ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F03G3/00 

Изобретение относится к преобразователям и может быть использовано в качестве привода для стационарных механизмов и машин, преимущественно при производстве электроэнергии.

Известны преобразователи гравитационной энергии в механическую, используемые в грузовых и пассажирских лифтах, содержащие грузовой и уравновешивающий механизмы, а также привод, кинематически связанные системой канатов и блоков см. например, техническую документацию Карачаровского механического завода на лифты модели КМЗ-58 и др. а также книгу В.П.Демковича и др. "Сборник задач по физике", изд. Просвещение", 1981г. рис. 49 и задачу 336 на стр. 35.

Известен также преобразователь гравитационной энергии в механическую, содержащий силовой блок, выполненный в виде грузового и уравновешивающего механизмов, первый из которых имеет изменяющийся вес и выполнен в виде резервуара с наполняемой и выливаемой водой, вес второго постоянный, а кинематически эти механизмы связаны посредством троса, опирающегося на блок, установленный на валу потребителя энергии см. патент Великобритании N 2090939, кл. F 03 G 3/00, 1982.

В процессе работы этот известный механизм не обеспечивает существенного снижения количества традиционно потребляемой энергии /в данном случае из водного потока/ за счет гравитационной, а его возможности эксплуатационные ограничены условием наличия вблизи реки или ручья с водопадом соответствующей мощности.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и расширение эксплуатационных возможностей устройства.

Данная задача достигается благодаря тому, что изобретение содержит два кинематически связанных и установленных противофазно относительно друг друга силовых блока, каждый из которых выполнен в виде кинематически связанных грузового и уравновешивающего механизмов, грузовой механизм каждого силового блока выполнен в виде имеющего возможность вертикального перемещения стержневого груза, уравновешивающий механизм выполнен в виде подпружиненной нагрузочной шестерни, опирающейся одной стороной на ведущую шестерню, неподвижно закрепленную на ведущем валу, а другой стороной она опирается на вспомогательную шестерню, равную ведущей шестерне и неподвижно закрепленную на одном валу с натяжным шестеренным сектором, связанным с выступом вспомогательного уравновешивающего диска, свободно установленного на ступице основного уравновешивающего диска, который таким же образом установлен на валу вспомогательной шестерни и является платформой для противовесного узла, содержащего натяжную шестерню, связанную с радиальной рейкой, закрепленной на основном уравновешивающем диске, на линии, проходящей через центр вращения натяжной шестерни и перпендикулярной радиальной рейке, установлен рычажный шарнир, ось которого закреплена на выступе вспомогательного уравновешивающего диска, проходящем через соответствующее окно в основном уравновешивающем диске, рычажный шарнир является опорой для связанной с ним рычага, одно плечо которого шарнирно соединено с концом гибкого соединителя, перекрестно связанного другим концом с натяжной шестерней также посредством шарнира, второе большее плечо рычага оснащено Г-образной направляющей, в которую упирается оснащенный роликом наконечник подпружиненного толкателя, упирающийся тем же роликом в торец имеющего возможность перемещения вдоль Г-образной направляющей ползункового упора, противоположный конец которого стопорится выступом на основном уравновешивающем диске, а кинематическая связь между грузовым и уравновешивающим механизмами осуществляется через две рейки, соединенные посредством пружин растяжения-сжатия со стержневым грузом и связанные с двумя, закрепленными на ведущем валу посредством храповой муфты передаточными шестернями, равными по основным параметрам ведущей шестерне, кроме того кинематическая связь грузового и уравновешивающего механизмов осуществляется через две равные ведущей шестерней промежуточные шестерни, одна из которых неподвижно закреплена на ведущем валу, вторая соединена с торцем ступицы основного уравновешивающего диска, а между собой они связаны большой промежуточной шестерней, диаметр начальной окружности которой равен этому диаметру нагрузочной шестерни, пусковое устройство силового блока выполнено в виде штока-толкателя с пружиной сжатия и закрепленной на ведущем валу посредством скользящей шпонки храповой муфты, соединяющейся через выдвижную шпонку и ползунок с кулачковыми пазами стержневого груза, при этом силовые блоки связаны между собой через общий ведущий вал с неподвижно закрепленными на нем промежуточными и ведущими шестернями.

Повышение эффективности устройства по преобразованию гравитационной энергии в механическую достигается за счет того, что левая часть нагрузочной шестерни через ведущую и передаточные шестерни полностью уравновешивает стержневой груз на вертикальной направляющей, а давление ее правой части нейтрализуется противовесным узлом и в этот период, когда стержневой груз первого силового блока находится в состоянии равновесия с элементами уравновешивающего механизма, в противофазно установленном силовом блоке стрежневой груз отключен от ведущего вала, падает вниз, преобладающая часть его кинетической энергии при этом используется, например, для вращения вала электрогенератора. А использовать предложенный преобразователь энергии можно практически повсеместно.

