Электростанция метрополитена на воздушном потоке

Электростанция метрополитена на воздушном потоке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Метрополитен является одним из самых энергоемких и безопасных пассажирских видов транспорта современного крупного города.

Московский метрополитен является крупнейшим потребителем электрической энергии, имея более двухсот станций и перерабатывая более 2,0 млрд. кВтч электроэнергии в год, что составляет миллиарды рублей.

Энергия ветра на поверхности Земли и воздушных потоков в метрополитене - это неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Количество ветроэлектростанций и их мощность в мире постоянно увеличиваются. Однако основным недостатком ветроэлектростанций является зависимость от климатических и погодных условий - слабый и непостоянный напор ветра.

В связи с тем, что в тоннелях метрополитена возникают мощные воздушные потоки от движения электропоездов, но не ветер, поэтому предлагаемая заявка на изобретение называется "Электростанция метрополитена на воздушном потоке", а ветродвигатели – роторы с лопастями, так как ротор с лопастями - это двигатель, преобразующий кинетическую энергию воздушного потока в механическую работу.

Самым идеальным местом применения электростанций на воздушном потоке является метрополитен, в котором роторы с лопастями с вертикальным валом вращения могут эффективно работать с 6.00 часов до 24.00 часов под действием воздушных потоков, создаваемых от движения встречных электропоездов в встречных тоннелях метрополитена со скоростью до 90 км/ч, или 25 м/с, что соответствует шкале очень сильного ветра. На территории России средняя скорость ветра составляет 1,3-6,5 м/с. Интервал движения электропоездов в метрополитене равен 0,5- 2,0 мин.

Электростанция метрополитена на воздушном потоке предназначена для превращения кинетической энергии воздушного потока, возникающего от движения электропоездов в тоннелях метрополитена, в электрическую энергию, питающую потребителей в метрополитене и, при необходимости, в городе.

В мире известно большое количество ветродвигателей и ветрогенераторов с вертикальным валом вращения, но все они являются сложными, ненадежными, громоздкими, и их невозможно использовать в метрополитене.

Известен ветродвигатель, содержащий аэродинамическую трубу и размещенную в ней турбину, образованную лопатками, кинематически связанную с устройством отбора мощности, причем турбина выполнена в виде усеченного конуса, образованного меньшим сплошным и большим кольцеобразным основаниями, скрепленными между собой лопатками, одна из продольных кромок которых расположена по условной поверхности конуса, при этом конусность направлена навстречу потоку воздуха (RU 2149277 С1, 20.05.2000 г.).

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, низкая надежность и ограниченный диапазон применения.

Известен роторный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал с жестко закрепленными на нем нижним и верхним параллельными дисками и расположенные взаимно перпендикулярно между дисками S-образно изогнутые трубы, средние части которых скреплены в осевом направлении (RU 2317442 С1, 20.02.2008 г.).

Недостатком данной конструкции является сложность изготовления и низкая надежность при эксплуатации.

Известен также роторный ветродвигатель, содержащий корпус, состоящий из двух дисков, параллельно скрепленных с внешней стороны равноудаленными вертикальными направляющими пластинами, в котором в осевых отверстиях размещен вал с жестко закрепленным на нем пустотелым ротором, внутри которого параллельно оси вращения на одинаковом расстоянии друг от друга под определенным углом расположены лопасти, введен цилиндр, установленный между валом и ротором (RU 2494284 С2, 27.09.2013 г.).

Недостатком данной конструкции является сложность изготовления и сборки, а также большое количество деталей, которые уменьшают надежность и долговечность работы данного роторного двигателя. Кроме этого, ометаемая площадь очень малая по сравнению с габаритами.

Известна пневмоэлектростанция метрополитена, которая устанавливается в тоннелях метрополитена и состоит из ветроколес, генераторов, контроллеров, аккумуляторных батарей и стоек для крепления к стенам тоннелей. Электрический генератор использует малогабаритный магнит динамо-машины, а ветроколесо сконструировано в виде подъемной силы в форме ствола (CN 201531372 U, 21.07.2010).

