ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2009 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 (Цыбульников С.И. Ветроэнергетическая установка. RU № 2125182 С1, Кл. F03D 5/04, 20.01.1999 г.) 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 (Алиев А.С. Ветродвигатель Алиева. RU № 2224135 С1, Кл. F03D 5/00, 20.02.2004 г.), 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 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), которое содержит каркас и кинетически связанные друг с другом первой цепью первую и вторую лопасти, первую и вторую звезды, первую и вторую шестерни, установленные на соответствующих валах, а также коническую пару шестерен, взаимодействующих с мультипликатором и генератором, а также взаимодействующие друг с другом узлы раскрытия и закрытия лопасти, первую и вторую обгонные муфты, обоймы которых связаны с соответствующими звездами, а ступицы неподвижно установлены на соответствующих валах, при этом первая и вторая лопасти установлены на каркасе с возможностью совершения возвратно-поступательного движения по направлению течения среды и взаимодействуют с узлами раскрытия и закрытия лопастей, установленными на противоположных торцевых концах каркаса.

Второй вариант преобразователя энергии текучей среды содержит дополнительно взаимодействующие с первым и вторым валами кинематически связанные второй цепью третью и четвертую лопасти и третью и четвертую обгонные муфты, на обоймах которых установлены соответствующие звезды. Причем ступицы первой и второй, третьей и четвертой обгонных муфт, попарно и неподвижно установлены на соответствующих вертикальных валах. При этом пара лопастей - первая, вторая и пара - третья, четвертая работают в противофазе, причем работа второй пары лопастей сдвинута относительно работы первой пары на четверть периода (90°). В конце рабочего хода каждая половина лопасти через подшипники взаимодействует с соответствующим узлом закрытия лопасти, а в конце пассивного хода сложенные половины лопасти взаимодействуют с соответствующим узлом раскрытия лопасти.

Каждая лопасть преобразователя энергии содержит вертикальную стойку и две складывающиеся половины, взаимодействующие с узлом регулировки угла раскрытия лопасти, установленным на верхнем конце стойки. При этом верхний конец стойки с помощью перемычки шарнирно связан с двумя роликами, свободно катающимися па грани уголка верхней рамы каркаса, а нижний конец стойки шарнирно связан с третьим роликом, катающимся по грани уголка нижней рамы каркаса. Кроме того, на верхнем торце каждой половины лопасти установлены магнит и пара подшипников, взаимодействующие с узлом закрытия лопасти, а стойка лопасти связана неподвижно с цепью.

При больших размерах каждая лопасть дополнительно включает второй узел регулировки угла раскрытия лопасти, установленный на нижнем конце стойки лопасти, взаимодействующий с двумя его половинами.

Каждый узел регулировки угла раскрытия лопасти содержит соосные и шарнирно установленные на стойке лопасти внешнюю и внутреннюю втулки с наклонными противоположно направленными прорезами, неподвижно связанные соответственно с правой и левой половинами лопасти. Кроме того, содержит кольцо с пальцем, наконечник которого взаимодействует с наклонными прорезами втулок, а само кольцо, установленное на внешней втулке с возможностью свободного продольного перемещения, через пружину взаимодействует с ограничительным кольцом, установленным неподвижно на стойке лопасти.

Узел раскрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом через первую пружину внутреннюю и внешнюю втулки. Причем внешняя втулка, неподвижно связанная с клином, имеет возможность только продольного смещения относительно внутренней втулки, неподвижно связанной с вертикальной стойкой.

Каждый узел закрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом две пары подшипников, пару магнитов и подпружиненных упоров, шарнирно установленных на двух кронштейнах, неподвижно связанных с каркасом.

Первый и второй варианты преобразователя энергии текучей среды содержат дополнительно первую и вторую герметичные камеры, неподвижно связанные с торцевыми сторонами каркаса.

Третий вариант преобразователя энергии содержит две параллельные смежные трубы, в середине которых установлена герметичная камера, а внутри каждой установлены по две лопасти, состоящие из двух половин, две вертикальные стойки, на которых шарнирно установлены соответствующие звезды. При этом на стенках разветвленных участков труб с помощью кронштейнов шарнирно установлены дополнительно четыре звезды. Кроме того, в герметичной камере с возможностью свободного вращения установлены вертикально две стойки шестерен, на которых, в свою очередь, неподвижно установлены первая, вторая и третья, четвертая звезды, каждая пара из которых с помощью первой цепи связана с первой и второй лопастями, а с помощью второй цепи с третьей и четвертой лопастями, соответственно. Кроме того, каждая половина лопасти имеет полукруглую форму, в горизонтальном сечении которых установлены магнит, и пару подшипников. При этом на верхнем и нижнем концах каждой стойки лопасти шарнирно установлены по два подшипника, связанных горизонтальными перемычками. Кроме того, параллельно цепям, неподвижно связанным со стойками лопастей, натянуты первый и второй тросы, свободно пропущенные через стойки лопастей.

Четвертый вариант преобразователя энергии дополнительно к первому и второму варианту содержит плоские и конические флюгеры, а также узел торможения, взаимодействующий с коническим флюгером. При этом каркас одним концом шарнирно связан со стойкой конического флюгера с возможностью свободного поворота вокруг нее, а другой конец каркаса неподвижно связан с плоским флюгером, неподвижно установленным и ориентированным по направлению движения лопастей.

Узел торможения содержит взаимодействующие друг с другом диски сцепления и торможения, рычаг, трос, а также конический флюгер, установленный с возможностью продольного смещения по горизонтальному рычагу, причем диск сцепления неподвижно связан с соосной второй шестерней.

