ЦИКЛОИДНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ СО СКЛАДНЫМИ ЛОПАСТЯМИ Российский патент 2016 года по МПК F03D3/00 F03D7/04 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при создании новых ветроэнергетических установок разной мощности, работающих в свободных воздушных потоках.

Известен наиболее близкий аналог (прототип) циклоидный ветродвигатель (1) со стационарно закрепленными вокруг корпуса планетарного редуктора горизонтальными кронштейнами с лопастями и расположенным у основания флюгером узла самоориентации лопастей на ветер; известна также складная ветротурбина с вертикальной осью вращения (2) со сдвоенными лопастями и разворачивающимися их осями вращения на 180° при складывании, предназначенная для создания портативных переносных альтернативных источников энергии. Однако указанные конструктивные и схемные решения не позволяют в полной мере реализовать заявляемое техническое решение.

Технической задачей изобретения является создание циклоидного ветродвигателя любой мощности, обеспечивающего возможность самопроизвольного складывания лопастей во время бури или шторма с последующим возвратом их в исходное состояние, дистанционно управляемого извне принудительного складывания лопастей в рабочем диапазоне скоростей ветра, а также транспортирования в сложенном виде без разборки ветроколеса.

Поставленная цель достигается тем, что полый вертикальный вал выполнен в виде двух соосных секций, соединенных сверху и снизу с корпусом планетарного редуктора, а каждый горизонтальный кронштейн выполнен поворотным и кинематически связан с внутренней стороны с помощью промежуточных уголков и спаренных петель с корпусом планетарного редуктора, а с внешней стороны - с кожухом лопасти, при этом с помощью удерживающей его поворотной уголковой рамы он дополнительно поочередно связан с верхней или нижней подвижными втулками, размещенными на полом вертикальном валу.

С корпусом планетарного редуктора дополнительно связаны регулируемые по длине пантографные штанги, удерживаемые на горизонтальных кронштейнах вдоль их осей с помощью направляющих скоб с проушинами и соединенные с внешней стороны посредством пружинящих тяг с кожухами лопастей, а на горизонтальных кронштейнах с противоположных сторон размешены контактирующие с плоскостями лопастей направляющие ролики.

Флюгер с группой контактных переключателей узла самоориентации лопастей па ветер размещен в верхней части центральной заторможенной оси непосредственно над противобуревым флажком.

Ветродвигатель содержит два автономных идентичных реверсивных привода верхней и нижней кареток, размещенные внутри секций полого вертикального вала или в корпусе планетарного редуктора и осуществляющие самопроизвольное складывание лопастей во время бури или шторма.

С помощью дополнительного дистанционного пульта управления обеспечивается возможность его принудительной остановки со складыванием лопастей в любом рабочем диапазоне скоростей ветра, независимой работы только верхних или нижних лопастей, а также экстренной остановки без складывания лопастей путем расположения кареток в средних положениях после разрыва кинематических связей осей лопастей с сателлитными валами и последующего самопроизвольного разворота плоскостей всех лопастей по воздушному потоку.

Сателлитные валы горизонтальных кронштейнов имеют на внешних концах подпружиненные втулки, образующие в областях торцевых плоскостей излома совместно с расположенными внутри кожухов лопастей втулками разъемные однопазовые муфты, самопроизвольно замыкающиеся под воздействием на плоскости лопастей воздушного потока при возвращении сложенных кареток в исходное рабочее положение.

В кожухах лопастей предусмотрены выступающие наружу концы их осей, позволяющие дополнительно размещать на них второй комплект соосных лопастей для более эффективной работы в регионах с преобладающими умеренными воздушными потоками.

В судовом исполнении во время бури или шторма лопасти в сложенном виде образуют короб, при этом нижние лопасти располагаются в верхней части, а верхние - в нижней вокруг полого вертикального вала, что оказывает минимальное сопротивление набегающему воздушному потоку и повышает остойчивость.

