ВЕТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧЕГО ОРГАНА Российский патент 1999 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности, к механизмам, преобразующим вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступательное движение рабочего органа, и может быть использовано в сельском хозяйстве в системах водоснабжения, в нефтедобыче при разработке малодебетных скважин.

Известно приспособление к ветряному двигателю, приводящему в движение насос, для изменения величины хода насосной штанги в зависимости от скорости вращения ветряка, содержащее центробежный регулятор и многоступенчатый эксцентрик (1).

Недостатком приспособления является низкая производительность, вызванная неточностью установки требуемого хода поршня из-за ступенчатого изменения его величины и большой нагрузки на центробежный регулятор.

Наиболее близко к предлагаемой ветромеханической установке приспособление к приводной лебедке универсального ветродвигателя для изменения величины хода поршня, имеющее центробежный регулятор кинематически связанный с ветродвигателем, рычажный механизм с редуктором и кривошипно-шатунный механизм (2).

Недостатком приспособления является также низкая производительность. Причиной является то, что, как и в аналоге, при низкой частоте вращения и при остановленном вале ветроколеса изменение радиуса кривошипа невозможно, что исключает ветродвигатель из режима работы при малых скоростях ветра, и то, что он обладает низким КПД. Кроме того, изменение хода поршня происходит в зависимости от скорости ветра при постоянной частоте (скорости) вращения ветроколеса, а не в зависимости от оптимального по критерию максимума развиваемой мощности соотношения этих скоростей.

Цель изобретения - повышение производительности ветромеханической установки за счет обеспечения оптимальной для различных скоростей ветра загрузки ветроколеса путем автоматического изменения величины хода рабочего органа.

Поставленная цель достигается тем, что ветромеханическая установка снабжена дополнительным ветроколесом, быстроходность которого так относится к быстроходности основного ветроколеса, как частота вращения последнего при его холостом ходе относится к частоте вращения при оптимальной загрузке.

На чертеже приведена кинематическая схема ветромеханической установки.

Ветромеханическая установка содержит основное 1 и дополнительное 2 ветроколесо, вал 3 основного ветроколеса, жестко соединенный с редуктором 4, вал 5 дополнительного ветроколеса, на конце которого расположена малая шестерня 6 первой ступени привода кривошипно-шатунного механизма, шерстерни 7 и 8, жестко соединенные с валом 9, свободно вращающимся в подшипнике на конце рычага 10, жестко соединенного с валом 3, на котором свободно размещен блок шестерен 11 и 12 второй и третьей ступени. В зацеплении с шестерней 12 находится шестерня 13, жестко установленная на кривошипе 14, который свободно вращается в подшипнике на конце рычага 15, жестко соединенного с валом 3, а другой его конец шарнирно связан с шатуном 16 рабочего органа.

Ветромеханическая установка работает следующим образом.

Допустим, что в исходном состоянии кривошип 14 находится в разложенном состоянии, то есть его радиус большой, а скорость ветра недостаточна для того, чтобы преодолеть силы сопротивления. Основное ветроколесо 1 не вращается. При этом дополнительное ветроколесо 2, нагрузка на которое из-за достаточно большого передаточного отношения редуктора ничтожно мала, начинает вращаться, уменьшая радиус кривошипа за счет сближения оси вала 3 и оси 17. В результате момент сопротивления уменьшается, и когда он станет меньше момента, развиваемого основным ветроколесом 1, последнее начнет вращаться, постепенно увеличивая частоту вращения по мере уменьшения радиуса кривошипа.

Когда частота вращения ветроколеса 1 станет равной частоте вращения дополнительного ветроколеса 2, изменение радиуса кривошипа прекратится. При этом, так как быстроходность основного ветроколеса 1 во столько же раз больше быстроходности дополнительного ветроколеса 2, во сколько частота вращения его холостого хода больше оптимальной частоты вращения по критерию максимума развиваемой мощности, мощность ветроколеса 1 достигнет максимума.

Если скорость ветра увеличится, то основное ветроколесо 1 начнет вращаться быстрее дополнительного, так как нагрузка на его валу будет меньше оптимальной для данной скорости ветра. При этом взаимное вращение валов 3 и 5 начнет осуществляться в противоположную сторону, и радиус кривошипа будет увеличиваться. Момент сопротивления будет расти. Частота вращения ветроколеса 1 при этом начнет уменьшаться и, когда она станет оптимальной, то есть равной частоте вращения дополнительного ветроколеса 2, изменение радиуса кривошипа прекратится. Мощность, развиваемая ветроколесом 1, будет максимальной.

При уменьшении скорости ветра работа установки будет происходить точно таким же образом, как в описанном выше исходном состоянии.

В результате, при уменьшении скорости ветра дополнительное ветроколесо 2 уменьшает радиус кривошипа, тем самым доводя нагрузку на ветроколесе 1 до оптимальной для данной скорости ветра, а при увеличении скорости ветра радиус кривошипа увеличивается, увеличивая нагрузку на ветроколесе 1 также до оптимального значения, для увеличенной скорости ветра.

Таким образом, при любой скорости ветра ветромеханическая установка оптимально загружена, что значительно повышает ее производительность.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 62827, кл. F 03 D 9/00, 1943.

2. Авторское свидетельство СССР N 74934, кл. F 03 D 9/00, 1948 (прототип).

Изобретение относят к ветроэнергетике, в частности, к механизмам, преобразующим вращательное движение ветроколеса в возвратно-поступательное движение рабочего органа, может быть использовано в сельском хозяйстве в системах водоснабжения, в нефтедобыче при разработке малодебетных скважин. Внутри вала основного ветроколеса расположен вал дополнительного ветроколеса, связанный через редуктор с механизмом изменения радиуса кривошипа. При этом быстроходность дополнительного ветроколеса во столько же раз меньше быстроходности основного ветроколеса, во сколько его оптимальная частота вращения по критерию максимума развиваемой мощности меньше частоты вращения холостого хода. Поскольку передаточное отношение редуктора большое, дополнительное ветроколесо работает практически на холостом ходу и скорость его вращения равна оптимальной скорости вращения основного ветроколеса. Если скорость вращения основного ветроколеса отличается от оптимальной, происходит взаимное вращение валов, при котором через редуктор изменяется радиус кривошипа, увеличивая или уменьшая нагрузку на основное ветроколесо, а следовательно, частоту его вращения, тем самым доводя их до оптимальной величины для данной скорости ветра. Технический результат заключается в повышении производительности ветромеханической установки за счет обеспечения оптимальной для различных скоростей ветра загрузки ветроколеса путем автоматического изменения величины хода рабочего органа. 1 ил.

Ветромеханическая установка с возвратно-поступательным движением рабочего органа, содержащая кривошипно-шатунный механизм с изменяющимся радиусом кривошипа, связанный посредством редуктора с устройством, реагирующим на частоту вращения вала ветроколеса, отличающаяся тем, что устройство, реагирующее на частоту вращения вала ветроколеса, выполнено в виде дополнительного ветроколеса, быстроходность которого отлична от быстроходности основного ветроколеса.