ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F03D5/04 

Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно к ветровой энергии, и преобразования их в другие виды, преимущественно в электрическую энергию.

Известна ветроэнергетическая установка [1] с использованием основного рабочего элемента в виде паруса, установленного на платформе, а платформы соединены, в свою очередь, в состав, начало и конец которого соединены вместе, то есть образуют кольцо. Состав устанавливается на соответствующий размерам платформ круговой путь. Парус имеет наибольший коэффициент использования ветровой энергии. Мощность, развиваемая установкой, отбирается от вала колес платформы.

Недостаток указанной ветроэнергетической установки заключается в механической (ручной) первоначальной установке ориентации паруса в зависимости от направления ветра и ручной корректировке его положения при изменении направления ветра. Кроме того, ориентация паруса меняется синхронно на всем протяжении времени прохода платформы по кольцевому пути. За это время парус делает полуоборот (180°) вокруг своей оси (стойки). Такое изменение ориентации лопасти (паруса) на подавляющем отрезке прохождения платформы по кольцевому пути не обеспечивает эффективного отбора энергии ветра.

Известен также ветродвигатель [2], который по своим конструктивным признакам может быть указан в качестве прототипа предлагаемого преобразователя энергии.

Прототип содержит круговую дорогу, платформу, стойку, лопасть, флюгер, узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти.

Платформы вращаются вокруг вертикального центрального вала, от которого движение передается электрогенератору или водяному насосу.

К недостаткам прототипа относится сложность конструкции узла изменения ориентации и фиксации положения лопасти, что затрудняет его применение. Целью данного изобретения является упрощение конструкции преобразователя.

Поставленная цель достигается применением новой конструкции ветродвигателя, которая содержит кинематически связанные вертикальный центральный вал, электрогенератор, конический флюгер и состав из вращающихся платформ, каждая из которых содержит вертикальную стойку, коромысло, лопасть (парус), состоящую из двух половин, в корневой части установлен узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, кроме того, ветродвигатель содержит дополнительно взаимодействующие друг с другом плоский флюгер, узел фиксации положения конического флюгера, тормозную систему, а также кинематически связанные центральную коническую шестерню, шестерни-сателлиты, радиальные валы, конические, периферийные и шестерни ориентации коромысел. При этом центральная коническая шестерня установлена неподвижно на стойке конического флюгера, а конические шестерни ориентации коромысел шарнирно установлены на стойке, неподвижно связаны с коромыслами и взаимодействуют с узлами изменения ориентации и фиксации положения лопастей соответствующих вращающихся платформ.

Каждая вращающаяся платформа содержит колесо, жесткую раму, состоящую из нижнего и верхнего коромысел и стоек двух половин лопасти, шарнирно установленную на вертикальной стойке лопасти, а также верхнюю, нижнюю и наклонные сцепки, соединяющие платформы друг с другом, кроме того, стойки лопастей с помощью верхних упоров неподвижно связаны с центрирующим фланцем, шарнирно установленным на стойке конического флюгера.

Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит взаимодействующие друг с другом диск ориентации, накопительную пружину, диск лопасти, обгонную муфту, втулку, ведущую и ведомые конические шестерни, валы, малую и большую конические шестерни соответствующих двух половин лопасти. При этом диск ориентации неподвижно соединен с конической шестерней ориентации коромысел, а диск лопасти неподвижно соединен с обоймой обгонной муфты, ступица которой неподвижно установлена на нижнем конце втулки, на верхнем конце которой неподвижно установлена ведущая коническая шестерня. Кроме того, диск ориентации через вновь введенные пары стержней подшипников и подпружиненных защелок взаимодействует с диском лопасти, при этом защелки шарнирно связаны со стойками платформы.

Защелка имеет Z-образную форму, наконечник которой имеет цилиндрическую форму и взаимодействует с двумя отверстиями в диске лопасти, расположенными с двух диаметрально противоположных сторон, а рычаг защелки имеет обтекаемую форму и взаимодействует с подшипниками, шарнирно установленными на нижних концах стержней, неподвижно связанными с диском ориентации, при этом защелка шарнирно установлена на оси вращения, неподвижно связанной со стойкой платформы, и взаимодействует с ней через пружину.

