ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, СМЕРЧЕВОЙ НАГНЕТАТЕЛЬ И ТУРБИНА

Область техники

Изобретения относятся к области аэрогидродинамики, энергетики и магнитных технологий, а точнее, к формированию смерчеобразных закрученных потоков газов, жидкостей и/или их двухфазных смесей и комплексному преобразованию их кинетической и тепловой мощности.

Предшествующий уровень техники

В периодической научной и патентной литературе представлены патенты и предложения, касающиеся комплексного преобразования и использования мощности низкопотенциальных источников, в том числе, возобновляемых источников, путём объединения их в единые системы. Однако нет предложений об использовании:

- комплексных способов смерчевого и магнитотеплового преобразования низкопотенциальной энергии сплошной среды в механическую и/или электрическую энергию,

- смерчевых устройств для преобразования энергии солнечной радиации в тепло и дальнейшего использования этого тепла для смерчевого и магнитотеплового производства энергии или других целей,

- смерчевых воздушных, гидравлических и магнитотепловых устройств - преобразователей низкопотенциальной кинетической, тепловой энергии и энергии магни тного поля в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции, объединённых в единый энергопреобразующий комплекс.

Существуют предложения, касающиеся использования энергии природных явлений, таких как потоки солнечной радиации, ветра, геотермальных вод, морских и океанических приливов и отливов, течения малых и крупных рек, объединяемых в комплексные системы, преобразующие энергию.

Однако известные предложения не используют смерчевые способы и устройства, концентрирующие в смерчеобразных закрученных струях низкопотенциальную энергию перечисленных природных явлений. Например, практически не используются: - способы и устройства для формирования самоорганизующихся квазипотенциальные смерчеобразных струй с целью наиболее эффективного преобразования сконцентрированной в них энергии в энергию полноценной кондиции,

- потоки со встроенными в их течение смерчеобразными струями и смерчевая интенсификация тепло и массообмена между низкопотенциальными тепловыми потоками и обтекаемыми поверхностями, существенно превосходящая эффективность традиционных способов интенсификации тепло и массообмена.

Среди известных предложений близкими к предлагаемому изобретению являются изобретения: GB N 16709, 1887; US N428057, 1890; SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, JP 59025091, RU 2020304, RU 2023216, RU 2040127, RU 2044248, SG 47069, RU 2059881, EP 0839309, EP 9291 1873 EP 96927047, US 6,006,823, US 61 19987, RU 2109173 C1,RU 2109227, RU 2167338, RU 2172904, RU 2183801 , RU 2199025, RU 2199024, RU 2210840; RU 2210839; WO 03004868; EP 03012638; EP 1458972; WO 2004048871 ,WO 2004083651, WO 2004083628; US 2004/0240984 Al , EP 1606512, PCTTRU 2005/ 000096, EP1873397 A2, EP 1878983 Al, EP 1890035 A2, CN 1888359.

Условно первая часть перечисленных документов: RU2059881 , WO03004868 - 2003-01 -16, EP 03012638 - 2003-03-06, EP 1458972 - 2004-09-22, WO 2004083628 - 2004- 09-30, US 2004/0240984 Al , EP 1606512 - 2005-12-21 защищает различные способы смерчевого преобразования энергии потоков газов и жидкостей, например, ветра и воды, а также указывает на необходимые и достаточные условия формирования нового типа течений сплошной среды - смерчеобразных квазипотенциальных радиально сходящихся закрученных струй. Условия формирования этих струй основаны на анализе точных решений нестационарных уравнений гидродинамики (уравнения Навье - Стокса и неразрывности); в перечисленных документах, - патентах и научных публикациях, эти струи применены для создания разнообразных статических аппаратов, формирующих смерче- образные закрученные течения в вязких сплошных средах. Известен способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию, носящий название TWES (Тоrпаdо Wiпd Епеrgу Sуstеms). Известные TWES представляют собой вертикальные башни цилиндрической формы, внутри которых формируется смерчеобразное (Тоrпаdо Likе) закрученное течение. Оно возникает, за счёт потоков воздуха, вте-кающих во внутрь башни через одну или множество боковых щелей, образующих произвольный, но постоянный для данной конструкции башни, угол с локальным радиусом сооружения.

Например, в цитированных работах в одной из предлагаемых башен щели в башне открыты с наветренной стороны и закрыты с подветренной. Проходя сквозь щели, поток ветра приобретает тангенциальную составляющую скорости и закручивается внутри башни. В ядре такого потока образуется зона пониженного давления, что обеспечивает всасывание дополнительных масс воздуха во внутрь башни через её нижний торец, установленный на специальное устройство - "поддувало". Подсасываемый поток подают на турбину, преобразующую его кинетическую мощность в механическую. Закрученный поток над турбиной в виде смерчеобразной струи, устремляясь к выходу из башни, уносит с собой массу среды, попавшую в башню, пройдя турбину и поэтому замедлившуюся (см., например, Роwеr соеffϊсiепt оf Тоrпаdо-Туре Wiпd Тurbiпеs / Rапgwаllа А.А. Нsu CT.// Jоurпаl Епеrgу. 1983. v.7, No 6, р. 735-737; Реrfоrmапсе оf Тоmаdо Туре Wiпd Тurbiпеs with rаdiаl Suррlу / Нsu CT. H. Idе. // Jоurпаl Епеrgу, v. 7, No 6, 1983, р. 452-453.).

Авторы цитируемых работ и другие исследователи (см., например, "On Vоrtсх Wiпd Роwеr" / So R. M. С.// Jоurпаl оf Fluids Епgiпееriпg, 1978, v.ЮО, р. 79-82) ошибочно считают, что поле скорости и давления в TWES характеризуется распределениями скорости и давления, известными для вихря Бюргерса ("А mаthеmаtiсаl mоdеl illustrаtiпg thе thеоrу оf turbulепсе" / Вurgеrs J.М. // Аdvапсеs Аррl. Месhап. 1948, v.l . р. 157-199). Однако, реализация этого способа в модельных устройствах не подтвердила это предположение и указала на серьёзные потери, вызванные отсутствием условий для прямой сшивки линий тока в струях, втекающих через щели внутрь торнадо-башни, с линиями тока формируемого смерчеобразного течения (см., например, Iпvеstigаtiопs оf thе Тоrпаdо Wiпd Епеrgу Sуstеm / А. Мitсhеll, // Рublishеr: Аmеriсап Sоlаr Епеrgу Sосiеtу, Juпе 1985).

Известны солнечные башни и TWES, (см., например, JP 59025091 A, EPl 873397 A2, EP 1878983 Al ₅ EP 1890035 A2), в которых за счёт солнечного подогрева стимулируют возникновение термоиндуцированного потока воздуха, направляемого на турбину или генерируют водяной пар, образующий при рабочих температурах в вертикально расположенных башнях термоиндуцированное течение.

Помимо этого, недостатком способов смерчевого преобразования энергии, предложенных в цитированных Патентах и в более ранних публикациях, описывающих способы и установки TWES, является относительно высокая стоимость кВтч преобразованной энергии по сравнению с энергией производимой традиционными способами, обу- словленная их низкой эффективностью из-за торможения потока, натекающего на крупногабаритные конструкции устройств, преобразующих кинетическую мощность потоков воздуха, и отсутствие условий для формирования смерчеобразного течения в потоке, взаимодействующем с турбиной в предлагаемых TWES или потоков пара в солнечных башнях. Перечисленные недостатки обуславливают диссипацию энергии в процессе её преобразования и не обеспечивают безударное и безотрывное движение сплошной среды, необходимое для формирования смерчеобразного квазипотенциального течения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, согласно которому для преобразования энергии поток сплошной среды подают в выбранный аксиально- симметричный внутренний объём конфузорной формы по двум системам направляющих каналов, обеспечивающих движение подаваемой среды по винтовым траекториям, сходящимся к оси симметрии выбранного объёма, причём, с помощью первой системы каналов формируют закрученное течение, придавая потокам в каналах вращательный момент и концентрируя в них мощность за счёт сходимости течения. Сформированный таким образом поток направляют в зону преобразования кинетической мощности в механическую мощность, а с помощью второй системы каналов формируют закрученный поток, понижают в нём давление, за счёт чего поток всасывает сплошную среду, истекающую из зоны преобразования, и эвакуирует её за пределы преобразователя (см. WO 2004083628, 2004.09.30).

Недостатками известного способа смерчевого преобразования энергии являются:

- существенные потери мощности потока сплошной среды, натекающего на башню и используемого для преобразования энергии, обусловленные торможением течения граничными поверхностями преобразующего аппарата, размещёнными на его пути, например, потоков ветра, натекающего на граничные поверхности смерчевых (торнадо) башен, в которых концентрируют и преобразуют кинетическую мощность ветра, а также потоков других газообразных или жидких сред;

- отсутствие условий для безотрывного и безударного течения сплошной среды па входе во внутрь башни, которые должны быть соблюдены для реализации способа, осложняющие сооружение предлагаемых смерчевых преобразователей энергии. Так, при преобразовании энергии ветра в башне, сопротивление её конструкций потоку ветра вызывает существенное снижение скорости воздуха U _ro на входе в неё и, как следствие, существенно уменьшает преобразуемую мощность N потока ветра, зависящую от величины скорости UiN втекающей сплошной среды, возведённой в куб (N ~ U _IN ³ ). Эта универсальная закономерность проявляется в процессах преобразования энергии спло-шной среды, находящейся в любом агрегатном состоянии, и является причиной низкой эффективности смерчевого способа преобразования энергии в преобразователях со статическим направляющим аппаратом. В солнечных башнях потери обусловлены турбулентными процессами в термовосходящем потоке водяного пара.

Перечисленные недостатки и высокая цена преобразованной энергии в случае TWES, послужили основанием для снижения практического интереса к этому, безусловно, важному направлению производства энергии за счёт возобновляемых источников.

Условно вторая часть перечисленных документов RU2059881, WO03004868, EP03012638, EP1458972, WO2004083628, US2004/0240984 Al , EP1606512 защищает различные варианты устройств для смерчевого преобразования энергии внешней сплошной среды. Предложения, содержащиеся в этих документах, основаны на использовании статического направляющего аппарата, создающего совместно с конструкциями смерчевой башни сопротивление натекающему потоку, что снижает скорость на входе в смерчевую башню и резко уменьшает эффективность преобразования энергии.

Наиболее близким к предлагаемым преобразователям энергии (вариантам) является устройство для преобразования энергии потоков сплошных сред, содержащее конфу- зорные камеры, системы неподвижных каналов, размещенных симметрично центральной оси устройства, первая из которых выполнена с осями в виде винтовых линий, турбину, сопряжённую с электрогенератором, связанным с турбиной посредством центральной оси, проходящей через обтекатель, и опорную конструкцию (см. WO 2004083628, 2004.09.30).

Недостатками известного устройства являются:

- высокая цена преобразуемой энергии, обусловленная большими объёмами смерчевых конфузорных камер и других конструктивных элементов, и трудоёмкость их сооружения из-за необходимости обеспечения высокой точности форм и пространственной ориентации формируемого смерчеобразного течения;

- низкая эффективность преобразования энергии, вызванная снижением скорости втекающего в камеру потока сплошной среды, по сравнению со скоростью потока в отдалении от камеры, что обусловлено сопротивлением её форм и поверхностей, встречающих натекающее течение; этот недостаток особенно ярко проявляется при преобразо- вании медленных потоков среды, например, потоков слабого ветра. В самом деле, эффект торможения потока ветра граничными поверхностями камер, резко снижает уровень преобразования мощности потока, так как величина преобразованной мощности зависит о г величины возведённой в куб скорости среды, втекающей в башню.

Условно третья часть перечисленных документов: UK No 16709, 1887; US No 428057, 1890, SU 1295027, SU 1341377, SU 1414046, SU 1453998, SU 1793525, RU 2167338, RU 2199025, RU 2199024, RU 2210839, RU 2210840 защищает различные варианты магнитотепловых преобразователей энергии, основанные на теории магнетизма и использовании традиционных способов тепло и массообмена.

Известны способы преобразования магнитной и тепловой энергии в энергию движения путём выполнения рабочего тела из магнитно-мягких веществ, обладающих свойством приобретать при охлаждении в диапазоне температур, близким к комнатным, ферромагнитные свойства и переходить в парамагнитное состояние при нагреве. Другими словами, эти вещества имеют низкие температуры T _c (точка Кюри) магнитного фазового перехода. Практически во всех перечисленных предложениях есть указание на возможность использования известного феномена притяжения магнитов друг к другу для превращения магнитной энергии в энергию движения, однако, технические решения способа по организации магнитных полей и обеспечению магнитотеплового процесса преобразования магнитной и тепловой энергии в механическую энергию, отсутствуют. Этим и объясняется отсутствие действующих магнитотепловых преобразователей энергии, несмотря на столь длительный период, прошедший с момента опубликования указанных выше предложений.

Наиболее близким к заявленному способу является Патент, авторы которого считают задачей изобретения "существенное изменение и расширение функциональных возможностей работы магнитотеплового устройства за счёт способа организации его работы, позволяющего, в частности, создать эффективные автономные двигатели и генераторы различного типа и назначения с использованием только низкопотенциальиых природных источников энергии независимо от погодных условий и времени суток" (см. RU 2199025 Cl , 20.02.2003).