На фиг.1 представлен вид сверху на первый вариант преобразователя энергии текучей среды, где:

1 - каркас;

2 - стойки вертикальные;

3, 4- первая и вторая герметичные камеры;

5 - рама верхняя;

6 - звезды;

7 - кронштейны;

8 - верхняя платформа;

9 - узел раскрытия лопасти;

10 - узел закрытия лопасти;

11 - подшипники;

12 - магниты;

13, 14 - первая и вторая шестерни; 15, 16 - первая и вторая лопасти; 17 - трос (цепь);

На фиг.2 представлен вид сверху на второй вариант преобразователя энергии, где позиции 1-17 те же, что и на фиг.1; 18, 19 - третья, четвертая лопасти.

На фиг.3 представлен вид А-А преобразователя энергии по фиг.2, где позиции 1-19 те же, что на фиг.2;

20 - звезды центральные;

21 - муфты обгонные;

22 - подшипники;

23 - узел регулировки угла раскрытия лопасти;

24 - ведущая коническая шестерня;

25 - ведомая коническая шестерня;

26 - рама нижняя;

27 - нижняя платформа;

28 - верхний и нижний тросы;

29 - валы шестерен;

30 - перемычки;

31 - ролики.

На фиг.4 представлен пятый вариант преобразователя энергии текучей среды, где:

32, 33 - верхняя и нижняя платформы; 34, 35 - первый и второй валы; 36, 37 - первая и вторая шестерни;

38, 39, 40, 41 - первая, вторая, третья и четвертая обгонные муфты со звездами 42;

43, 44 - первая и вторая цепи;

45,46 - нижние и верхние подшипники;

47, 48 - ведущая и ведомая шестерни;

49 - пятая обгонная муфта;

50 - общий выходной вал;

51 - маховик;

52 - кронштейны.

На фиг.5 представлен вид Д-Д по фиг.4, где позиции 34-44 те же,что на фиг.4.

На фиг.6 представлена конструкция складывающейся лопасти 15, где:

53 - упорное кольцо;

54, 55 - первое, второе установочные кольца;

56 - правая складывающееся половина лопасти;

57 - стеклопластика;

58,59 - внешняя и внутренняя втулки с наклонными прорезами;

60 - перемычки вторые;

61 - подвижное кольцо;

62 - скоба;

63 - кольцо ограничительное;

64 - стопорный болт;

65, 66 - первая и вторая пружины;

67 - кронштейны;

68 - ролик;

69 - угольник рамы;

70 - правая половина лопасти;

71 - цепь.

На фиг.7 представлен вид В по фиг.6 на узел регулировки угла раскрытия лопасти 23, где: позиции 61 - 71 те же, что на фиг.6;

72 - левая половина лопасти;

73, 74 - прорезы во внешней 58 и внутренней 59 втулках.

На фиг.8 представлена конструкция узла раскрытия лопасти, где:

позиция 2, 14 те же, что на фиг.1;

75 - хомут;

76 - внутренний стакан;

77 - внешний стакан;

78 - паз;

79 - клин;

80 - пружина;

81 - ограничительные пластины;

82 - болт.

На фиг.9 представлена конструкция узла закрытия лопасти, где: позиции 4 - 10 те же, что на фиг.8;

83 - планка, установленная с хомутом;

84 - упоры;

85 - вторые пружины;

86 - кронштейны;

87, 88 - первая и вторая пара подшипников.

На фиг.10 представлена конструкция третьего варианта преобразователя, где:

89 - магистральный газопровод (нефтепровод);

90 - левое и правое разветвления;

91 - стойка лопасти;

92 - складывающиеся лопасти;

93 - подшипники;

94 - узлы раскрытия лопасти;

95 - цепь;

96 - звезды;

97 - кронштейны;

98 - стойки;

99 - вторые кронштейны;

100 - звезды центральные;

101 - узлы закрытия лопасти;

102 - герметичная камера.

На фиг.11 представлен вид С-С по фиг.10, где: 103,104 - верхняя и нижняя крышки; 105,106 - левая и правая стойка лопасти; 107,108 - левая и правая складывающиеся лопасти;

109 - звезды;

110, 111- левая и правая центральные звезды; 112,113 - левый и правый валы шестерен; 114 - цепь;

115, 116 - левая и правая обгонные муфты; 117,118- левая и правая шестерни; 119 - подшипники;

120, 121 - ведущая и ведомая конические шестерни;

122 - мультипликатор;

123 - электрогенератор;

124 - подшипники;

125 - кронштейны.

На фиг.12 представлен вид складывающейся круглой лопасти, где: 126,127 - левая и правая половины лопасти; 128,129 - верхний и нижний подшипники;

130 - кронштейны;

131 - упорное кольцо;

133 - упоры узла закрытия лопасти;

134 - цепь;

135 - трос направляющий;

136 - подшипники;

137 - кронштейны.

На фиг.13 четвертый - ветряной вариант преобразователя энергии, где позиции 2 - 71 те же, что на фиг.2 и фиг.3;

139 - третья шестерня;

140 - пятая обгонная муфта;

141, 142 - вторая пара конических шестерен;

143 - общий выходной вал;

144 - узел торможения, который состоит из следующих позиций:

145 - диск сцепления;

146 - диск торможения;

147 - рычаг;

148 - упор;

149 - упорный подшипник;

150 - стойка флюгера;

151 - втулка флюгера;

152 - блок;

153 - трос;

154 - конический (или пирамидальный) флюгер;

155 - пружина;

156 - кольцо упорное;

157 - горизонтальный рычаг;

158 - упорный подшипник;

159 - кронштейн;

160 - колесо;

161 - стойка плоского флюгера;

162 - плоский флюгер;

163 - верхний ярус лопасти;

164 - стойка верхнего яруса лопасти;

165 - верхняя перемычка катков;

166 - перемычки лопасти.

Принцип работы преобразователя энергии текучей среды, конструкция которого представлена на фиг.1 - фиг.9, заключается в следующем.

