СУДОВАЯ ПРОПУЛЬСИВНАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК B63H13/00 

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при конструировании ветроэнергетической и ветродвижительной установки.

Известно судно, перемещающееся с использованием силы ветра, оно снабжено вращающимися под действием ветра элементами, соединенными с помощью передаточного механизма с гребным винтом и электрогенератором.

Однако используемое на таком судне в качестве ветродвигателя колесное устройство содержит множество второстепенных конструктивных элементов, непроизводительно тормозящих набегающий воздушный поток и снижающих эффективность установки.

Известна судовая пропульсивная ветроустановка, содержащая поворотное основание и установленный на нем цилиндр эллиптического профиля с устроенными в его поверхности двумя системами продольных щелей, имеющих возможность поочередного сообщения со всасывающим каналом вентилятора.

Однако для поддержания на таком цилиндре постоянной подъемной силы необходима постоянная циркуляция воздуха сквозь щель и, следовательно, нужны затраты энергии на привод вентилятора от постороннего источника. Кроме того, эффект преобразованной на таком цилиндре энергии ветра проявляется только в виде пропульсивной составляющей.

Цель изобретения - получение высокоэффективной и энергетически автономной двигательно-движительной установки в виде конструктивно и функционально объединенного ветродвижителя с лопастным ротором.

Для достижения этой цели ветроустановка снабжена по крайней мере одним дополнительным цилиндром эллиптического профиля, установленным на поворотном основании, и ветродвигательным ротором со ступицей и ее передним и задним обтекателями, опирающимися на вершины упомянутых цилиндров, при этом ось вращения ступицы ротора параллельна плоскостям, проходящим через большие оси эллиптических профилей цилиндров.

На фиг.1 показан общий вид судовой пропульсивной ветроустановки с частичными ее разрезами и с показом обтекания ее цилиндра; на фиг.2 - вид сверху на разрез ступицы ветродвигательного ротора ветроустановки; на фиг.3 - боковой вид части цилиндра эллиптического профиля; на фиг.4 - вид сзади части на фиг.3; на фиг.5 - общий вид токосъемника ветроустановки в комплексе со схемой наводки; на фиг.6 - аксонометрическая проекция двух ветроустановок на палубе судна; на фиг.7 - пример разворота судна при использовании двух ветроустановок, работающих в режиме "враз-драй"; на фиг.8 - боковой вид ветродвигательного ротора ветроустановки; на фиг.9 - вид по стрелкам А и Б на фиг.8; на фиг.10 - вид по стрелке В на фиг.8; на фиг.11 - схема центробежной циркуляции воздуха сквозь щели цилиндра эллиптического профиля ветроустановки; на фиг.12 - узел I на фиг. 8; на фиг.13 - схема обтекания эллиптической поверхности цилиндра эллиптического профиля ветроустановки при отсутствии щелевой циркуляции; на фиг.14 - схема возникновения подъемной силы на цилиндре эллиптического профиля ветроустановки, создаваемой в процессе циркуляции.