Известный способ основан на использовании энергии различных форм магнитных фазовых превращений и тепла с последующим их преобразованием в энергию движения рабочего тела, в качестве которого используется магнитно-мягкое вещество с ферромаг- нитными свойствами, обладающее спонтанной намагниченностью в точке T _c фазового перехода и зависимостью величины намагниченности от температуры. Помещая рабочее тело в поляризующее магнитное поле, в замкнутом объёме которого под атмосферным давлением находится парожидкостная смесь низкокипящей рабочей жидкости, авторы переводят рабочее тело из парамагнитного в ферромагнитное состояние, вследствие чего рабочее тело под действием магнитных сил перемещается в направлении их действия из зоны с минимальным значением индукции магнитного поля в зону, в которой значение магнитной индукции максимально.

Недостатками этого известного способа являются:

- отсутствие указаний на возможные источники нагрева и охлаждения и способа использования этих источников при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов, адекватных задаче преобразования энергии. Кроме общего утверждения о необходимости нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества в способе нет указаний, позволяющих за относительно малые времена контакта с греющим и охлаждающим теплоносителями, обеспечить:

- магнитные фазовые превращения в рабочем магнитно-мягком веществе,

- необходимую скорость движения рабочих элементе и

- приемлемую удельную мощность преобразователя.

Предложения авторов не могут считаться эффективными, поскольку основным их недостатком, как и в предложениях других Патентов, являются трудности реализации нестационарного нагрева и охлаждения рабочих элементов традиционными методами при использовании любого теплоносителя. В первую очередь, этот недостаток присущ газообразным теплоносителям со сравнительно невысокой температурой (среда с низким тепловым потенциалом), которые за время контакта с теплоносителями должны обеспечить в массе рабочих элементах магнитные фазовые превращения: парамагнетик- ферромагнетик- парамагнетик. Такой процесс в предлагаемом изобретении может быть лишь умозрительным, поскольку фиксированный объём системы, в котором размещается магнитно-мягкое вещество, ограничивает возможности использования низко- потенциальных теплоносителей, а потому отсутствие в Патенте вариантов организации системы нагрева и охлаждения рабочего тела не позволяют отличить этот способ от других предложений, преследующих аналогичные цели. Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю магнитно тепловой энергии в механическую и/или другие её виды, является магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему (см. SU 1793525 А, 07.02.93).

Недостатки известного устройства:

-отсутствие указаний о размещении вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле, форме и количестве рабочих элементов, участвующих в создании результирующего момента силы в направлении их движения, обусловленных величиной планируемой мощности преобразования магнитной энергии в механическую или в другие её виды;

-отсутствие указаний о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле и связи характеристик нестационарного теплообмена с планируемой мощностью преобразования магнитной энергии в механическую или в другие её виды;

-использование жёстко закрепленных на корпусе оптических линз для фокусировки солнечного излучения на поверхность рабочих элементов, что делает неэффективным работу генератора и актуальным вопрос о конкретных способах нагрева и охлаждения вращающегося магнитно-мягкого вещества в магнитном поле;

-использование в качестве рабочего вещества железо-родиевого сплава, что ограничивает потребительскую ценность предлагаемого устройства.

Условно четвёртая часть перечисленных документов JP 59025091 , EP 1878983 Al , EP 1873397 A2, EP 1890035 A2 защищает различные варианты солнечных башен, использующих тепло солнечной радиации для нагрева воздуха, формирования его закрученной струи, преобразования солнечного тепла в пар, направления потока пара на паровую турбину и получения механической мощности.

Недостатками солнечных башен являются:

-их неработоспособность в пасмурные дни в сумрачное время суток и ночью;

-необходимость регулярной очистки поверхности зеркал от пыли и песка;

-необходимость предотвращения "накипи" на парообразующих поверхностях и на лопастях паровой турбины. Условно пятая часть перечисленных документов RU 2023216, RU 2109227, RU

2172904, RU 2183801, RU 2285210 защищает различные варианты преобразователей солнечной энергии в тепло, основанные на поглощении лучистой энергии поверхностью твёрдых пластин с покрытием, обладающим высоким коэффициентом поrлащения или оптически прозрачных жидкостей с мелкодисперсными частицами из аналогичного материала.

Известна комбинированная солнечная энергоустановка, преобразовывающая и одновременно концентрирующая солнечную энергию для нагрева воды и получения электрической энергии ( RU 2285210 С, 10.10.2006).

Солнечная комбинированная энергоустановка по патенту RU 2285210 содержит первичный конический концентратор, плоскую изоляторную соединительную круговую шайбу, центральное сквозное отверстие первичного конического концентратора, датчик слежения, фотоэлементы датчика слежения, перегородки датчика слежения, полый трубчатый теплонагреватель в форме круга, фотоэлементы на внешней поверхности полого "трубчатого теплонагревателя" в форме круга, вторичный полупараболоидный, развернутый на 360°, концентратор, термоэлементы на внешней стороне вторичного полупара- болоидного, развернутого на 360°, концентратора, входное и выходное отверс тия кругового трубчатого полого теплонагревателя.

Недостатком известного устройства является ограниченность площадей освещаемых поверхностей для прямого преобразования энергии солнечной радиации в тепло и электрическую энергию и отсутствие интенсификации процессов освещения нагреваемых поверхностей и интенсификации теплообмена между нагреваемой поверхностью и обтекающим потоком воды, что обуславливает низкую эффективность преобразования энергии солнечной радиации.

Наиболее близким к заявленному устройству - преобразователю энергии солнечной радиации в тепло является устройство, содержащее герметичный корпус, с размещенными в нем каналами (см. RU 2183801 Cl, 20.06.2002).

Недостатками известного устройства является низкая эффективность преобразования солнечного излучения в тепло из-за отсутствия интенсификаторов теплообмена.

Условно шестая часть перечисленных документов защищает различные варианты нагнетателей сплошной среды в объём выбранного пространства. Наиболее близким к заявленному устройству смерчевого нагнетателя является нагнетатель, который содержит профилированные лопасти, имеющие винтовую поверхность. Узкие винтовые щелевые каналы, образованные боковыми поверхностями лопастей, препятствуют обратному истечению воздуха. Лопасти имеют на наружном диаметре угол подъема 70° ÷ 80°, а на внутреннем не менее 55° (см. RU 2109173 Cl, 20.04.1998).

Недостатком известного решения является невозможность формирование смерчеоб- разной струи в объёме выбранного пространства и управления профилями скорости и давления в потоке.

Условно седьмая часть перечисленных документов защищает различные варианты турбин, преобразующих мощность потоков сплошной среды в механическую энергию.

Наиболее близким к заявленному устройству смерчевой турбины является турбина, содержащая корпус и размещенные в корпусе на валу лопатки, принимающие поток (см. SU 1662172 А, 27.10.1996).

Недостатком известного решения является невысокая эффективность преобразования с её помощью мощности закрученных смерчеобразных потоков, обусловленная высокими значениями их азимутальной и продольной компонент скорости.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом реализации предлагаемого способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды является:

- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;

- существенное повышение эффективности преобразования энергии внешней среды в выбранном осесимметричном объёме за счёт формирования в нём самоорганизующейся смерчеобразной струи, структура, величина скорости и поле давления в которой увеличивают скорость её потоков, втекающих в выбранный объём, независимо от агрегатного состояния и состояния движения среды за пределами этого объёма. Это обеспечивается возможностью управлять перепадом давления между внешней средой и закрученным потоком в башне и регулировать скорость Uоuт её потока, истекающего из осе- симметричного объёма. Описанная возможность резко повышает мощность (N ~ Uоuт ³ ) преобразуемой энергии; - уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счёт нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны. В потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;

-существенное повышение КПД, функциональной и технико-экономической эффективности традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, за счёт превращения в энергию полноценной кондиции части энергии низкопотенциальных тепловых отходов, сбрасываемых тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоёмы;

- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды за счёт повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности;

- снижение количества органического топлива, используемого в бытовой и промышленной сферах;

- снижение уровня выбросов в атмосферу и водоёмы углекислого газа (CO ₂ ). тепловых бытовых и промышленных отходов;

- снижение кавитационного износа и предотвращение разрушения гидравлических механизмов и устройств, применяемых в смерчевых преобразователях энергии и в традиционных энергосистемах, таких как гидронасосы, гидротурбины и др.;

- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.

Техническим результатом реализации предлагаемых смерчевых преобразователей энергии (варианты) является: - создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива;

-повышение эффективности преобразования энергии внешней среды за счёт создания смерчевых башен с подвижными направляющими лопатками внутри их объёма, например, смерчевыми нагнетателями, приводимыми в движение, например, с помощью магнитотеплового привода, использующего низкопотенциальные потоки тепловой энергии, например, теплоносители, нагреваемые или охлаждаемые с помощью солнечной радиации, обеспечивающие использование магнитотеплового преобразования энергии;

- уменьшение напряжений трения потоков сплошной среды, втекающих и движущихся внутри башни за счёт нанесения на обтекаемые поверхности рельефов в виде чередующихся участков исходно гладких поверхностей и участков криволинейных поверхностей, представляющих собой углубления двойной кривизны; в потоках, обтекающих такие рельефы, самоорганизуются смерчеобразные струи, обеспечивающие снижение аэрогидродинамического сопротивления, интенсификацию тепломассообмена, самоочищение обтекаемых формованных поверхностей от адсорбции грязи и различных примесей и др. эффекты, обусловленные перестройкой пограничного слоя на криволинейных поверхностях и изменением законов взаимодействия потока с рельефами указанной формы;

- увеличение скорости потока среды, истекающей из смерчевых башен, за счёт использования смерчевых технологий на граничных поверхностях башен, направляющею аппарата, обтекателя, лопаток смерчевого нагнетателя и смерчевой турбины, на других обтекаемых поверхностях, а также за счёт вращения нагнетателя с помощью магнитотеплового преобразователя низкопотенциальной энергии;

- понижение внутри смерчевых башен давления, компенсирующего сопротивление её конструкций натекающему потоку, путём формирования в сплошной среде, наполняющей башню, закрученного течения, независимого от состояния внешней среды, натекающей на башню, например, в воздухе, при преобразовании энергии ветра, а также в других газообразных или жидких средах;

- повышение степени защиты окружающей среды при использовании преобразователей энергии сплошной среды за счёт утилизации тепловых отходов производственной деятельности и отсутствия вредных отходов и выбросов. Техническим результатом реализации предлагаемого способа магнитотеплового преобразования энергии являются:

- создание экологически чистых источников механической, электрической и/или других видов энергии, полностью независимых от поставщиков органического и ядерного топлива, создание электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, магни- тотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещённых электрических машин и др.;

- увеличение эффективности низкопотенциальных источников тепла, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, за счёт организации смерчевого способа нагрева и охлаждения, адекватного задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов:

- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы, и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества;

- увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элемен тами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счёт придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерче- образных струй, встроенных в потоки теплоносителей;

- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счёт повышения скорости перемещения платформы с магнитно- мягким веществом;

- уменьшение времени магнитных фазовых превращений в рабочем магнитно- мягком веществе;

- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счёт ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;

- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико- экономической эффективности традиционной энергетики за счёт возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы.

Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя магнитоте- пловой энергии являются:

- увеличение эффективности используемых низкопотенциальных источников тепла за счёт организации смерчевых потоков теплоносителей, адекватных задаче преобразования магнитной и тепловой энергии при нестационарном нагреве и охлаждении рабочих элементов;

- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора толщин магнитно-мягкого вещества, его массы, размещаемой в однородной и градиентной частях магнитной системы и конфигурации каналов, в которых происходит нагрев и охлаждение магнитно-мягкого вещества;

- увеличение скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей за счёт придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчс- образых струй, встроенных в потоки теплоносителей;

- увеличение, при прочих равных условиях, мощности преобразования магнитной и тепловой энергии за счёт повышения скорости перемещения платформы с магнитно- мягким веществом;

- сокращение потребления органического и ядерного топлива за счёт ввода в действие магнитотепловых преобразователей, использующих в качестве "топлива" неисчерпаемые природные источники низкопотенциальной энергии или бросовое тепло производственной деятельности;

- повышение коэффициента полезного действия, функциональной и технико- экономической эффективности традиционной энергетики за счёт возвращения в цикл производства энергии низкопотенциального тепла, сбрасываемого тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/или водоемы;

- увеличение уровня концентрации мощности низкопотенциальных тепловых источников, включая тепловые отходы антропогенной деятельности, и превращения этой мощности в механическую и/или электрическую энергию полноценной кондиции за счёт использования явления самоорганизации смерчеобразных течений и маrнитотенловых эффектов, сопровождающих фазовые превращения в магнитных телах и жидкостях;

- увеличение эффективности магнитной системы за счёт создания двух зон распределения магнитного поля: зоны градиентного поля и зоны однородного поля, позволяющих обеспечить оптимизацию скоростей охлаждения магнитно-мягкого вещества, толщины рабочих элементов и их суммарную массу, подвергающихся охлаждению и нагреву в процессе преобразования энергии, что обеспечивает притяжение охлаждённой части магнитно-мягкого вещества к зоне с максимальным значением напряжённости магнитного поля и использование силы магнитного притяжения для получения механической энергии и вращения направляющего аппарата внутри смерчевой башни;

- увеличение за счёт смерчевых технологий скорости тепломассообмена между движущимися элементами магнитно-мягкого вещества и потоками греющего и охлаждающего теплоносителей путём придания обтекаемым поверхностям форм, обеспечивающих самоорганизацию смерчеобразных струй, встроенных в потоки теплоносителей и существенно увеличивающих скорость обмена теплом между потоком и поверхностью;

- увеличение эффективности взаимодействия магнитно-мягкого вещества с градиентным полем постоянного магнита за счёт оптимального по отношению к величине преобразуемой энергии выбора конфигурации теплообменных каналов и использования смерчевого способа охлаждения;

- повышение уровня защиты окружающей среды за счёт практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов.