Узел фиксации положения конического флюгера содержит плоский флюгер, два блока, вторые тросы, кольцо с шлицами и две подпружиненные защелки, установленные на стойке конического флюгера с двух противоположных сторон. При этом кольцо с шлицами неподвижно установлено на верхнем конце неподвижной стойки и взаимодействует с защелками, связанными через вторые тросы с плоским флюгером, установленным шарнирно на верхнем торце стойки конического флюгера. Во втором варианте ветродвигателя конические шестерни ориентации коромысел взаимодействуют друг с другом через периферийные валы и периферийные конические шестерни, расположенные по окружности. При этом одна из конических шестерен ориентации коромысел через радиальный вал взаимодействует с центральной конической шестерней, неподвижно установленной на стойке конического флюгера.

Принцип работы ветродвигателя поясняется чертежами, представленными на фиг.1-фиг.5.

На фиг.1 представлена конструкция ветродвигателя, где:

1 - стойка неподвижная;

2 - стойки лопастей;

3 - рычаги нижние;

4 - подпорки;

5 - упоры верхние;

6 - колеса;

7 - платформа центральная;

8 - тормозная система;

9 - тормозной цилиндр;

10 - вал;

11, 12 - ведущая и ведомая конические шестерни;

13 - мультипликатор;

14 - электрогенератор;

15 - подставка;

16 - рычаг тормозной системы;

17 - трос;

18 - упорное кольцо;

19, 20 - первый и второй радиально-упорные подшипники;

21 - стойка флюгера;

22 - центральная коническая шестерня;

23 - конические шестерни-сателлиты;

24 - валы радиальные;

25 - периферийные конические шестерни;

26 - конические шестерни ориентации коромысел;

27, 28 - нижние и верхние коромысла;

29 - второе упорное кольцо;

30 - третий радиально-упорный подшипник;

31 - фланец центрирующий;

32 - рычаг (направляющая) пирамидального конического флюгера;

33 - подпорки флюгера;

34 - конический флюгер;

35 - противовес;

36 - палец;

37 - паз;

38 - пружина цилиндрическая;

39 - кольца ограничительные;

а также узел фиксации положения конического флюгера, который включает в себя:

40 - плоский флюгер;

41 - блоки;

42 - тросы вторые;

43 - кольцо с шлицами;

44 - подпружиненные защелки.

На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1, где позиции 2, 28 те же, что на фиг.1:

45 - сцепки горизонтальные нижние;

46 - сцепки наклонные;

47 - сцепки верхние;

48 - платформы лопастей;

49 - втулка;

50 - четвертый подшипник.

На фиг.3 представлена конструкция вращающейся платформы с узлом изменения ориентации и фиксации положения лопасти, где позиции 2-27 те же, что на фиг.1:

51, 52 - правая и левая половины лопасти;

53 - втулки крепления;

54, 55 - стойки правой, левой половин лопасти;

56 - кронштейны;

57 - ведущие конические шестерни;

58 - ведомые конические шестерни;

59 - вал;

60 - платформа лопасти;

61 - радиально-упорный подшипник;

62 - стойки;

63 - втулка;

64 - пружина накопительная;

65 - большая коническая шестерня лопасти;

66 - малая коническая шестерня;

67 - диск ориентации;

68 - диск лопасти;

69 - стержни;

70 - подшипник;

71 - защелки;

72 - обгонная муфта.

На фиг.4 представлена конструкция защелки, где:

73 - ось вращения;

74 - пружина;

75 - рычаг;

76 - наконечник.

На фиг.5 представлен второй вариант кинематической схемы связи между центральной конической шестерней 22 с коническими шестернями 26 ориентации коромысел, где

77 - периферийные валы;

78 - радиальный вал.

Принцип работы ветродвигателя, представленного на фиг.1-фиг.5, заключается в следующем.

Вертикальная неподвижная стойка 1 бетонируется в землю в центре ровной горизонтальной площадки, находящейся на возвышенной местности, где проходят воздушные потоки.

Плоские лопасти (паруса) устанавливаются попарно симметрично относительно центральной стойки 1.