Недостатками данного патента являются очень малые габариты, низкая ометаемая площадь и угловая скорость вращения ветроколеса, отсутствие мультипликатора, что приводит к малой мощности пневмоэлектростанции и неэффективной ее работе.

Известна пневмоэлектростанция метрополитена, которая расположена в двухпутном тоннеле метрополитена, состоящая из многочисленных роторных пневмогенераторов с вертикальным валом вращения, установленных вдоль стенок тоннеля, центральной оси разделения встречных электропоездов, на потолке и в нижней части тоннеля, а также трансформаторов, инверторов, преобразователей, аккумуляторных батарей и электрокабелей (KR 20040056130 A, 30.06.2004).

Недостатком данного патента является неэффективная работа пневмоэлектростанции, так как в двухпутном тоннеле метрополитена будут возникать большие турбулентные встречные воздушные потоки от движения встречных электропоездов, которые будут оказывать тормозящее воздействие на электропоезда и пневмогенераторы. Кроме этого, из-за отсутствия мультипликаторов и малого диаметра роторов пневмогенераторов будет низкая ометаемая площадь и угловая скорость вращения вала ротора, что приведет к низкой мощности пневмоэлектростанции метрополитена.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, который состоит из опорной фермы, состоящей как минимум из трех опор, верхних и нижних перекладин, соединяющих опоры в единый жесткий конструктивный узел, верхней и нижней опорных площадок с отверстиями в центре, прикрепленных к перекладинам, на верхней и нижней опорных площадках, соосно отверстиям, крепятся верхний и нижний подшипниковые корпусы, в которых размещены верхний и нижний подшипники, установленные соответственно на верхнем и нижнем концах вала ротора, размещенного внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью его вращения, рабочих органов, лопастей, выполненных в виде части полой сферы или в виде полого цилиндра. Опоры фермы жестко закреплены на фундаменте (RU 2263815 С1, 04.05.2004 г.).

Основным недостатком данной конструкции является невозможность использования ее в тоннелях метрополитена, где большие турбулентные воздушные потоки и большая скорость воздушных потоков, вследствие чего резко увеличивается нагрузка на подшипники, уменьшается надежность при эксплуатации, так как на ротор будут действовать одновременно два воздушных потока.

Технической задачей изобретения является создание ротора с лопастями с вертикальным валом вращения, обладающего простотой конструкции, высокой мощностью, производительностью и надежностью для применения в электростанции метрополитена на воздушном потоке.

Эта техническая задача достигается тем, что роторный пневмодвигатель с вертикальным валом вращения содержит вертикальный вал, к которому жестко прикреплены параллельно друг другу верхний и нижний диски, скрепленные между собою с помощью восьми шпилек, с размещенными между ними на одинаковом расстоянии друг от друга восемью изготовленными из стеклопластика лопастями, закрепленными с одной стороны к шпилькам, а с другой стороны - между собою, выполненными вогнутыми по криволинейному профилю навстречу воздушным потокам из встречных тоннелей метрополитена. На верхней поверхности верхнего диска закреплены жестко с помощью болтов четыре крыла длиною 3 метра и шириною 1 метр каждое, равномерно расположенные по окружности, имеющие зазоры величиной 40 мм между крыльями и верхней поверхностью верхнего диска и установленные под углом атаки, равным 20°, для увеличения подъемной силы крыльев и уменьшения нагрузки на подшипниковые корпусы ротора. Вал ротора в нижней и верхней части имеет полумуфты для отбора мощности на мультипликаторы и генераторы переменного тока и опирается на верхний и нижний подшипниковые корпусы, имеющие крышки и регулировочные гайки, установленные соосно на верхней и нижней опорных плитах, которые жестко закреплены с помощью четырех болтов каждая к бетонному фундаменту.