Техническим результатом реализации предлагаемого преобразователя солнечной энергии, для её преобразования в тепло, является:

- увеличение коэффициента поглощения тепловой энергии на поверхности солнечных коллекторов за счёт использования явления самоорганизации смерчеобразных вихревых структур;

- увеличение теплопередачи от поверхности, принимающей солнечную энергию, в поток сплошной среды - теплоносителя;

- повышение автономности предлагаемого преобразователя по сравнению с известными установками такого типа;

- повышение уровня защиты окружающей среды за счёт практически полного отсутствия вредных отходов и выбросов. Техническим результатом реализации предлагаемого смерчевого нагнетателя является:

-возможность управления процессом смерчевого преобразования энергии за счёт изменения интенсивности смерчеобразного течения, формируемого нагнетателем внутри смерчевой башни;

-повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счёт повышения эффективности использования низкопотенциального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;

-повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.

Техническим результатом реализации предлагаемой смерчевой турбины является:

- высокоэффективное преобразование энергии смерчеобразных струй, генерируемых в смерчевых башнях;

- повышение энергетических ресурсов и защита окружающей среды практически во всех регионах мира за счёт повышения эффективности использования низкопотенци- ального тепла возобновляемых источников энергии и тепловых отходов антропогенной деятельности для обеспечения работы смерчевого нагнетателя;

- повышение технико-экономических характеристик агрегатов нетрадиционной энергетики и их конкурентной способности с традиционными способами производства энергии.

Технический результат от реализации способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды достигается тем, что сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Qv, имеющую форму конфузора, высотой Z _O uт и переменным по высоте радиусом

RIN ≥ R ≥ RОUТJ или нескольких конфузоров, числом "К" вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём Qк высоту Zк,ouт ^и переменный по высоте радиус Rι,к, изменяющийся в интервале:

Rк,IN ≥ Rj,K ≥ , при этом, области Q _∑ и Q _K имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ∑QК, соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ΣQ _К И внутри области Q _∑ выполнялись соотношения:

RIN ² Z _1N = Ri,∑ ² Z _i(∑ = Rоит ² Zouг= сопst∑, i=0,l ,2,3,...р Rι,к ² Zj, _к = сопstк, J= 0, 1 ,2,3,... s где Z, R, ψ - цилиндрические координаты, центр которых расположен в точке пересечения с основанием выбранной осесимметричной области продольной оси её симметрии, индекс "IN" присвоен цилиндрическим координатам Z _IN , R _IN , Ψ _IN , принадлежащим входному участку граничной поверхности Σ _Q , а индекс "i,∑" указывает на его принадлежность любой i-той точке области Q _∑ ограниченной поверхностью Σ _Q , индекс 'OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоιιт, Rоuт, ψоuт, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ _Q , индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки на поверхности Σ _QК К-ТОГО конфузора внутри объёма Qv, ограниченного поверхностью Σ _Q , индексы "Σ" и "К", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность "сопst _∑ " объёму Q _∑ , заключённому внутри граничной поверхности Σ, а "сопstк" объёму Qк ограниченному граничной поверхностью Σ _QК конфузора внутри области Q _∑ , , при этом, траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q _∑ под местным азимутальным, углом ψо _∑ , определяющим внутри области Q _∑ , равно как и внутри конфузоров Qк, начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу R _IN , И местными высотными углами αо _∑ и <X _O , _∑QK ПО отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счёт выбранной пространственной ориентации этих поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Q _∑ , равно как и в конфузорах Qк обеспечивает радиальную сходимость и смерчеобразную закрутку потока сплошной среды, поступающей в эти области, при этом формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q _∑ , равно как и в конфузорах Qк, увеличивая за счёт этого скорость U i _N потока, втекающего в эту область, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность течения, максимум которой достигается в области Q _∑ , в зоне, имеющей радиус R _∑ma χ и продольную координату Z _∑max , в которой дости- гается равенство продольной компоненты скорости Uz, и азимутальной скорости Uψ, причём, высоты Z _K Q выбирают так, что бы продольная координата этой зоны превосходила бы продольные координаты любого "К-того" конфузора внутри неё : Zv _mav > Z _QК , располагают на этой высоте зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, передаваемую на вал турбины, учитывают замедление и потерю закрутки в смерчеобразном потоке, прошедшим эту зону и передавшим часть своей кинетической мощности лопастям турбины, компенсируют замедление потока, располагая в области Q _∑ , в пространстве между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, зону компрессии, повышающую на этом участке и, опосредованно, на входном участке граничной поверхности Σ _Q , скорость U _IN , а на выходном участке граничной поверхности ΣQ, скорость Uоιгr, причём, повышение скорости Uоιгι по отношению к скорости U _IN потока, втекающего в область Q _∑ , связывают между собой отношением радиуса выходного участка Rоιιт к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Zцs граничной поверхности ΣQ:

UIN / Uоuт ⁼ Rouт/n ZIN , где "п" определяется в интервале: l<n< 20, а радиусы R _IN И R _ОUТ области Qv определяются в интервале:

1,5< R| _N /Roш < 7,5, используют для формирования закрученного потока энергию натекающей сплошной среды, тепло солнечной радиации и/или любого низкопотенциального источника тепла и энергию, запасённую в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких веществах, причём поверхности: внутренней границы Σ _Q , обтекателя, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата, обтекаемых сплошной средой внутри области Q>:, формуют углублениями двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой частью поверхности углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем. Отношение глубины hс углублений к их продольному вдоль направления потока размеру L _LГ находятся в интервале:

0,001≤ hc /L _LC < 0,2, отношение продольного размера L _LС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /Lвc < l ,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

0,05 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперёк потока, соответственно.

Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы Σ _Q области Q и в любой J -той точке на поверхности К-того конфузора внутри этой области, определяется соотношениями: + U _z ,.ι,к ² + U _к ,.,.к ² ) ⁰ ' ⁵ , соответственно, при этом, местный азимутальный угол ψо и местный высотный угол αоv определяются соотношениями: ψо = аrс tg (U _Ψ ,L / U _R , _Σ ) и оtоi; = аrс соs (U _Z ,IN / Ur,ιм) соответственно, причём, угол αод; образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности Σ _Q В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:

3,5Roш < Ri v< 4,5R _O ιrг и 0.08 Zоιгι < Zj ∑≤ 0.05Z«,,,,

а высотные углы щ, _∑Oк i под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричными поверхностями ∑к имеют координаты Rj,к и Z.ι, _к определяемые в интервалах:

3,5Rк, оιл ≤ Rι,к ≤4,5R к, оuт и Z к, опт ≤ Zj,к ≤ Z к, он ι ,

что обеспечивает формирование в выбранной области Qj; смерчеобразного квазинотен- циального закрученного потока с компонентами скорости U _R , Uχ и l)ψ, определяемыми внутри области соотношениями: вдоль радиуса области Q^: U _R = - Co(t)Rj.v во входном сечении на границе Σ _Q : U _R = - Co(t) R _IN , во входном сечении любого К-того конфузора на границе ∑к: U _R ,. _I , _K ⁼ - C<ι(t) R.ι,к

вдоль продольного размера области Q _∑ : Uz = 2 Co(t) Zj,v в любой J-той точке внутри любого "К-того" конфузора: U _/ ,.ι,к ⁼ 2 Co(t) Z,ι,к-; по азимуту области Q: Uj, _т = (Г ₀ (t) / R _i£ ) [1 - exp(-C,,(t) R j.v ² / 2v) |, на границе Σ: U _Ψ∑ = (Г ₀ (t) / 2πR, _N ) [1 - exp(-C ₀ (t) R| _N ² / 2v)], в любой J-той точке "К-того" конфузора: Uψ∑ = (Гo(t) / 2π Rj) [1 - exp(-Co(t) Rj ² / 2v)], здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj _∑ области Qv, включая точку R| _\ на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (U _R (O / R;χ), при этом, Co(t) и Гo(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости Uц _\ потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nош ~ Uоuт ^{3 П} P ^И балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.

Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 1 ) достигается тем, что он содержит: - смерчевую осесимметричную конфузорную башню, снабжённую:

— приёмниками потоков сплошной среды,

~ внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,

— неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещенными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с её внешней конфузорной поверхностью и обтекателем,

— силовыми вращающимися валами, нижним и верхним, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни, _г

— смерчевым нагнетателем, установленным над неподвижным направляющим аппаратом, ~ смерчевой турбиной, по крайней мере, одной, жёстко связанной с силовым валом, установленной по оси симметрии башни, в зоне, имеющей радиус Rivm _ах и продольную координату в которой достигается равенство продольной Uz и азимутальной скорости Uψ компонент скорости;

- преобразователи солнечной энергии;

- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, расположенный под неподвижным направляющим аппаратом, имеющий общую ось симметрии со смерчевой башней, оснащённый:

~ магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,

— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,

— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и смерчевым нагнетателем в смерчевой башне,

— смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя;

- опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте; причём, смерчевая осесимметричная конфузорная башня состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Qv, открытый в окружающее пространство в зонах башни, имеющих максимальный и минимальный радиусы, соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню и истекает из неё, при этом, башня обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ _Q , форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:

R ² Z= сопst, при этом, поверхности конфузорной башни, внешней границы обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин, обтекаемых сплошной средой внутри области Qv, выполняю!- ся гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны на ней, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений и гладкой поверхности осуществляется с помощью выпуклых скатов углублений, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Отношение глубины hс углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру Lι с находится в интервале:

0,001< h _c /L _LC < 0,5, отношение продольного размера Lц; углубления к поперечному размеру Lщ: углубления определяется интервалом:

0,25< L _lx -/Lвc≤ l ,25 при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений вдоль и поперёк потока, соответственно.

Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно- радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:

R _J , _F ² Z _J , _F =const, J = 0,1,2,3,...п , где R,j,|. и Zj,к радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R _n ,p к максимальному радиусу башни R _IN составляет величину в интервале:

0,03 < (R _n , _F /R _1N ) < 0,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни и сопряжён с силовым диском.

Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z): - вдоль радиуса смерчевой башни: Zj _1E

- в любой J-той точке поверхности любого "K-тoгo"кoнфyзopa внутри смерчевой башни: 0,1 ,2,3,....n;K=0, 1,2,3, m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) ^:

-по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ _∑ = аrс tg (Uψ, _∑ / U _R Х),

-в любой J-той точке поверхности любого "К-того" конфузора: ψ /R K,J) ² - 1] , J = 1,2,3,....п; K=0,l ,2,3,...m, где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индeкcы"Σ","IN","пpиcвoeны координатам внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и её входному участку, соответственно, индексы "J, К" присвоены координатам любой J-той точки поверхности любого "К-того" конфузора, а индексы "Ψ,Σ","R,Σ" и "Z,Σ, присвоены компонентам азимутальной, высотной и радиальной скорости, соответственно.

Технический результат от реализации смерчевого преобразователя энергии (вариант 2) достигается тем, что он содержит:

- смерчевую конфузорную башню, состоящую, по крайней мере, из двух осесим- метричных конфузоров: внешнего и внутреннего, при этом, внешний конфузор смерчевой башни изготовлен из оптически прозрачного материала, имеет высоту Z _ОРТ и внутреннюю граничную поверхность ∑ _ОРТ , форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни на любой её высоте Z _J , _O P _T и в любом её внутреннем поперечном i-том сечении, обладающим радиусом Ri,oιч, связаны соо тношением:

R i.ОРТ Z j.ОРТ = СОПStоР T» где сопstорт является общей для всех точек на внутренней поверхности внешнего конфузора, а внутренний конфузор изготовлен из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, служащего для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, во внутреннем конфузоре, при этом, солнечное излучение направляют на оптически прозрачный конфузор напрямую, и/или с помощью концентраторов солнечной радиации в виде зеркал, и/или с помощью концентраторов, выполненных на оптически прозрачной граничной поверхности ∑ _ОРТ внешнего конфузора в виде углублений, при этом, углублениям при- дают форму поверхности двойной кривизны второго порядка, а обтекаемые формируемым смерчеобразным потоком поверхности: конфузоров, внутреннего обтекателя, неподвижных элементов направляющего аппарата, лопастей смерчевого нагнетателя, лопастей смерчевых турбин внутри области Q выполняют гладкими или формуют чередующимися гладкими участками исходной поверхности и криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты, причём сопряжение углублений с гладкими участками поверхности осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, причём, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем, а башня снабжена:

— приёмниками потоков втекающей сплошной среды,

— внутренним осесимметричным конфузорным обтекателем, размещённым по оси симметрии башни,

— неподвижным направляющим аппаратом с лопатками, размещёнными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с обтекателем и поверхностью конфузоров;

- преобразователи солнечной энергии, состоящие из:

— системы нагрева сплошной среды, заключённой между граничной оптически прозрачной поверхностью внешнего конфузора и поглощающей солнечное тепло поверхностью внутреннего конфузора,

— солнечных нагревателей теплоносителя,

— солнечных батарей для прямого преобразования солнечной радиации в электричество;

- смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, оснащённый:

— магнитной системой, состоящей из градиентного магнита и магнита с однородным магнитным полем,

— силовым подвижным диском с установленными на нём каналами с рабочим магнитно-мягким веществом, исполняющими роль направляющего аппарата смерчевой системы нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества,

— силовым валом, жёстко связанным с силовым диском и обтекателем смерчевого преобразователя и нагнетателем в смерчевой башне, ~ смерчевой системой нагрева и охлаждения рабочего магнитно-мягкого вещества, установленной по оси симметрии смерчевого преобразователя и под силовым подвижным диском, включающей: смерчевой насос и смерчевую турбину, по меньшей мере, одну, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя; - опорные узлы и силовые конструкции, установленные на фундаменте.