При установке на палубе остойчивого судна, например - катамарана, двух идентичных конструкций с противоположным направлением вращения ветроколес дополнительно обеспечивается взаимная компенсация разворачивающих усилий и исключается их влияние на изменение курса судна, а наличие при этом двух автономных генераторов повышает надежность и бесперебойность работы такой сдвоенной энергоустановки в целом, в том числе при использовании ее в качестве плавучей автономной электростанции.

Из научно-технической и патентной 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 ветродвигатель в рабочем и сложенном (показано пунктиром) положениях.

Фиг. 2 - схематическое изображение изменения взаимной ориентации плоскостей лопастей в рабочем и сложенном положениях (вид сверху).

Фиг. 3 - вид сбоку на горизонтальный кронштейн с размещенными на нем пантогрфной штангой и направляющим роликом. Пунктиром со стрелками обозначены места не показанных остальных кронштейнов.

Фиг. 4 - вид сверху на узел кронштейна с лопастью.

Фиг. 5 - вид сверху и сбоку на взаимное положение узлов лопасти относительно несущего кронштейна в сложенном виде.

Фиг. 6 - вариант компактного размещения внутри полого вертикального вала узлов подъемной каретки.

Фиг. 7 - схематическое изображение узла подъемной каретки с блоками, кольцевым тросом, реверсивным приводом и концевыми выключателями (вид сбоку).

Фиг. 8 - расположение стыковочных узлов в месте размыкания однопазовой полумуфты (вид сбоку).

Фиг. 9 - электрическая схема коммутации реверсивных электроприводов кареток и концевых выключателей с помощью противобуревого флажка и автономного пульта управления I (выделен пунктирными линиями).

Фиг. 10 - размещение двух ветродвигателей на палубе несамоходного судна (короткими пунктирными линиями обозначены узлы лопастей в сложенном виде).

Ветродвигатель содержит чередующиеся по окружности верхние 1 и нижние 2 вертикальные лопасти с закрылками 3, установленные осями в кожухах 4, кинематически связанные горизонтальными кронштейнами 5, удерживаемыми в рабочем положении поворотными уголковыми рамами 6, соединенными с подвижными втулками 7_в,н верхней 8 и нижней 8′ секций полого вертикального вала, соосно посаженных сверху и снизу на корпусе планетарного редуктора 9 (фиг. 1).

Вблизи корпуса 9 на секциях 8 и 8′ размещены неподвижные втулки 10, кинематически связанные посредством пантографных штанг 11, талрепов 12, направляющих скоб 13, 13′ и пружинящих тяг 14 с кожухами 4 (фиг. 3). С противоположной стороны от пантографных штанг 11 на корпусах горизонтальных кронштейнов 5 закреплены направляющие ролики 15, контактирующие с плоскостями складывающихся лопастей 1, 2 и разворачивающие их для образования условного короба вокруг полого вертикального вала.

Более удлиненная нижняя секция 8′ установлена на подшипниках в цапфе 16, посаженной на опорной стойке 17 (или непосредственно на верхней крышке генераторного корпуса). На верхнем конце центральной заторможенной оси 18 размещен над противобуревым флажком 19 флюгер 20 узла самоориентации лопастей на ветер.

Верхняя 7_в и нижняя 7_н подвижные втулки перемещаются по направляющим 21 и дополнительно связаны с уголковыми рамами 6 с помощью промежуточных уголков 22 (фиг. 4). Внешние концы горизонтальных кронштейнов 5 связаны с кожухами 4 лопастей посредством спаренных петель 23, а наружные концы пружинящих тяг 14 - с помощью одинарных уголков 24 (фиг. 5).