Описываемая ветроустановка состоит из ступицы 1 ветродвигательного ротора, к которой жестко прикреплены эллиптические лопасти 2 ветродвигательного ротора, причем направленность хорд лопастей в местах крепления должна совпадать с направленностью оси ступицы 1, но по мере вылета лопасти 2 получают винтовую крутку, доходящую на конце, например, до угла, равного до 45^о. Кроме того, каждая эллиптическая лопасть 2 имеет продольную полость для возможности телескопического сочленения с лопастью 3. Лопасть 3 продолжает продольную винтовую крутку, ее поперечное сечение имеет классический аэродинамический профиль. Лопасть 2 со стороны, обращенной в сторону вращения сходящей кромки, имеет основной ряд щелей 4, имеющих возможность сообщения с соплом 5, выполненным на конце лопасти 3. Кроме того, на лопасти 2 в зоне повышенного давления набегающей кромки предусматривается ряд вспомогательных щелей 6. Спереди и сзади к ступице 1 пристыкованы передний и задний обтекатели 7, которые через посредство анкерных связей образуют конструктивно единую головку агрегата ветроустановки и обеспечивают ступице 1 возможность свободного вращения. Каждый обтекатель 7 опирается на веpшину отдельного основного или дополнительного цилиндра 8 эллиптического профиля с условием обеспечения параллельности оси ступицы 1 с хордами этих цилиндров и максимального рассредоточения цилиндров 8 на поворотном основании 9. Основание 9 встроено в неподвижное основание 10 с возможностью контролируемого вращения. Сходящие кромки каждого из цилиндров 8 выполнены волнообразными, а продольные циркуляционные щели 11 и 12 выполнены в волновых впадинах каждой из сторон цилиндров 8 с изоляцией полученных зон гребнями 13. В полостях цилиндров 8 имеются воздушные каналы с вентиляторами 14, поочередно сообщающимися с разноименными по давлению щелями 11 и 12. Ступица 1 имеет возможность зубчатого зацепления с отдельными линиями горизонтальных валов 15, концы которых соединены с отдельными ветвями валов 16, проложенных через полости цилиндров 8 и основания 9. В цилиндрах 8 параллельно валам 16 проложены валы 17, а в обтекателях 7 имеются их реверсирующие механизмы 18 привода вентиляторов 14. Кроме того, в обтекателях 7 расположены угловые редукторы 19 передачи крутящего момента с горизонтальных валов 15 на их вертикальные ветви валов 16. В нижней части ветроустановки для упрощения трансмиссии валы 16 с помощью шарнирных муфт переориентированы в центр основания 9, где через посредство шестерен 20 составляют относительно простое двуплечее входное звено редуктора 21. Выходной вал 22 редуктора 21 расположен соосно с осью вращения основания 9, а концентрично ему в днище основания 10 встроен подшипник 23, который служит подпятником поворотному основанию 9 и формирует узел технологического проема для устройства токоведущего ввода и свободного пропуска выходного вала 22 в нижние отсеки судна. Последнее необходимо для размещения основного достаточно массивного электрогенератора 24 ниже ватерлинии. Генератор 25 меньшей мощности устанавливается непосредственно на крышке редуктора 21, его вал соединяется с вторым концом выходного вала 22. Следуя принципу рационального использования энергии, особенно при работе только генератора 25, из работы может быть выведена та или иная ветвь линии валов 15 и 16 путем вывода из зацепления ведомых шестерен 26 и 20. Более того, в случае необходимости из зацепления могут быть выведены обе шестерни 26, оставляя в зацеплении с внутризубым венцом 27 ступицы 1 шестерню 28 привода генератора 29 постоянного тока. Ввод и вывод из зацепления шестерни 26 лучше производить с помощью винтового механизма с электроприводом 30, но возможен гидравлический привод, например от гидроцилиндра 31.Управление шестернями 20 редуктора 21 предпочтительно производить только гидравлически, например с помощью цилиндров 32.

Для поворота основания 9 служит механизм 33 наводки, а для сохранения при этом безразрывности токоведущих частей к основанию 9 прикрепляется изолирующая втулка 34. а соосно ей, но с креплением к днищу основания 10, установлен корпус токосъемника 35. Токоведущие части обеих составляющих токосъемника 35 соединены пружинным токоведущим элементом 36. Для контроля степени закрутки или раскрутки элемента 36 его перемещение в корпусе токосъемника 35 контролируется вильчатым рычагом 37, второй конец которого связан с путевыми переключателями электрической схемы механизма 33 наводки, которые имеют возможность блокировать при закритичных углах поворота основания 9 механизм наводки и анеморумбометрический датчик 38 системы ориентации.

Следует отметить, что для облегчения ввода в зацепление шестерен 26 предусмотрены синхронизирующие фрикционы, кратковременно соединяющие шестерни 26 с эластичными буртиками 39, а для снижения общего пускового момента вал электрогенератора 24 может быть отключен от трансмиссии с помощью муфты 40. Ось вращения ступицы 1 параллельна плоскостям, проходящим через большие оси эллиптических профилей цилиндра 8.

Описываемая ветроустановка работает следующим образом.

При достижении достаточной силы ветра на анеморумбометрическом датчике 38 формируется сигнал, который при несовпадении направленности указателя датчика с направленностью оси ротора выдает механизму 33 наводки команду на перемещение основания 9 в необходимом направлении. Но эта команда может быть временно блокирована, например в случае одностороннего сосредоточения витков токоведущего элемента 36 в барабане корпуса токосъемника 35, в результате чего вильчатый рычаг 37, смещаясь, переключит сопрягаемый с ним трехходовой рычаг блока переключателей из нормального среднего положения в соответствующее крайнее (фиг.5). В результате происшедшего контакты системы ориентации разомкнутся и замкнутся контакты непосредственного включения механизма 33 наводки для поворота основания 9 и соединенной с ним втулки 34 до момента раскрутки и рассредоточения витков элемента 36 в барабане корпуса токосъемника 35. Одновременно с этим с помощью вильчатого рычага 37 возвратится в среднее положение трехходовой рычаг и деблокируется система ориентации. Дальнейший поворот основания 9 будет происходить только под контролем датчика 38. Для сокращения количеств возможных блокировок системы длина пружинного элемента 36 должна позволять свободно совершать основанию 9 не менее одного оборота.

