Устройство для переворачивания лопасти роторного узла и роторный узел Российский патент 2020 года по МПК F03B3/06 F03B3/14 F03B13/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к роторному узлу турбины приливной электростанции и, в частности, к устройству для переворачивания лопасти указанного узла.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как известно, приливные электростанции предназначены для преобразования энергии приливов в электрическую энергию. Для этой цели, в случае приливного бассейна, между морем и чашей бассейна может быть расположен корпус турбины. Корпус турбины может включать грушеобразный роторный узел, на котором установлены лопасти, приводимые в движение потоком воды. Грушеобразный роторный узел выполнен как единое целое с поворотным валом, взаимодействующим с электрогенератором.

В зависимости от уровня прилива, когда уровень морской воды (также называемый «столбом») поднимается относительно уровня бассейна, вода начинает протекать через турбину, обеспечивая выработку энергии. Подобным образом, когда высота уровня моря начинает понижаться, приливной перепад может быть обеспечен в результате удерживания воды в бассейне до тех пор, пока не образуется достаточный перепад. Таким образом, процесс может быть изменен на обратный, и вода через турбину протекает в противоположном направлении, из бассейна в море. При этом выработка электроэнергии достигает максимума, так как это происходит при движении потока воды в обе стороны.

Однако лопасти, установленные на грушеобразном узле, обычно имеют неизменную ориентацию относительно потока воды. В результате данной конструкции обычно обеспечена приемлемая эффективность при работе ротора в режиме прямой волны, который имеет место при вытекании воды из бассейна в море, но вместе с этим, при работе в режиме обратной волны наблюдается существенное уменьшение эффективности, поскольку угол наклона лопастей в обоих рабочих режимах остается неизменным, или по меньшей мере профиль лопастей оптимизирован с целью приема потока, протекающего в противоположном направлении.

Известные механизмы, устанавливаемые в роторном узле, обычно обеспечивают угол поворота, как правило, ограниченный значениями менее 40° и в любом случае гораздо меньшими 180° (что обусловлено наличием мертвых точек в механизмах регулирования). Полный переворот лопасти соответствовал бы углу поворота, превышающему 180°, например, составляющему примерно 220°.

Попытки разрешения вышеуказанной технической проблемы описаны в патенте США №2951380, который обсуждается далее в данном документе.

Как видно на фиг. 1 и фиг. 2а - фиг. 2f механизм регулирования, в целом, содержит главный серводвигатель 12, включающий поршень 11, который регулирует положение лопасти посредством штока 10. Со штоком 10 соединена поперечина 8. Каждая лопасть включает цапфу 3, поддерживаемую подшипниками, между которыми к цапфе присоединено коромысло 6. Соединительная тяга 7 шарнирно присоединена на одном своем конце к коромыслу 6, а на другом конце к поперечине 8. Данная кривошипно-шатунная передача имеет мертвую точку, и по этой причине механизм регулирования содержит вспомогательный серводвигатель. В частности, механизм регулирования содержит зубчатый сектор 13, прикрепленный к коромыслу 6 и располагаемый на той же стороне, что и указанное коромысло, и симметричный относительно осевой плоскости кривошипа. Более того, дополнительный кривошип 14 прикреплен к зубчатому сектору 15 и поворачивается на пальце 16, установленном во втулке. К концу кривошипа 14 шарнирно прикреплена соединительная тяга 17, приводимая в действие вспомогательным серводвигателем 18. На фиг. 2а - фиг. 2f отчетливо видно, что зубчатые сектора 13 и 15 взаимодействуют исключительно, когда главный серводвигатель 12 передвигает коромысло 6 в его мертвое положение (фиг. 2b - фиг. 2е). Тогда приводится в действие вспомогательный механизм, так что зубчатый сектор 15 сцепляется с сектором 13, проводя коромысло через мертвую точку. Благодаря взаимодействию двух механизмов обеспечивают полное переворачивание лопасти на угол, превышающий 180°.

Тем не менее, описанный механизм имеет технические недостатки. Действительно, для обеспечения дополнительного поворота коромысла 6 и, следовательно, прохода мертвой зоны, вспомогательный механизм выполнен на базе поворотной зубчатой передачи, которая представляет собой зубчатый сектор 15. По указанной причине вспомогательный серводвигатель, содержащий серводвигатель 18, работающий на соединительной тяге 17, должен включать кривошип 14, шарнирно присоединенный к указанной тяге.