Каждый из приводов верхней и нижней кареток, размещенных внутри полого вертикального вала (фиг. 6, 7) или в корпусе планетарного редуктора (не показан), содержит ведомый 25 и ведущий 26 шкивы, кольцевой трос 27 с натяжной пружиной 28, присоединенный концами к подвижной втулке 7_в или 7_н, контактирующей в крайних положениях с концевыми выключателями 35_в,н. и 36_н,в. Ведущий шкив 26 размещен на удерживаемом подшипниковыми стойками 37 и 38 валу 39 с посаженным на его противоположном конце червячным колесом 40, кинематически связанным через червячный вал 41 и фрикционную муфту 42 с реверсивным электродвигателем постоянного тока 43.

Поворотные горизонтальные кронштейны 5 (фиг. 8) на внешних концах снабжены накладными фланцами 44 с направляющими штифтами, входящими в соответствующие им отверстия фланцев 45. На внешнем конце каждого сателлитного вала 46, установленного на подшипниках внутри горизонтального кронштейна 5, размещена поджимаемая пружиной 47 подвижная втулка 48, обеспечивающая с помощью продольного ограничивающего паза 49 и штифта 50 свободный ход t разъемной обнопазовой полумуфты, ответной частью которой является втулка 51, размещенная на подшипниках в кожухе 4.

Электрическая схема (фиг. 9) коммутации автономных реверсивных электроприводов и концевых выключателей кареток имеет дистанционный пульт управления I, содержащий выключатели 52, 53 цепей питания и переключатели 54, 55 реверса кареток. Кнопочные замыкатели 56 и 57 предназначены для одновременного (или поочередного) возврата кареток в исходное положение. Самопроизвольное включение электроприводов кареток во время бури или шторма осуществляется опускающимся флажком 19, замыкающим расположенную под ним контактную группу 58. Общее питание всех электрических цепей осуществляется от буферного аккумулятора 59, при этом возможно раздельное питание от двух автономных аккумуляторов вдвое меньшей емкости.

Внутренний конец пантографной штанги 11 для исключения воздействующих на него изгибающих усилий кинематически связан с втулкой 10 с помощью дополнительного разгрузочного рычага 60 (фиг. 3).

В судовом исполнении (фиг. 10), в том числе при использовании в режиме плавучей автономной электростанции, верхние I_в, II_в и нижние I_н, II_н группы лопастей двух встречно вращающихся ветроколес в рабочем положении располагаются в зонах, обозначенных сплошными линиями, а в сложенном виде - $$I_{н}^{\text{'}}$$ , $$I{I}_{н}^{\text{'}}$$ и $$I_{в}^{\text{'}}$$ , $$I{I}_{в}^{\text{'}}$$ - пунктирными линиями. Это в равной степени соответствует их расположению при наземном применении, предпочтительней - без мачт на открытых ветру крышах жилых многоэтажных зданий и других сооружений.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Складывающаяся конструкция ротора позволяет транспортировать его к месту установки (например, на железнодорожной платформе или палубе судна) без разборки ветроколеса на составные части и при монтаже не требует специальных подъемных средств.

Установка ветродвигателя на месте эксплуатации осуществляется со сложенными лопастями и состоит в присоединении фланца цапфы 16 (фиг. 1) к фланцу опорной стойки 17 (или к верхней крышке корпуса генераторного узла), а также стыковке нижнего конца заторможенной центральной оси 18 с расположенным внизу приводом узла самоориентации лопастей на ветер и конца нижней секции $$8_{н}^{\text{'}}$$ с входным валом отбора мощности мультипликатора генераторного узла (не показаны).

При необходимости, в рабочем положении ветроколеса, с помощью талрепов 12 дополнительно регулируется степень натяжения пантографными штангами 11 пружинящих тяг 14 - для обеспечения плотного контакта торцевых плоскостей горизонтальных кронштейнов 5 с кожухами 4 лопастей, а также надежного сочленения направляющих штифтов фланцев 44 с отверстиями фланцев 45 (фиг. 8).