Для беспрепятственной раскрутки ветродвигательного ротора его лопасти 3 максимально выдвигаются, а пусковой момент трансмиссии снижается отключением муфты 40 или полным выводом из зацепления обеих шестерен 26. Далее под действием потока сила сопротивления криволинейного профиля лопастей 3 создает некоторый крутящий момент, преобразующийся во вращение упомянутого ротора. С ростом числа оборотов возрастет центробежная сила и начнется центробежная прогонка воздуха в лопастях 3 с засасыванием его сквозь щели 4 и 6 и выбросом через сопло 5. В результате получаем разбалансировку давлений и циркуляцию вокруг лопасти 2, которая под действием набегающего потока породит некоторую величину поперечной составляющей Р, которая в виде силы F значительно повысит вращающий момент на роторе (фиг.14). После раскрутки ротора с помощью электропривода 30 вводится в зацепление шестерня 26, а при необходимости с помощью гидроцилиндров 31 и 32 вводится в работу и вторая ее ветвь. Для снятия максимальной нагрузки муфтой 40 подключается к трансмиссии электрогенератор 24 большой мощности. При необходимости получения пропульсивной составляющей с помощью реверсирующего механизма 18 к валам 15 подключаются валы 17 привода вентиляторов 14, которые, засасывая воздух, например, сквозь щели 12 и выбрасывая его из щелей 11, возбудят общую циркуляцию вокруг профиля цилиндров 8, переходящую под действием ветра в подъемную силу. Для препятствования замыканию циркуляции на цилиндре 8 по малому кругу зоны разноименных величин давления изолированы гребнями 13. Смена направлений пропульсивной составляющей цилиндров 8 производится за счет перемены направления засасывания воздуха посредством реверса вентиляторов 14. На стоянке вентиляторы 14 могут быть полностью отключены путем вывода из зацепления обоих ведомых звеньев реверсирующего механизма 18.

Регулирование мощности ветродвигательного ротора может производиться, во-первых, за счет регулирования величины циркуляции вокруг лопастей 2 путем изменения количества всасываемого воздуха сквозь щели 4 и 6, во-вторых, посредством изменения величины вылета лопасти 3 и соответственно величины ометаемой поверхности, в-третьих, путем уменьшения парусности и энергоемкости ометаемой поверхности этого ротора и установки ее под некоторым углом к потоку. Торможение ротора может осуществляться путем полного втягивания лопастей 3 и прекращением циркуляции сквозь щели 4 и 6, в комплексе с выводом ротора из-под потока и загрузкой трансмиссии нагрузкой с последующим применением штатного тормозного устройства.

Максимальное число аэродинамически активных элементов и наделение их оптимальными несущими характеристиками позволяют получить наибольшие весовую отдачу и энергоемкость, что создает предпосылки применения данной ветроустановки в качестве штатной судовой энергетической установки, способной обеспечивать судовые потребности (как режима хода, так и на стоянке) только за счет преобразования энергии ветра. Кроме того, способность ее работать в практически неограниченном диапазоне ветров, предрасположенность к производству излишков и к их аккумулированию ставят установку в разряд обладающих неограниченным энергоресурсом.

Использование: в судостроении, касается конструирования ветросиловых пропульсивно-двигательных судовых установок. Сущность изобретения: ветроустановка имеет поворотное основание, на котором установлены основной и дополнительный цилиндры с эллиптическими профилями и двумя системами продольных щелей, поочередно сообщаемых с всасывающим каналом соответствующего вентилятора. Ветродвигательный ротор имеет ступицу с передним и задним обтекателями, опирающимися на вершины цилиндров. Ось вращения ступицы параллельна плоскостям, проходящим через большие оси эллиптических профилей цилиндров. 14 ил.

СУДОВАЯ ПРОПУЛЬСИВНАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА, содержащая поворотное основание и установленный на нем цилиндр эллиптического профиля с устроенными в его поверхности двумя системами продольных щелей, имеющих возможность поочередного сообщения со всасывающим каналом вентилятора, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере одним дополнительным цилиндром эллиптического профиля, установленным на поворотном основании, и ветродвигательным ротором со ступицей и ее передним и задним обтекателями, опирающимися на вершины упомянутых цилиндров, при этом ось вращения ступицы ротора параллельна плоскостям, проходящим через большие оси эллиптических профилей цилиндров.