На фиг. 1 изображен вид устройства спереди; на фиг. 2 схема взаимодействия основных сил в грузовом и уравновешивающем механизмах; на фиг. 3 -вид устройства сверху; на фиг. 4 вид на радиальную рейку; на фиг. 5 вид на наконечник подпруненого толкателя.

Предложенный преобразователь энергии устроен следующим образом см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.

Устройство содержит два установленных противофазно относительно друг друга силовых блока, каждый из которых выполнен в виде кинематически связанных грузового и уравновешивающего механизмов, грузовой механизм каждого силового блока выполнен в виде имеющего возможность вертикального перемещения стержневого груза 1, уравновешивающий механизм выполнен в виде подпружиненной нагрузочной шестерни 2, опирающейся одной стороной на ведущую шестерню 3, неподвижно закрепленную на ведущем валу, а другой стороной она опирается на вспомогательную шестерню 4, равную ведущей шестерне 3 и неподвижно закрепленную на одном валу натяжным сектором 5, связанным с выступом вспомогательного уравновешивающего диска 6, свободно установленного на ступице основного уравновешивающего диска 7, который таким же образом установлен на валку вспомогательной шестерни 4 и является платформой для противовесного узла, содержащего натяжную шестерню 8, связанную с радиальной рейкой 9, закрепленном на основании уравновешивающем диске 7, на линии, проходящей через центр вращения натяжной шестерни и перпендикулярной радиальной рейке 9, установлен рычажный шарнир 10, ось которого закреплена на выступе вспомогательного уравновешивающего диска 6, проходящем через соответствующее окно в основном уравновешивающем диске 7 см. фиг. 1, фиг. 2 фиг. 3. Рычажный шарнир 10 является опорой для связанного с ним рычага /не пронумерован/, одно плечо которого шарнирно соединено с концом гибкого соединителя 11, перекрестно связанного другим своим концом с натяжной шестерней 8 также посредством шарнира, второе большее плечо рычага оснащено Г-образной направляющей 12, в которую упирается оснащенный роликом наконечник подпружиненного толкателя 13, упирающийся тем же роликом в торец имеющего возможность перемещения Г-образной направляющей 12 ползункового упора 15, противоположный конец которого стопорится выступом 16 на основном уравновешивающем диске 7 см. фиг. 1-4. Кинематическая связь между грузовым и уравновешивающим механизмами осуществляется через две рейки 17 и 18, соединенные посредством пружин растяжения-сжатия со стержневым грузом 1 и связанные с закрепляемыми на ведущем валу посредством храповой муфты 19 передаточными шестернями 20 и 21, равными по основным размерам ведущей шестерне 3, кроме того кинематическая связь между грузовым и уравновешивающим механизмами осуществляется через равные ведущие шестерне 3 промежуточные шестерни 22 и 23, из которых шестерня 22 неподвижно закреплена на ведущем валу, шестерня 23 соединена с торцем ступицы основного уравновешивающего диска 7, а между собой они связаны большой промежуточной шестерней 24, диаметр начальной окружности которой равен этому диаметру нагрузочной шестерни, см. фиг. 1-4. Пусковое устройство силового блока выполнено в виде штока-толкателя 25 с пружиной сжатия и закрепленной на ведущем валу посредством скользящей шпонки храповой муфты 19, соединенной через выдвижную шпонку и ползунок 26 с кулачковыми пазами стержневого груза 1 см. фиг. 1, 3. При этом силовые блоки связаны между собой через общий ведущий вал с неподвижно закрепленными на нем промежуточными шестернями 22, 27 и ведущими шестернями 3 и 28 см. фиг. 1, 3.

Пояснения к устройству отдельных элементов преобразователя энергии и варианты их конструкции см. фиг. 1-5.

Веса стержневых грузов 1 и 29 могут быть эквиваленты суммарному давлению соответствующих нагрузочных шестерен 2 и 30 на ведущие шестерни 3 и 28, т.к. указанные нагрузочные шестерни в процессе работы преобразователя энергии не опускаются на опорные ролики 31 / другой не показан/ и в периоды падения вниз стержневых грузов 1 и 28 левые стороны нагрузочных шестерен 2 и 30 своим давлением стремиться вращать ведущие шестерни 3 и 28 по часовой стрелке, т.е. в состоянии уравновесить названный вес, см. фиг. 1-3.