Ориентация лопастей на ветер, а также складывание их во время бури или шторма и последующий возврат в исходное рабочее состояние осуществляются автоматически. При предстоящей длительной эксплуатации ветродвигателей в регионах или акваториях с преобладающими умеренными воздушными потоками более предпочтительна в процессе монтажа дополнительная установка на выступающих концах осей 1′ и 2′ (фиг. 1 и 5) второго комплекта аналогичных лопастей с совпадающей ориентацией их лопастей к воздушному потоку.

Экстренная принудительная остановка ветроколеса в рабочем диапазоне скоростей ветра без полного складывания лопастей осуществляется с помощью выносного дистанционного пульта управления I (фиг. 9) путем одновременного замыкания контактов выключателей 52 и 53 и последующего размыкания их при достижении поворачивающимися кронштейнами 5 средних положений A″ и B″ (фиг. 1 и 8), когда лопасти 1 и 2 еще не соприкасаются с направляющими роликами 15, а втулки 48 и 51 однопазовых полумуфт уже разъединены. При этом кинематически разомкнутые с сателлитными валами 46 все лопасти под воздействием ветра на их закрылки 3 одновременно развернутся по воздушному потоку и остановятся.

Возврат кареток из среднего положения в рабочее осуществляется также с пульта управления I переводом переключателей 54 и 55 в обратное (нижнее, фиг. 9) положение и повторным замыканием выключателей 52 и 53. После размыкания каретками внутренних концевых выключателей 35_н и 36_в кронштейны 5 самопроизвольно установятся в исходном горизонтальном положении.

Профилактический осмотр основных подвижных узлов ветродвигателей может осуществляться в рабочем, среднем и сложенном положениях лопастей, а плановый или другой ремонт - только в среднем и сложенном положениях.

Использованные источники информации

1. Пат. РФ N 2518727, от 28.03.2012 г., кл. F03D ⁵/₀₀.

2. Пат. РФ N 2101561, кл. F03D ⁷/₀₄ (фиг. 1).

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности к ветродвигателям со складными лопастями. Циклоидный ветродвигатель со складными лопастями содержит полый вертикальный вал с установленной внутри центральной заторможенной осью, кинематически связанной с планетарным редуктором, корпус которого посредством размещенных вокруг него горизонтальных кронштейнов и расположенных в них сателлитных валов соединен с осями лопастей, противобуревый флажковый узел и флюгерный узел самоориентации лопастей на ветер с реверсивным приводом. Полый вертикальный вал выполнен в виде двух соосных секций, соединенных сверху и снизу с корпусом планетарного редуктора. Каждый горизонтальный кронштейн выполнен поворотным и кинематически связан с внутренней стороны с помощью промежуточных уголков и спаренных петель с корпусом планетарного редуктора, а с внешней стороны - с кожухом лопасти, при этом с помощью удерживающей его поворотной уголковой рамы он дополнительно поочередно связан с верхней или нижней подвижными втулками, размещенными на полом вертикальном валу. С корпусом планетарного редуктора дополнительно связаны регулируемые по длине пантографные штанги, удерживаемые на горизонтальных кронштейнах вдоль их осей с помощью направляющих скоб с проушинами и соединенные с внешней стороны посредством пружинящих тяг с кожухами лопастей. На горизонтальных кронштейнах с противоположных сторон размещены контактирующие с плоскостями лопастей направляющие ролики. Флюгер с группой контактных переключателей узла самоориентации лопастей на ветер размещен на верхнем конце центральной заторможенной оси непосредственно над противобуревым флажком. Ветродвигатель также содержит два автономных идентичных реверсивных привода верхней и нижней кареток, размещенные внутри секций полого вертикального вала или в корпусе планетарного редуктора и осуществляющие самопроизвольное складывание лопастей во время бури или шторма. С помощью дополнительного дистанционного пульта управления обеспечивается возможность его принудительной остановки со складыванием лопастей в любом рабочем диапазоне скоростей ветра, независимой работы только верхних или нижних лопастей, а также экстренной остановки без складывания лопастей путем расположения кареток в средних положениях после разрыва кинематических связей осей лопастей с сателлитными валами и последующего самопроизвольного разворота плоскостей всех лопастей по воздушному потоку. Технический результат заключается в повышении надежности работы ветродвигателя во время бури или шторма за счет складывания лопастей с последующим их возвратом в исходное положение. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Циклоидный ветродвигатель со складными лопастями, содержащий полый вертикальный вал с установленной внутри центральной заторможенной осью, кинематически связанной с планетарным редуктором, корпус которого посредством размещенных вокруг него горизонтальных кронштейнов и расположенных в них сателлитных валов соединен с осями лопастей, противобуревый флажковый узел и флюгерный узел самоориентации лопастей на ветер с реверсивным приводом, отличающийся тем, что полый вертикальный вал выполнен в виде двух соосных секций, соединенных сверху и снизу с корпусом планетарного редуктора, а каждый горизонтальный кронштейн выполнен поворотным и кинематически связан с внутренней стороны с помощью промежуточных уголков и спаренных петель с корпусом планетарного редуктора, а с внешней стороны - с кожухом лопасти, при этом с помощью удерживающей его поворотной уголковой рамы он дополнительно поочередно связан с верхней или нижней подвижными втулками, размещенными на полом вертикальном валу.