Стойки лопастей 2 для ветродвигателей средней мощности от 5 до 25 кВА могут быть установлены на колесах 6, вращающихся по круговой траектории вокруг стойки 1.

Для ветродвигателей малой мощности до 5 кВА стойки лопастей могут вращаться на упорном подшипнике, установленном на стойке 1.

Каждая стойка лопасти имеет свое колесо 6. С помощью горизонтального рычага 3 и подпорки 4 стойка крепится к центральной платформе 7 неподвижно.

С центральной платформой 7 неподвижно связан вал 10, установленный соосно стойке 1. Под платформой 7 установлена тормозная система, аналогична тормозной системе автомобиля ВАЗ. Главный тормозной цилиндр 9 через трос 17 взаимодействует с флюгером конической (или пирамидальной) формы 34.

На нижнем конце вала 10 неподвижно установлена ведущая коническая шестерня 11, входящая в сцепление с ведомой шестерней 12. Ведомая шестерня установлена на валу мультипликатора 13. Выходной вал мультипликатора подключен к электрогенератору 14. Мультипликатор повышает скорость вращения выходного вала до номинальной скорости вращения ротора электрогенератора.

Подставка 15, на которой установлены мультипликатор с электрогенератором, неподвижно крепится к стойке 1 или устанавливается на поверхности земли.

Рычаг тормозной системы 16 через трос 17, перекинутый через блоки 41 и проходящий по центру стойки 1, взаимодействует с флюгером 34.

Упорное кольцо 18 неподвижно устанавливается на стойке 1 на необходимой высоте.

Над кольцом установлен первый радиально-упорный подшипник 19, который обеспечивает свободное вращение вала 10 и связанной с ним неподвижно центральной платформы 7 и ведущей конической шестерни 11.

Второй радиально-упорный подшипник 20 установлен над центральной платформой 7 и служит упором для центральной конической шестерни 22 и связанной с ней неподвижно стойки 21 флюгера. При изменении направления ветра меняется угловое положение центральной конической шестерни. Центральная коническая шестерня находится в сцеплении с коническими шестернями-сателлитами 23, установленными по кругу эквидистантно.

Радиальные валы 24 соединяют шестерни-сателлиты 23 с соответствующими периферийными коническими шестернями 25.

Последние входят в сцепление с соответствующими коническими шестернями 26 ориентации коромысел 27. Указанные шестерни 26 аналогичны центральной конической шестерне 22, имеют такие же размеры и число зубцов, что и центральная коническая шестерня 22.

При таких соотношениях размеров конических шестерен 22, 23, 25 и 26 коромысла 27, 28 сохраняют свою ориентацию в пространстве постоянно при вращении платформы. Они ориентированы перпендикулярно рычагу (направляющей) 32 флюгера, т.е. направлению ветра.

Нижние 27 и верхние 28 коромысла установлены горизонтально, симметрично относительно соответствующих стоек 2 лопастей.

Верхние упоры 5 соединяют верхние концы стоек 2 лопастей с центрирующим фланцем 31. Данный фланец установлен на третьем радиально упорном подшипнике 30 с возможностью свободного вращения вокруг стойки 21 флюгера. Подшипник 30 устанавливается на необходимой высоте с помощью второго упорного кольца 29.

Рычаг (направляющая) 32 флюгера 34 крепится к стойке 21 под прямым углом и закрепляется с двух сторон подпорками 33. На второй конец направляющей флюгера насажен противовес 35, компенсирующий вес флюгера 34. Между стойкой 21 флюгера и верхним концом неподвижной стойки 1 устанавливается кольцо с шлицами 43.

Когда флюгер ориентирован точно по направлению ветра, это положение фиксируется с помощью узла фиксации положения конического флюгера. Этот узел содержит кольцо 43 с нарезанными по кругу шлицами прямоугольного профиля, неподвижно закрепленного на стойке 1. Наконечники подпружиненных защелок 44 прямоугольного сечения с двух сторон заходят в шлицы кольца 43 и фиксируют неподвижное положение пирамидального флюгера 34.

