ВЕТРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК B63H9/00 F03D3/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветросиловым агрегатам, и может быть использовано в силовых установках парусных судов.

Известны как горизонтально, так и вертикально-осевые ветросиловые установки судов, например, установки, принцип которых основан на эффекте возникновения подъемной силы на прямых лопастях постоянного аэродинамического профиля, или в виде вертикальных цилиндров, вращающихся в ветровом потоке, и т.д. (Л-1, стр.48-52).

Все они технически несовершенны. Коэффициент эффективности преобразования кинетической энергии ветра у них не превышает 45%.

Более эффективны судовые махолопастные энергоустановки, у которых рабочие органы (паруса) совершают сложное поворотно-поступательное движение при помощи восьмерко-образных направляющих (Л-2) или гидросистемы (Л-3), но они конструктивно сложны.

Несмотря на предложения многочисленных вариантов конструктивных и агрегатных решений ветросиловых установок судов их применение ограничено из-за несовершенства технологий, не решающих основных проблем использования нетрадиционных, возобновляемых источников энергии.

Наиболее близким техническим решением ветросиловой установки (прототипом) может быть принята парусная ветроэнергетическая установка, содержащая две лопасти, размещенные в перпендикулярных плоскостях и закрепленные в элементах корпуса одним углом. Вращая от воздействия ветра посредством передаточных механизмов корпус установки, они имеют возможность попеременно совершать поворот в элементах корпуса (Л-4).

Наличие регулирующего привода с передаточным механизмом, втулок и шарниров, обеспечивающих переворот лопастей, а также необходимость дополнительного устройства ориентации лопастей по ветру усложняет установку, снижает ее надежность, развиваемую мощность и эффективность преобразования энергии.

Применение ее в качестве силовой установки на кораблях не представляется возможным.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, разработка высокоэффективной, простой и надежной ветросиловой установки для парусных судов, не зависящей от направления и скорости ветра.

Цель достигается полным отсутствием тормозящих моментов при вращении парусов в любой фазе их движения, в том числе и против ветра, а движитель, как альтернатива гребному винту, напрямую или через редуктор энергию ветра преобразует в движение судна. Для обеспечения независимости этого движения от силы и направления ветра применены электросиловые агрегаты с элементами накапливания энергии.

Сущность изобретения заключается в том, что ветросиловая установка парусного судна, содержащая ветродвигатель и движитель, выполнена в виде прямоугольных парусов и гребных лопастей, жестко закрепленных средней частью на подвижных стержнях, которые вращают силовую ось и вращаются силовой осью. При этом синхронизация (взаимозависимость) вращения силовых осей двигателя и движителя с вращением парусов и гребных лопастей одновременно с самоориентацией парусов по ветру и маневрированием судна осуществляется планетарными передачами соотношением 2:1 таким образом, что угловое положение плоскостей парусов, силовой оси и направление ветра взаимосвязано, а в движителе взаимосвязано угловое положение лопастей, силовой оси и руля. Для обеспечения остойчивости и независимости движения судна от силы и направления ветра в электромеханическую трансмиссию между электрическим генератором, вращаемым ветродвигателем, и гребным электродвигателем включен выравниватель нагрузки в виде в виде безобмоточной системы генератор-двигатель с супермаховиком, совмещенной с трехэлектродной электронной лампой.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие ветросиловых установок судов с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают ветросиловым установкам судов новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана принципиальная конструктивная схема вертикально-осевой ветросиловой установки катамарана с прямой или редукторной передачей вращающего момента гребным лопастям;

на фиг.2 показана конструктивная схема горизонтально-осевой ветросиловой установки судна с электромеханической трансмиссией и выравнивателем нагрузки (вид с кормы);

на фиг.3 показан ее вид борта с двенадцатью промежуточными положениями паруса за один оборот силовой оси О.

Ветросиловая установка может быть выполнена в вариантах вертикально-осевого (фиг.1) и горизонтально-осевого (фиг.2 и 3) ветродвигателя 1 с прямой (редукторной) передачей вращающего момента на гребной движитель 2 (фиг.1) или электромеханической трансмиссией, включающей в себя электрический генератор 3, выравниватель нагрузки 4 и электрический двигатель 5, работающий на традиционный гребной винт 6 или альтернативный ему движитель 2 (фиг.2, 3).

Конструктивно ветродвигатель 1 и гребной движитель 2 одинаковы в зеркальном отображении и могут отличаться кроме материалов, из которых они изготовлены, размерами в соотношении плотности воздуха к плотности воды.