Преобразователь энергии предназначен преимущественно для преобразования энергии текучей реки в электрическую или механическую энергию. Конструкция преобразователя состоит из жесткого каркаса, формы прямоугольного параллелепипеда. Верхняя 5 и нижняя 26 прямоугольные рамы сварены из металлического уголка. У удлиненных боковых сторон рам прямоугольные грани уголков 69 направлены вверх и вниз. Рамы соединены друг с другом с помощью шести вертикальных стоек 2 и образуют жесткий каркас 1.

Для обеспечения положительной плавучести преобразователя энергии при его погружении в воду к торцевым уголкам верхней рамы неподвижно крепятся первая и вторая герметичные камеры (понтоны) 3, 4. Объем герметичных камер подбирается таким, чтобы верхняя платформа 8 и установленные на ней механизмы (позиции 5-25) оказались в надводном положении.

С помощью двух тросов преобразователь энергии крепится к штырям, забитым в землю с двух сторон реки. К вертикальным стойкам 2 с помощью кронштейнов 7 шарнирно крепятся звезды 6. Звезды установлены на двух уровнях. Через звезды накинуты и натянуты цепи. Они образуют четыре прямоугольных контура. Два из них находятся вверху, два внизу. В каждом контуре цепь дополнительно обхватывает центральные звезды 20, установленные на соответствующих обгонных муфтах 21, ступицы которых неподвижно закреплены на валах шестерен 29.

Первый вариант преобразователя энергии содержит две лопасти. Второй вариант преобразователя энергии содержит четыре лопасти, которые состоят из двух складывающихся прямоугольных половин. Обе половины лопасти шарнирно устанавливаются на вертикальной стойке лопасти с возможностью поворота в пределах от 0 до 90°. На стойке сверху и снизу лопасти устанавливаются узлы регулировки угла раскрытия лопасти 23. Над обоими половинами лопасти шарнирно устанавливаются подшипники 11. В конце рабочего хода лопасти указные подшипники взаимодействуют с упорами узла закрытия лопасти 10, которые прижимают две половины лопасти друг к другу. Магниты 12, установленные в наконечниках половинок лопасти, сохраняют такое сложенное положение лопасти до конца пассивного (обратного) хода лопасти против течения реки (или ветра). В конце пассивного участка подшипники 11 наталкиваются на острие клина узла раскрытия лопасти 9, который, преодолевая силы притяжения магнитов, отделяет левую и правую половины лопасти друг от друга. Дальнейшему раскрытию лопасти помогает сжатая пружина 66 узла регулировки угла раскрытия лопасти и надвигающийся поток воды (или ветра). Однако ограничительные пластины 81 узла раскрытия лопасти 9 препятствуют полному раскрытию лопасти до момента полного закрытия второй лопасти, находящейся в рабочем положении. В то время когда первая (правая) лопасть 15 находится в пассивном (сложенном) положении, вторая (левая) лопасть 16 находится в рабочем (раскрытом) положении.

Переключение лопастей из рабочего активного положения в пассивное, и наоборот, происходит почти одновременно.

Для обеспечения синхронной работы генератора, когда лопасти преобразователя энергии находятся в «метровой точке», может быть использован маховик 51, установленный на общем выходном валу 50.

В данной конструкции для этой же цели используется вторая пара лопастей, движение которых сдвинуто относительно движения первой пары на 90° (см. фиг.2 и фиг.З). В каждый момент времени хотя бы одна лопасть находится в раскрытом, т.е. в рабочем положении. В основном в рабочем положении находятся две лопасти, по одной с правой и левой сторон каркаса. Моменты, создаваемые давлением воды на рабочие лопасти, суммируются на общем выходном валу 50. При этом возрастает синхронность вращения выходного вала. Для повышения выходной мощности возможно параллельное включение большого количества подобных преобразователей энергии. Для этой цели на валу первой шестерни 36 дополнительно устанавливается ведущая коническая шестерня 47, которая передает вращение на ведомую шестерню 48, установленную на общем валу 50, проходящую через центры параллельно или последовательно установленных преобразователей энергии.

На фиг.3 представлен вид А-А по фиг.2. По уголку верхней рамы 5 катятся ролики 31, соединенные друг с другом перемычкой 30. Перемычка неподвижно связана с верхним концом стойки лопасти. На нижнем конце стойки лопасти также неподвижно установлен третий ролик, который катится по уголку нижней рамы 26. На стойке шарнирно установлена лопасть, состоящая из двух половинок. Обе половины лопасти взаимодействуют с верхним и нижним узлами регулировки угла раскрытия лопасти 23. Данные узлы регулируют угол раскрытия двух половинок лопасти в пределах от 0 до ±180° в зависимости от скорости течения реки.

Преобразователь энергии состоит из двух частей, симметричных относительно выходного вала 50. Каждая часть содержит по две лопасти и восемь блоков или звезд, установленных в два яруса. Звезды шарнирно установлены по углам прямоугольника и с помощью соответствующих кронштейнов связаны с вертикальными стойками 2 каркаса 1. Через звезды верхних и нижних ярусов перекинуты цепи 17, взаимодействующие с двумя верхними и двумя нижними центральными звездами 20, соответственно. Центральные звезды неподвижно установлены на обоймах соответствующих обгонных муфтах 21, ступицы которых неподвижно установлены на валах 29 первой и второй шестерен. Обгонные муфты установлены на валах 29 шестерен так, что при вхождении в сцепление обгонной муфты первой шестерни, обгонная муфта второй шестерни выходит из сцепления, и наоборот.Так как шестерни 36 и 37 (см. фиг.4) имеют одинаковые параметры - диаметры и число зубьев, ведущими шестернями они становятся по очереди. Независимо от этого переключения каждая шестерня вращается постоянно в одном и том же направлении.

