ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ И ГИДРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и гидроэнергетике и может быть использовано при создании новых типов стационарных и транспортных ветро- и гидроустановок.

Известны ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения ротора [1] преобразующие подъемную силу быстродвижущихся по окружности фиксированно закрепленных профилированных (чаще двух) лопастей в тянущую силу, характеризующую момент вращения.

Известен также ветродвигатель [2] содержащий наклонные поворотные лопасти, кинематически связанные с центральной невращающейся шестерней передаточным отношением 2:1.

Однако такие кинематические связи и конструктивные решения не обеспечивают циклоидную траекторию вращения вертикально расположенных лопастей. При этом ветроустановки [1] требуют первоначального и каждого последующего после безветрия принудительного разгона ротора до необходимой скорости, а также на повышенных оборотах создают вредные для биологических объектов (в первую очередь птиц и пчел) инфразвуковые колебания и шумы. В ветродвигателе [2] с высокой эффективностью работает нижняя часть лопастей.

Целью изобретения является увеличение крутящего момента при пониженных оборотах ротора, повышение надежности в эксплуатации путем самопроизвольного разворота лопастей по потоку при буревых скоростях ветра, а также возможность использования в качестве автономного гидрогенератора.

Цель достигается тем, что лопасти дополнительно расположены попарно (сверху и снизу) на концах кронштейнов и ориентированы плоскостями в направлении условной вертикальной линии, лежащей на образующей от вращения их осей, а кинематическая связь конической шестерни каждой сдвоенной лопасти с центральной конической невращающейся шестерней осуществляется с передаточным отношением i_сум i₁ ˙ i₂ 2:1 (ω₁ 2 ω₂) посредством двухсекционного сателлитного вала с посаженными на его концах коническими шестернями (например, при шестилопастном роторе i_сум 0,5 ˙ 4 2, а при четырехлопастном iсум 0,8 ˙ 2,5 2).

Разъединение сателлитных валов при буревых скоростях ветра осуществляется введенными подпружиненным поворотным флажком с осевым эксцентриком, втулкой, толкателями и разъемными муфтами. Разъемные части муфты имеют один сквозной паз и могут входить в зацепление только через 180^о, поэтому лопасти всегда сохраняют требуемую ориентацию.

Свободно размещенный сверху на центральной невращающейся оси флюгер удерживается двумя пружинами в нейтральном положении между контактными группами, закрепленными на жестко связанном с этой осью кронштейне.

При использовании ветродвигателя в качестве гидрогенератора он герметизируется, лопасти укорачиваются и усиливаются, верхняя часть невращающейся оси укорачивается до конусной втулки, которая размещается внутри поворотного редуктора и закрывается герметичной крышкой, а разъединение сателлитных валов для профилактической или аварийной остановки агрегата осуществляется извне с пульта оператора подачей управляющего напряжения на установленный вместо эксцентрика электромагнитный толкатель.

Не известны источники патентной и научно-технической информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, позволяющими при практическом осуществлении создать новый тип эффективного преобразователя энергии ветра или потока воды.

На фиг.1 показан вид сбоку ветродвигателя с наветренной стороны; на фиг. 2 показаны вид сверху, а также распределение моментов вращения в зависимости от местоположения и ориентации лопастей; на фиг.3 изображены внутренние и внешние кинематические связи; на фиг.4 электрическая схема узла самоориентации на ветер; на фиг.5 вид сверху на расположение конических шестерен, обегающих вокруг центральной невращающейся шестерни, в шестилопастном роторе; на фиг.6 приведена эпюра изменения крутящего момента (или тягового усилия), создаваемого лопастью за один оборот ротора и пол-оборота ее вокруг собственной оси в обратном направлении; на фиг.7 ориентация всех лопастей по потоку при буревых скоростях ветра; на фиг.8 показан вариант использования ветродвигателя (в герметичном исполнении и с усиленной конструкцией лопастей) в качестве автономного гидрогенератора.

Ветродвигатель содержит корпус 1, редуктор 2, лопасти 3, оси которых кинематически связаны посредством шестерен с центральной невращающейся шестерней 4 с посаженной на ней осью 5, заторможенной внизу червячным редуктором 6, с установленным сверху флюгером 7, приводную цилиндрическую шестерню 8, находящуюся в постоянном или чередующемся зацеплении с шестернями 9 преобразователей 10 энергии. Ветродвигатель дополнительно содержит коническую (вместо цилиндрической 4) центральную невращающуюся шестерню 11, кинематически связанную с каждой из ведомых конических шестерен 12 посредством сателлитного звена, выполненного в виде двухсекционного вала 13, содержащего в месте соединения разъемную муфту 14 с подвижной втулкой 15, а на концах жестко посаженные конические шестерни 16 и 17. На оси 5 поворотно размещены подпружиненный флажок 18 с эксцентриком 19, пружины 20, стопорное кольцо 21, конусная втулка 22, кронштейн 23 с пружинами 24 и контактными группами 25, в верхней части на оси 5 свободно размещен на двух втулках 26 флюгер 7, соединенный с пружинами 24. Снизу конусной втулки 22 размещены по окружности толкатели 27, входящие в пазы подвижных втулок 15 разъемных муфт 14. Лопасти 3 для сбалансированности ветровых нагрузок размещены попарно (сверху и снизу) на концах кронштейнов 28, которые связаны между собой по образующей тросами 29, натягиваемыми талрепами 30. При использовании ветродвигателя без мачты 31 он может дополнительно устанавливаться с закреплением платформы 32 на водонапорных башнях 33, на открытых ветру крышах домов или любых других возвышениях.

