RU2046994C1 - Method of transformation of oscillation motion energy of floating craft - Google Patents

Abstract

FIELD: conversion of energy of wind waves. SUBSTANCE: tanks partially filled with working fluid and intercoupled by means of paired water conduits with hydraulic turbines and gears ensuring successive flow of working fluid through water conduits caused by oscillation motion are placed outside of boards of floating craft. Turbines in this case are installed at ends of water conduits by opposite boards. They can be placed in upper part of water conduits and stream of water in front of turbine is accelerated with the aid of regulation shutter narrowing flow part of water conduit. EFFECT: enhanced operational efficiency and reliability. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к энергетическим преобразователям энергии ветровых волн. The invention relates to hydropower, in particular to energy converters of wind wave energy.

Известен инерционный преобразователь энергии качки судна. В подводной части катера по этому способу размещается свободно подвешенный инерционный груз, который по отношению к корпусу качающегося катера совершает колебательные движения. Эти колебания с помощью зубчатых передач преобразуются во вращательное движение гребного винта. Known inertial energy converter of the pitching of the vessel. In the underwater part of the boat by this method, a freely suspended inertial load is placed, which oscillates in relation to the hull of the swinging boat. These vibrations with the help of gears are converted into rotational motion of the propeller.

Недостатками способа являются невысокий коэффициент преобразования энергии качки и необходимость размещения на борту морского плавающего объекта массивного инерционного груза, который при сильном волнении представляет большую опасность для судна и экипажа. The disadvantages of the method are the low conversion coefficient of the pitching energy and the need to place a massive inertial load on board a marine floating object, which, when severely disturbed, poses a great danger to the ship and crew.

Наиболее близким к предлагаемому является способ преобразования энергии качки плавающего средства путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн (Патент США N 4207739). Closest to the proposed one is a method of converting the pumping energy of a floating vehicle by using the energy of fluid motion, alternately overflowing during pumping through hydraulic turbines installed in steam conduits connecting the opposite compartments of the tank tanks (US Patent No. 4207739).

Согласно этому способу цистерны с рабочей жидкостью располагаются в трюмах плавучей платформы или судна. В этом случае нарушается планировка грузовых отсеков, кают и служебных помещений. Кроме того, гидротурбоагрегаты размещаются в середине между гидравлическими цистернами, что существенно снижает возможность достижения более высокой мощности гидротурбины. According to this method, tanks with working fluid are located in the holds of a floating platform or vessel. In this case, the layout of the cargo compartments, cabins and office space is disrupted. In addition, turbines are located in the middle between hydraulic tanks, which significantly reduces the possibility of achieving a higher capacity of the turbines.

Цель изобретения увеличение мощности преобразователя энергии качки. The purpose of the invention is to increase the power of the pumping energy converter.

Цель достигается тем, что в способе преобразования энергии качки плавающего средства путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн, цистерны с рабочей жидкостью размещают снаружи бортов по внешнему обводу корпуса корабля, а гидравлические турбины устанавливают в конце водоводов у противоположных бортов. Кроме того, гидравлические турбины устанавливают в верхней части водовода в его конце, а поток жидкости перед турбиной разгоняют при помощи сужающей проточную часть регулирующей заслонки. The goal is achieved by the fact that in the method of converting the pumping energy of a floating vehicle by using the energy of fluid motion, alternating overflowing during pumping through hydraulic turbines installed in steam conduits connecting the opposite compartments of the tank tanks, the tanks with the working fluid are placed outside the boards along the outer contour of the ship’s hull, and hydraulic turbines are installed at the end of the conduits at the opposite sides. In addition, hydraulic turbines are installed in the upper part of the water conduit at its end, and the fluid flow in front of the turbine is dispersed by means of a regulating valve that narrows the flow part.

При таком способе преобразования энергии качки мощность преобразователя энергии качки увеличивается примерно в 3-4 раза. На судне остаются нетронутыми трюмные объемы, не нарушается планировка отсеков и кают. Судно сохраняет способность выполнять свое пpедназначение. With this method of converting the pitching energy, the power of the pitching energy converter increases by about 3-4 times. On the vessel, hold volumes remain intact, the layout of compartments and cabins is not violated. The vessel retains the ability to fulfill its mission.

Принципиальная схема установки для преобразования энергии качки плавающего средства по предлагаемому способу изображена на фиг.1 и 2. Schematic diagram of the installation for converting the pumping energy of a floating vehicle by the proposed method is shown in figures 1 and 2.