Они содержат парное количество прямоугольных парусов (лопастей) 7, каждый из которых жестко закреплен средней частью на прочных стержнях 8.

Стержни 8 сидят на траверсах 9 в опорно-упорных подшипниках, равноудаленных от силовой оси О (фиг.1).

Траверсы 9 для варианта фиг.2 и 3 могут быть связаны между собой вынесенными за траекторию движения паруса 7 стойками или трансмиссией.

Силовая ось О проходит через середину траверс 9, параллельна осям вращения стержней 8 и снабжена трансмиссией 10 для передачи вращающего момента электрическому генератору 3 (фиг.2 и 3) или напрямую через редуктор 11 движителю 2 (фиг.1).

На силовой оси О траверс 9 располагается свободно центральное зубчатое колесо 12, жестко связанное с флюгером 13.

Функцию флюгера 13 выполняет нетрадиционная вертикальная плоскость, а эксцентриковое подвижное закрепление легкой станины 13 производится осью, совпадающей с осью вращения генератора 3 (валом отбора мощности) на расстоянии e от середины станины 13 как показано на фиг.3.

Таким образом центральное зубчатое колесо 12 остается всегда неподвижным относительно направления ветра или руля для движителя 2.

Центральное зубчатое колесо 12 связано непроскальзывающей передачей (цепью, зубчатым ремнем, шестернями-сателлитами и т.п.) 14 с зубчатыми колесами 15, жестко закрепленными на стержнях 8. При этом зубчатые колеса 15 имеют в два раза больше зубьев, чем колесо 12, т.е. передаточное число равно двум.

Исходное угловое положение пары парусов (лопастей) 7 траверс 9 и зубчатых колес 15 устанавливается таким образом, чтобы один из парусов (лопастей) 7 располагался всей своей плоскостью строго перпендикулярно, а другой (парный) - параллельно к направлению ветра, как показано на фиг.1, 2, 3.

Под действием ветра парус 7, максимально выдвинутый за ось вращения О (фиг.1 и положение 1 на фиг.3), поворачивает одновременно силовую ось О, жестко закрепленную в плоскости траверс 9, вместе с закрепленными на стержнях 8 колесами 15 и непроскальзывающую передачу 14, которая обкатывает неподвижное относительно направления ветра центральное колесо 12, обеспечивая жесткую взаимосвязь углового положения парусов 7 и других подвижных частей с направлением ветра; т.е. здесь применена простейшая планетарная передача.

Парус 7 в своем движении по ветру плавно поворачивается в сторону, противоположную вращению силовой оси О, как бы «меняет галс»; проходит из положения 1 максимального вращающего момента (см. фиг.3) через положения 2, 3, 4, 5, 6 в положение 7; когда вращающий момент этого паруса 7 равен нулю; а другой парус 7, находившийся в то время на другом конце траверс 9 в положении 7 нулевого вращающего момента, переходит через положения 8, 9, 10, 11 и 12 увеличивающегося вращающего момента в положение 1 максимального.

Таким образом оба паруса 7 меняются местами за половину оборота силовой оси О, обеспечивая ветродвигателю суммарный малоизменяемый вращающий момент, равный максимальному одного. А за полный оборот силовой оси О каждый из парусов 7 возвращается в свое исходное положение и т.д.

Движение парусов 7 из положения 7 в положения 8, 9, 10, 11, 12 и исходное 1 происходит опять же по ветру, а не против, т.к. сторона плоскости паруса 7, воспринимающая давление ветра в положении 7 (фиг.3), меняется на обратную, что равносильно смене направления ветра на 180° и увеличению эффективности преобразования энергии в два раза.

Применяя принцип обратимости, то же самое можно отнести и к движителю 2, который расходует полученную от ветродвигателя 1 энергию, отбрасывает воду в направлении, определяемом рулем, и таким образом сообщает движение корпусу корабля.

Длина паруса 7 и гребной лопасти 7 оптимальна от одного расстояния между их стержнями 8, когда они не выходят за силовую ось О, до 1.42 этого расстояния, когда они начинают мешать друг другу в положениях 5 и 10 (фиг.3).

При увеличении числа пар парусов 7 на одной силовой оси О в один ярус следует иметь в виду экранирование их друг другом в положениях, отличных от 1 и 7.

Для работы горизонтально-осевого варианта ветродвигателя 1 достаточно одной пары парусов 7. К тому же устойчивость и прочность конструкции легко обеспечить (фиг.2 и 3).