В периоды, когда стержневые грузы 1 и 29 достигают соответственно крайних верхнего и нижнего положений, предусматриваются автоматически срабатывающие защелки, удерживающие эти грузы на направляющих /защелки на показаны/, чтобы при переключении храповых муфт 19, 31 эти грузы не начали движение в обратном направлении один ранее другого и не нарушили синхронность работы устройства, см. фиг. 1-3.

Вспомогательный и основной уравновешивающие диски 6 и 7 соединены эластичными пружинящими элементами 32 /другие не показаны/, начальная упругость которых должна быть эквивалентна окружным усилиям в точках соединения дисков 6 и 7, см. фиг. 3.

Начальная упругость пружин подпружиненных реек 17 и 33 должна быть эквивалентна давлению веса соответствующего стержневого груза 1 или 29, передаваемого через эти пружины и рейки передаточным шестерням 20 и 34 см. фиг. 1-3. А начальная упругость пружин подпружиненных реек 18 и 35 должна быть эквивалента силовым затратам, необходимым для преодоления сил трения между элементами устройства при подъеме вверх стержневого груза 1 или 29, вес которого нейтрализован уравновешивающими механизмами обоих силовых блоков, см. фиг.1-3.

Возможен вариант преобразователя энергии, в котором наконечник подпружиненного толкателя 13 соединен с концом рычага /не пронумерован/ посредством обычного шарнира, предлагается, что это существенно не повлияет на силовые взаимодействия в противовесном узле, см. фиг. 1-3, 5.

Ролик наконечника подпружиненного толкателя 13 выполнен в виде пары дисков, установленных на общей оси, жестко соединенной с торцем наконечника 13, и взаимодействующих с Г-образной направляющей 18 и ползунковым упором 15. Другой конец наконечника шарнирно соединен со штоком толкателя 13 внутри этого штока, чтобы удлинение штока не отражалось на габаритах противовесного узла.

Уравновешивающий механизм каждого из силовых блоков может самостоятельно выполнять роль преобразователя энергии при подключении к ведущему залу потребителя энергии 36 с постоянной и активно противодействующей нагрузкой, см. фиг. 1-4.

Предложенный преобразователь энергии работает следующим образом, см. фиг. 1-4.

В связи с тем, что левые части нагрузочных шестерен 2 и 30 своим давлением полностью уравновешивают давление стержневого груза 1 или 29, а уравновешивающие механизмы нейтрализует давление веса правых частей этих шестерен на вспомогательные шестерни 4 и 37, т.к. /см. фиг. 2/ вращающие моменты, воздействующие на основной и вспомогательный уравновешивающие диски 7 и 6, например первого из силового блоков, не только взаимогасятся, но вращающий момент, стремящийся вращать диск 7 по часовой стрелке, может значительно превысить воздействие противоположно направленного момента, поэтому вес указанного груза будет полностью нейтрализован. В рассматриваемом варианте это противодействие вращающих моментов выглядит таким образом /см. фиг. 2/: / 437Н x 25 мм/ + /48,4Н x 220 мм/ 21573 Нмм; 510Н x 21 мм 10710 Нмм; 21573 Нмм 10710 Нмм 10863 Нмм.

Полученная разность вращающихся моментов /8390 Нмм/, например при диаметре ведущих шестерен 3 и 28, равном 100 мм, может создать на ободах этих шестерен окружное усилие 217,6Н, т.е. устройство может нейтрализовать вес стержневого груза 1 или 29 более 300 Н, см. фиг. 1-3.

В этот период стержневой груз 26 другого силового блока отключен от передаточной шестерни 34 и связан с ведущим валом через подпружиненную рейку 35, паразитную шестерню 38 и передаточную шестерню 39, т.е. находится в состоянии падения вниз и передает лишь часть кинетической энергии ведущему валу, необходимую для преодоления трения между взаимодействующими элементами устройства, преобладающая часть этой энергии /до 70%/ передается через связанный с реечными зубьями на поверхности стержневого груза 26 распределительный механизм валу потребителя энергии 36, например электрогенератору, см. фиг. 1-5.

При достижении грузами 1 и 29 соответственно крайних верхнего и нижнего положений происходит нейтрализация веса груза 29, а стержневой груз 1 обретает состояние падения вниз, т. е. процесс преобразования гравитационной энергии в механическую повторяется, см. фиг. 1-3.

В первоначальный момент движение элементов устройства начинается силовым импульсом от пускового устройства через шток-толкатель 25 до обретения уравновешивающими дисками 6, 40 и 7, 41 необходимой скорости вращения, см. фиг. 1,3.