Плоский флюгер 40, шарнирно закрепленный к верхнему торцу стойки 21 конического флюгера 34 и подтянутый с двух сторон тросами 42, перекинутыми через блоки 41, а также и пружинами защелок 44, принимает вертикальное положение.

При появлении бокового ветра плоский флюгер наклоняется в ту или в другую стороны. При этом тросы 42, перекинутые через блоки 41, выводят наконечники подпружиненных защелок 44 из шлицов кольца 43. После этого конический флюгер 34 поворачивается вокруг стойки и устанавливается вдоль направления ветра.

После этого плоский флюгер снова принимает вертикальное положение и подпружиненные защелки 44 входят в сцепление со шлицами кольца 43 и фиксируют неподвижное положение конического флюгера 34.

Конический флюгер установлен на горизонтальном рычаге 32 с возможностью свободного продольного перемещения. Однако цилиндрическая пружина 38 прижимает флюгер к переднему ограничительному кольцу 39. Для предотвращения поворота флюгера вокруг рычага 32 в нем предусмотрен паз 37. Палец 36, связанный неподвижно с флюгером, свободно ходит по пазу и обеспечивает флюгеру только продольное перемещении.

Второе кольцо 39 обеспечивает необходимую длину и силу прижатия пружины 38 флюгеру.

Чем больше скорость ветра, тем больше смещение конического флюгера по горизонтальному рычагу. Это смещение с помощью троса 17 передается на тормозной рычаг 16.

При этом тормозная система 8 пропорционально силе сжатия тормозной жидкости снижает скорость вращения выходного вала ветродвигателя. Таким путем синхронизируется скорость вращения ротора электрогенератора 14.

На фиг.2 представлена конструкция узла вращающейся платформы.

Центральная стойка 2 лопасти устанавливается неподвижно на подпорке 4. На конце подпорки 4 установлено колесо 6. Горизонтальный нижний рычаг 3 соединен неподвижно с платформой 60 лопасти. Платформа связана с подпоркой 4 двумя вертикальными стойками 62 и принимает горизонтальное положение. На платформе 60 установлен радиально упорный подшипник 61, а под ней коническая шестерня 26, кинематически связанная с флюгером.

Коническая шестерня неподвижно связана с прямоугольной жесткой рамой, состоящей из нижнего 27, верхнего 28 коромысел, правой 54 и левой 55 стоек двух половин лопасти 51 и 52.

Эта рама через конические шестерни 25, 26 кинематически связана с флюгером и сохраняет постоянно свою ориентацию при вращении. Нижнее 27 и верхнее 28 коромысла шарнирно установлены на стойке 2 и свободно вращаются вокруг нее. Верхний конец стойки 2 с помощью втулки 53 шарнирно соединен с верхним упором 5.

В определяющих точках траектории движения платформы - на границах раздела активного и пассивного участков - автоматически меняется ориентация двух половин лопастей 51 и 52. На активном участке обе половины лопасти автоматически ориентируются перпендикулярно направлению ветра.

На пассивном участке обе половины лопасти принимают положение, параллельное направлению ветра, т.е. флюгера.

Для автоматического изменения ориентации двух половин лопасти используется узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, включающий в себя позиции 57-71.

Ведущая коническая шестерня 57 неподвижно установлена на верхнем конце втулки 63. На нижнем конце данной втулки также неподвижно установлен диск 68. Диск ориентации 67 неподвижно связан с конической шестерней 26 ориентации коромысел. Указанная шестерня установлена на радиально-упорном подшипнике 61 и свободно вращается вокруг втулки 63.

На диске ориентации 67 в диаметрально противоположных точках перпендикулярно к ней неподвижно установлены стержни 69. На концах стержней шарнирно установлены подшипники 70. Эти подшипники взаимодействуют с защелками 71.

Кроме того, между дисками 67 и 68 установлена цилиндрическая накопительная пружина 64. Верхний и нижний концы пружины входят в отверстия в дисках 67 и 68. При вращении платформы с лопастями диск 68 лопасти проворачивается относительно диска ориентации 67 на угол 180° и пружина 64 накапливает энергию. Ступица обгонной муфты 72 неподвижно закреплена на втулке 63. Обойма муфты неподвижно связана с диском 68 лопасти. При вращении платформы по часовой стрелке обойма муфты выходит из сцепления со ступицей и зафиксированный защелкой диск 68 скручивает пружину 64 и накапливает энергию.

