УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2008 года по МПК F03D5/02 

Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно ветровой и гидроэнергии, 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 корректировки 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. Кроме того, конструкция прототипа не позволяет использовать ее в гидродвигателях.

Целью данного изобретения является упрощение конструкции преобразователя и расширение области его применения в гидроэнергетических установках.

Поставленная цель достигается применением новой конструкции преобразования энергии текучей среды (ветродвигателя или гидродвигателя), которая содержит кинематически связанные две лопасти, шестерни, выходной вал и электрогенератор (насос), взаимодействующие друг с другом, первые и вторые барабаны, муфты сцепления, шестерни, лопасти и тросы, которые образуют два замкнутых контура прямоугольной формы, в углах которых установлены блоки. Кроме того, тросы обвернуты вокруг вертикально установленных барабанов так, что они вращаются в двух взаимно противоположных направлениях и связаны неподвижно с обоймами первой и второй обгонных муфт, ступицы которых связаны с соответствующими шестернями и приводят их во вращение по очереди в противоположных направлениях. При этом лопасти прикреплены к тросам на участках с параллельным взаимно противоположным направлением движения и взаимодействуют с упорами, меняющими ориентацию лопастей.

Кроме того, лопасти выполнены в виде двух вертикальных складывающихся половинок (створок) с подпружиненными защелками, а на концах стоек которых неподвижно установлены трубчатые направляющие, взаимодействующие с тросом.

Во втором варианте лопасти выполнены в виде зонта, содержащего кинематически связанные и взаимодействующие друг с другом стойку, образующие с полотном втулку соединительную, первый и второй рычаги, ползун, ползун с фиксирующим наконечником, пружину, шток, колпак и подпружиненную защелку. При этом зонт взаимодействует с трубчатым упором и упорами для защелок.

В третьем варианте лопасти выполнены в виде одинарных вертикальных плоских пластин (парусов), на верхних и нижних концах стоек которых установлены подпружиненные фланцы с профильной торцевой поверхностью из четырех секций, взаимодействующих с соответствующими четырьмя фланцами с аналогичным торцевым профилем, неподвижно связанным с трубчатыми направляющими, взаимодействующими соответственно с верхним и нижним тросами.

Принцип работы устройства преобразования энергии текучей среды поясняется фигурами, представленными на фиг.1-8.

На фиг.1 представлен вид сверху А-А по фиг.2 преобразователя, где 1, 2 первая и вторая стойки;

3 - стойки для блоков;

4 - стойка лопасти;

5, 6 - левая и правая половины лопасти;

7 - защелка;

8 - пружина первая;

9 - направляющая лопасти;

10 - пружина вторая;

11 - вторая подпружиненная защелка;

12 - первый (раскрывающий) упор;

13 - вторые (складывающие) упоры;

14 - блоки верхние;

15 - первый (верхний) трос,

16, 17, 18 - первая, вторая и третья шестерни.

На фиг.2 представлен вид В-В по фиг.1, где позиции 1-18 те же, что на фиг.1;

19 - упорные кольца;

20 - упорные подшипники;

21, 22 - первый и второй барабаны;

23 - нижние блоки;

24 - второй (нижний) трос;

25, 26 - первая и вторая обгонные муфты;

27, 28, 29 - первый, второй и третий валы;

30, 31 - первая и вторая конические шестерни;

32 - второй (выходной) вал;

33 - маховик;

34 - электрогенератор (или насос);

35 - подставка.

На фиг.3 представлена конструкция лопасти, выполненной в виде зонта, где

36 - стойка зонта;

37 - образующие с полотном;

38 - втулка соединительная;

39 - палец;

40, 41 - первый и второй рычаги;

42 - ползун;

43 - ползун с фиксирующим наконечником;

44 - пружина цилиндрическая;

45 - палец для крепления троса;

46 - шток;

47 - паз;

48 - упор трубчатый;

49 - колпак;

50 - защелка;

51 - рычаг защелки;

52 - пружина защелки.

На фиг.4 представлен зонт в уложенном виде, где позиции 36-52 те же, что на фиг.3;

53 - упоры для защелок.

На фиг.5 представлена левая плоская одинарная лопасть в активном положении, где

54 - трос;

55 - плоская одинарная лопасть;

56 - направляющая лопасти;

57 - фланец ориентации;

58 - упор первый.

На фиг.6 представлена правая лопасть в пассивном положении, где позиции 54-57 те же, что на фиг.5;

59 - упор второй - дугообразный.

