ВЕТРО- И ГИДРОУСТАНОВКА С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЛОПАСТЯМИ Российский патент 2013 года по МПК F03D5/06 F03B13/26 

Изобретение относится к возобновляемой (альтернативной) энергетике и может быть использовано при создании новых типов эффективных и недорогих ветро- и гидроустановок разной мощности, работающих в свободных воздушном или водном потоках.

Известны устройство для отбора мощности в текучей среде (1), ветро- и гидроэлектростанции с колеблющимися крыльями (2), устройство для отбора энергии волн (3) - приведены в конце описания. Однако такие конструктивные решения менее пригодны для создания эффективных ветро- и гидроустановок разной мощности.

Технической задачей изобретения является создание бесшумных, безопасных, наземных и надводных ветроустановок, а также размещаемых в области речных, проточных и морских подводных течений гидроустановок, не требующих в целом высокотехнологичных производств и относительно больших финансовых затрат для их разработки и серийного изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что на поворотной консоли установлены основная и вспомогательная вертикальные лопасти, обеспечивающие их совместную и эффективную работу с одновременным синхронным разворотом своих плоскостей в крайних положениях на оптимальные (но при это разные) углы атаки к потоку, что позволяет осуществлять начало их обратного движения практически с максимальным моментом. Размещение подшипниковых обгонных муфт левого и правого вращения не на входе комбинированного мультипликатора, а в промежуточных внутренних звеньях позволяет существенно уменьшить их габаритные размеры и массу из-за возможности приложения к ним многократно меньших крутящих усилий. Отсутствие в плоскостях лопастей сложных аэро- и гидродинамических профилей значительно упрощает их изготовление и в целом существенно снижает стоимость таких установок.

Из патентной и научно-технической информации автору не известны источники, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих сходные признаки с заявляемым решением.

Изобретение поясняется схематическими изображениями, где:

Фиг.1 - вид сбоку на установку в рабочем положении.

Фиг.2 - вид сбоку на размещенные внутри несущего корпуса составные части комбинированного мультипликатора и узел многополюсного генератора.

Фиг.3 - вид сбоку на узел шестеренчатой кинематической связи осей лопастей (вар. 1).

Фиг.4 - вид сверху на узел шарнирной кинематической связи осей лопастей с помощью коромысел и тяг (вар. 2).

Фиг.5 - рабочие положения лопастей в воздушном или водном потоках.

Установка содержит поворотную консоль 1 с присоединенным к ней герметичным кожухом 2 обтекаемой формы, на котором размещены на вертикальных осях основная 3 и вспомогательная 4 лопасти. Консоль 1 посажена на вертикальную ось 5 и дополнительно удерживается тросом 6 с натяжным талрепом 7¹.

Несущий корпус 8 размещен на стойке 9 с опорной плитой 10 и удерживается неподвижно с помощью тросовых (или штанговых) растяжек 11 с натяжными талрепами 7, а в его генераторной части расположен снаружи герметичный разъем 12 с силовым кабелем 13. Нижняя часть оси 5 размещена вверху корпуса 8 и соединена с ним посредством наружного герметичного подшипника скольжения 14 и опорного роликового подшипника 15. На нижний конец оси 5 посажена большая цилиндрическая шестерня с числом зубьев Z₁, находящаяся в зацеплении с боковыми малыми цилиндрическими шестернями Z₂ и Z¹ ₂. Шестерня Z₂ посредством двухсекционного сателлитного вала и обгонной муфты левого вращения 16 кинематически связана с нижней большой конической шестерней Z₃. Соответственно Z¹ ₂ посредство идентичного вала и обгонной муфты 17 правого вращения связана с аналогичной шестерней Z¹ ₃. Дополнительно шестерни Z₃ и Z¹ ₃ соединены между собой посредством малых конических шестерен Z₄ и Z¹ ₄ и поперечного вала с большой конической шестерней Z₅. Шестерня Z₅ зацеплена с малой выходной конической шестерней Z₆, соединенной через инерционную обгонную муфту 18 с многополюсным генератором 19.

В герметичном кожухе 2 размещены возвратная пружина 20 и узел кнематической связи лопастей 3 и 4, имеющий два варианта исполнения. В первом (фиг.3) эта связь осуществляется с помощью большой конической шестерни Z₇, промежуточных конических шестерен Z₈ и Z₉ с валом 21 и малой конической шестерни Z₁₀, а во втором (фиг.4) - посредством коромысел 22 и 23 разной длины с шарнирно соединенными с ними тягами 24 и 24¹ одинаковой длины. В кожухе 2 также размещены уголковые упоры 25 и 25¹, ограничивающие углы поворота α₁ и α₁ ¹ лопасти 3 (фиг.5).

Стойка 9 и опорная плита 10 в ветроустановке могут отсутствовать при размещении ее на мачте.

Ветро- и гидроустановка работает следующим образом.

Собранная установка размещается на ровной площадке. Несущий корпус 8 закрепляется в вертикальном положении с помощью тросовых (или штанговых) растяжек 11 и окончательно выравнивается посредством талрепов 7. Аналогичным образом выставляется оптимальное натяжение на консоли 1 троса (или штанги) 6 с помощью талрепа 7¹. Герметичный разъем 12 с силовым кабелем 13 присоединяется к несущему корпусу 8. Ось консоли 1 разворачивается потоком в рабочее положение. Дальнейшая круговая ориентация установки на поток (преимущественно воздушный) в пределах 360° осуществляется самопроизвольно, по флюгерному принципу.