Роторы с лопастями с вертикальным валом вращения устанавливаются в метрополитене между встречными тоннелями, где электропоезда движутся с максимальной скоростью. Количество роторов с лопастями с вертикальным валом вращения, устанавливаемых между встречными тоннелями метрополитена, составляет большое количество, зависящее от расстояния между станциями. Например, при диаметре ротора 10 метров и расстоянии между роторами с лопастями 3 метра количество роторов составит 10 штук на 127 метров. В местах установки роторов с лопастями с вертикальным валом вращения в тоннелях метрополитена необходимо уменьшать расстояние между встречными тоннелями - для лучшего взаимодействия воздушных потоков на лопасти роторов. Например, при диаметре ротора 10 метров и расстоянии между встречными тоннелями 9 метров необходимо уменьшить это расстояние до 6 метров. Расстояние между роторами, установленными между встречными тоннелями, не должно превышать 3 метров, чтобы турбулентности, созданные одним ротором с лопастями, передавались на соседние роторы с лопастями, увеличивая эффективность общей системы. Встречные электропоезда должны двигаться в тоннелях метрополитена по графику, чтобы проезжать одновременно возле установленных роторных пневмодвигателей с вертикальным валом вращения.

Известно, что мощность ветрогенератора или ветродвигателя, установленного на поверхности Земли, равна

N=0,5*p*S*V3 (Вт),

где N - мощность ветрогенератора (Вт);

р - плотность воздуха - 1,23 (кг/м³);

S - ометаемая площадь (м²);

V - скорость ветра (м/с).

Ветер, в этом случае, воздействует только на одну половину лопастей ротора ветрогенератора, а на вторую половину не воздействует.

При установке пневмодвигателей с вертикальным валом вращения в метрополитене между встречными тоннелями воздушные потоки, создаваемые от движения встречных электропоездов, будут воздействовать на все лопасти роторов, увеличивая мощность каждого ротора с лопастями в 2 раза:

N1=2*0,5*р*S*V3=р*S*V3 (Вт),

где N1 - мощность пневмодвигателя в тоннеле метрополитена (Вт).

Если диаметр ротора равен 10 метров, а высота лопасти ротора равна 3 метра, то мощность одного ротора с лопастями при скорости 90 км/ч, или 25 м/с, будет равна

N1=р*S*V3=1.23*30*15625-576562 (Вт)=576,562 (кВт).

Функциональная схема, поясняющая работу электростанции метрополитена, представлена на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3. На Фиг. 1 изображены роторы с лопастями, установленные между встречными тоннелями метрополитена. На Фиг. 2 изображен ротор с лопастями с вертикальным валом вращения. На Фиг. 3 изображен ротор с лопастями с вертикальным валом вращения без опорной плиты и верхнего диска, а также Вид А, демонстрирующий построение криволинейного профиля лопастей.

Ротор с лопастями 6 (Фиг. 1) с вертикальным валом вращения имеет ротор диаметром 10 метров и состоит из вертикального вала 7 (Фиг. 2), к которому жестко прикреплены параллельно друг другу верхний 15 и нижний 16 диски, скрепленные между собою с помощью восьми шпилек 17, с размещенными между ними на одинаковом расстоянии друг от друга восемью изготовленными из стеклопластика лопастями 20 высотой 3 метра, выполненными вогнутыми по криволинейному профилю (Фиг. 3, Вид А) навстречу воздушным потокам из тоннелей 1 и 2 (Фиг. 1) метрополитена. На верхней поверхности верхнего диска 15 (Фиг. 2) закреплены жестко с помощью болтов 22 четыре крыла 21 длиною 3 метра и шириною 1 метр каждое, равномерно расположенные по окружности, имеющие зазоры величиной 40 мм между крыльями 21 и верхней поверхностью верхнего диска 15 и установленные под углом атаки, равным 20°, для увеличения подъемной силы крыльев 21 и уменьшения нагрузки на подшипниковые корпусы 11 и 12 ротора. Вал 7 ротора в нижней и верхней части имеет полумуфты 18 и 19 для отбора мощности на мультипликаторы и генераторы переменного тока и опирается на верхний 11 и нижний 12 подшипниковые корпусы, имеющие крышки 23 и регулировочные гайки, установленные соосно на верхней 5 и нижней 10 опорных плитах, которые жестко закреплены с помощью четырех болтов 13 каждая к бетонному фундаменту 14.

