ВОДО-ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F03B17/06 F03D3/00 

Изобретение относится к водо-ветроэнергетике и может быть использовано в установках, перерабатывающих нетрадиционные источники энергии (ветра, речных, подводных морских и других текучих сред) в электрическую.

Известны устройства, преобразующие энергию ветра в электрическую (см. авт. свид. N 1116307, бюл. N 36, 1984 г., N 1020622, бюл. N 36, 1983 г. и др.).

Известны устройства, преобразующие энергию морских волн, приливов (см. авт. свид. N 1097819 и др.).

Перечисленные устройства принципиально отличаются друг от друга по конструкции, громоздки, требуют для изготовления больших трудозатрат, малоэффективны и не универсальны. Они не могут использоваться для выработки электроэнергии из подводных морских течений.

Указанные недостатки частично исключаются в конструкции ветродвигателя (см. авт. свид. N 1423777, бюл. N 34, 1988 г.). Известный ветродвигатель содержит кожух с роликами. Натяжной ролик превышает приводной. На ролике под углом натянута гибкая ветвь, по которой равномерно закреплены рамки с торсионными валиками. К валикам крепятся лопасти каждой пары, которые в рабочем положении раскрыты и контактируют с направляющими, закрепленными к кожуху. Для уменьшения сопротивления с текучей средой нерабочие лопасти смыкаются (складываются), затем постепенно раскрываются и на рабочем участке ветродвигателя перемещаются одновременно с текучей средой.

Недостаток этой конструкции - гибкие ветви, которые могут прогибаться при относительно небольшой длине и вибрировать без поддерживающих промежуточных роликов. С применением роликов эффект по снижению сопротивления за счет смыкания холостых лопастей, движущихся навстречу рабочей текучей среде, будет минимальным.

Задача изобретения - упрощение конструкции, ее универсальность, высокоэффективность (по мощности), работающей внутри любых движущихся сред и их приграничных зонах.

Указанный результат достигается за счет того, что лопасти каждой пары водо-ветроэнергетической установки шарнирно крепятся вдоль перпендикулярно направленных и диаметрально расположенных относительно вертикального вала штанг с возможным их совместным раскрытием одной относительно другой от 0 до 180^o посредством тяг, ограниченных сферическими шарнирами, соединенных с ползунами, размещенными на штангах. Ползуны через вилки соединяются с торцевыми поверхностями (или кулачком со специальным профилем) эксцентрично закрепленного через подшипники к вертикальному валу цилиндра приспособления ориентации. Штанги с лопастями крепятся к вертикальному валу равномерно многоярусным способом, причем штанги одного яруса смещены относительно штанг другого яруса на угол 15 - 45^o. На ползунах размещены балансировочные втулки, соединенные посредством вилок с направляющими, установленными к эксцентрично закрепленному цилиндру.

На фиг. 1 изображена схема использования водо-ветроэнергетической установки, работающей от ветровой нагрузки, а на фиг. 2 - от глубинного морского течения.

Установка 1 содержит вертикальный вал 2, к которому жестко в перпендикулярном направлении и диаметрально (сбалансированно) крепятся штанги 3. Через шарниры 13 к штангам 3 крепятся лопасти каждой пары 4, соединенные рычагами 10, ограниченные сферическими шарнирами 11 с ползунами 5, которые посредством вилок 9 контактируют с торцевыми поверхностями эксцентрично закрепленного цилиндра 6 (или кулачка спецпрофиля) приспособления ориентации 16. Через подшипники качения 7, 8 приспособление ориентации 16 крепится к вертикально расположенному валу 2. На ползунах 5 размещены балансировочные втулки (противовесы), изготовленные совместно с вилками 15, входящими в контакт с направляющей 14, закрепленной к цилиндру 6. Вал 2 крепится к основанию установки 17 через подшипники 8 и 18. При помощи разъемных соединений основание установки 17 крепится к опоре 19. Через подшипники 22, 23 на опоре 19 установлен промежуточный вал 21 с жестко закрепленным на конце инерционным маховиком 24. Через предохранительную муфту 20 вал 2 соединен с промежуточным валом 21, к которому крепится тахогенератор 31. Под маховиком 24 на подпружиненной оси 32 размещен диск 25 совместно со шкивом 26 и кольцевой проточкой, в которую свободно входит вилка 29, жестко соединенная со штоком пневмопривода 30. Привод 30 жестко крепится к опоре 19. Через ременную передачу диск 25 соединен с электрогенератором 27, снабженным механизмом стабилизации скорости вращения 28. На оси 32 крепится диск 33 со шкивом, соединенным через ременную передачу с компрессором 34. С помощью воздуховода 35 компрессор 34 соединен с аккумулирующей емкостью 36.

Водо-ветроэнергетическая установка 1 от ветра работает следующим образом.