2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что с корпусом планетарного редуктора дополнительно связаны регулируемые по длине пантографные штанги, удерживаемые на горизонтальных кронштейнах вдоль их осей с помощью направляющих скоб с проушинами и соединенные с внешней стороны посредством пружинящих тяг с кожухами лопастей, а на горизонтальных кронштейнах с противоположных сторон размещены контактирующие с плоскостями лопастей направляющие ролики.

3. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что флюгер с группой контактных переключателей узла самоориентации лопастей на ветер размещен на верхнем конце центральной заторможенной оси непосредственно над противобуревым флажком.

4. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит два автономных идентичных реверсивных привода верхней и нижней кареток, размещенные внутри секций полого вертикального вала или в корпусе планетарного редуктора и осуществляющие самопроизвольное складывание лопастей во время бури или шторма.

5. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что с помощью дополнительного дистанционного пульта управления обеспечивается возможность его принудительной остановки со складыванием лопастей в любом рабочем диапазоне скоростей ветра, независимой работы только верхних или нижних лопастей, а также экстренной остановки без складывания лопастей путем расположения кареток в средних положениях после разрыва кинематических связей осей лопастей с сателлитными валами и последующего самопроизвольного разворота плоскостей всех лопастей по воздушному потоку.

6. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что сателлитные валы горизонтальных кронштейнов имеют на внешних концах подпружиненные втулки, образующие в областях торцевых плоскостей излома совместно с расположенными внутри кожухов лопастей втулками разъемные однопазовые муфты, самопроизвольно замыкающиеся только под воздействием на плоскости лопастей воздушного потока при возвращении сложенных кареток в исходное рабочее положение.

7. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в кожухах лопастей предусмотрены выступающие наружу концы их осей, позволяющие дополнительно размещать на них второй комплект соосных лопастей для более эффективной работы в регионах с преобладающими умеренными воздушными потоками.

8. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в судовом исполнении во время бури или шторма лопасти в сложенном виде образуют короб, при этом нижние лопасти располагаются в верхней части, а верхние - в нижней вокруг полого вертикального вала, что оказывает минимальное сопротивление набегающему воздушному потоку и повышает остойчивость.

9. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что при установке на палубе катамарана двух идентичных конструкций с противоположным направлением вращения ветроколес дополнительно обеспечивается взаимная компенсация разворачивающих усилий и исключается их влияние на изменение курса судна, а наличие при этом двух автономных генераторов повышает надежность и бесперебойность работы такой сдвоенной энергоустановки в целом, в том числе при использовании ее в качестве плавучей автономной электростанции.