Дважды за период вращения лопастей вокруг неподвижной стойки 1 подшипники 70 взаимодействуют с защелками 71. При этом обойма муфты 72 входит в сцепление со ступицей и поворачивает ведущую коническую шестерню 57 на 180°. Данная шестерня через пару конических шестерен 58 и 66 взаимодействует с большой конической шестерней 65. Эта шестерня имеет число зубьев в два раза большее, чем ведущая шестерня 57. При одинаковых шестернях 58 и 66 указанное взаимодействие приводит к повороту большой шестеренки 65 на 90°. На такой же угол поворачиваются каждая из двух половин лопасти 51 и 52. Таким образом, в определяющих точках вращения платформы лопасти меняют свою ориентацию. На активном участке каждая половина лопасти устанавливается перпендикулярно направлению ветра. На пассивном участке траектории вращения каждая половина лопасти устанавливается вдоль направления ветра.

Такое автоматическое изменение ориентации двух половин лопасти обеспечивает максимальный отбор энергии ветра.

На фиг.4 представлена конструкция защелки. Защелка 71 имеет Z образную форму, которая качается вокруг оси вращения 73. Пружина 74 обеспечивает прижатие наконечника 76 к диску лопасти 68. Диск лопасти имеет два отверстия, расположенные с двух диаметрально противоположных сторон. Наконечники обоих защелок входят в отверстия диска 68 и обеспечивают его неподвижное положение относительно вращающейся платформы. При вращении платформы по часовой стрелке обойма муфты выходит из сцепления со ступицей. После взаимодействия рычагов 75 защелок 71 с подшипниками 70 пружина 64 вращает диск 68 против часовой стрелки. При этом обойма муфты входит в сцепление со ступицей и поворачивает втулку 63 и ведущую коническую шестерню 57 на 180° против часовой стрелки.

Этот процесс повторяется через каждые пол-оборота платформы вокруг стойки 1 в определяющих точках, находящихся на границах раздела активного и пассивного участков траектории вращения платформ.

На фиг.5 представлена кинематическая схема передачи вращения от центральной конической шестерни 22 к коническим шестерням ориентации коромысел 26. Радиальный вал 78 передает вращение от центральной конической шестерни 22 к одной из шести конических шестерен ориентации коромысел 26. В первом варианте таких радиальных валов шесть. Во втором варианте конические шестерни 26 ориентации коромысел связаны друг с другом периферийными валами 77. На концах периферийных валов установлены, аналогично первому варианту, периферийные конические шестерни 25 с одинаковым числом зубцов.

Установка периферийных валов по кругу придает дополнительную жесткость конструкции ветродвигателя и повышает надежность его работы.

Ветродвигатель может быть использован как автономный источник электрической энергии и необходим пограничникам, геологам, охотниках, фермерам и т.д.

Источники информации

1. Патент RU 2125181 от 20.01.1999, кл. F03D 5/04. Цибульников С.И. Ветроэнергетическая установка.

2. Патент RU 2224135 от 05.05.2002, кл. F03D 5/04. Алиев А.С. Ветродвигатель Алиева.