При достаточном напоре ветра приспособление ориентации 16 повернется на подшипниках 7, 8 и займет положение по направлению потока. От наибольшего радиуса эксцентрично закрепленного цилиндра 6 ползун 5 через вилку 9 выдвинется от вала 2 на максимальное расстояние в сторону лопастей 4. Рычаги 10, ограниченные сферическими шарнирами 11, воздействуя на лопасти 4 каждой пары, через шарниры, закрепленные на штанге 3, раскрывают лопасти 4 на величину 180^o. В результате образуется максимальная по площади парусность, расположенная перпендикулярно энергетическому потоку, движущаяся определенный отрезок времени в унисон с энергетическим потоком (рабочая зона). В это же время на диаметрально расположенной штанге 3 относительно вала 2 другая пара лопастей 4 за счет наименьшего радиуса направляющей цилиндра 6 будет сомкнута. То есть, они образуют наименьшую по площади парусность (холостая нерабочая зона). При повороте штанги 3 на 90^o лопасти 4, ранее находившиеся в рабочей зоне, смыкаются. Парусность станет минимальной. На диаметрально противоположной штанге 3, в зоне холостого хода, парусность ранее сомкнутых лопастей 4 будет увеличиваться за счет изменения радиуса направляющей цилиндра 6. Каждая пара лопастей 4 в холостой зоне большее время остается сомкнутой. За счет многократного преобладания парусной поверхности раскрытых лопастей 4 в рабочей зоне относительно холостых и воздействия энергетического потока возникает результирующая сила, приводящая во вращение вертикальный вал 2 установки 1. Вибрационные колебания гасятся балансировочными втулками вилок 15, смещающимися на максимальную величину в зоне холостого хода и минимальную - в зоне рабочего хода.

Вращение от вала 2 через муфту 20 передается на промежуточный вал 21. От вала 21 вращается инерционный маховик 24. Скорость маховика 24 контролируется тахогенератором 31, подающим сигнал на пневмопривод 30. При определенной скорости инерционного маховика 24 включается пневмопривод 30, шток которого втягивает вилку 29 и вводит в сцепление диски 25 и 33, свободно перемещающиеся на подпружиненной оси 32. Вращение от дисков 25 и 33 передается через ременные передачи соответственно на электрогенератор 27 и компрессор 34. Сжатый воздух от компрессора 34 аккумулируется по воздуховоду 35 в емкость 36. С повышением ветровой нагрузки вращение маховика 24 возрастает. По сигналу тахогенератора 31 срабатывает пневмопривод 30, который одновременно переместит диски 25 и 33 к центру маховика 24. От этого скорость вращения диска 25 уменьшается, а скорость диска 3 наоборот увеличивается, что соответственно обеспечит уменьшение числа оборотов на электрогенераторе 27 и увеличение числа оборотов компрессора 34. Импульсивные потоки ветра будут сглаживаться за счет применения инерционного маховика 24. Равномерное вращение электрогенератора 27 обеспечится инерционным регулятором скорости 28. По мере уменьшения напора ветра диски 25 и 33 переместятся в обратном направлении. Сжатый воздух из аккумулирующей емкости 36 используется для технологических нужд или в безветренную погоду для выработки электроэнергии генератором 27 от вращения дополнительно расположенного на его валу турбинного колеса или используя установку 1 (на схеме турбинное колесо и дополнительное устройство для вращения установки 1 в безветренную погоду от сжатого воздуха не показаны).

Водо-ветроэнергетическая установка, работающая от глубинного морского течения, удерживается поплавком 37 (если нет возможности использовать опору), содержит штанги 3 с лопастями 4, приспособления ориентации 16 и 38 потока. К вертикальному валу 2 установки 1 через трос крепится электрогенератор 27 с приспособлением ориентации 38 подводного потока. К корпусу электрогенератора 27 крепится трос 39 с якорем 40. Электрокабель 41 крепится к тросу 39. Установка работает аналогично вышеописанному от ветрового потока.

Преимущества установки:
- универсальна, может работать как внутри любой движущейся среды, так и в ее приграничных зонах (вода, воздух и т.п.);
- проста по конструкции;
- требует минимальных трудозатрат при выработке 1 кВт электроэнергии;
- высокоэффективна, что позволяет создать сверхмощные энергопреобразователи;
- минимальные сроки окупаемости.

Установка предназначена для выработки электроэнергии. Установка содержит вертикальный вал с перпендикулярно прикрепленными и диаметрально расположенными через равные углы штангами с лопастями и приспособлением ориентации энергетического потока движущейся среды. Лопасти каждой пары через шарниры прикреплены вдоль штанг с возможным их совместным раскрытием одной относительно другой от 0^o до 180° посредством тяг. Последние ограничены сферическими шарнирами, соединены с ползунами, размещенными на штангах, и при помощи вилок соединены с торцевыми поверхностями эксцентрично закрепленного посредством подшипников к вертикальному валу цилиндра приспособления ориентации. Такое выполнение установки позволяет упростить конструкцию и дает возможность обеспечения работы внутри любых движущихся сред и в их пограничных зонах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Водо-ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальный вал с перпендикулярно прикрепленными и диаметрально расположенными через равные углы штангами с лопастями и приспособлением ориентации энергетического потока движущейся среды, отличающаяся тем, что лопасти каждой пары через шарниры крепятся вдоль штанг с возможным их совместным раскрытием одной относительно другой от 0 до 180^o посредством тяг, ограниченных сферическими шарнирами, соединенных с ползунами, размещенными на штангах, и через вилки контактируют с торцевыми поверхностями эксцентрично закрепленного через подшипники к вертикальному валу цилиндра приспособления ориентации. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что штанги с лопастями крепятся к вертикальному валу многоярусным способом, причем штанги одного яруса смещены относительно другого на угол 15 - 45^o. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена балансировочными втулками, охватывающими ползуны и входящими через вилки в кинематическое зацепление с направляющими, установленными на эксцентрично закрепленном цилиндре.