Осесимметричные конфузоры смерчевой башни имеют переменные по высоте радиусы R, открыты в окружающее пространство у основания башни в зоне, имеющей максимальный радиус, и в высшей точке башни, где радиус конфузоров минимален, через эти зоны сплошная среда поступает в конфузорную сборку и истекает из неё, соответственно.

Отношение глубины hс углублений, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L|,c находятся в интервале:

0,001< h _c /L| _X < 0,5, отношение продольного размера L^c углубления к поперечному размеру Lιи углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /L _вc < l ,25 , при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95.

Осесимметричный обтекатель смонтирован по оси симметрии смерчевой башни, причём, обтекатель представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно- радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:

RI,F ² ZJ,F =const, J = 0,1 ,2,3,- • • п, где R,ι,μ и Z.ι,к - радиус и высота обтекателя, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R _П , _F К максимальному радиусу башни R ₁ ^, составляет величину в интервале: o,oз<(R _n , _F / R , _N ) < o,3; при этом, обтекатель имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни, сквозь которое проходит силовой вал, связывающий ротор нагнетателя с силовым диском смерчевого преобразователя низкопотенциального тепла в механическую мощность. Направляющий аппарат смерчевой башни содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):

- вдоль радиуса смерчевой башни: Zj.v R _i∑ ² =const,

- в любой J -той точке любого

"К-того" конфузора: Z _к ,jR ,2,3, m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):

-по азимуту смерчевой башни на границе Σ: ψ _∑ = аrс tg (Uψ, _∑ / U _R, V), -в любой точке внутри смерчевой башни, включая любой "К- тый" конфузор: ψ = ψ _Σ + (U _т , _Σ / 2U _R , _Σ )f(R _1N /R iд:) ² - l] , i = 0,1 ,2,3,....п; где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","IN" и "i,"-кoopдинaты в объёме смерчевой башни, а "Ψ,Σ","R,Σ"- скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни и в в любой i-той точке " внутри выбранной области Q _∑ ,.

Технический результат от реализации преобразователя солнечной энергии достигается тем, что устройство содержит герметичный корпус, с размещенными с нем каналами, при этом, корпус теплоизолирован со всех сторон кроме стороны, покрытой одним или несколькими слоями оптически прозрачной тепловой изоляции, на которую падает поток солнечной радиации, причем металлические зачернённые наружные поверхности каналов, принимающие солнечное излучение, выполнены либо из гладких, либо из формованных пластин, или труб, причём, внутри образованных каналов пропускают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации, для чего наружным поверхностям каналов и поверхностям оптически прозрачной изоляции, обращенной во внутрь герметичного корпуса, имеют форму чередующихся участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны и исходно гладких участков, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, причем, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Отношение глубины hс углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру Lιχ находится в интервале: 0,001 < h _c /Uc < 0,3, отношение продольного размера Uc углубления к поперечному размеру Luс углубления определяется интервалом:

0,25 ≤ Uс/Lвс≤ U5 при расположении углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:

0,05 < f < 0,5, а отношение глубины hс углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру dс находится в интервале:

0,01 < h _c /d _c < 0,5, при расположения углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95.

Технический результат от реализации способа магнитотеплового преобразования энергии, запасённой в постоянных магнитных полях, в магнитно-мягких веществах и низкопотенциальных тепловых потоках достигается тем, что магнитно-мягкое вещество плотностью р, теплопроводностью λ, теплоёмкостью С и намагниченностью σ(T,B), зависящей от температуры T и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее магнитное поле, создаваемое магнитной системой, в котором индукция поля изменяется в заданном направлении X от минимального до максимального значений, формируя градиент поля dВ/dХ≠О, и магнитом в которой магнитное поле однородно, (dB/dX)=0 и имесi максимальную для выбранного постоянного магнита напряжённость В = B _llιax , при этом, слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ= рs/р в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещённых на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью p _s , охлаждают в зоне, где dВ/dХ≠О, и нагревают в зоне, где dB/dX=0, добиваясь магнитного фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлаждённой массы магнитно-мягкого вещества m _xoл к зоне, где индукция магнитного поля максимальна, и выталкивание из этой зоны нагретой массы магнитно-мягкою вещества m _гop , перешедшей в парамагнитное состояние, чем достигают непрерывности подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dВ/dХ ≠О, обеспечивая либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, преобразующее мощность магни тного притяжения в механическую мощность или в другие её виды, при этом нагрев и ох- лаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в них самоорганизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магнитно-мягкого вещества, причём обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом, вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем.

Технический результат от реализации смерчевого преобразователя магнитогепло- вой энергии достигается тем, что преобразователь содержит магнитную систему с набором постоянных магнитов, обладающих разной напряжённостью магнитного поля, и магнитопроводов, размещённых так, что напряжённость магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряжённости магнитного поля в его конце, магнитно-мягкое вещество, размещённое в каналах, образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, равного с диском внешнего радиуса, причём, магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой h,м и толщиной δм вертикально между диском и кольцом, исполняя роль боковых стенок каналов, вращающихся вместе с диском в магнитном поле градиентного магнита, преобразователь снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Zj и соответствующем этой координате, радиусе Rj выполняется равенство: ZiRi = сопstр, при этом, направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел, подвижных лопаток и обтекателя, причём, на начальном участке лопаток боковые стенки каналов с рабочим магнитно-мягким веществом являются составной частью их поверхности, при этом все поверхности, обтекаемые внутри неподвижного смерчевого конфузора, условно холодным, и, условно горячим, теплоносителями, в том числе, поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых и вогнутых частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.

Преобразователь содержит систему смерчевого охлаждения и нагрева магнитно- мягкого вещества с системой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения её температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причём энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся диске из немагнитного, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком рабочем веществе, причём форма граничных поверхностей сопел и сопряжённых с ними подвижных каналов, принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):

- , J = 0,1 ,2,3...п; M = 0,1,2,3...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):

ΨМ 1,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,...m; знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных значений координаты Z в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть, под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможность выбора любого из направлений вращения как против часовой стрелки: знак "+", так и по часовой стрелке: знак "-".

Пространственная ориентация оси симметрии каждого неподвижного сопла сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвижных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):

(±Z.,,мR.,, _м ² ) = const, J = 0,1,2,3,....п, M = 0,1 ,2,3,....m, в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):

ΨM = ΨVM ± (U _Ψ ,∑,M / 2UR, _Σ , _M )[(R| _N , _M ² /RJ, _M ² ) - 1 ] . ^{J =} l,2,3,....n; M = 0, 1 ,2,3,.... m, знак "±" у координаты "Zj,м" в выражении для сопst в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знaк"±" также указывает на возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки: (знак "+"), так и по часовой стрелке: (знак "-").

Магнитные системы расположены, по крайней мере, в двух оппозитных точках по диаметру диска так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита с помощью неподвижных сопел, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H~H _m j _П и участком, где напряжённость магнитного поля составляет H- 0,95H, _llilv , а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряжённостью магнитного поля H- 0,95 H _max и до зоны, в которой напряжённость магнитного поля однородна и достигает максимума H ~ H _max .

Для охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества в преобразователе используется либо тепловой насос, либо любой природный источник низкопотенциалыюй энергии, например, сборник отфильтрованной, условно холодной, воды ручьёв, рек или пресноводных озёр, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, например, вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие, как, условно, горячая вода, охлаждаемая па градирне, теплоноситель, нагреваемый низкопотенциальным теплом факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низко потенциальные источники.

Отношение глубины h _c углублений к их продольному вдоль направления потока размеру Lu; находятся в интервале:

0,001< h _c /L _ьc < 0,3, отношение продольного размера Lu; углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /L _BC < 1 .25 Технический результат от реализации смерчевого нагнетателя достигается тем, что нагнетатель содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус R, размещённый в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого в системе ци-линдрических координат определяется соотношением:

ZbоdуiRbоdу ^{= cons} tbody» причём, лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с внешней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением: где:

-i'гZj ^' - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни, f(f,Zi, _t ) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом нагнетателя на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zj _n , а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z, г _с - радиус нагнетателя,

Zfр - координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя, кωр- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку, V _г ± ^~ продольная скорость среды втекающей в нагнетатель, V ₄ , - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя, при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавливаются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуще- ствляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Технический результат при реализации смерчевой турбины достигается тем, что турбина содержит неподвижный корпус, ротор с лопастями, имеющими продольный размер Z, и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в неподвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилинд-рических координат, определяется соотношением:

ZbоdуiRbоdу = СОПSt, причём, лопасти турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора образуют межлопастные каналы, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом, форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:

φ(r,z) = где :

-r,z,φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни

-φ(r,Z-, _п ) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти и текущим радиусом турбины на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения турбины, при этом, сплошная среда втекает в межлоиастные каналы через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zj _n , причём, ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z, -φ(r,Z _uШ )- азимутальная координата сечения лопастей турбины на высоте Z ₀ , _l( плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов турбины в башню над турбиной,

-r _c - радиус турбины,

-k _ω - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.

Внутренняя поверхность корпуса, поверхности лопастей и ротора, взаимодействующих со сплошной средой выполнены либо гладким, либо с рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности чередующихся с криволинейными участками в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые и вогнутые скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариан т 1 ), реализующего предложенный способ.

Фиг.2. Принципиальная схема смерчевого преобразователя энергии (вариант 2). реализующего предложенный способ.

Фиг.З. Фрагмент поверхности, формованной углублением двойной кривизны.

Фиг.4. Годограф скорости.

Фиг.5. Смерчевая турбина — вид сбоку.

Фиr.6. Смерчевая турбина - вид спереди .

Фиг.7. Смерчевой нагнетатель - вид сбоку.

Фиг.8. Смерчевой нагнетатель - вид спереди.

Фиг 9. Фрагмент смерчевой башни преобразователя по варианту 2.

Фиг.10. Преобразователь солнечной энергии.

Фиг. 1 1. Схема магнитной системы преобразователя магнитотепловой энергии.

Фиг. 12. Фрагмент канала с магнитно-мягким веществом.

Варианты осуществления изобретения

Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 1 , фиг. 1 ) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 1, по крайней мере, одну, снабжённую приёмниками 2 потоков сплошной среды, обтекателем 3, неподвижным направляющим аппаратом 4 с лопаткам, размещёнными вокруг оси симметрии башни 1 , жёстко связанными с её внешней конфузорной поверхностью и обтекателем 3, силовыми вращающимися валами: нижним 5 и верхним 6, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 1 ; смерчевым нагнетателем 7, по крайней мере, одним, установленным по оси симметрии башни 1 над неподвижным направляющим аппаратом 4 и жестко связанным с нижним силовым валом 5, смерчевой турбиной 8, по крайней мере, одной, установленной по оси симметрии башни 1, жёстко связанной с верхним силовым валом 6.

Кроме того, содержит преобразователь солнечной радиации, 9, по меньшей мере, один, для утилизации солнечной радиации с целью нагрева теплоносителя; преобразователь солнечной радиации 10, по меньшей мере, один, для утилизации солнечной радиации, с целью получения электрической энергии.

Смерчевой преобразователь содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 1 1 для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии и энергии запасённой в магнитном поле, оснащённый магнитной системой 12 (фиг.l и фиг.1 1 ) с зазором 13 (фиг.1 ), состоящей из магнита 14 (фиг. 1 1), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 15 (фиг. 11), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 4 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 1 ; силовым подвижным диском 16, несущим магнитно-мягкое рабочее тело, установленным в зазор магнитной системы 12, и жёстко связанным нижним силовым вращающимся валом 5 со смерчевым нагнетателем 7 внутри смерчевой башни 1. Преобразователь оснащен смерчевой системой 17 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего тела, содержащей коммуникации, подводящие к силовому диску 16, условно, горячий 18 и, условно, холодный 19 теплоносители; системой неподвижных сопел 20 (фиг. 1 1) подающих, условно, горячий и, условно, холодный теплоносители в подвижные каналы 21 (фиг. 12) с размещённым в них магнитно-мягким рабочим телом; смерчевым насосом 22, сопряжённым с подвижным силовым диском 16, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 16 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчеобразного закрученного течения; смерчевой турбиной 23, по меньшей мере, одной, установленной в системе смерчевого охлаждения 17 преобразователя 11 по оси его симметрии, для преобразования мощности смерчеобразной струи, сформированной в смерчевом насосе 22.

Преобразователь содержит опорные узлы 24 и силовые конструкции 25, установленные на фундаменте 26. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 1 состоит, по меньшей мере, из одного конфузора с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Qr, открытый в окружающее пространство в зонах башни 1 , через которые сплошная среда поступает в башню в зоне, имеющей максимальный радиус , и истекает из неё в окружающее пространство в зоне с минимальным радиусом R _111J11 , при этом, башня 1 обладает высотой Z и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ, форма которой соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры башни 1 на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношением:

Ri ² Zj= сопst, где Rj и Zj цилиндрические координаты любой i-той точки на граничной поверхности Σ.