Таким образом, независимо от направления перемещения лопастей 15, 16 и вращения центральных звезд 20, моменты вращения четырех центральных звезд попарно складываются и передаются на общий выходной вал 50. Цепная передача исключает проскальзывание и обладает высоким КПД. Цепных передач может быть использовано две. Цепь при этом может быть одна и пропущена через середину стоек лопастей.

Для установки стоек шестерен и самых шестерен, мультипликатора и генератора используются верхняя 8 и нижняя 27 платформы. Эти платформы неподвижно крепятся к середине верхней и нижней рам. На оси вращения первой шестерни 13 неподвижно установлена ведущая коническая шестерня 24. Ведомая коническая шестерня 25 неподвижно установлена на входном валу мультипликатора. От мультипликатора вращение передается на электрогенератор или на водяной насос (на фиг.2 не указаны).

Герметичные камеры (понтоны) 3, 4 имеют обтекаемую форму и крепятся к середине торцевых сторон верхней рамы 5. Они обеспечивают необходимую положительную плавучесть преобразователя энергии в потоке воды. Кроме того, своими корпусами герметичные камеры делят поток воды на две части и направляет их на рабочие лопасти.

На фиг.6 представлена конструкция складывающейся лопасти совместно с двумя узлами регулировки угла раскрытия лопасти 15. Верхние ролики 68 с помощью кронштейнов 67 связаны перемычкой 30. Центр перемычки неподвижно соединен со стойкой лопасти 70. Фактически лопасть подвешена к боковому уголку верхней рамы. Нижний конец стойки с помощью кронштейна связан с третьим нижним роликом 68. Ролик с кронштейном охватывают угольник нижней рамы 26. Такая установка лопастей обеспечивает их свободное возвратно-поступательное движение вдоль боковых ребер рам.

На стойке лопасти неподвижно устанавливаются два упорных кольца 53. Над упорными кольцами на стойке лопасти установлены первое и второе установочные кольца с возможностью свободного поворота. С первым кольцом 54 с помощью второй перемычки 60 неподвижно соединена одна половина лопасти (например, левая). Со вторым кольцом 55 также с помощью перемычки неподвижно соединена другая (правая) половина лопасти 56.

При изменении скорости течения реки для регулировки эффективной площади лопасти используются узлы регулировки угла раскрытия лопасти 23, включающие в себя позиции 55-66.

Для удержания лопасти в закрытом положении используются два магнита 12.

Магниты закрепляются на переднем краю двух половин лопасти с внутренних сторон. Контур каждой половины лопасти может быть изготовлен из трубы прямоугольного или круглого сечения, обтянут стеклотканью и покрыт стеклопластиком 71. При небольших размерах лопастей может быть использован только один узел 23, установленный над лопастью.

Узел регулировки угла раскрытия лопасти 23 состоит из внешней и внутренней втулок 58, 59 с наклонными прорезами. Эти втулки надеты на стойку лопасти 70 с возможностью свободного поворота. При этом внешняя втулка второй перемычкой 60 неподвижно соединена с правой половиной лопасти 56, а внутренняя втулка также с помощью перемычки неподвижно соединена с левой половиной лопасти 72 (см. фиг.7). Наклонные прорезы 73, 74 во втулках 58, 59 направлены в разные стороны - «крестообразно». Прорезы занимают по окружности втулок 90° с добавлением толщины наконечника скобы 62. Нижний наконечник скобы входит в прорезы обеих втулок 73, 74.

Верхний наконечник скобы неподвижно соединен с подвижным кольцом 61. Над подвижным кольцом установлена первая цилиндрическая пружина 66. Один конец первой пружины упирается в ограничительное кольцо 63 со стопорным болтом 64. Второй конец данной пружины упирается в торец внутренней втулки 59.

При закрытии лопасти в конце рабочего хода подшипники 11, установленные на верхнем торце каждой половины лопасти, наталкивается на упоры узла закрытия лопасти 10. Угол между двумя половинами лопастей уменьшается от 180° до 0°. При этом наклонные прорезы 73, 74 во втулках 58, 59 выталкивают наконечник скобы 62 вниз. Пружина 66 способствует дальнейшему уменьшению угла между двумя половинами лопастей. Зажатая между ограничительным 63 и подвижным 61 кольцами пружина передвигает кольцо 61 и связанную с ним скобу 62 вниз. Наконечник скобы взаимодействует с наклонными прорезами и разворачивает втулки 58, 59, а так же связанные с ними правую и левую половину лопасти навстречу друг другу. Нижнее положение скобы 62 соответствует полному закрытию лопасти. Магниты 12 удерживает такое положение на всем участке пассивного хода лопасти.

Раскрытие лопасти осуществляется с помощью клина узла раскрытия лопасти 9, преодолевая магнитные силы притяжения между двумя магнитами 12, установленными на двух половинах лопасти. Угол между двумя половинами лопасти увеличивается. Этому процессу способствует встречный поток воды (или ветра). При раскрытии двух половин лопасти связанные с ними втулки 58 и 59 разворачиваются во взаимно противоположном направлении. Взаимодействие прорезов 73 и 74 с наконечником скобы 62 приводит к тому, что пружина 66 сжимается. Это приводит к предотвращению удара при раскрытии лопасти. Угол раскрытия лопасти возможно регулировать передвигая ограничительное кольцо со стопорным болтом по стойке лопасти, а также подбирая жесткость пружины. Необходимость в изменении в эффективной площади лопастей возникает, когда меняется скорость течения реки или ветра. Изменение угла раскрытия двух половин лопасти позволит регулировать скорость вращения выходного вала, а следовательно, и электрогенератора в широком диапазоне изменения скорости течения среды (воды или ветра). Цепь 71 может быть пропущена в середине стойки лопасти (см. фиг.7).

Установка двух узлов регулировки угла раскрытия лопасти 23 на двух концах стойки лопасти 70 позволяет повысить надежность работы преобразователя энергии при больших размерах лопастей.