На фиг.7 представлена конструкция верхнего крепления плоской лопасти, где позиции 55-57 те же, что на фиг.5 и 6;

60 - стойка лопасти;

61 - подвижный фланец ориентации;

62 - паз;

63 - палец направляющий;

64 - пружина фиксирующая.

На фиг.8 представлен вид В-В на плоскую лопасть 55, где

65 - вид с торца на фланец ориентации.

Устройство преобразования энергии текучей среды, вид сверху на котором представлен на фиг.1, функционирует следующим образом. Первая 1, вторая 2 и стойки для блоков 3 устанавливаются неподвижно вертикально в воде (гидровариант) или на суше (ветровариант).

На первой 1 и второй 2 стойках установлены упорные кольца 19 и подшипники 20, на которых шарнирно установлены соответствующие цилиндрические барабаны 21 и 22.

Барабаны свободно вращаются на упорных подшипниках 20. Верхние торцы барабанов неподвижно связаны с обоймами первой 25 и второй 26 обгонных муфт. Ступицы указанных муфт свободно вращаются на стойках 1 и 2 и связаны неподвижно с соосно установленными первой 16 и второй 17 шестернями.

Шестерни 16, 17 входят в сцепление друг с другом и третьей шестерней 18, установленной на третьем валу 29.

На каждой стойке для блоков 3 установлены шарнирно верхние 14 и нижние 23 блоки. Через указанные блоки и барабаны 27, 22 натянуты первый (верхний) 15 и второй (нижний) 24 тросы. Тросы намотаны так, что на каждом барабане имеются несколько витков и обеспечивают их вращение во взаимно противоположных направлениях.

Первая 25 и вторая 26 обгонные муфты, обоймы которых неподвижно связаны с соответствующими барабанами 21 и 22, а ступицы - с соосными первой 16 и второй 17 шестернями, обеспечивают постоянное направление вращения третьей шестерни 18. Это связано с тем, что обгонные муфты 25, 26 входят в сцепление по очереди. Так, например, когда первый барабан 21 вращает через муфту 25 первую шестерню 16 против часовой стрелки, второй барабан крутится вхолостую. Когда обгонная муфта 25 выводиться из сцепления с шестерней 16, вторая муфта 26, входящая в сцепление со второй шестерней 17, и приводит его во вращение по часовой стрелке. Эта шестерня, в свою очередь, приводит во вращение третье колесо 18 и первую коническую шестерню 30 против часовой стрелки.

При изменении направления вращения первого 21 и второго 22 барабанов в сцепление входит вторая обгонная муфта 26. Теперь ведущей становится вторая шестерня, которая вращается в том же направлении - по часовой стрелке. Таким образом, не зависимо от направления движения тросов 15 и 24 шестерни 16, 17, 18 сохраняют свое направление вращения.

Третья шестерня 18 и первая коническая шестерня 30 установлены неподвижно на третьем валу 29. Вторая коническая шестерня 31 установлена на втором валу 32 и входит в сцепление с первой конической шестерней 30. На втором валу может быть установлен маховик 33 для повышения синхронности вращения выходного (второго) вала 32.

Выходной вал через мультипликатор (на фиг.2 не указан) подключается к электрогенератору (или насосу) 34.

Электрогенератор (или насос) 34 устанавливаются на подставке 35, которая монтируется горизонтально на верхних концах трех стоек 1, 2 и 3. В гидроварианте преобразователя конструктивные элементы 16-35 находятся выше уровня реки. Они должны быть защищены также от брызг и от дождя.

Для вращения первого 21 и второго 22 барабанов вокруг стоек 1, 2 используются перемещение тросов осуществляется под воздействием силы давления ветра или воды на плоские лопасти первый 15 и второй 24 тросы. Каждая лопасть состоит из двух половин 5, 6. Эти половины складываются, когда лопасть перемещается против течения текучей среды (реки или ветра).

В рабочем положении обе половины лопасти 5, 6 раскрыты до упора и образуют единую плоскость, перпендикулярную направлению течения текучей среды.

В конце рабочего участка траектории движения каждая из половин лопасти наталкиваются на вторые (складывающие) упоры 13. На концах упоров могут быть установлены подшипники. Эти упоры складывают подпружиненные две половинки лопасти до полного их соприкосновения. После этого вторая подпружина 10 и защелка 7 соединяют их друг с другом. При этом наконечник защелки входит в паз левой половины лопасти 5 и фиксирует их закрытое положение.

Верхние и нижние концы стоек первой и второй лопастей 4 неподвижно соединены с трубчатыми направляющими 9. Эти направляющие перемещаются по натянутым тросам 15, 24 и обеспечивают ориентацию лопастей относительно направления текучей среды.