Установка монтируется на морском судне или специальной платформе, нуждающейся в автономной энергетической установке. На корпусе с наружной части бортов судна 1 вдоль левого и правого бортов устанавливаются цистерны 2 и 3, каждая из которых отделена от соседней глухой перегородкой 4. Цистерны левого борта соединяют с противоположными цистернами правого с помощью двух поперечных водоводов: нечетного 5 и четного 6. В конце нечетных водоводов 5 у правого борта устанавливаются гидротурбогенераторы 9, 11, а в конце четного водовода 6 турбогенераторы 10, 12 устанавливаются у левого борта. Все гидротурбогенераторы одного борта соединяются друг с другом валами 13. Соединения полужесткие или корданными муфтами. Если соединение валами затруднено, то может быть применена синхронизированная схема параллельного включения электрических генераторов, хорошо отработанная в энергетических системах. The installation is mounted on a marine vessel or a special platform that needs an autonomous power installation. Tanks 2 and 3 are installed on the hull from the outside of the sides of the vessel 1 along the left and right sides, each of which is separated from the adjacent blind partition 4. Tanks of the left side are connected to opposite tanks of the right side using two transverse water lines: odd 5 and even 6. B at the end of the odd conduits 5, turbo-generators 9, 11 are installed at the starboard side, and at the end of the even-conduit 6, turbo-generators 10, 12 are installed at the port side. All hydraulic turbo-generators of one side are connected to each other by shafts 13. Semi-rigid connections or cord couplings. If the connection by shafts is difficult, then a synchronized parallel circuit of electrical generators can be applied, well developed in power systems.

За каждым гидробурбогенератором 9 или 10 по ходу движения воды по поперечным водоводам устанавливается заслонка обратного клапана 7 (фиг.2), а перед каждой из них регулирующая заслонка 8, положение которой управляется с помощью несложной технологически отработанной системы автоматического регулирования. Behind each turbo-generator 9 or 10 in the direction of water flow through transverse water conduits, a check valve 7 is installed (Fig. 2), and in front of each of them there is a control shutter 8, the position of which is controlled by a simple technologically developed automatic control system.

Преобразователь энергии качки работает следующим образом. The pitching energy converter operates as follows.

При наличии крена судна при волнении на правый борт вода или иная рабочая жидкость из заполненных цистерн 2 переливается по поперечным водоводам 5 в цистерны 3 правого борта. В сужениях регулирующей заслонки 8 скорость ее движения увеличивается, одновременно увеличивается и кинетическая энергия потока воды. Движущаяся по водоводу вода вращает лопасти рабочих колес гидротурбины и роторы спаренных с ними генераторов 11. Выработанная электрическая энергия через известные в электротехнике стабилизирующие устройства (не показаны) подается на электрический привод гребного винта судна. If there is a roll of the vessel when the sea is moving to the starboard side, water or other working fluid from the filled tanks 2 is poured along transverse water lines 5 into the tanks 3 on the starboard side. In the constrictions of the control flap 8, its speed increases, while the kinetic energy of the water flow also increases. Water moving through a water conduit rotates the blades of the impellers of the hydraulic turbine and the rotors of the generators coupled with them 11. The generated electric energy is supplied through the stabilizing devices (not shown) known in electrical engineering to the electric propeller of the ship's propeller.

При крене судна на левый борт водяная масса, перелившаяся в цистерны правого борта, возвращается в цистерны левого, вращая рабочие колеса гидротурбогенераторов 10 и спаренных с ними генераторов 12. Турбины правого борта в это время вращаются по инерции. When the vessel rolls to the port side, the water mass transferred to the starboard tanks returns to the port tanks, rotating the impellers of the turbo-turbogenerators 10 and the generators coupled with them 12. The starboard turbines rotate by inertia at this time.

Заслонки обратных клапанов 7 обратным током воды закрываются, и устремившийся в обратном направлении водный поток не оказывает влияния на лопасти гидротурбогенераторов 9 правого борта. The dampers of the check valves 7 by the reverse water flow are closed, and the water flow rushing in the opposite direction does not affect the blades of the turbine generators 9 on the starboard side.

Движущееся по морю судно одновременно участвует в бортовой и килевой качке. При этом поверхность палубы занимает произвольное положение в пространстве, в результате чего нагрузка на гидротурбины носовой и кормовой части судна будет разной. Соединение всех расположенных вдоль одного борта турбогенераторов одним общим валом более предпочтительна, так как такое соединение позволит усреднить разницу в гидродинамических воздействиях водных потоков. A ship moving along the sea is simultaneously involved in rolling and pitching. The surface of the deck occupies an arbitrary position in space, as a result of which the load on the turbines of the bow and stern of the vessel will be different. The combination of all turbogenerators located along one side with one common shaft is more preferable, since such a connection will average the difference in the hydrodynamic effects of water flows.

При отсутствии качки, что в морях и океанах встречается крайне редко, предусмотрен резервный традиционный двигатель, обеспечивающий надежную подвижность и маневренность судна. In the absence of rolling, which is extremely rare in the seas and oceans, a standby traditional engine is provided that provides reliable mobility and maneuverability of the vessel.

Расчет преобразователя энергии качки производился для судна водоизмещением 3000 т, длиной 105 м, шириной по бортам 18 м, шириной по обводам бортовых цистерн преобразователя 24 м, высотой бортов 7,5 м, скоростью 13,5 узлов (25,5 км/ч). Мощность заменяемого основного двигателя 2200 кВт. The calculation of the pitching energy converter was carried out for a ship with a displacement of 3000 tons, 105 m long, 18 m wide on sides, 24 m wide on the sides of the converter on-board tanks, 7.5 m high sides, 13.5 knots (25.5 km / h) speed . The power of the replaced main engine is 2200 kW.