Ветродвигатель относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно ветроэнергии. Ветродвигатель содержит кинематически связанные вертикальный центральный вал, электрогенератор, конический флюгер и состав из вращающихся платформ, содержащих вертикальную стойку, коромысло, лопасть из двух половин, а также узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей, взаимодействующие друг с другом плоский флюгер, узел фиксации положения конического флюгера, тормозную систему, кинематически связанные центральную коническую шестерню, шестерни-сателлиты, радиальные валы, конические, периферийные и шестерни ориентации коромысел. Центральная коническая шестерня установлена неподвижно на стойке конического флюгера, а конические шестерни ориентации коромысел шарнирно установлены на стойке, неподвижно связаны с коромыслами и взаимодействуют с узлами изменения ориентации и фиксации положения лопастей соответствующих вращающихся платформ. Узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит диск ориентации, накопительную пружину, диск лопасти, обгонную муфту, втулку, ведущую и ведомые конические шестерни, валы, малую и большую конические шестерни соответствующих двух половин лопасти. Диск ориентации через пары стержней подшипников и подпружиненных защелок взаимодействует с диском лопасти, при этом защелки шарнирно связаны со стойками платформы. Платформа содержит колесо, жесткую раму, шарнирно установленную на стойке лопасти, а также сцепки, соединяющие платформы, причем стойки лопастей связаны с фланцем, шарнирно установленным на стойке конического флюгера. Узел фиксации положения конического флюгера содержит плоский флюгер, установленный шарнирно на стойке конического флюгера. Изобретение обеспечит упрощение конструкции ветродвигателя и повышение надежности его работы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий кинематически связанные вертикальный центральный вал, электрогенератор, конический флюгер и состав из вращающихся платформ, каждая из которых содержит вертикальную стойку, коромысло, лопасть (парус), состоящую из двух половин, в корневой части установлен узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, отличающийся тем, что содержит дополнительно взаимодействующие друг с другом плоский флюгер, узел фиксации положения конического флюгера, тормозную систему, а также кинематически связанные центральную коническую шестерню, шестерни-сателлиты, радиальные валы, конические, периферийные и шестерни ориентации коромысел, при этом центральная коническая шестерня установлена неподвижно на стойке конического флюгера, а конические шестерни ориентации коромысел шарнирно установлены на стойке, неподвижно связаны с коромыслами и взаимодействуют с узлами изменения ориентации и фиксации положения лопастей соответствующих вращающихся платформ.2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая вращающаяся платформа содержит колесо, жесткую раму, состоящую из нижнего и верхнего коромысел и стоек двух половин лопасти, шарнирно установленную на вертикальной стойке лопасти, а также верхнюю, нижнюю и наклонные сцепки, соединяющие платформы друг с другом, кроме того, стойки лопастей с помощью верхних упоров неподвижно связаны с центрирующим фланцем, шарнирно установленным на стойке конического флюгера.3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти содержит взаимодействующие друг с другом диск ориентации, накопительную пружину, диск лопасти, обгонную муфту, втулку, ведущую и ведомые конические шестерни, валы, малую и большую конические шестерни соответствующих двух половин лопасти, при этом диск ориентации неподвижно соединен с конической шестерней ориентации коромысел, а диск лопасти неподвижно соединен с обоймой обгонной муфты, ступица которой неподвижно установлена на нижнем конце втулки, на верхнем конце которой неподвижно установлена ведущая коническая шестерня, кроме того, диск ориентации через вновь введенные пары стержней подшипников и подпружиненных защелок взаимодействует с диском лопасти, при этом защелки шарнирно соединены со стойками платформы.4. Ветродвигатель по п.3, отличающийся тем, что защелка имеет Z-образную форму, наконечник которой имеет цилиндрическую форму и взаимодействует с двумя отверстиями в диске лопасти, расположенными с двух диаметрально противоположных сторон, а рычаг имеет обтекаемую форму и взаимодействует с подшипниками, шарнирно установленными на нижних концах стержней, неподвижно связанными с диском ориентации, при этом защелка шарнирно установлена на оси вращения, неподвижно связанной со стойкой платформы и взаимодействует с ней через пружину.5. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что узел фиксации положения конического флюгера содержит плоский флюгер, два блока, вторые тросы, кольцо с шлицами и две подпружиненные защелки, установленные на стойке конического флюгера с двух противоположных сторон, при этом кольцо с шлицами неподвижно установлено на верхнем конце неподвижной стойки и взаимодействует с защелками, связанными через вторые тросы с плоским флюгером, установленным шарнирно на верхнем торце стойки конического флюгера.6. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что конические шестерни ориентации коромысел взаимодействуют друг с другом через периферийные валы и периферийные конические шестерни, расположенные по окружности, при этом одна из конических шестерен ориентации коромысел через радиальный вал взаимодействует с центральной конической шестерней, неподвижно установленной на стойке конического флюгера.