Поверхности конфузорной башни 1, внешней границы обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4 с лопатками, лопастей смерчевого нагнетателя 7, лопастей смерчевых турбин 8, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких и криволинейных участков в виде углублений 27 (фиг.З и фиг.12) двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 (фиг.З) и вогнутые 29 (фиг.З) скаты, причём сопряжение углублений 27 с участками гладкой поверхности 30 осуществляется с помощью выпуклых скатов 28 углублений 27, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутые 29 скаты углубления выполнены гладкими или с обтекателем.

Отношение глубины hс углублений 27 (фиг.З и фиг.12), отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности 30, к их продольному вдоль направления потока размеру L ι _. с находятся в интервале:

0,01< h _c /L _LC < 0,5, отношение продольного размера L|,c углубления 27 к поперечному размеру Lц( этого углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /L _BГ ≤ 1 ,25 при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95.

Осесимметричный обтекатель 3 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 1 , причем, обтекатель 3 представляет собой тело вращения, проекция которого на про- дольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением:

R _J , _F ² Z _J , _F =const, J = 0,1 _* 2,3,...п, где Rj ₁ K И Z, _I , _F радиус и высота обтекателя 3, а отношение максимального радиуса R,,,к внешней граничной поверхности обтекателя 3 к максимальному радиусу R _IN башни 1 составляет величину в интервале:

0,03<(R _n , _F / R _IN ) < 0,3.

Обтекатель 3 имеет отверстие, через центр которого, лежащий на оси симметрии башни 1 , проходит силовой вал 5, связывающий объём смерчевой башни 1 и объём преобразователя 1 1 мощности, при этом внутри смерчевой башни 1 силовой вал 5 сопряжён с нагнетателем 7, а в преобразователе 11 -с подвижным силовым диском 16, вращающимся в зазоре магнитной системы 12.

Неподвижный направляющий аппарат 4 смерчевой башни 1 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):

- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе∑:

- в любой J-той точке поверхности " К-того " конфузора: Zj,к Rj,к ²⁼ const, J = 0,1,2,3, ....п; K = 0,1 ,2,3,...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):

- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ: аrс tg (Uψ,∑/ U _R ,V), -в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: ψ = ψv + (U _т , _Σ / 2U _R , _Σ )[(R _IN /R к,j) ² - l] , J = 1,2,3,....п; K=0,1 ,2,3...m, где R, Z и Ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни 1, U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ", "IN" и "J" -координаты точек и скорости на внутренней граничной поверхности Σ смерчевой башни 1 и в в любой J-той точке "К-той" поверхности внутри выбранной области Q*;, соответственно.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды (вариант 2, фиг,2) содержит смерчевую осесимметричную конфузорную башню 31 , состоящую, по крайней мере, из двух осесимметричных конфузоров: внешнего 32 и внутреннего 33, снабжённую приём- никами 34 потоков сплошной среды, обтекателем 35, неподвижным направляющим аппаратом 36 с лопатками, размещёнными вокруг оси симметрии башни, жёстко связанными с их внешними конфузорными поверхностями и обтекателем 35, установленным по оси симметрии башни 31; силовыми вращающимися валами - нижним 37 и верхним 38, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии башни 31 ; смерчевым нагнетателем 39, жестко связанным с нижним силовым валом 37 и расположенным над неподвижным направляющим аппаратом 36; смерчевой турбиной 40, по крайней мере, одной, установленной по оси симметрии башни и жёстко связанной с верхним силовым валом 38.

Смерчевой преобразователь энергии сплошной среды содержит преобразователи солнечной энергии, состоящие из нагревателей сплошной среды и преобразователей солнечной радиации непосредственно в электрическую энергию: в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 смерчевой башни 31 и конфузором 33, имеющим поверхность с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения. Кроме того снабжен по меньшей мере, одним преобразователем 42 солнечной энергии, с целью нагрева теплоносителя, и по меньшей мере, одним преобразователем 43 для утилизации солнечной радиации с целью получения электрической энергии.

Изобретение содержит смерчевой магнитотепловой преобразователь 44 низкопо- тенциального тепла и энергии, запасённой в магнитном поле, оснащённый:

- магнитной системой 45 с зазором 46, состоящей из магнита 47 (фиг.1 1 ), создающего градиентное магнитное поле, и магнита 48 (фиг.1 1 ), создающего однородное магнитное поле, расположенных под неподвижным направляющим аппаратом 36 по оси симметрии конфузорной смерчевой башни 31 ;

- подвижный силовой диск 49, несущий магнитно-мягкое рабочее вещество, установленный в зазор магнитной системы 45, и жёстко связанным нижним силовым вращающимся валом 37 со смерчевым нагнетателем 39 внутри смерчевой башни 31 ;

- смерчевой системой 50 нагрева и охлаждения магнитно-мягкого рабочего вещества, установленной по оси симметрии смерчевой башни под неподвижным направляющим аппаратом 36 и жёстко связанный с силовым вращающимся валом 37;

- смерчевым насосом 51, сопряжённым с подвижным силовым диском 49, закручивающим в смерчеобразную струю потоки теплоносителей, поступающие в расположенные на диске 49 каналы с магнитно-мягким веществом, пространственная ориентация которых соответствует необходимым и достаточным условиям формирования смерчсоб- разного закрученного течения;

- смерчевой турбиной 52 в системе смерчевого охлаждения, по меньшей мере, одной, для преобразования энергии смерчеобразной струи теплоносителя, используемою для нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества.

Изобретение содержит опорные узлы 53 и силовые конструкции 54, установленные на фундаменте 55. Смерчевая осесимметричная конфузорная башня 31 состоит из внешнего 32 и внутреннего 33 конфузоров с переменным по высоте радиусом R и представляет собой объём Q _∑ , открытый в окружающее пространство в зонах башни 31. имеющих максимальные радиусы Rιs,m _a χ и Ros,max соответственно, через эти зоны сплошная среда поступает в башню 31 и истекает из башни в зоне с минимальными радиусами Ros,min Rιs.тiιъ при этом, внешний конфузор башни обладает высотой Zоs и имеет внутреннюю граничную поверхность Σ _O s, а внутренний конфузор башни обладает высотой Zιs и имеет внутреннюю и минимальный граничную поверхность ∑ιs, причём, форма граничных поверхностей соответствует квадратичной гиперболе такой, что геометрические размеры конфузоров башни 31 на любой её высоте и в любом её внутреннем поперечном сечении связаны соотношениями: сопst ι _. оs, i = 0.1 .2.3.. .п, где R., ιs и R, оs радиусы любой i-той точки на поверхности внешнего 32 и внутреннего 33 осесимметричных конфузоров, а Z, ιs и Z, os - высотные цилиндрические координат ы i- той точки на поверхности этих конфузоров. Внешний из конфузоров изготовлен из оптически прозрачного материала, а внутренний - из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, используемой для нагрева среды в пространстве между внешним и внутренним конфузорами и, опосредованно, внутри внутреннего конфузора 33. Солнечное излучение направляют на оп тически прозрачный конфузор 32 напрямую с помощью традиционных концентраторов солнечной радиации, и/или выполненных на поверхности конфузора 32 в виде углублений 27, имеющих поверхность второго порядка двойной кривизны. Граничные поверхности: конфузоров 32 и 33, обтекателя 35, неподвижных элементов направляющего аппарата 36, лопастей смерчевого нагнетателя 39, смерчевой турбины 40, обтекаемых сплошной средой внутри области Q, выполняются гладкими или имеют форму чередующихся гладких участков исходной поверхности и криволинейных участков в виде углублений участков в виде углублений двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов 28, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью 30 и с поверхностью вогнутых скатов углубления 29, выполненной гладкой или с обтекателем.

Отношение глубины hс углублений 27, отсчитываемой от уровня исходно гладкой поверхности, к их продольному вдоль направления потока размеру L[,c находятся в интервале:

0,001< h _c /L _L c< 0,5, отношение продольного размера Lιχ углубления к поперечному размеру Lнс углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /Lвc < l,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f ≤ 0,95.

Осесимметричный обтекатель 35 смонтирован по оси симметрии смерчевой башни 31 , причём, обтекатель 35 представляет собой тело вращения, проекция которого на продольно-радиальную плоскость (R,Z) имеет форму квадратичной гиперболы, определяемую соотношением: где R.ι,к и Zj,к радиус и высота обтекателя 35, а отношение максимального радиуса внешней граничной поверхности обтекателя R _n ,к к максимальному радиусу смерчевой башни 31 , составляет величину в интервале:

0,03<(R _П ,F / R IN) < 0,3-

Обтекатель 35 имеет отверстие, центр которого лежит на оси симметрии башни 31 и сопряжён силовым валом 37 с силовым подвижным диском 49.

Неподвижный направляющий аппарат 36 смерчевой башни 31 содержит лопатки, форма которых определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (R,Z):

- вдоль радиуса смерчевой башни 1 на границе∑: ZvRv =const,

- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Z к,j R J = 0,1 ,2,3,....п; К = 0,1 ,2,3,...m; в азимутально-радиальной плоскости (*F,R)

- по азимуту смерчевой башни 1 на границе Σ: ψi = аrс tg (Uψ, _∑ :/ U _R , _I :).

- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной облас ψ = ψv + (U _Ψ ,r/ 2U _R , _Σ )[(R _IN /R _к ,.ι) ² - l] , J = 1 ,2,3,....п; K=O, 1 , 2,3... m, где R, Z и ψ - цилиндрические координаты смерчевой башни I ₅ U - скорость потока сплошной среды, индексы "Σ","Ψ,Σ","R,Σ","Z,Σ", "IN" и "J" -координаты и скорости внутри смерчевой башни 1 и в в любой J-той точке любого "К-того" конфузора.

Изобретение содержит механический насос 76, подающий, условно, холодный теплоноситель в систему охлаждения магнитно-мягкого вещества, механический насос 77, подающий, условно, горячий теплоноситель в систему нагрева магнитно-мягкого вещества, блок пусковых электрических аккумуляторов 78, узел электрических коммутирующих устройств 79 для автоматизированного управления работой преобразователя; генераторы 80, преобразующие механическую мощность, отбираемую турбиной у смерчеоб- разного потока в электрическую мощность; маховик (на чертеже не показан), стабилизирующий вращательное движение нагнетателей, связанных с силовым диском магнитоте- плового преобразователя.

Изобретение содержит блок магнитно-механических узлов подвеса и узлов подшипников (на чертеже не показан), связывающих оси движущихся конструктивных элементов преобразователя с механическими преобразующими механизмами и/или электрогенераторами.

Технический результат предложенного изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом преобразователе (вариант 1) следующим образом:

- сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область Q _∑ , имеющую форму конфузора, высотой Zоuт и переменным по высоте радиусом:

RIN > R > Rоuт, или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём Q _K высоту Zк _, ouт и переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале: RK,IN ≥ R ≥ Rк,onт, при этом, области Q _∑ и Qк имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и ΣQ _К , соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах Σ _Q И ΣQ _К И внутри области Q выполнялись соотношения:

RIN ² Z| _N = R|, _∑ ² Zιд: = Rоuт ² Z<χл = сопst v, Rj,к ² Zj, _к = сопst j где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам RЦ _N ,Ψ _IN , указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоuт, Rouт,ψoιιт, указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ , индекс "J,K" обозначает положение любой J-той точки в объёме К- того конфузора, ограниченного поверхностью Σ, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность каждой "сопst" объёму, заключённому внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "K- той" поверхности внутри области Q _∑ , соответственно, индексы "Σ" и "J", присвоенные постоянным "сопst", указывают на принадлежность каждой "сопst" либо объёму Qv. либо любому объёму Q _K - Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Q _∑ под местным азимутальным, углом ψо. определяющим внутри области Q _∑ начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу R| _N , и местными высотными углами αо _∑ по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечивают за счёт выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесим- метричной области Qv обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь внутри осесимметричной области Qv по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Qv, увеличивая за счёт этого скорость U _IN потока, втекающего в эту область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Q _∑ в отсутствии в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя, концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Qv-, имеющей радиус и продольную координату Z _max , определяющих равенство продольной компоненты скорости Uχ, и азимутальной скорости Vψ, располагают зону преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность. При прохождении этой зоны, поток сплошной среды теряет закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины, и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Qv располагают зону компрессии, повышающую на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ, скорость Uоuт, причём повышение скорости Uош по отношению к скорости U _IN потока, втекающего в область Qv;, связывают между собой отношением радиуса выходного участка Rоιrr к поперечным по отношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Zцv граничной поверхности Σ:

UlN / UоiJТ ⁼ Rθll r/n Z]N , где "п" определяется в интервале: l<n< 20, а радиусы Rцу и Rоιи области Qv определяются в интервале:

1,5< R, _N /Rouт < 7,5.

Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или энергию, запасённую в магнитном поле постоянных магнитов 14 и 15 и в магнитно-мягких веществах, размещённых в каналах 21. Поверхности: внутренней границы Σ обтекателя 3, неподвижных элементов направляющего аппарата 4, обтекаемых сплошной средой внутри области Qv, формуют углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности 28 и 29 второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причём сопряжение углублений 27 с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом, вогнутая 29 часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.

Отношение глубины hс углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру Liχ находятся в интервале:

0,001< h _c /L, _x < 0,12, от ношение продольного размера L _LС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /Lвc < l,25, при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры вдоль и поперёк потока, соответственно.

Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ∑ области Q и в любой К-той точке на J- той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями: соответственно, при этом, местный высотный угол щ _∑ и местный азимутальный угол ψо определяются соотношениями: αо∑ = аrс соs (U _Z ,IN / U _Σ ,| _N ) и ψ ₀ = аrс tg (U _Ψ ,∑ / U _R ,v), соответственно, причём, угол щ, _∑ образуют с помощью направляющей поверхности, касающейся осесимметричной поверхности Σ _Q В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:

3,5Rom < Ri,∑< 4,5Roυτ и 0.08 Zош < Z _iД < 0.05Z _O ιгг,

а высотные углы αo,∑ ₀ к _> под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричным поверхностями ∑к имеют координаты R,ι,к и Z,j,к определяемые в интервалах:

3,5Rк, опт ≤ RJ,K ≤4,5R к, оuт и Z к, опт ≤ Z,ι,к ≤ Z к, опт,

что обеспечивает формирование в выбранной области Q^ смерчеобразного квазипотен- циального закрученного потока с компонентами скорости U _R , Uχ и U«ι», определяемыми внутри области соотношениями:

- вдоль радиуса области Q

- на границе Σ : U _R Д; = - Q(t) R _IN ,

- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: UR,J,K= - Co(t) R.ι,к, - вдоль продольного размера области Q

- на границе Σ: U _Z ,I _N = 2 C ₀ (t) Z| _N ,

- в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uz,j,к ⁼ 2 Co(t) Zj,к;

-по азимуту области Q

- на границе Σ: U _ΨΣ = (Г ₀ (t) / 2πR, _N ) [1 - exp(-C ₀ (t) RIN ² / 2v)], —в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uψ∑ = (Гo(t) / 2π Rк) [1 - exp(-Q(t) R _R - ² / 2v)], здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причем, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj,к области Q, включая точку Rцv па граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (U _R , _∑ (t) /Rц _\ ), при этом, Co(t) и Г ₍ >(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости Uιм потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nouт~UoiJT ^{3 П} P ^И балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями.

Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды осуществляется в предлагаемом устройстве по варианту 2 следующим образом:

- смерчевую башню 31 размещают в местности, ландшафт которой свободен от насаждений и застройки, создающих помехи движению воздушных масс;

- на поверхность оптически прозрачного конфузора 32 направляют солнечное излучение напрямую или с помощью концентраторов, создавая на поглощающей поверхности внутреннего конфузора 33 градиент температур, направленный от входного отверстия в башне к её выходному отверстию;

- нагревают солнечным теплом сплошную среду, находящуюся в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, обеспечивая термоиндуцированное, ускоряющееся смерчеобразное течение, для которого внутренний поглощающий конфузор 33 служит обтекателем, при этом выходное от- верстие внутреннего конфузора 32 расположено ниже выходного отверстия конфузора 33 с оптически прозрачной поверхностью;

- в зоне над выходным отверстием внутреннего конфузора 33 в смерчеобразном потоке, сформированном в зазоре 41 между оптически прозрачным конфузором 32 и конфузором 33 с поглощающей поверхностью, понижается динамическое давление и происходит подсос среды из объёма внутреннего конфузора 33;

- за счёт этого сплошная среда из окружающего пространства поступает по множеству траекторий в осесимметричную область Q _J :, имеющую форму конфузора, высотой ZQ _IIТ и переменным по высоте радиусом

RIN > R > Rоu г, или нескольких конфузоров, вложенных один в другой, каждый из которых имеет объём QK высоту Zк,oιιт И переменный по высоте радиус R, изменяющийся в интервале:

Области Qj; И Q _K имеют входные и выходные участки на граничных поверхностях ΣQ и Σ _QК , соответственно, а высоту и радиус областей выбирают так, чтобы всюду на границах ΣQ И ∑Q _К И внутри области Q выполнялись соотношения:

R _l N ZIN = R _l , ₂ _ Z|,r = RоiJТ ZoUT= СОПStv.,

Rк,j ² Z _к ,j = сопstк, где индекс "IN", присвоенный цилиндрическим координатам Z _IN , R _IN , Ψ _IN , указывает на их принадлежность входному участку граничной поверхности Σ, индекс "OUT", присвоенный цилиндрическим координатам Zоιm Rоιгьψоιrь указывает на их принадлежность выходному участку граничной поверхности Σ, индекс "J,K" для области, расположенной внутри конфузора, ограниченного поверхностью Σ, обозначает положение любой J -той точки внутри К- того конфузора, ограниченного поверхностью ∑к, индексы "Σ" и "К". присвоенные постоянным "сопst _∑ " и сопstк, указывают на принадлежность каждой "сопst" объёму, заключённому внутри граничной поверхности Σ и внутри каждой "K- той" поверхности внутри области Q _∑ , соответственно. Траектории среды, движущейся на входном участке граничной поверхности Σ, направляют во внутрь области Qi; под местным азимутальным, углом ψо, определяющим внутри области Qv начальную закрутку потока сплошной среды по отношению радиусу Rц _\ , и местными высотными углами αоv по отношению к направлению оси симметрии этой области, обеспечиваю! за счёт выбранной пространственной ориентации этих статических поверхностей формирование струй, слияние которых в осесимметричной области Qv обеспечивает смерчеобразную закрутку и радиальную сходимость в закрученном потоке, возникшем в результате слияния. Формируемый закрученный поток является квазипотенциальным и двигаясь внутри осесимметричной области Q _∑ по руслу или руслам конфузорной формы с уменьшающимся от входного к выходному участку сечением, приобретает ускорение, повышающее скорость течения и перепад давления между средой во внешнем пространстве и средой в области Q _∑ , увеличивая за счёт этого скорость U _IN потока, втекающего в эгу область, по сравнению со скоростью потока, втекающего в область Qv в отсутствии в ней закрученной струи, формируемой с помощью нагнетателя. Концентрируют в ускоряющейся закрученной струе, кинетическую мощность, максимум которой достигается в зоне области Qv, имеющей радиус R _max и продольную координату Z _max , определяющих равенство продольной компоненты скорости Uz, и азимутальной скорости Uψ. Располагают в этой зоне преобразователь кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность, при этом, поток сплошной среды при прохождении этой зоны, терясг закрутку, отдает часть своей кинетической мощности лопастям турбины 40, и замедляется, поэтому для компенсации замедления потока в пространство между неподвижными направляющими поверхностями и зоной преобразования кинетической мощности закрученного потока в механическую мощность в области Q _∑ располагают зону компрессии, за счёт установки смерчевого нагнетателя 39, повышающего на этом и, опосредованно, на выходном участке граничной поверхности Σ, скорость Uоιп, причём повышение скорости Uоu г ^пo отношению к скорости U _IN потока, втекающего в область Qv, связывают между собой выбором отношения радиуса выходного участка Rоιл к поперечным по оi- ношению к направлению втекающего потока размерам входного участка Z _JN граничной поверхности Σ согласно соотношения:

U|N / UоiJТ ⁼ RθlJ |/n Z|N , где "п" определяется в интервале: l≤n< 20, а радиусы и Rоuг области Qv определяются в интервале:

1 ,5< R, _N /Roш < 7,5.

Для формирования закрученного потока используют энергию натекающей сплошной среды и/или тепло солнечной радиации, и/или геотермальную энергию, и/или энергию тепловых отходов антропогенной деятельности, и энергию запасённую в магнитном поле постоянных магнитов и в магнитно-мягких материалах, при этом поверхности: внутренней границы Σ обтекателя 35, подвижных и неподвижных элементов направляющего аппарата 36, обтекаемых сплошной средой внутри области Q^, формуюι углублениями 27 двойной кривизны, представляющими собой криволинейные поверхности второго порядка, чередующиеся с участками исходно гладкой поверхности, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклой части 28 их поверхности, скаты которой имеют общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и во всех точках сопряжения с вогнутой 29 частью поверхности углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.

Отношение глубины hс углублений 27 к их продольному вдоль направления потока размеру L| с находятся в интервале:

0,001 < h _c /L _LC < 0,12, отношение продольного размера L _LС углубления 27 к поперечному размеру Lв _(j углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /Lвc< l,25, при плотности f расположения углублений 27 на поверхности, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95, где индексы "LC" и "ВС" определяют продольный и поперечный размеры углублений 27 вдоль и поперёк потока, соответственно.

Скорость смерчеобразного закрученного потока на входном участке границы ∑ области Q и в любой К- той точке на J- той поверхности внутри этой области, определяется соотношениями: + U _z ,.,.к ² + соответственно, при этом, местный высотный угол αо _∑ и местный азимутальный угол ψo (cм. фиг. 4) определяются соотношениями:

Ot ₀ V = аrс соs (Uz,iN / U _ΣJN ) и ψ ₀ = аrс tg (\J _Ψ χ I U _R ^), соответственно, причём, угол αo _,∑ образуют с помощью направляющей поверхност и, касающейся осесимметричной поверхности Σ _Q В любой точке, координаты Rj,v и Zj,v которой находятся в интервалах:

3,5R _O uт < Ri,£< 4,5Roш и 0.08 Z _(П гι < Zj,v< 0.05Z _O(П , а высотные углы αo, _∑OK5 под которыми в любой "К-тый" конфузор подают сплошную среду, образуют с помощью направляющих поверхностей, точки касания которых с осе- симметричным поверхностями ∑к имеют координаты Rι,к и Zj,к определяемые в интервалах:

3,5R _K , опт < Ri,к <4,5R _к , оuт и 0.08Z _к , опт < Zj, _к < 0.05Z _к , опт,

что обеспечивает формирование в выбранной области Q _∑ смерчеобразного квазипотем- циального закрученного потока с компонентами скорости U _R , U _Z , И Uψ, определяемыми внутри области соотношениями:

- вдоль радиуса области Q на границе Σ : U _R Д; - - C<ι(t) R _IN , в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: U _R , _I , _K ⁼ - Co(t) R.ι,к,

- вдоль продольного размера области Q на границе Σ: U _/ , _IN ⁼ 2 Co(t) ZI _N , в любой К-той точке "J-той" поверхности внутри выбранной области Q: Uχ,,ι,к ⁼ 2 Co(t) Z.ι,к;

- по азимуту области Q: на границе Σ: U _ΨΣ - (Г ₀ (t) / 2πR, _N ) [1 - exp(-C ₀ (t) R| _N ² / 2v)J, в любой J-той точке любого "К-того" конфузора внутри выбранной области Q: Uψ _∑ - (Гo(t) / 2π R j) [1 - exp(-Co(t) Rj ² / 2v)J, здесь Гo(t) - зависящая от времени циркуляция среды в смерчеобразном вихре, причём, закрученное течение по мере уменьшения радиуса Rj,к области Q, включая точку R _IN на граничной поверхности Σ, радиально сходится вдоль оси симметрии этой области, на что указывает знак минус в зависящем от времени выражении радиального градиента скорости смерчеобразного течения Co(t) = - (U _R , _∑ (t) /R _IN ), при этом, Co(t) и Гo(t) изменяются вслед за изменением во времени скорости U _IN потока, втекающего в область Q, а мощность сформированной смерчеобразной квазипотенциальной струи растёт пропорционально Nouj~Uoιιт ³ при балансе энергии между её сконцентрированным количеством в сформированном смерчеобразном потоке и энергией среды, втекающей в область Q через граничную поверхность Σ.

Одной из реальных возможностей эвакуации является создание преобразователя, оснащённого двумя, встроенными одна в другую, конфузорными смерчевыми башнями 31 и конфузорным обтекателем 35. Внешняя конфузорная смерчевая башня 32 изготав- ливается из оптически прозрачного материала с целью использования тепла солнечной радиации для нагрева массы сплошной среды, заключённой в зазоре 41 между внутренней поверхностью внешнего конфузора 32 и внешней поверхностью внутреннего конфу- зора 33 и стимулирования в этой зоне термоиндуцированного восходящего течения. С такой же целью внешняя поверхность внутреннего конфузора 33 изготавливается из материала, обладающего высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения.

Системы каналов, по которым во внутрь смерчевой башни поступает масса сплошной среды, сходятся к оси симметрии башни, формируя смерчеобразный поток. При этом, поток сплошной среды, направляемый во внутренний конфузор приобретает за счёт формы каналов смерчеобразного закрученного течения.

За счёт конфузорной формы башни 31, по мере продвижения закрученного течения к выходу из башни, в потоке концентрируется кинетическая мощность, внесённая в башню потоком из внешней среды. Максимум этой мощности достигается внутри башни в зоне преобразования давления и кинетической мощности при условии равенства между собой азимутальной U _ψ и продольной Uz компонент скорости смерчеобразного течения.