В подводном исполнении в верхней части редуктора 2 размещена герметичная крышка 34, корпус 1 снабжен снизу опорами 35, а сбоку скобами 36, с которыми в растяжку соединены якорные тросы 37.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Первоначально лопасти 3 устанавливаются и фиксируются с ориентацией их плоскостей на линию (например, проходящую через точку В, фиг.2). Кронштейн 23 фиксируется на оси 5 стопорными винтами в положении, при котором плоскость флюгера 7 расположена перпендикулярно линии АВ.

Смещением стопорного кольца 21 выставляется натяжение пружин 20, соответствующее срабатыванию флажка 18 при достижении буревой (или другой установленной) скорости ветра, при этом вышедшие из зацепления все лопасти под давлением ветра на несбалансированные закрылки 38 разворачиваются по потоку, не оказывая ему лобового сопротивления и предохраняя ветродвигатель от поломки.

При снижении скорости ветра до рабочих значений эксцентрик 19 поднимающегося вверх флажка 18 ослабляет давление на конусную втулку 22 и толкатели 27, что позволяет подвижным втулкам 15 обратно войти в зацепление, возвращая ветродвигатель в исходное состояние.

В гидрогенераторе (фиг.8) после установки его в зоне постоянного течения, закрепления опор 35 на основании 39 и растяжки якорных тросов 37 по кабелю 40 подается напряжение на привод червячного редуктора 6, с помощью которого выставляется требуемая ориентация лопастей 3 по аналогии с приведенной на фиг.2.

Остановка гидрогенератора может осуществляться двумя способами: подачей по кабелю 40 напряжения на электромагнитный толкатель, разворотом червячным редуктором 6 лопастей 3 на 90^о (первый способ более предпочтителен).

Вырабатываемая гидрогенератором электроэнергия по силовому кабелю 41 подается к потребителям. Так как течение воды в отличие от воздушных потоков достаточно стабильно по скорости, то в данном случае не требуется использование специальных стабилизаторов напряжения и частоты.

Использование: в ветроэнергетике при создании новых типов стационарных и транспортных ветро- и гидроустановок. Сущность изобретения: ветродвигатель снабжен конической центральной невращающейся шестерней, связанной посредством сателлитных звеньев в виде двухсекционного вала с посаженными на его концах коническими шестернями, на валах которых попарно (сверху и снизу) закреплены лопасти, а обе части каждого из сателлитных валов соединены разъемной муфтой, подвижная втулка которой через толкатель, конусную втулку, эксцентрик и флажок связана с центральной невращающейся осью, на которой в верхней части жестко закреплен кронштейн с контактными группами, связанный двумя пружинами со свободно размещенным на центральной оси флюгером. При использовании ветродвигателя в качестве гидрогенератора он имеет герметичное исполнение с укороченной до конусной втулки центральной осью и закрытым сверху корпусом редуктора герметичной крышкой. 2 с. и з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий корпус, внутри которого установлена центральная шестерня, укрепленная в центральной части вала, нижний конец которого связан с червячным редуктором с возможностью обеспечения торможения вала, а верхний конец с флюгером, лопасти, оси которых соединены с шестернями, и приводную шестерню, связанную с шестернями преобразователей энергии, отличающийся тем, что он снабжен сателлитными звеньями, каждое из которых выполнено в виде двухсекционного валика с коническими шестернями на его концах, одни из которых связаны с центральной шестерней, выполненной конической, а другие с шестернями осей диаметрально расположенных лопаток, разъемной муфтой с подвижной втулкой и толкателем, конусной втулкой и эксцентриком с флажком, причем эксцентрик с флажком и конусная втулка установлены на валу между флюгером и центральной конической шестерней, а две секции валика соединены между собой разъемной муфтой, толкатель которой связан с конусной втулкой. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кронштейном с контактными группами, жестко закрепленным на валу и связанным посредством двух пружин с флюгером. 3. Ветродвигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен платформой, на которой укреплен корпус. 4. Гидрогенератор, содержащий корпус, внутри которого установлен вал, нижний конец которого связан с червячным редуктором с возможностью обеспечения торможения вала, лопасти, оси которых соединены с шестернями, и приводную шестерню, связанную с шестернями преобразователей энергии, отличающийся тем, что он снабжен центральной шестерней, укрепленной в центральной части вала, сателлитными звеньями, каждое из которых выполнено в виде двухсекционного валика с коническими шестернями на его концах, одни из которых связаны с центральной шестерней, выполненной конической, а другие с шестернями, укрепленными на осях диаметрально расположенных лопаток разъемной муфтой с подвижной втулкой и электромагнитным толкателем и конусной втулкой, причем конусная втулка установлена в корпусе на валу над центральной конической шестерней, а две секции валика соединены между собой разъемной муфтой, электромагнитный толкатель которой связан с конусной втулкой, а редуктор выполнен с герметичной крышкой.