Принцип работы узла раскрытия лопасти, конструкция которого представлена на фиг.8, заключается в следующем.

Узел крепится к стойке 2 каркаса с помощью хомута 75. Хомут неподвижно связан с внутренним стаканом 76. Внешний стакан 77 установлен на внутреннем стакане с возможностью свободного продольного смещения. Для этой цели во внешнем стакане предусмотрен продольный паз 78. Болт 82 свободно проходит по пазу и закручен в резьбовое отверстие во внутреннем стакане.

При этом к торцу внешнего стакана приварен плоский клин 79, ориентированный в горизонтальной плоскости. Пружина 80 работает на растяжение и отжимает стаканы друг от друга. Кроме того, в плоскости клина с двух сторон к боковым поверхностям внешнего стакана приведены ограничительные пластины 81.

При подходе закрытой лопасти в крайне верхнее положение (см. фиг.2) его передние подшипники 11 наталкиваются на острие клина узла раскрытия 9.

Вторая лопасть 16 в этот момент времени находится в полураскрытом положении.

Первые подшипники 11 взаимодействуют с упорами 84 узла закрытия лопасти 10. Однако эффективная площадь второй лопасти больше, чем первой и толкает первую лопасть на острие клина 79. Преодолевая магнитные силы притяжения магнитов 12, клин раскрывает первую лопасть 15. Боковые ограничительные пластины 81 придерживают первую лопасть в полураскрытом положении, пока вторая лопасть полностью не закроется и магниты 12 не зафиксируют это положение. В этот момент времени первая лопасть сжимает пружину 80, сохраняет фиксированный пластинами 81 зазор между двумя половинами.

После закрытия второй лопасти 16 встречный поток воды (или ветра), а также сжатая пружина 80 толкают первую лопасть 15 в обратном направлении.

Как только подшипники 11 первой лопасти 15 выйдут из зазора между пластинами 81, лопасть полностью раскроется.

После этого начинается обратное движение цепи, которая тянет за собою закрытую вторую лопасть 16.

После того, как вторая лопасть доходит до второго узла раскрытия лопасти 9, аналогичный процесс повторяется.

Таким образом, автоматически происходят процессы вывода лопастей из крайних «мертвых» точек.

Принцип работы узла закрытия лопасти 10, конструкция которой представлена на фиг.9, заключается в следующем.

Узел закрытия лопасти крепится к стойке 2 каркаса 1 с помощью горизонтально установленной планки с хомутом 83.

В зависимости от размеров лопасти, которые определяются мощностью преобразователя, узлы могут быть установлены только сверху или с двух сторон - сверху и снизу.

Узел закрытия лопасти 10 включает в себя два упора S-образного профиля, шарнирно установленных на концах кронштейнов 86. Другие концы кронштейнов неподвижно связаны с планкой 83, закрепленной на хомуте. В местах шарнирного соединения упоров 84 кронштейнами 86 установлены вторые пружины 85, обеспечивающие прижатие нижних концов упоров друг к другу (см. фиг.9).

Первая 87 и вторая 87 пары подшипников установлены на верхних и нижних торцевых ребрах двух половин лопасти. Указанные подшипники взаимодействуют по очереди с упорами 84 узла раскрытия лопасти 9.

Сперва в контакт с раскрытыми концами упоров входит вторая пара подшипников 88. Упоры принудительно уменьшают угол между двумя половинами лопасти. После того, как вторая пара подшипников проходят место шарнирного соединения с кронштейнами 86, они раздвигают сомкнутые концы упоров. В этот момент одновременно начинается процесс взаимодействия клина первого узла раскрытия лопасти с соответствующей лопастью. Дальнейшее взаимодействие вторых подшипников с криволинейными участками упоров приводит к смыканию раскрытых передних концов упоров. Эти концы упоров наталкиваются на первую пару подшипников. Указанное взаимодействие приводит к закрытию лопасти. Магниты 12, установленные на передних краях двух половин лопасти, удерживает закрытое положение на всем протяжении его пассивного движения против течения среды.

Принцип работы четвертого ветрового варианта преобразователя энергии, конструкция которого представлена на фиг.13, заключается в следующем.

Одним концом каркас 1 преобразователя энергии устанавливается на упорных подшипниках на вертикальной стойке конического флюгера 154 с возможностью свободного поворота вокруг нее в пределах ±90°, второй конец каркаса опирается на колесо 160, установленное шарнирно с помощью кронштейна 159 с возможностью свободного вращения. Ось вращения кронштейна совпадает с направлением оси вертикальной стойки плоского флюгера 162, установленной в центральном сечении каркаса 1.

Плоский флюгер 162 жестко связан со стойкой 161, разделяющий его на две равные части.

Появление бокового ветра приводит к повороту каркаса вокруг стойки.

Дополнительный момент вращения создается также под воздействием бокового ветра на закрытую лопасть. В результате указанных воздействий каркас 1 преобразователя постоянно ориентируется вдоль направлении ветра.

Четвертый ветровой вариант преобразователя энергии на фиг.13 содержит дополнительно узел торможения. Этот узел предназначен для синхронизации скорости вращения общего выходного вала 143 при изменении скорости ветра.

Вращение первой шестерни 13 передается на третью цилиндрическую шестерню 139, установленную на обойме обгонной муфты 140. Ступица данной муфты неподвижно связана с конической шестерней 141, находящейся в сцеплении с конической шестерней 142. Ведомая коническая шестерня установлена неподвижно на валу общего выходного вала 143. На этот вал могут быть переданы моменты вращения от большого количества параллельных подключенных преобразователей энергии подобной конструкции. При этом они должны работать со сдвигом фаз, т.е. моменты нахождения в «мертвых» точках должны быть сдвинуты во времени. Чем больше число параллельно работающих преобразователей энергии, тем больше суммарная мощность на общем выходном валу 143 и выше синхронность его вращения. Для повышения синхронности вращения выходного вала на нем устанавливается массивный маховик (на фиг.13 не приведен).