2C ₀ Z _max = Г ₀ /2πR _max [l - ехр ( - C ₀ R _ma χ ² /2v)j

ПОТОК СПЛОШНОЙ среды, втекающий в зазор 41 смерчевой башни 31 также приобретает структуру смерчеобразного закрученного течения; ускоряется, в нём концентрируется энергия и понижается давление. Сформированный смерчеобразный поток отсасывает массу сплошной среды, замедлившуюся в результате взаимодействия с лопастями смерчевой турбины 40, и стабилизирует процесс преобразования энергии. Описанная выше схема представлена на фиг.2.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Преобразователь либо 9, либо 42 солнечной энергии в тепло содержит герметичный корпус 68, с размещенными с нем каналами 69, при этом, корпус теплоизолирован со стороны дна и боковых сторон любым теплоизоляционным материалом, а со стороны, на которую падает поток солнечной радиации, покрыт одним или несколькими слоями 70 оптически прозрачной тепловой изоляции, сквозь которую солнечное излучение попадает на металлические зачернённые поверхности 71 каналов 69, образованных гладкими, или формованными пластинами, или трубами любого сечения, внутри которых пропус- кают теплоноситель, нагреваемый теплом солнечной радиации. На освещаемые Солнцем поверхности оптически прозрачной тепловой изоляции и на поверхности каналов, обтекаемые теплоносителем, наносят рельеф в виде углублений 27 двойной кривизны и чередующихся с этими углублениями исходно гладких участков, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности, причём сопряжение углублений 27 с исходно гладкими участками поверхности осуществляется с помощью выпуклых частей углублений, скаты которых имеют во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с вогнутой частью поверхности углубления общие касательные, а вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Отношение глубины hс; углублений на поверхности каналов к их продольному вдоль направления потока размеру L _LС находится в интервале:

0,001 ≤ Ь _С /LL _С ≤ 0,3, отношение продольного размера Liχ- углубления к поперечному размеру Lщ углубления определяется интервалом:

0,25 ≤ Uс/Lвс≤ 1,25 при расположения углублений на поверхности с плотностью f. находящейся в интервале:

0,05 < f < 0,5, а отношение глубины hс углублений на оптически прозрачной поверхности к их диаметру dс находится в интервале:

0,01 < h _c /dc < 0,5, при расположения углублений на поверхности с плотностью f, находящейся в интервале:

0,1 < f < 0,95.

Работа преобразователя солнечной энергии в тепло основана на освещении Солнцем через оптически прозрачную внешнюю поверхность 70, внешней поверхност и 71 каналов 69, обладающих высоким значением коэффициента поглощения солнечной радиации, что приводит к нагреву поверхности и жидкого теплоносителя в ограниченном сю канале 69. На освещаемые Солнцем поверхности и на поверхности, обтекаемые теплоносителем нанесены углубления 27, увеличивающие количество тепла, передаваемое теплоносителю. Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами и испытаниями. Смерчевой магнитотепловой преобразователь либо 1 1, либо 44, содержит магнитную систему либо 12, либо 45 (фиг.l, фиг.2, фиг.l 1), магнитное поле в которых создаётся набором постоянных магнитов, обладающих разной напряжённостью магнитного поля, и магнитопроводы, размещённые так, что напряжённость магнитного поля изменяется от минимального значения поля на входе в магнит до максимального значения напряжённости магнитного поля в его конце. Магнитно-мягкое вещество, размещено в подвижных каналах либо 21 , либо 73 (фиг.l, фиг.2, фиг.l 1) образованных между диском, изготовленным из немагнитного теплоизолирующего материала и коаксиальным кольцом из того же материала, имеющий внешний радиуса, равный радиусу диска. Магнитно-мягкое вещество расположено в виде пластин высотой hм и толщиной δм вертикально между диском и кольцом, выполняя роль боковых стенок каналов либо 21, либо 73, вращающихся вместе с диском в магнитном поле. Преобразователь либо 1 1, либо 44 снабжен гидравлической системой смерчевого охлаждения и нагрева со смерчевым насосом, состоящим из осесимметричного неподвижного смерчевого конфузора, любое продольное сечение которого, содержащее ось симметрии конфузора, представляет собой квадратичную гиперболу, у которой в любом поперечном сечении при продольной координате Zj и соответствующем этой координате, радиусе R,- выполняется равенство: ZiRj = const|>. Направляющий аппарат гидравлической смерчевой системой либо 17, либо 50 (фиг. l , фиг.2) нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества состоит из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг. 11), обтекателя либо 74, либо 75 и подвижных лопаток нагнетателя либо 17, либо 76. Начальный участок лопаток состоит из рабочего магнитно-мягкого вещества и является составной частью направляющих поверхностей, формирующих в насосе смерчеобразный закрученный поток, обтекающий установленную на оси симметрии насоса смерчевую турбину либо 62, либо 63, вращение которой возвращает часть энергии, затраченной на организацию охлаждения. Все поверхности, обтекаемые теплоносителями внутри неподвижного смерчевого конфузора либо 74, либо 75, в том числе, поверхности пластин из магнитно-мягкого вещества, имеют рельеф в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей криволинейной поверхности углублений, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью с помощью выпуклой части рельефа, скаты которого имеют общие касательные во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью углубления, при этом вогнутая часть углублений выполнена гладкой или имеет обтекатель.

Отношение глубины h _c углублений к их продольному вдоль направления потока размеру Liχ; находятся в интервале:

0,001< h _c /L _LC < 0,l, отношение продольного размера L _LС углубления к поперечному размеру Lвс углубления определяется интервалом:

0,25< L _LC /L _вc < l, чем увеличивают скорость обмена теплом и массой между слоями магнитно-мягкого материала и теплоносителем.

Рельеф углублений 27, наносимый на обтекаемые поверхности, как установлено в теоретических и экспериментальных исследованиях, изменяет на граничных поверхностях структуру пограничного слоя потока, порождает самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих часть сплошной среды, сосредоточенной в зоне расположения углублений на обтекаемой поверхности, влияя на уровень диссипации энергии потока, и интенсифицируя обменные процессы между закрученной струёй и поверхностью. Выбор радиусов кривизны и размеров криволинейных участков обтекаемой поверхности осуществляют на основании теоретических расчетов, подтвержденных в экспериментальных исследованиях, обеспечивают технологию их нанесения на поверхности и выполнение условий самоорганизации вторичных смерчеобразных струй, встроенных в обтекающее течение. Поток сплошной рабочей среды либо направляют на поверхности, формованные углублениями 27, либо рельеф указанной формы наносят на поверхность тел, движущихся в среде газов, жидкостей или в их двухфазных смесях, достигая при этом уменьшения напряжений трения на формованных поверхностях и интенсифицируя процессы массо- и теплообмена между энергообменной поверхностью и потоками сплошной среды.

Во вращающиеся каналы либо 21 , либо 73 (фиг. 1 1) от системы, либо 17, либо 50 (фиг.1 , фиг.2), смерчевого охлаждения и нагрева рабочего вещества подаётся теплоноситель, поступающий во вращающиеся каналы либо 21, либо 73 из неподвижно расположенных сопел либо 20, либо 72, пространственная ориентация оси симметрии каждого из которых сопряжена с пространственной ориентацией оси симметрии и формой подвиж- ных каналов с магнитно-мягким веществом, и в системе цилиндрических координат имеет вид: в продольно-радиальной плоскости (Z,R):

(±Zj, _м R, _)Л , ² ) = const, J = 0,1 ,2,3,....п, M = 0,1 ,2,3,....m _s в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) ^: ψм = Ψi:м ± (Uч',∑,м / 2U _R , _Σ , _I и)[(RiN,м ² /Rj,м ² ) - l], J = 1 ,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,....m, знак "±" у координаты "Zj,м" в выражении для сопst в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на возможность выбора любого направления истечения смерчеобразного потока либо в сторону отрицательных, либо в сторону положительных значений оси Z, а для координаты ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) знaк"±" также указывает па возможность выбора любого из направлений вращения, как против часовой стрелки (знак "+"), так и по часовой стрелке, (знак "-").

Магнитные системы либо 12, либо 45 расположены, по крайней мерс, в двух оп- позитных точках по диаметру силового диска либо 16, либо 49 так, что охлаждение магнитно-мягкого вещества происходит в магнитном поле градиентного магнита либо 15. либо 48, с помощью неподвижных сопел либо 20, либо 72, установленных в зоне, занимающей пространство между участком с минимальной напряженностью магнитного поля H-H _n , j _n и участком, где напряжённость магнитного поля составляет H- 0,95 H ,, _liU , а нагрев рабочего тела обеспечивается неподвижными соплами, также установленными внутри градиентного магнита, занимая пространство от зоны с напряжённостью магнитного поля H~ 0,95 H _max и до зоны, в которой напряжённость магнитного поля однородна и достигает максимума H~H _ma χ-

Преобразователь содержит для охлаждения магнитно-мягкого вещества либо тепловой насос либо 81, либо 82 (фиг.l, фиг.2), либо любой природный источник низкопотенциальной энергии, например, сборник, условно холодной, воды ручьёв, рек или пресноводных озёр, и сборник, условно горячей, воды любого происхождения, для нагрева магнитно-мягких веществ, например, вода, нагретая в солнечных коллекторах, вода геотермальных источников или тепловые отходы антропогенной деятельности, такие, как, условно, горячая вода, охлаждаемая в градирне, тепло факелов нефте- и газоперерабатывающих производств и другие низко потенциальные источники.

Преобразователь либо 1 1 , либо 44, содержит гидравлическую систему смерчевого охлаждения и нагрева либо 17, либо 50 (фиг.l , фиг.2) магнитно-мягкого вещества с сие- темой возврата воды во внешнюю среду после использования и понижения её температуры при смешении охлаждающего и греющего потоков, причём энергетические и температурные характеристики греющего и охлаждающего потоков, подаваемых из неподвижных сопел либо 20, либо 72 (фиг.l 1), в каналы охлаждения и нагрева этого вещества, расположенные на вращающемся силовом диске либо 16, либо 49, из немагнитною, теплоизоляционного материала, обеспечивают магнитные фазовые переходы в выбранном магнитно-мягком веществе. Форма граничных поверхностей сопел либо 20, либо 72 и сопряжённых с ними подвижных каналов либо 21, либо 73 (фиг.l 1 ), принимающих потоки теплоносителя, определяется соотношениями: в продольно-радиальной плоскости (Z,R): J = 0,1 ,2,3...п; M = 0,1 ,2,3...m; в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R):

Ψм=ψi;м ±(U _Ψ ,j;,м / 2U _RД: ,м)[(R, _N ,м ² /Rj,м ² ) -Ib J = 1 ,2,3,....п; M = 0,1 ,2,3,... m; знак "-" у координаты Z в продольно-радиальной плоскости (Z,R) указывает на направление закрученного течения в сторону отрицательных её значений в выбранном варианте смерчевого преобразователя, то есть, под основание смерчевой башни, а знак "±" в выражении для ψм в азимутально-радиальной плоскости (Ψ,R) указывает на возможнос ть выбора любого из направлений вращения: знак "+" против часовой стрелки, знак "- ^* ' по часовой стрелке.

Протекающие через каналы либо 21 , либо 73 (фиг.l 1) потоки теплоносителей формируются в смерчеобразную струю, которая автомодельно отсасывает теплоноситель из каналов с охлаждаемым и нагреваемым магнитно-мягким веществом, причем пространственную ориентацию, геометрические размеры и форму неподвижных сопел либо 20, либо 72 и каналов либо 21 , либо 73 определяют на основе точных решений основных нестационарных уравнений гидродинамики, описывающих квазипотенциальные, ради- алыιо сходящиеся закрученные течения вязкой жидкости, имеющие в цилиндрических координатах вид: в продольно-радиальной плоскости (R,Z): ±ZjRj ² = const, i =0,1 ,2,3,....п; в азимутально-радиальной плоскости (R,Ψ): ψ = ψ _o ± (U _FΨ /2UкR) [(R _F .sм ² /Ri,sм ² ) - l] , i =0,1,2,3,...п; знак "± "указывает направление закрученного течения в сторону либо отрицательных, либо положительных значений оси Z, и на направление закрутки, а Ψо - определяет начал ь- ный угол между направлением скорости теплоносителя и радиусом силового диска, при этом, направляющий аппарат гидравлической системы смерчевого охлаждения и нагрева магнитно-мягкого вещества создают так, чтобы направление осей симметрии подающих теплоноситель в охлаждаемые и нагреваемые каналы сопел либо 20, либо 72 (фиг. 1 1 ). и каналов либо 21 , либo73, содержащих магнитно-мягкое вещество, совпадали и придавали движению теплоносителя пространственную ориентацию, определяемую углами: в радиально-азимутальной плоскости (R,Ψ) - местным азимутальным углом ЧV

Ψ ₀ = arc tg(U _F , _R / U _h> ), в продольно-азимутальной плоскости (R,Z) - местным высотным углом αо:

O ₀ = аrс COS(UF _Z / U _Σ , _F ) = агс cos(U _F , _z /U _Σ . _F )=arc cos[U _F , _A / (U _F , _Ψ ² + U _F z ² + Um ² ) ^0Λ |, придающим потоку сплошной среды закрутку по отношению к вертикальной оси Z, где U« _R , U»л, U(i _ψ - радиальная, продольная и азимутальная составляющие скорости центростремительного смерчеобразного потока, соответственно, а U _ОР - полная скорость закрученного течения, равная

U oк =(Uo _Ψ ² + Uoz ² + U _O R ² ) ⁰ ' ⁵

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Способ преобразования энергии, запасённой в низкопотенциальных тепловых потоках, постоянных магнитных полях и в магнитно-мягких материалах, реализуется в предложенном устройстве следующим образом.

Магнитно-мягкое вещество плотностью р, теплопроводностью λ, теплоёмкост ью С и намагниченностью σ(T,B), зависящей от температуры T и индукции внешнего магнитного поля В, помещают во внешнее поле магнитной системы либо 12, либо 45 (фиг.l , фиг.2), в котором индукция поля изменяется в заданном направлении X от минимального до максимального значений, формируя градиент индукции поля dВ/dХ≠О, причём, конфигурация поля содержит примыкающую к этой зоне зону, в которой магнитное иоле однородно, то есть, (dB/dX)=O и имеет максимальную для выбранного постоянного магнита ИНДУКЦИЮ В = B _n ,ax-

Слой магнитно-мягкого вещества толщиной δ= рs /р в виде пластин, цилиндров и/или других пространственных форм, размещённых на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала линейно или по кругу с постоянной поверхностной плотностью p _s , охлаждают в зоне, где dВ/dХ≠О, и нагревают в зоне, где dB/dX= 0, добиваясь магни т- ного фазового перехода этого вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении, чем обеспечивают притяжение охлаждённой массы магнитно-мягкого вещества m _XOJ , к зоне, где индукция магнитного поля максимальна. Охлаждённая масса магнитно-мягкого вещества выталкивает из магнитной системы нагретую массу магнитно-мягкого вещества Ш| _θp , перешедшую в парамагнитное состояние, чем обеспечивается непрерывное г ь подачи магнитно-мягкого вещества в зону, где dВ/dХ ≠О, и либо поступательное, либо круговое движение массы магнитно-мягкого вещества, размещённого на подложке из теплоизолирующего немагнитного материала.