Габариты одной цепочки бортовых цистерн 3 х 2 х 70 м. Количество воды, заливаемой в цистерны одного борта 525 м³. Полупериод качки 5 с. Средний расчетный угол крена 15^о.Dimensions of one chain of onboard tanks 3 x 2 x 70 m. The amount of water poured into the tanks of one side 525 m ³ . The rolling half-time is 5 s. The average estimated roll angle of 15 ^about .

На фиг.2 схематично изображен крен судна с углом 15^о. Схема выполнена в масштабе 1:200. Превышение уровня воды в цистернах левого борта по отношению к цистернам правого составляет 6 м, а превышение уровня воды по отношению к лопастям рабочего колеса гидротурбины 5,3 м. Исходя из превышения 5,3 м выбрана скорость движения воды по поперечным водоводам 3,5 м/с.Figure 2 schematically shows the roll of the vessel with an angle of 15 ^about . The scheme is made on a scale of 1: 200. The excess of the water level in the tanks of the left side with respect to the tanks of the right is 6 m, and the excess of the water level with respect to the blades of the impeller of the turbine is 5.3 m. Based on the excess of 5.3 m, the speed of movement of water along transverse waterways of 3.5 m /with.

При сечении поперечного водовода (для одного турбоагрегата) 2,5х5 м его пропускная способность составляет 43,75 м³/с, а пропускная способность трех четных (или трех нечетных) водоводов для выбранного судна составляет 131,25 м³/с. С учетом местных сопротивлений опорожнение левых (или правых) цистерн произойдет через 4,5 с, что обеспечит полноту использования энергии падающей воды.With a cross-sectional water cross-section (for one turbine unit) of 2.5x5 m, its throughput is 43.75 m ³ / s, and the throughput of three even (or three odd) water conduits for the selected vessel is 131.25 m ³ / s. Taking into account local resistances, the left (or right) tanks will be emptied in 4.5 s, which will ensure the full use of the energy of the falling water.

Мощность гидротурбогенератора, определенная в соответствии с известным выражением для данного преобразователя качки, составляет 4662 кВт при угле крена 15^о. Расчетная мощность энергетической установки (2200 кВт) обеспечивается преобразователем качки при угле крена 5,5^о.Hydroelectric generator power is determined in accordance with the known expression for the converter pitching is 4662 kW at a heeling angle ^of 15. The rated power of the power plant (2200 kW) is provided by a pitching converter with a roll angle of 5.5 ^o .

Инерционный выбег вращающихся масс однобортных гидротурбогенераторов определяется исходя из массы ротора генератора 3,2 т, массы рабочего колеса гидротурбины 5 т и скорости вращения гидротурбины 300 об/мин. Он растянет время действия импульса водного потока на 0,2 с. The inertial run-out of the rotating masses of single-sided turbine generators is determined based on the mass of the rotor of the generator 3.2 tons, the mass of the impeller of the turbine 5 tons and the rotation speed of the turbine 300 rpm It will stretch the duration of the pulse of the water flow by 0.2 s.

Таким образом, преобразователь энергии качки по предлагаемому способу позволит обеспечить большую экономию топливно-энергетических ресурсов. Экономия достигается тем, что в предлагаемом способе более чем на 90% исключается из работы главный штатный двигатель судна. Снижение потребления химических топлив улучшит экологическую обстановку в морях и океанах. Кроме того, преобразователь энергии качки, смонтированный на дрейфующих или заякоренных платформах морских энергохимических комплексов, позволит решить задачи их энергообеспечения. Thus, the pitching energy converter according to the proposed method will allow for greater savings in fuel and energy resources. Savings are achieved by the fact that in the proposed method, the main full-time engine of the vessel is excluded from operation by more than 90%. Reducing the consumption of chemical fuels will improve the environmental situation in the seas and oceans. In addition, the pitching energy converter mounted on the drifting or anchored platforms of offshore energy chemical complexes will make it possible to solve the problems of their energy supply.

Claims (2)

1. СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КАЧКИ ПЛАВАЮЩЕГО СРЕДСТВА путем использования энергии движения жидкости, поочередно переливающейся при качке через гидравлические турбины, установленные в парных водоводах, соединяющих противоположные отсеки бортовых цистерн, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности, цистерны размещают снаружи бортов, а гидравлические турбины устанавливают в конце водоводов у противоположных бортов. 1. METHOD FOR TRANSMITTING ENERGY OF PUMPING MOBILE MEANS by using the energy of fluid motion, alternately poured during pumping through hydraulic turbines installed in steam conduits connecting the opposite compartments of the onboard tanks, characterized in that, with the aim of increasing power, the tanks are placed outside the sides, and the hydraulic turbines are installed at the end of the conduits at the opposite sides. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидравлические турбины устанавливают в верхней части водоводов, а поток жидкости перед турбиной разгоняют при помощи сужающей проточную часть регулирующей заслонки. 2. The method according to p. 1, characterized in that the hydraulic turbines are installed in the upper part of the water conduits, and the fluid flow in front of the turbine is dispersed using a narrowing flow part of the control damper.

Images