Выходной вал через мультипликатор подключается к электрогенератору или другому потребителю механической энергии, например к насосу, мельнице т.д.

Узел торможения содержит взаимодействующие друг с другом диск сцепления 145 и диск торможения 146. Причем диск сцепления неподвижно связан с сосной третьей шестерней 139. На диск торможения сверху давит рычаг 147, имеющий вилкообразный наконечник. Рычаг шарнирно связан с концом упора 148, неподвижно связанного с втулкой конической шестерней. Втулка конической шестерни установлена на вертикальной стойке 150 с возможностью свободного вращения вокруг нее.

С верхним концом втулки флюгера связан горизонтальный рычаг 157. На горизонтальном рычаге установлен конический или пирамидальный флюгер 154. Верхняя и нижняя торцевые поверхности флюгера 154 открыты для ветра. Давление ветра на боковые поверхности флюгера приводит к его смещению вдоль горизонтального рычага. Чем больше скорость ветра, тем больше продольное смещение флюгера. Подбором жесткости цилиндрической пружины 155 и площади боковой поверхности флюгера возможно регулировать силу торможения, которая передается через трос 153 и рычаг 147 на тормозной диск 146.

При слабом ветре конический флюгер не оказывает никакого воздействия на тормозную систему. При возрастании скорости ветра сила торможения пропорционально возрастает и скорость вращения вала 143 сохраняется неизменным.

На фиг.10 и фиг.11 представлена конструкция третьего варианта преобразователя энергии, предназначенного для установки в магистральном газопроводе или нефтепроводе.

Для установки информационных датчиков вдоль магистральных газопроводов и нефтепроводов требуется разработка и создание автономных источников электроэнергии мощностью около 30 Вт при напряжении 9 В. Такие датчики должны быть установлены через 50 км вдоль магистрального газопровода и нефтепровода.

Для установки преобразователя энергии необходимо сделать отвод (аппендикс) от магистральной линии и ответвить необходимое количество газа или нефти. После отработки газ (или нефть) снова поступает в магистральную линию. Для этого необходимо установить в магистральной линии необходимые съемные заслонки (перегородки), увеличивающие сопротивление основному потоку.

Принцип работы третьего варианта преобразователя энергии совпадает со вторым вариантом, представленным на фиг.1-9. Отличие заключается в изменении конструкции отдельных элементов, в частности, в отводе выходной мощности. Ответвленный поток газа (нефти) делится на два потока. Для этого два разветвления 90 трубы соединяются параллельно друг другу и подключаются к отводной трубе. Преобразователь энергии содержит два идентичных механизма. Каждый из них содержит замкнутый прямоугольный контур из цепи 95. По углам двух четырехугольников с помощью кронштейнов 97 шарнирно устанавливаются восемь звезд 96. Средние четыре звезды шарнирно крепятся к стойкам 98, установленным вертикально внутри параллельных труб. Четыре крайние звезды 96 с помощью кронштейнов 97 шарнирно крепятся к наклонным участкам труб. При этом крепление звезд должно быть таким, чтоб натянутая цепь проходила по геометрическим осям параллельных участков труб. Центральные ведущие звезды 110, 111 устанавливаются на обоймах обгонных муфт 115 и 116, ступицы которых установлены на валах 112 и 113 неподвижно. Для установки валов 112 и 113, а также шестерен, мультипликатора и генератора создается специальная герметичная камера 102, которая состоит из параллельных друг другу верхней, нижней и боковых стенок, приваренных со всех сторон к трубам. Давление внутри данной камеры устанавливается такое же, как внутри труб. Отвод выходной мощности возможно осуществить с помощью магнитной муфты. Для этого верхняя стенка должна быть выполнена из неферромагнитного материала. Складывающиеся лопасти 92 состоят из двух полукруглых половин. На середине обеих половин лопастей установлены подшипники 93, взаимодействующие с упорами узла закрытия лопасти 101. Указанные узлы установлены в центральном горизонтальном сечении труб.

Два узла раскрытия лопасти 94 первого контура крепятся рядом со звездами на наклонных участках труб. Два других узла раскрытия крепятся к стойкам 98 второго контура, также рядом со звездами 96. Левая и правая половины лопасти шарнирно устанавливаются на стойке лопасти 91 аналогично лопастям, представленным на фиг.6. В зависимости от мощности преобразования на каждой стойке лопасти могут быть установлены один или два узла регулировки угла раскрытия лопасти. Однако регулировку скорости вращения электрогенератора возможно осуществить меняя давление газа или нефти, ответвляемого от магистральной линии в аппендикс.

Для придания вертикального положения стойкам лопастей 91 используется трос 135, натянутый параллельно цепи 95. Осевая цепь соединятся со стойками лопасти неподвижно. Трос 135 свободно проходит через отверстия в стойке лопасти и сохраняет ее вертикальное положение при возвратно-поступательном движении лопасти.

Верхний и нижний концы стойки лопасти 91 соединяются с горизонтальными перемычками, на концах которых с помощью кронштейнов 130 установлены по два подшипника 93, аналогично роликам 68 на фиг.6. Подшипники катятся по внутренней поверхности трубы, сохраняя вертикальное положение стоек лопастей 91. Таким образом обеспечивается свободное возвратно-поступательное движение лопастей вдоль двух параллельных участков труб. В любой момент времени в раскрытом (рабочем) положении находится одна или две лопасти. При этом моменты нахождения лопастей в конечных «мертвых» точках в первом и втором контурах смещены во времени по фазе на 90°. При одинаковых шестернях, звездах в обоих контурах такое смещение по фазе сохраняется постоянным. Это исключает совпадение во времени «мертвых» точек в двух контурах.