В то же время для создания симметрично действующих на вертикально-осевой ветродвигатель 1 нагрузок необходимо две пары парусов 7, расположенных на одной флюгерной станине 13 с синхронизацией их вращения в противоположные стороны на валу полезной нагрузки, как показано на фиг.1.

Защита ветродвигателя 1 от шквальных порывов ветра может быть осуществлена ослабленным звеном непроскальзывающей передачи 14, например креплением одного звена калиброванным болтом. Паруса 7, освобожденные от непроскальзывающей передачи 14, останавливаются в положении флюгеров, т.к. их крепление на стержнях 8 строго симметрично и равновесно трудно осуществить и в этом случае не требуется.

В принципе высокоэффективный ветродвигатель 1 описанной конструкции может быть агрегатирован с электромеханической трансмиссией любой известной конструкции. Но, как указывалось выше, целью изобретения является еще и независимость движения судна от скорости и направления ветра.

Это полезное свойство ветросиловая энергоустановка судна получает, если между электрическим генератором 3 и гребным электродвигателем 5 включить выравниватель нагрузки 4 по патенту РФ №2119708.

Применение выравнивателя нагрузки 4, разделяющего во времени процессы выработки и потребления энергии и имеющего высокий КПД, перспективно со всех точек зрения.

Выравниватель нагрузки 4 - это многофункциональное недорогое и компактное устройство, не требующее обслуживания и обладающее уникальными свойствами (характеристиками) трансформатора, преобразователя частоты, выпрямителя, регулятора напряжения, выключателя нагрузки, усилителя, гироплатформы и т.д., а главное - аккумулятора рекордной энергоемкости (Л-5).

Выравниватель нагрузки 4 по устройству представляет собой безобмоточную систему генератор-двигатель (Г-Д) с супермаховиком, совмещенную с трехэлектродной электронной лампой.

Его применение делает энергообеспечение судов гарантированным в рамках расчетной энергоемкости; ход судов - независимым от направления и силы ветра; а принцип конструирования корпуса 16 корабля, если рассматривать его как гироплатформу с вытекающими из этого положительными свойствами - принципиально новым.

Источники информации

1. Галич В.Ф. Ветроэнергетические станции. Результаты эксплуатации и перспективы развития. Промышленная энергетика, 1993 год, №4, стр.48-52.

2. Авторское свидетельство СССР №1339295, 1986 год, кл. F03D 3/02.

3. Патент РФ №2075635 от 1993 года, кл. 6 F03D 5/00, F03B 13/26.

4. Патенты Украины №44938, 70983, 71023.

5. Патент РФ №2119708, кл. 6 H02J 3/30, 15/00, Н02К 31/00, 13/00, 25/00, 1997 год.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно ветросиловым агрегатам. Ветросиловая установка преимущественно для парусных судов содержит ветродвигатель, движитель и соединяющую их трансмиссию. Ветродвигатель и движитель выполнены в виде парусов и гребных лопастей, жестко закрепленных средней частью на подвижных стержнях, которые вращают силовую ось и вращаются силовой осью. Взаимозависимость вращения силовых осей с вращением парусов одновременно с самоориентацией парусов по ветру и гребных лопастей с управлением движением судна осуществляется планетарными передачами соотношением 2:1 таким образом, что угловое положение плоскостей парусов, силовой оси и направление ветра взаимосвязано. В движителе взаимосвязано угловое положение плоскостей лопастей, своей силовой оси и руля. Достигается повышение эффективности преобразования кинетической энергии ветра в движение судна. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветросиловая установка преимущественно для парусных судов, содержащая ветродвигатель, движитель и соединяющую их трансмиссию, отличающаяся тем, что ветродвигатель и движитель выполнены в виде парусов и гребных лопастей, жестко закрепленных средней частью на подвижных стержнях, которые вращают силовую ось и вращаются силовой осью, при этом взаимозависимость вращения силовых осей с вращением парусов одновременно с самоориентацией парусов по ветру и гребных лопастей с управлением движением судна осуществляется планетарными передачами соотношением 2:1 таким образом, что угловое положение плоскостей парусов, силовой оси и направление ветра взаимосвязано, а в движителе взаимосвязано угловое положение плоскостей лопастей, своей силовой оси и руля.2. Ветросиловая установка преимущественно для парусных судов по п.1, отличающаяся тем, что в электромеханическую трансмиссию между электрическим генератором и гребным электродвигателем включен выравниватель нагрузки в виде безобмоточной системы генератор-двигатель с супермаховиком, совмещенной с трехэлектродной электронной лампой.