Роторы с лопастями 6 (Фиг. 1) с вертикальным валом вращения устанавливаются в метрополитене между встречными тоннелями 1 и 2 (Фиг. 1), где электропоезда 3 и 4 движутся с максимальной скоростью. Количество роторов с лопастями 6 с вертикальным валом вращения, устанавливаемых между встречными тоннелями 1 и 2 метрополитена, составляет большое количество, зависящее от расстояния между станциями. В местах установки роторов 6 (Фиг. 1) в тоннелях 1 и 2 метрополитена необходимо уменьшить расстояние 8 (Фиг. 1) между встречными тоннелями 1 и 2 - для лучшего воздействия воздушных потоков на лопасти роторов. Расстояние между роторами 6, установленными между встречными тоннелями 1 и 2, не должно превышать 3 метров, чтобы турбулентности, созданные одним ротором 6, передавались на соседние роторы, увеличивая эффективность общей системы. Встречные электропоезда 3 и 4 должны двигаться в тоннелях метрополитена 1 и 2 по графику, чтобы проезжать одновременно возле установленных роторов 6.

Электростанция метрополитена на воздушном потоке работает следующим образом.

При движении электропоездов 3 и 4 (Фиг. 1) в тоннелях 1 и 2 метрополитена со скоростью от 50 км/ч до 90 км/ч впереди них возникают мощные воздушные потоки, которые действуют на лопасти 20 (Фиг. 3) роторов, вращая роторы против часовой стрелки, в результате чего угловая скорость роторов увеличивается. В связи с тем, что на роторы действуют два мощных встречных воздушных потока с двух встречных тоннелей 1 и 2 (Фиг. 1), то крутящий момент от валов 7 (Фиг. 2) роторов будет передаваться через полумуфты 18 и 19 на мультипликаторы и генераторы переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию воздушного потока в переменный электрический ток напряжением 380 Вт. Благодаря четырем крыльям 21 (Фиг. 2), закрепленным на верхнем диске 15, будет возникать подъемная сила крыльев 21, уменьшая нагрузки на подшипниковые корпусы 11 и 12 роторов, увеличивая их долговечность и надежность эксплуатации. С помощью регуляторов напряжений, инверторов и трансформаторов электрический ток через кабельную сеть будет поступать ко всем потребителям электрической энергии метрополитена, а также, при необходимости, в городскую сеть.

В отличие от имеющихся в мире роторных ветродвигателей роторы с лопастями с вертикальным валом вращения, установленные между встречными тоннелями в метрополитене, могут иметь большую мощность, так как на лопасти 20 (Фиг. 3) действуют в тоннелях 1 и 2 (Фиг. 1) сразу два мощных встречных воздушных потока, и суммарная мощность электростанции метрополитена на воздушном потоке, например, в городе Москве может составлять тысячи мегаватт, что приведет к экономии миллиардов рублей в год.

1. Ротор с лопастями на встречных воздушных потоках от движения электропоездов, установленный между встречными тоннелями метрополитена, содержащий вертикальный вал, отличающийся тем, что к валу жестко прикреплены параллельно друг другу верхний и нижний диски, скрепленные между собой шпильками, с размещенными между ними лопастями, изготовленными из стеклопластика, выполненными вогнутыми по криволинейному профилю и прикрепленными с одной стороны к шпилькам, а с другой – закрепленными между собой, при этом на верхней поверхности верхнего диска закреплены жестко крылья, равномерно расположенные по окружности, имеющие зазоры между крыльями и верхней поверхностью верхнего диска, вал ротора в нижней и верхней частях имеет полумуфты для отбора мощности, через которые крутящий момент от вала передается на мультипликаторы и генераторы переменного тока, и опирается на верхний и нижний подшипниковые корпусы, установленные соосно на верхней и нижней опорных плитах, которые жестко прикреплены к фундаменту.

2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что величина зазоров составляет 40 мм, крылья установлены под углом атаки 20°, при этом каждое крыло имеет ширину 1 м и длину 3 м.