Для повышения синхронности вращения электрогенератора на выходном валу через обгонную муфту может быть установлен массивный маховик (на фиг.11 не указан). На фиг.11 связь между стойками лопастей 105, 106 и валами шестерен 112, 113 осуществляется с помощью цепной передачи. Для этого на валах 112, 113 неподвижно установлены обгонные муфты 115, 116, обоймы которых неподвижно связаны с соответствующими центральными звездами 110, 111. На этих же валах неподвижно установлены первая 117 и вторая 118 шестерни. При этом обгонные муфты 115 и 116 установлены так, что при вхождении в сцепление первой муфты, вторая муфта выходит из сцепления, т.е. находится в нейтральном положении. При одинаковых шестернях 117, 118 и центральных звездах 110, 111 и при кинематической схеме их включения, представленной на фиг.5, такая установка обгонных муфт обеспечивает постоянное направление вращения шестерни, независимо от направления вращения центральных звезд. Для передачи момента вращения первой шестерни на ведущую коническую шестерню 120 может быть использована магнитная муфта.

Вращение от ведущей конической шестерни 120 передается на ведомую коническую шестерню 121. Ведомая шестерня установлена на входном валу мультипликатора 122. Мультипликатор служит для повышения скорости вращения ведомой шестерни до номинальной скорости вращения электрогенератора 123. Генератор с мультипликатором установлены на верхней стенке герметичной камеры 102.

Вращение от ведомой конической шестерни 48 передается через мультипликатор на электрогенератор. Если в качестве электрогенератора использовать синхронный трехфазный двигатель, его возможно разместить во внутренний полости герметичной камеры. В этом случае отпадает необходимость в использовании магнитной муфты. Для вывода трехфазного напряжения из герметичной камеры используется диэлектрические втулки и металлические стержни. Последние устанавливаются в стенках герметичной камеры, выполненной из металлической трубы, с помощью специальных уплотнительных прокладок.

На середине вертикальных валов шестерен 34, 35 попарно установлены четыре обгонные муфты со звездами 38-41. Ступицы указанных обгонных муфт неподвижно закреплены на валах 34, 35, а обоймы связаны с соответствующими звездами 42.

Верхние муфты 38 и 39 со звездами с помощью первой цепи 43 взаимодействуют с первой 15 и второй лопастями, а нижние муфты 40, 41 со звездами с помощью второй цепи 44 - с третьей 18 и четвертой 19 лопастями соответственно.

При этом обгонные муфты 38-41 установлены так, что когда обойма входит в сцепление со ступицей первой (третьей) муфты, обойма второй (четвертой) муфты выходит из сцепления со ступицей. Очередное сцепление муфт обеспечивает поворот первого вала по часовой стрелке, а второго вала - против часовой стрелке. В каждый момент времени две из четырех муфт находятся в сцеплении и передают момент вращения на соответствующий вал.

Моменты нахождения лопастей в «мертвых точках» должны быть сдвинуты по фазе на 90°. Когда первая 15 и вторая 16 лопасти находятся в крайних положениях, т.е. в «мертвых» точках, другая пара лопастей (18 и 19) должна находиться в раскрытом положении.

При таком сдвиге фаз в любой момент времени хотя бы одна из цепей (43 или 44) должна создать положительный момент вращения на одном из валов. Независимо от направления движения первой 43 и второй 44 цепей первый вал и установленная на нем ведущая коническая шестерня 47 вращаются по часовой стрелке. На верхней платформе 32 с помощью кронштейнов 52 горизонтально установлен общий выходной вал 50. На этом валу с помощью пятой обгонной муфты 49 установлена ведомая коническая шестерня 48.

На фиг.4 вращение ведомой шестерни через пятую обгонную муфту передается на общий выходной вал 49.

На этот вал передается момент вращения от всех параллельно включенных преобразователей энергии.

Вращение выходного вала через мультипликатор может быть передано на электрогенератор или насос (на фиг.4 не указаны).

При параллельном включении аналогичных преобразователей энергии повышается суммарная выходная мощность и синхронность вращения электрогенератора. Для повышения синхронности вращения на общем выходном валу может быть установлен массивный маховик 51.

На фиг.5 представлен вид Д-Д преобразователя энергии по фиг.4. Первая цепь 43 кинематически связана с первой 38 и второй 39 обгонными муфтами, на обоймах которых неподвижно установлены звезды 121. Вторая цепь 44 взаимодействует со звездами, установленными на обоймах третьей 40 и четвертой 41 обгонных муфт.Как показано на фиг.4, первая пара обгонных муфт 38, 39 установлена на валах 34, 35 выше второй пары 40 и 41.

Такая же кинематическая связь между двумя цепями и двумя валами может быть использована в конструкции преобразователя энергии, представленной на фиг.10 и фиг.13.

Преобразователь энергии текучей среды может быть использован как автономный источник электрической энергии там, где нет централизованного электроснабжения.

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно энергии ветра, и служит для преобразования ее преимущественно в электрическую. Преобразователь содержит каркас и кинематически связанные друг с другом первой цепью первую и вторую лопасти, первую и вторую звезды, первую и вторую шестерни, установленные на соответствующих валах, а также коническую пару шестерен, взаимодействующих с мультипликатором и генератором, первую и вторую обгонные муфты, обоймы которых связаны с соответствующими звездами. Ступицы неподвижно установлены на соответствующих валах. Лопасти установлены на каркасе с возможностью возвратно-поступательного движения и взаимодействуют с узлами раскрытия и закрытия лопастей, установленными на противоположных торцевых концах каркаса. Преобразователь может содержать третью и четвертую лопасти, работающие в противофазе относительно первой пары лопастей. Лопасть может быть выполнена в виде складывающихся половин. При больших размерах каждая лопасть может содержать второй узел регулировки угла раскрытия лопасти, установленный на нижнем конце стойки лопасти. Преобразователь может содержать герметичные камеры, неподвижно связанные с торцевыми сторонами каркаса. Преобразователь может содержать две параллельные смежные трубы, внутри каждой из которых установлены по две лопасти, состоящие из двух половин. Изобретение обеспечит повышение КПД и расширение области применения. 10 з. п. ф-лы, 13 ил.

