Фіг. 1 Фіг. 2 4 39353 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5