Такой цикл обеспечивает преобразование мощности тепла и энергии, запасённой в магнитном поле, в механическую мощность или в другие её виды. При этом нагрев и охлаждение массы магнитно-мягкого вещества осуществляют турбулентными потоками теплоносителей или потоками теплоносителей со встроенными в их течение самоорг анизующимися смерчеобразными струями, обтекающими поверхности слоев магни i но- мягкого вещества, причём обтекаемые поверхности выполняют гладкими или с целью интенсификации нагрева и/или охлаждения формуют рельефом в виде чередующихся исходно гладких участков и участков криволинейной поверхности второго порядка в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой выпуклых 28 и вогнутых 29 частей, а сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляют с помощью выпуклой части поверхности, скаты которой имеют во всех точках сопряжения с исходно гладкой поверхностью и с вогнутой донной частью поверхности углубления, общие касательные, при этом, вогнутая часть углублений выполнена гладкой или с обтекателем 56.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Смерчевые турбины 8, 23, 40 или 52 (фиг.1 , фиг.2) имеют одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержат неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняет либо конфузорная башня 1 , либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 51.

Смерчевая турбина содержит также ротор 57 (фиг.5) с лопастями 58, имеющими продольный размер Zj и изменяющийся вдоль оси турбины радиус R, размещенный в не- подвижном корпусе, форма внутренней граничной поверхности которого, в системе цилиндрических координат, определяется соотношением:

ZbоdуiRbоdу ⁼ СОПSt, причём, лопасти 58 турбины, внутренняя боковая поверхность корпуса и внешняя поверхность ротора 57 образуют межлопастные каналы 59, сообщающиеся с внешней средой в торцах турбины, при этом, форма и пространственная ориентация этих каналов в системе координат, связанных с осью вращения турбины, определяется соотношением:

φ(r,z) где

-r,z,φ - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии смерчевой башни 1 или 31 или неподвижных конфузоров 22 или 51 (фиг.l , фиг.2);

-φ(r, ) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 58 (фиг.5 и фиг.6) и текущим радиусом турбины на плоскос ти, пересекающей эти лопасти, и по нормали - ось вращения турбины, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы 59 через плоскость, пересекающую лопасти 58 при продольной координате z = Zj _n , причём, ось вращения совпадает с продольной координатной осью Z,

-φ(r,z _oШ )— азимутальная координата сечения лопастей 58 турбины на высоте z _0ll( плоскостью, пересекающей по нормали ось вращения турбины, через поверхность которой сплошная среда вытекает из межлопастных каналов 59 турбины в башню над турбиной,

-г _c - радиус турбины,

-k _ω - коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой смерчеобразным потоком лопастям турбины.

Внутренняя поверхность корпуса, поверхности ротора 57 и лопастей 58, обтекаемых сплошной средой, изготавливаются либо гладким, либо формуются рельефом в виде участков гладкой исходной поверхности чередующихся с криволинейными участками в виде углублений 27 (фиг.З) двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с но- мощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем 56.

Лопасти 58 смерчевой турбины воспринимают напор, создаваемый в сформированном смерчеобразном потоке, в основном, азимутальной и продольной компонентами скорости, передают принимаемое усилие на силовые валы либо 6, либо 38, либо 60, либо 61 , преобразуя кинетическую мощность закрученного течения в механическую мощность, причём силовые валы 6, 38, 60, 61 сопряжены с генераторами электрической мощности либо 80, либо 83.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Смерчевой нагнетатель либо 7, либо 39, либо 62, либо 63 имеют одинаковые профили лопастей и конструкцию, содержат неподвижный корпус, роль которого в предложенном изобретении исполняют либо конфузорная башня 1 , либо внутренний конфузор 33, либо неподвижный конфузор смерчевого насоса 22, либо неподвижный коιιфуюр смерчевого насоса 51. содержит неподвижный корпус, ротор 64 с лопастями 65, имеющими продольный размер Zы _м i _у , и изменяющийся вдоль оси нагнетателя радиус Rьod>,i. причём, форма внутренней граничной поверхности корпуса, в системе цилин-дрических координат, определяется соотношением:

Zbody,iRbody,i ⁼ СОПSt.

Лопастями нагнетателя, внутренней боковой поверхностью корпуса и поверхностью ротора образованы каналы, сообщающиеся в торцах нагнетателя с вне-шней средой, а форма и пространственная ориентация лопастей определяется в цилиндрической системе координат, связанных с осью его вращения, соотношением: где

-r,z,f - текущие цилиндрические координаты, продольная ось Z которых совпадает с осью симметрии башни,

-f(r,Z _m ) - текущая азимутальная координата, определяющая угол между касательной к следу лопасти 65 и текущим радиусом нагнетателя г на плоскости, пересекающей эти лопасти и по нормали - ось вращения нагнетателя, при этом, сплошная среда втекает в межлопастные каналы 66 через плоскость, пересекающую лопасти при продольной координате Z = Zj _n , а ось вращения нагнетателя совпадает с продольной координатной осью Z,

-г _с - радиус нагнетателя,

-z _ш -продольная координата нормального сечения оси вращения нагнетателя плоскостью, через поверхность которой сплошная среда втекает в межлопастное пространство нагнетателя,

-zfр, - координата нормального сечения оси вращения турбины плоскостью, через поверхность которой сплошная среда вытекает из её межлопастного пространства, -к,,,- коэффициент числа оборотов, соответствующий максимальному значению мощности, передаваемой лопастями нагнетателя формируемому смерчеобразному потоку, V _z ±- продольная скорость среды втекающей в нагнетатель У _z р - продольная скорость среды, истекающей из нагнетателя при этом внутренняя поверхность корпуса и поверхность лопастей изготавлива-ются гладкими или имеют форму чередующихся участков исходной гладкой поверхности и криволинейных участков в виде углублений 27 двойной кривизны, состоящих из сопряжённых между собой поверхностей второго порядка, образующих выпуклые 28 и вогнутые 29 скаты углублений, причём сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью их выпуклых скатов, имеющих общие касательные во всех точках сопряжения с гладкой поверхностью и с поверхностью вогнутой части углубления, при этом, вогнутая часть углубления выполнена гладкой или с обтекателем.

Работа смерчевого нагнетателя обеспечивается автономным источником энергии, использующим низкопотенциальные источники тепла или тепловые отходы антропогенной деятельности, например, магнитотепловое преобразование низкопотенциалыιой тепловой энергии и энергии, запасённой в магнитном поле. В этом варианте ротор 64 нагнетателя с лопастями 65 устанавливается на силовой вал либо 5, либо 37, связанный с силовым диском преобразователя магнитотепловой энергии.

Подключая коллекторы 67 системы охлаждения маrнитотеплового преобразователя к неподвижным соплам либо 20, систем нагрева и охлаждения магнитно-мягкого вещества на силовом диске, непрерывно с высокой скоростью подающим теплоноси тель в движущиеся каналы с магнитно-мягким веществом, вызывают в этом веществе фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, за счёт чего вращают в гради- ентном поле магнита 47 силовой диск либо 16, либо 49 и преобразуют кинетическую мощность закрученной смерчеобразной струи внутри смерчевой башни либо 1 , либо 31 , либо внутри неподвижных конфузоров 22 или 51 в механическую мощность.

Технический результат изобретения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Промышленная применимость

Целью промышленного использования предлагаемого изобретения является создание семейства новых энергетических установок, преобразующих низкогютенциаль- ную энергию возобновляемых источников и низкопотенциальных отходов антропогенной деятельности в различные виды энергии промышленной кондиции. Способы преобразования и устройства, предлагаемые в изобретении, используют новый класс течений сплошной среды, представляющих собой квазипотенциальные, осесимметричные ради- ально-сходящиеся смерчеобразные струи, обеспечивающие ресурсосбережение и авю- номное, экологически чистое, надежное и безопасное производство энергии за счёт преобразования кинетической и тепловой мощности низкопотенциальных потоков сплошной среды и солнечной радиации. Смерчевой способ преобразования применим в бытовой сфере и в других направлениях хозяйственной деятельности общества, в том числе, на существующих и вновь создаваемых предприятиях, в экспедициях, поселениях и т.н., в любом из регионов нашей планеты, а также на космических станциях и при высадке Человека на другие планеты в будущем. Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройства для его осуществления (варианты), представляет собой комплекс технологий, позволяющий децентрализовать подачу электрической и тепловой энергии в жилищно-коммунальный и промышленный секторы экономики, а также в отдаленные и труднодоступные регионы нашей планеты, включая полярные зоны, острова и высокогорные районы за счёт использования способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды, устройств для его осуществления, преобразователя энергии солнечной радиации, смерчевого нагнетателя, смерчевой турбины, способов и устройств для магни- тотепловоrо преобразования энергии. Предлагаемые способ смерчевого преобразования кинетической и низкопотенциальной тепловой мощности сплошной среды и устройства для его осуществления основаны на новых способах аккумулирования и практическою использования энергии окружающей среды, в первую очередь, низкопотенциальной энср- гии, такой, как энергия солнечного излучения, запасаемая в воздухе, в воде и в грун те под воздействием солнечных лучей, энергия ветра, тепла геотермального происхождения, тепловых отходов хозяйственной деятельности человека, сбрасываемых в окружающую среду, в виде горячих дымовых газов, тепловых отходов нефтедобывающих и газоперерабатывающих производств, тепловых и атомных электростанций и др. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить экологическое воздействие энергетических процессов и существенно повысить КПД, функциональную и технико-экономическую эффективность традиционной энергетики, использующей органическое и ядерное топливо, в том числе, вернуть в цикл энергопроизводства низкопотенциальное тепло, сбрасываемое тепловыми и атомными электростанциями в атмосферу и/ или водоемы.

Смерчевой нагнетатель может быть использован для формирования закрученных смерчеобразных струй, например, в газовых горелках для повышения эффективности сгорания топлива, в судостроении для концентрации энергии винтовых или пропульсивных движителей и др.

Смерчевая турбина может быть использован для преобразования энергии закрученных потоков, например, в сухих градирнях при формировании в них закрученного течения воздуха за счёт соответствующего размещения теплообменников, а также в устройствах, в которых потоки имеют существенную закрутку и др.

Преобразователь солнечной энергии помимо задач изложенных в предлагаемом изобретении может быть использован для нагрева воды или воздуха, например, для коммунальных и промышленных нужд и др.

Способ и смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии являются базой для создания электроэнергетических агрегатов, двигателей и движителей, в том числе, для автомобильного и водного транспорта, магнитотепловых турбин, компрессоров, насосов для перекачки жидкости, совмещенных электрических машин и др. Примером эффективности действия предлагаемой технологии являются созданные лабораторные образцы магнитотепловых преобразователей тепловой энергии в электрическую или/и механическую её виды. Свойства смерчевых магнитотепловых преобразователей представляют особую ценность для обеспечения энергией промышленной сферы, робототехники и деятельности человека в экстремальных условиях. Например, смерчевые магнитотспловыс преобразователи могут использоваться в коммуникациях для перекачки природного газа и нефти, транспортируемых от места добычи к местам переработки и потребления. В част- ности, используется прямое солнечное излучение, или низкопотенциальное тепло, аккумулированное в воде, воздухе, грунте, нагреваемыми солнцем, энергия ветра или тепло геотермальных источников, а там, где это возможно избыточная энтальпия перекачиваемой среды.

Смерчеобразные струи, известные под названием TLJ, - по аббревиатуре английских терминов: Тоrпаdо Lаkе Jеt, представляют собой новое течение, обнаруженное более четверти века назад в России при исследовании особенностей обтекания газами, жидкостями или их смесями специальных форм граничных поверхностей. Эти течения представляют собой вторичные смерчеобразные струи, встраивающиеся при создании необходимых и достаточных условиях в окружающуюся среду, локально изменяя её динамическое состояние. Уникальные особенности этого течения, проявляющиеся в удивительно низком уровне гидравлических потерь при обтекании поверхностей и столь же удивительно высоком уровне скорости пограничного обмена массой, теплом и импульсом, обусловливают повышенный интерес к практическому использованию этого явления. Уже в настоящее время создан и применяется ряд различных энергетических и транспортных агрегатов, использующих TLJ - технологию. Так, например, созданы опытные и серийные авиационные газотурбинные двигатели и стационарные энергетические газовые турбины с существенно повышенным уровнем охлаждения лопаток, опытные урановые тепловыделяющие элементы, энергетические котлы различного назначения и другое оборудование, использующие эти течения. Все перечисленные агрегаты и оборудование приобрели явные и существенные функциональные и технико-экономические преимущества по сравнению с аналогами традиционного типа. Помимо этого смерчевые технологии позволили интенсифицировать массообмен в процессах кипения и конденсации, существенно снизить кавитационное разрушение поверхности, уменьшит акустические эффекты в этих процессах и понизить износ поверхности в парах трения металла по металлу или металла по неметаллической поверхности.