Следует понимать, что данное шарнирное соединение в механизме обязательно включает перемещение двух элементов, а именно, соединительной тяги 17 и кривошипа 14, на котором выполнена зацепляющаяся шестерня, что утяжеляет механизм и может вызвать износ по контактной поверхности в соединении тяга-кривошип. Более того, конструкция ступицы должна выдерживать палец 16, действующий в качестве шарнира кривошипа 14, а также палец 23, действующий в качестве шарнира серводвигателя 22, так как оба этих пальца прикреплены к данной ступице.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является устройство, описанное в Европейском документе ЕР 2871356, 13.05.2015. Указанное устройство предназначено для регулирования положения лопасти ротора, установленной на ступице. Указанное устройство содержит коромысло, установленное с возможностью поворота и соединенное с лопастью, первый серводвигатель, соединенный с указанным коромыслом с помощью первого соединительного рычага, и второй серводвигатель, соединенный с указанным коромыслом с помощью второго рычага. Указанный первый серводвигатель расположен позади указанного коромысла и установленной на нем лопасти, а указанный второй серводвигатель расположен спереди указанного коромысла и лопасти, что делает данную конструкцию достаточно громоздкой.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в уменьшении размеров устройства для переворачивания лопасти для более компактного расположения в роторном узле.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения заключается в обеспечении простой и компактной конструкции устройства для переворачивания лопасти. Данная цель достигается благодаря созданию устройства для переворачивания лопасти роторного узла согласно независимому пункту 1 формулы изобретения и роторного узла согласно независимому пункту 9 формулы изобретения.

Предложено устройство для переворачивания лопасти роторного узла, которое содержит кольцеобразное коромысло, прикрепленное к опорной цапфе лопасти и установленное на роторном узле с возможностью поворота; главный серводвигатель, содержащий первый поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала роторного узла и соединенный с кольцеобразным коромыслом с обеспечением первого поворота лопасти, осуществляемого до тех пор, когда указанный поршень достигнет положения мертвой зоны; реверсивный серводвигатель, содержащий второй поршень, расположенный с обеспечением дополнительного поворота указанной лопасти из положения мертвой зоны; и соединительную тягу, первый конец которой соединен с указанным вторым поршнем, а второй конец закреплен на кольцеобразном коромысле с эксцентриситетом.

Заявленное устройство отличается от конструкции ближайшего аналога тем, что в нем указанный второй поршень реверсивного серводвигателя имеет кольцевую форму и расположен соосно с указанным первым поршнем главного серводвигателя, что обеспечивает более компактную конструкцию устройства для переворачивания лопасти, которая будет занимать меньше места при установке в роторном узле.

Реверсивный серводвигатель может быть выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала указанного роторного узла.

На указанном первом конце тяги может быть выполнена проушина, расположенная с возможностью взаимодействия с шарниром, закрепленным на указанном втором поршне, причем конфигурация указанной проушины может обеспечивать перемещение относительно указанного шарнира при перемещении главного серводвигателя.

Указанный шарнир может быть расположен на внутренней стенке указанного второго поршня.

Реверсивный серводвигатель может быть выполнен с масляным приводом.

Кольцеобразное коромысло может содержать палец, расположенный с эксцентриситетом относительно оси поворота указанного коромысла, при этом указанный палец может быть расположен в канавке, выполненной в поршне главного серводвигателя.

Заявленное устройство может содержать гайку, расположенную вокруг указанного пальца внутри указанной канавки.

Главный серводвигатель может быть выполнен с масляным приводом.

Кроме того, предложен роторный узел, содержащий по меньшей мере одну лопасть, установленную на указанном узле с возможностью поворота. Указанный узел содержит вышеуказанное устройство для переворачивания лопасти.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Цели, преимущества и другие признаки данного изобретения станут более понятными после прочтения приведенного ниже неограничивающего описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения, приведенных исключительно с целью пояснения и со ссылкой на прилагаемый чертежи, на которых подобными номерами позиций могут быть обозначены подобные элементы.

На чертежах:

Фиг. 1 изображает механизм регулирования для переворачивания лопасти согласно известному уровню техники;

Фиг. 2а изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, перед началом поворота лопасти;

Фиг. 2b изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, в начале взаимодействия зубчатых секторов друг с другом для обеспечения прохождения коромысла через мертвую зону;

Фиг. 2с изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, когда зубчатые секторы взаимодействуют друг с другом, при этом коромысло начинает проходить через мертвую зону;

Фиг. 2d изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, когда зубчатые секторы взаимодействуют друг с другом, при этом коромысло проходит через мертвую зону;

Фиг. 2е изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, когда зубчатые секторы начинают выходить из взаимодействия друг с другом, при этом коромысло выходит из мертвой зоны;

Фиг. 2f изображает механизм регулирования, представленный на Фиг. 1, после того, как зубчатые секторы вышли из взаимодействия друг с другом, при этом коромысло прошло через мертвую зону, обеспечив поворот лопатки;

Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии роторного узла, включающего лопасти, согласно данному изобретению;

Фиг. 4 изображает продольный разрез роторного узла согласно данному изобретению;

Фиг. 3 изображает продольный разрез роторного узла, при этом поршень главного серводвигателя находится в нижней точке своего хода;

Фиг. 6 изображает продольный разрез роторного узла, при этом поршень главного серводвигателя переместился вверх, обеспечив поворот лопасти к границе мертвой зоны;

Фиг. 7 изображает продольный разрез роторного узла, при этом лопасть находится в мертвой зоне, а поршень реверсивного серводвигателя начал перемещаться вниз;

Фиг. 8 изображает продольный разрез роторного узла, при этом поршень реверсивного серводвигателя переместился вниз, обеспечив поворот лопасти за пределы мертвой зоны;

Фиг. 9 изображает продольный разрез роторного узла, при этом главный серводвигатель переместился вниз, обеспечив завершение поворота лопасти.