Далее поворачивающаяся в пределах угла α_p (фиг.5) консоль 1 выводит установку на рабочий режим. Плоскости основной лопасти 3 со смещенной осью вращения имеют существенно большую площадь со стороны набегающего потока, поэтому из-за разности воздействующих на ее плоскости сил F_T они развернутся потоком относительно оси консоли 1 на угол α₁ (или α₁ ¹), ограниченный упором 25 или 25¹. Соответственно, кинематически связанная с ней вспомогательная лопасть 4 развернется на больший угол α₂ (или α₂ ¹).

Совместная работа взаимосвязанных лопастей существенно повышает эффективность и мощность установки в целом.

Синхронный разворот лопастей в крайних положениях A₁ или А₃ и начало движения консоли 1 в обратном направлении осуществляются следующим образом.

При приближении, например, движущейся влево консоли 1 к положению α ослабляющаяся возвратная пружина 20 начнет сжиматься и разворачивать лопасть 3 для изначального совмещения ее плоскостей и точки крепления пружины 20 к герметичному кожуху 2 с осью консоли 1. Одновременно находящаяся под углом α₄ к потоку лопасть 4 способствует продолжению движения консоли 1 к положению А₃, увеличивая угол α₃, достаточный для дальнейшего разворота потоком лопасти 3 в положение III¹ (показана пунктиром) на полный угол α₁+α₁ ¹. Зависимая лопасть 4 также синхронно развернется на больший угол α₂+α₂ ¹ (показана пунктиром). Расположенные таким образом в положение III¹ обе лопасти обеспечивают начало обратного движения консоли 1 практически с максимальным усилием. Разворот лопастей в положении A₁ (справа) осуществляется аналогичным образом, и т.д.

Отбор полезной мощности осуществляется комбинированным мультипликатором (фиг.2) следующим образом.

При движении консоли 1 влево шестерня Z₂ вращается по часовой стрелке и через замыкающуюся обгонную муфту 16 и сателлитный вал передает момент вращения на шестерню Z₃, при этом обгонная муфта 17 разомкнута и шестерня Z₂ ¹ вращается вхолостую. При движении консоли 1 вправо шестерня Z₂ ¹ вращается против часовой стрелки и через замкнутую обгонную муфту 17, и сателлитный вал передает момент вращения на шестерню Z₃ ¹, при этом обгонная муфта 16 разомкнута и шестерня Z₂ вращается вхолостую. Конические шестерни Z₄, Z₄ ¹ и Z₅ вместе с поперечным валом совершают таким образом только одностороннее вращение. Далее через выходную коническую шестерню Z₆ и инерционную обгонную муфту 18 момент вращения передается на многополюсный генератор 19, имеющий при этом многократно увеличенную угловую скорость ω_r, которая (как и вырабатываемая мощность) пропорционально зависит от скорости ветра или водного течения.

Использованные источники информации

1. Патент Австралии N WO 2007/019607 A1 (AU), F03B ¹³/₂₆, F03D ⁵/₀₀, 2007.

2. Проект "Stingrey" лаборатории "The Engineering Business", компании «Vortex Oscillation Technology Ltd», 2002, (UK).

3. Патент РФ N 2089433 (фиг.3 и 4), кл. В63В ¹/₁₀, 1995.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при создании ветро- и гидроустановок разной мощности, работающих в свободных воздушных или водных потоках. На поворотной консоли размещены основная и вспомогательная вертикальные сдвоенные лопасти. Ось основной лопасти в центральной части связана с кожухом на конце консоли возвратной пружиной, а ее плоскости закреплены на оси несимметрично - большей площадью в сторону центра крепления консоли. Вспомогательная лопасть имеет симметричные плоскости и кинематически связана с основной передаточным отношением, обеспечивающим ей больший угол поворота. Мультипликатор выполнен комбинированным, с дополнительным внутренним преобразованием относительно медленного возвратно-поступательного движения оси консоли в повышенное одностороннее вращение многополюсного генератора. В подводном исполнении оси лопастей и консоли снабжены водозащитными подшипниками скольжения, исключающими необходимость дополнительной герметизации внутренних объемов лопастной части консоли и несущего корпуса. Изобретение способствует созданию наземных и надводных, бесшумных и безопасных ветроустановок, а также донных гидроустановок в речных, проточных и морских течениях, обеспечивающих простоту и компактность конструкций с возможностью их подъема на поверхность для периодического осмотра или ремонта. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветро- и гидроустановка с колеблющимися вертикальными лопастями, содержащая поворотную консоль, вертикальную лопасть и несущий корпус с генератором, отличающаяся тем, что на поворотной консоли дополнительно установлена вспомогательная сдвоенная вертикальная лопасть меньшей площади, ось которой кинематически связана с осью основной лопасти посредством четырех конических шестерен и сателлитного вала, или двух коромысел разной длины с тягами одной длины, обеспечивающих поворот вспомогательной лопасти на больший угол относительно основной лопасти, плоскости которой установлены асимметрично и повернуты большей площадью в сторону центра крепления консоли.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен по комбинированной схеме с дополнительным внутренним преобразованием возвратно-поступательного движения консоли в одностороннее вращение и содержит посаженную снизу на вертикальную ось консоли большую горизонтальную цилиндрическую шестерню, соединенную посредством зацепленных с ней с боковых сторон двух малых цилиндрических шестерен через вертикальные сателлитные валы и их обгонные муфты левого и правого вращения с большими коническими шестернями, которые связаны между собой через малые конические шестерни с горизонтальным валом, на котором в средней части посажена большая коническая шестерня, зацепленная с выходной малой конической шестерней, связанной через инерционную обгонную муфту с многополюсным генератором.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что основная лопасть связана в средней части с герметичным кожухом консоли возвратной пружиной, точка крепления которой совпадает с его горизонтальной осью, углы поворота основной лопасти ограничены упорами, а вертикальные оси лопастей и кронштейна снабжены водозащитными и герметичными подшипниками скольжения.