В момент закрытия второй лопасти защелка первой лопасти доходит до первого (раскрывающего) упора 12.

При этом защелка 7 с пружиной 8, установленной на правой половине лопасти 6 выходит из сцепления с левой половиной 5 и с помощью закрученной второй пружины 10 первая лопасть раскрывается и принимает плоскую форму.

Под давлением встречного потока воды или ветра лопасть перемещается в обратном направлении. При этом тросы 15, 24 перемешаются вокруг стоек в обратном направлении. Это приводит также к изменению направления вращения барабанов 21, 22 на обратное.

Таким образом, каждая лопасть работает по очереди, меняя направление вращения барабанов в ту или другую стороны. С помощью обгонных муфт 25, 26 и первой и второй шестерен 16, 17 указанное двустороннее вращение барабанов преобразуется в одностороннее вращение третьей шестерни 17 и кинематически связанного с ней генератора (или насоса) 34, для согласования скорости вращения генератор может быть подключен через мультипликатор.

Нижние и верхние концы стоек 4 складывающихся лопастей неподвижно связаны с параллельно натянутыми верхним 15 и нижним 24 тросами.

Для увеличения мощности преобразователя число лопастей можно увеличить. Для этого эквидистантно устанавливают идентичные лопасти и соответствующие упоры.

Кроме того, можно параллельно установить аналогичные преобразователи и генератор подключить через обгонные муфты к двум выходным валам 18 одновременно.

Сдвинутые по фазе преобразователи энергии позволяют избежать мертвые точки в моменты раскрытия и закрытия лопастей и изменения направления вращения барабанов.

При этом кроме удвоения мощности преобразователя, возможно, повысить синхронность вращения электрогенератора.

На фиг.3 представлен вариант конструкции преобразователя энергии, когда лопасть имеет форму зонта.

В этом случае вместо двух тросов может быть использован только один. Кроме того, могут быть использованы параллельно оба троса, установив на них синхронно работающие пары лопастей формы зонта (см. фиг.3 и 4).

Стойка зонта 36 имеет форму трубки и с двух концов соосно неподвижно связан с тросом 15. Образующие зонта 37, между которыми натянуто парусное полотно, симметрично шарнирно соединены с соединительной втулкой 38. Палец 39 соединяет втулку 38 со стойкой зонта 36 с возможностью свободного продольного движения.

Палец 39 свободно перемещается по продольному пазу 47 штока 46. Шток служит для закрытия зонта, т.е. для укладки образующих 37 с натянутым между ними водонепроницаемым (или парусным) полотном (на фиг.3 не показан).

Каждая образующая с помощью первого рычага 40 связана с ползуном 42. Середины первых рычагов с помощью вторых рычагов 41 связаны с ползуном с фиксирующим наконечником 43.

Между ползунами 42 и 43 установлена пружина цилиндрическая 44. Аналогично дождевому зонту эта пружина раскрывает зонт из сложенного положения.

Для закрытия зонта служат позиции 46-52.

Трубчатый упор 48, через который проходит трос 15 в конце рабочего хода зонта упирается в наконечник штока 46. Шток толкает ползун 42 и сжимает пружину 44. При этом рычаги 40, 41 складываются вдоль стойки зонта 36 и тянут за собой образующие 37 с полотном. После того, как образующие 37 принимают положение, параллельное стойке 36 (см. фиг.4), концы их входят во внутрь колпака 49. Колпак имеет форму стакана и неподвижно соединен с верхним концом стойки 36 и с помощью пальца 45 к тросу 15.

С обеих сторон колпака установлены защелки 50. Пружины 52, установленные на колпаке, обеспечивают прижим наконечников защелок. Как только фиксирующий наконечник ползуна 43 доходит до конечного положения, защелки 50 фиксируют такое закрытое положение зонта (см. фиг.4) на всем протяжении его движения против течения реки или ветра.

В конце пассивного участка рычаги защелок 51 наталкиваются на упоры 53, установленные с двух сторон. При этом защелки 50 отжимаются назад и зажатая цилиндрическая пружина 44 раскрывает зонт. После чего начинается обратное движение зонта на активном участке траектории его возвратно поступательного движения.

На фиг.5-8 представлены конструктивные элементы преобразователя энергии, в случае применения одинарной плоской лопасти.

Одинарная плоская лопасть 55 крепится к тросу 54 с двух концов с помощью трубчатых направляющих 56. Изменение ориентации лопасти в конечных точках их траектории движения осуществляется с помощью двух пар взаимодействующих друг с другом фланцев изменения ориентации 57, 61.