1. Преобразователь энергии текучей среды, содержащий каркас и кинематически связанные друг с другом первой цепью первую, вторую лопасти, первую и вторую звезды, первую и вторую шестерни, установленные на соответствующих валах, а также коническую пару шестерен, взаимодействующих с мультипликатором и генератором, отличающийся тем, что содержит дополнительно взаимодействующие друг с другом узлы раскрытия и закрытия лопасти, а также первую и вторую обгонные муфты, обоймы которых связаны с соответствующими звездами, а ступицы неподвижно установлены на соответствующих валах, при этом первая и вторая лопасти установлены на каркасе с возможностью совершения возвратно-поступательного движения по направлению течения среды и взаимодействуют с узлами раскрытия и закрытия лопастей, установленными на противоположных торцевых концах каркаса.2. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительно взаимодействующие с первым и вторым валами кинематически связанные второй цепью третью, четвертую лопасти и третью, четвертую обгонные муфты, на обоймах которых установлены соответствующие звезды, причем ступицы первой-второй, третьей-четвертой обгонных муфт попарно неподвижно установлены на вертикальных валах первой и второй шестерен соответственно, причем работа второй пары лопастей сдвинута относительно работы первой пары на четверть периода (90°), при этом в конце рабочего хода каждая половина лопасти через подшипники взаимодействует с соответствующим узлом закрытия лопасти, а в конце пассивного хода сложенные половины лопасти взаимодействуют с соответствующим узлом раскрытия лопасти.3. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть содержит вертикальную стойку и две складывающиеся половины, взаимодействующие с узлом регулировки угла раскрытия лопасти, установленным на верхнем конце стойки, при этом верхний конец стойки с помощью перемычки шарнирно связан с двумя роликами, свободно катающимися по грани уголка верхней рамы каркаса, а нижний конец стойки шарнирно связан с третьим роликом, катающимся по грани уголка нижней рамы каркаса, кроме того, на верхнем торце каждой половины лопасти установлены пара подшипников, взаимодействующие с узлом закрытия лопасти, причем на каждой половине лопасти установлен магнит, а стойка лопасти связана неподвижно с цепью.4. Преобразователь энергии текучей среды по п.3, отличающийся тем, что каждая лопасть содержит дополнительно второй узел регулировки угла раскрытия лопасти, установленный на нижнем конце стойки лопасти, взаимодействующий с двумя его половинами.5. Преобразователь энергии текучей среды по п.3, отличающийся тем, что каждый узел регулировки угла раскрытия лопасти содержит соосные и шарнирно установленные на стойке лопасти внешнюю и внутреннюю втулки с наклонными противоположно направленными прорезами, неподвижно связанные соответственно с правой и левой половинами лопасти, а также кольцо с пальцем, наконечник которого взаимодействует с наклонными прорезами втулок, а само кольцо установлено на внешней втулке с возможностью свободного продольного перемещения и через пружину взаимодействует с ограничительным кольцом, установленным неподвижно на стойке лопасти.6. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительно первую и вторую герметичные камеры, неподвижно связанные с торцевыми сторонами каркаса.7. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел раскрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом через первую пружину внутреннюю и внешнюю втулки, причем внешняя втулка, неподвижно связанная с клином, имеет возможность только продольного смещения относительно внутренней втулки, неподвижно связанной с вертикальной стойкой.8. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что каждый узел закрытия лопасти содержит взаимодействующие друг с другом две пары подшипников, пару магнитов, пару подпружиненных упоров, шарнирно установленные на двух кронштейнах, неподвижно связанных с каркасом.9. Преобразователь энергии текучей среды по п.2, отличающийся тем, что содержит две параллельные смежные трубы, в середине которых установлена герметичная камера, а внутри каждой установлены по две лопасти, состоящие из двух половин, две вертикальные стойки, на которых шарнирно установлены соответствующие звезды, при этом на стенках разветвленных участков труб с помощью кронштейнов шарнирно установлены дополнительно четыре звезды, кроме того, в герметичной камере установлены вертикально две стойки шестерен с возможностью свободного вращения, на которых, в свою очередь, неподвижно установлены первая, вторая и третья, четвертая звезды, каждая пара из которых с помощью первой цепи связаны с первой и второй лопастями, а с помощью второй цепи с третьей и четвертой лопастями соответственно, кроме того, каждая половина лопасти имеет полукруглую форму, в горизонтальном сечении которых установлены магниты, а также пару подшипников, при этом на верхнем конце каждой стойки лопасти шарнирно установлены два подшипника, связанные горизонтальной перемычкой, а на нижнем - третий подшипник, кроме того, параллельно цепям, неподвижно связанным со стойками лопастей, натянуты первый и второй тросы, свободно пропущенные через стойку лопастей.10. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительно плоский и конический флюгеры, а также узел торможения, взаимодействующий с коническим флюгером, при этом каркас одним концом шарнирно установлен на стойке конического флюгера с возможностью свободного поворота вокруг нее, а другой конец каркаса неподвижно связан с плоским флюгером, неподвижно установленным на каркасе по направлению движения лопастей.11. Преобразователь энергии текучей среды по п.1, отличающийся тем, что узел торможения содержит взаимодействующие друг с другом диски сцепления и торможения, рычаг, трос, а также конический флюгер, установленный с возможностью продольного смещения по горизонтальному рычагу, причем диск сцепления неподвижно связан с соосной второй шестерней.