Производительность предложенного преобразователя энергии зависит от правильно выбранной схемы размещения элементов и исполнения противовесного узла и других узлов уравновешивающего механизма каждого силового блока, а также от обеспечения своевременного подключения и отключения названных храповых муфт, защелок и т. п. Она также зависит от первоначального силового импульса, но в основном она зависит от веса стержневых грузов 1 и 29, т.е. может быть любой из необходимых, см. фиг. 1-5.

Конструктивные особенности предложенного изобретения позволяют затраты энергии на преодоление трения в нем иметь минимальными: можно применить подшипники качения, антифрикционные материалы, проводить регулярную смазку взаимодействующих элементов, и в общем итоге эти затраты не превысят 30% преобразованной энергии, т.е. 70% ее можно использовать, например, для вращения электрогенератора, см. фиг. 1-3.

Использование: гравитационная энергетика. Сущность изобретения: изобретение содержит два установленных противофазно относительно друг друга силовых блока, каждых из которых содержит вертикальный стержневой груз, связанные с нагрузочной шестерней и двумя уравновешивающими дисками, на которых установлен противовесный узел, выполненный в виде натяжной шестерни и укрепленный на одном из дисков в рычаге. Одно плечо рычага связано гибким соединителем с натяжной шестерней. В другое плечо упирается наконечник подпружиненного толкателя. В результате взаимодействия грузового и уравновешивающего механизмов нейтрализуется давление правой части нагрузочной шестерни на связанные с нею элементы. Вес стержневого груза полностью уравновешивается давлением левой части нагрузочной шестерни. При нейтрализации веса стержневого груза в одном силовом блоке стержневой груз другого силового блока, отключенный от уравновешивающего механизма, падает вниз. Преобладающая часть кинетической энергии падающего стержневого груза используется для полезной работы. 5 ил.

Преобразователь энергии, содержащий два кинематически связанных в установленных противофазно относительно друг друга силовых блока, каждый из которых выполнен в виде кинематически связанных грузового и уравновешивающего механизмов, и пусковое устройство, отличающийся тем, что грузовой механизм каждого силового блока выполнен в виде имеющего возможность вертикального перемещения стержневого груза, уравновешивающий механизм выполнен в виде подпружиненной нагрузочной шестерни, опирающейся одной стороной на ведущую шестерню, неподвижно закрепленную на ведущем валу, а другой стороной она опирается на вспомогательную шестерню, равную ведущей шестерне и неподвижно закрепленную на одном валу с натяжным шестеренным сектором, связанным с выступом вспомогательного уравновешивающего диска, свободно установленного на ступице основного уравновешивающего диска, который таким образом установлен на валу вспомогательной шестерни и является платформой для противовесного узла, содержащего натяжную шестерню, связанную с радиальной рейкой, закрепленной на основном уравновешивающем диске, на линии, проходящей через центр вращения натяжной шестерни и перпендикулярной радиальной рейке, установлен рычажный шарнир, ось которого закреплена на выступе вспомогательного уравновешивающего диска, проходящем сквозь соответствующее окно в основном уравновешивающем диске, рычажный шарнир является опорой для связанного с ним рычага, одно плечо которого шарнирно соединено с концом гибкого соединителя, перекрестно связанного другим концом с натяжной шестерней также посредством шарнира, второе большее плечо рычага оснащено Г-образной направляющей, в которую упирается оснащенный роликом наконечник подпружиненного толкателя, упирающийся тем же роликом в торец имеющего возможность перемещения вдоль Г-образной направляющей ползункового упора, противоположный конец которого стопорится выступом на основном уравновешивающем диске, а кинематическая связь между грузовым и уравновешивающим механизмами осуществляется через две рейки, соединенные посредством пружин растяжения-сжатия со стержневым грузом и связанные с двумя закрепляемыми на ведущем валу посредством храповой муфты передаточными шестернями, равными по основным параметрам ведущей шестерне, кроме того, кинематическая связь грузового и уравновешивающего механизмов осуществляется через две равные ведущей шестерне промежуточные шестерни, одна из которых неподвижно закреплена на ведущем валу, вторая соединена с торцом ступицы основного уравновешивающего диска, а между собой они связаны большой промежуточной шестерней, диаметр начальной окружности которой равен этому диаметру нагрузочной шестерни, пусковое устройство силового блока выполнено в виде штока-толкателя с пружиной сжатия и закрепленной на ведущем валу посредством скользящей шпонки храповой муфты, соединяющейся через выдвижную шпонку и ползунок с кулачковыми пазами стержневого груза, при этом силовые блоки связаны между собой через общий ведущий вал с неподвижно закрепленными на нем промежуточными и ведущими шестернями.