Для изменения ориентации применяются упоры 58 и 59, на концах которых установлены подшипники.

Второй упор 59 имеет пружинистую дугообразную форму (см. фиг.6). Взаимодействие упоров с плоскими лопастями изменяет их ориентацию на угол +90°. Для этой цели используется пружина фиксирующая 64, подвижный фланец ориентации 61 имеет продольный паз 62, по которому перемещается направляющий палец 63, палец неподвижно связан со стойкой лопасти 60. Таким образом, подвижный фланец имеет возможность свободного продольного движения вдоль стойки лопасти.

Под действием упоров 58, 59 пружина сжимается, и наклонные торцевые поверхности фланцев 57 и 61 смещаются относительно друг друга на +90°. Такое положение лопасти фиксируется и сохраняется на всем протяжении активного и пассивного участков их движения.

На фиг.8 показан вид на профильные четырехсекционные торцевые поверхности подвижного 61 (и неподвижного) 57 фланцев ориентации.

Предложенные конструкции устройств преобразования энергии текучей среды могут быть использованы преимущественно для получения электрической энергии, а также в качестве привода для водяного насоса.

Источники информации

1. Патент RU №2125182, кл. F 03D 5/04, 02.01.1999.

2. Патент RU №2224135, кл. F 03D5/00, 05.05.2002.

Преобразователь энергии текучей среды относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно ветро- и гидроэнергии. Устройство содержит кинематически связанные две лопасти, шестерни, выходной вал и электрогенератор (насос), а также взаимодействующие друг с другом первые и вторые барабаны, муфты сцепления, шестерни, лопасти и тросы, которые образуют два замкнутых контура прямоугольной формы, в углах которых установлены блоки. Тросы обвернуты вокруг вертикально установленных барабанов так, что они вращаются в двух противоположных направлениях и связаны неподвижно с обоймами первой и второй обгонных муфт, ступицы которых связаны с соответствующими шестернями и приводят их во вращение по очереди во взаимно противоположных направлениях. При этом лопасти прикреплены к тросам на участках с параллельным взаимно противоположным направлением движения и взаимодействуют с упорами, меняющими ориентацию лопастей. Кроме того, лопасти выполнены в виде двух вертикальных складывающихся половинок (створок) с подпружиненными защелками, на концах стоек которых неподвижно установлены трубчатые направляющие, взаимодействующие с тросом. Кроме того, лопасти могут быть выполнены в виде зонта или в виде одинарных вертикальных плоских пластин. При простоте конструкции устройство обеспечивает значительное повышение мощности и расширение области его применения. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство преобразования энергии текучей среды, содержащее кинематически связанные две лопасти, шестерни, выходной вал и электрогенератор (насос), отличающееся тем, что содержит дополнительно взаимодействующие друг с другом первые и вторые барабаны, муфты сцепления, шестерни, лопасти и тросы, которые образуют два замкнутых контура прямоугольной формы, в углах которых установлены блоки, кроме того, тросы обвернуты вокруг вертикально установленных барабанов так, что они вращаются в противоположных направлениях и связаны неподвижно с обоймами первой и второй обгонных муфт, ступицы которых связаны с соответствующими шестернями и приводят их во вращение по очереди в двух противоположных направлениях, при этом лопасти прикреплены к тросам на участках с параллельным взаимно противоположным направлением движения и взаимодействуют с упорами, меняющими ориентацию лопастей.2. Устройство преобразования энергии текучей среды по п.1, отличающееся тем, что лопасти выполнены в виде двух вертикальных складывающихся половинок (створок) с подпружиненными защелками, на концах стоек которых неподвижно установлены трубчатые направляющие, взаимодействующие с тросом.3. Устройство преобразования энергии текучей среды по п.1, отличающееся тем, что лопасти выполнены в виде зонта и содержит кинематически связанные и взаимодействующие друг с другом стойки, образующие с полотном, втулку соединительную, первый и второй рычаги, ползун, ползун с фиксирующим наконечником, пружину, шток, колпак и подпружиненные защелки, при этом зонт взаимодействует с трубчатым упором и упорами для защелок.4. Устройство преобразования энергии текучей среды по п.1, отличающееся тем, что лопасти выполнены в виде одинарных вертикальных плоских пластин (парусов), на верхних и нижних концах стоек которых установлены подпружиненные фланцы с профильной торцевой поверхностью из четырех секций, взаимодействующих с соответствующими четырьмя фланцами с аналогичным торцевым профилем, неподвижно связанными с трубчатыми направляющими, взаимодействующими с верхним и нижним тросами.