Далее примерный предпочтительный вариант выполнения описан со ссылкой на вышеупомянутые чертежи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обратимся к фиг. 3, на которой изображен роторный узел, в целом обозначенный номером 30 позиции. Роторный узел 30 расположен внутри приливной электростанции, которая может быть расположена между морем и чашей бассейна (устройство не показано на чертеже). Узел 30 включает ступицу 33, к которой присоединены лопасти 2. Каждая лопасть 2 содержит аэродинамическую часть 20, установленную на ступице 33, и приводится в движение потоком воды, который может образовываться в режиме прямой волны, направленной от бассейна к морю в направлении, обозначенном стрелкой А, и в режиме обратной волны, проходящей от моря к бассейну в направлении, указанном стрелкой В. Поток воды создает вращательное движение ступицы 33 вокруг оси R, передаваемое валу (не виден на чертеже), который в свою очередь соединен с электрогенератором (не показан на чертеже) для выработки электроэнергии.

Тот же принцип работы может быть применим и к ротору, работающему в так называемом режиме нагнетания, в котором указанный ротор приводится в движение собственным двигателем-генератором, для перемещения текучей среды, например, из нижерасположенного резервуара в вышерасположенный резервуар.

Дальнейшее описание касается устройства для переворачивания лопасти 2 вокруг оси S поворота, расположенной по существу перпендикулярно ступице 33. Следует понимать, что предложенное устройство предусмотрено для каждой лопасти 2 узла 30.

Теперь обратимся к фиг. 4, на которой изображен узел 30 в разрезе по плоскости, которая включает как ось R, так и ось S поворота. Аэродинамическая часть 20 с возможностью поворота соединена со ступицей 33 посредством опорной цапфы 21 лопасти, которая прикреплена к кольцеобразному коромыслу 4, расположенному с возможностью поворота вокруг оси S на узле 30. Коромысло 4 соединено с главным серводвигателем 5, который содержит поршень 51, совершающий возвратно-поступательное движение вдоль вала 31 узла 30. Соединение устроено таким образом, что положение поршня 51 вдоль вала 31 определяет угловое положение лопасти относительно оси S поворота, как будет понятно из приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта выполнения.

Предпочтительно, главный серводвигатель является масляным, а перемещение поршня 51 обеспечивают путем регулирования разности давлений, устанавливаемых внутри камер 513 и 514, с использованием специальной системы для подачи текучей среды под давлением (не показана на чертеже). В частности, поршень перемещается кверху, когда осевое усилие, образуемое под воздействием давления в камере 513, превышает осевое усилие, образуемое под воздействием давления в камере 514, и наоборот.

В данном неограничивающем варианте выполнения коромысло 4 и поршень 51 предпочтительно соединены посредством пальца 42, выполненного как единое целое с коромыслом 4 и расположенного с эксцентриситетом относительно оси S, которая является осью поворота коромысла. Палец 42 входит в канавку, образованную в поршне 51.

Во внутреннем пространстве узла 30 расположено устройство, в целом обозначенное номером 1 позиции, обеспечивающее выполнение частичного поворота лопасти 2 за пределы мертвой зоны. С указанной целью предложенное устройство 1 содержит реверсивный серводвигатель 60, совершающий возвратно-поступательное движение вдоль вала 31 и в свою очередь включающий второй поршень 61, обеспечивающий дополнительный поворот лопасти 2 после того, как главный серводвигатель обеспечит расположение указанной лопасти вблизи мертвой зоны, как будет подробно описано со ссылкой на последующие чертежи.

Второй поршень 61, который изображен в разрезе, предпочтительно имеет кольцевую форму и расположен соосно с первым поршнем 51 главного серводвигателя 5.

Более того, устройство 1 содержит соединительную тягу 7, первый конец 71 которой соединен со вторым поршнем 61, а второй конец 72 закреплен с эксцентриситетом на кольцеобразном коромысле 4.

Режим работы устройства для переворачивания лопасти подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 5 - фиг. 9.

На фиг. 5 изображен продольный разрез узла 30, на котором аэродинамическая часть 20 показана спереди. В данном ракурсе видна ось R, а поворотная ось S перпендикулярна изображенной плоскости сечения.

Соединительная тяга 7 соединяет второй поршень 61 реверсивного серводвигателя и коромысло 4. В конфигурации, изображенной на фиг. 5, после того как ротор 30 остановлен с целью переворачивания лопасти, первый поршень 51 главного серводвигателя расположен в нижней точке своего хода относительно вала 31, тогда как серводвигатель 60 находится в своем верхнем положении.

Затем, как изображено на фиг. 6, первый поршень 51 перемещается кверху, поворачивая лопасть 2, пока данная лопасть не достигнет границы мертвой зоны.

Поворот лопасти 2 против часовой стрелки задает соответствующий поворот коромысла 4, которое в свою очередь закреплено на втором конце соединительной тяги 7, тоже участвующей в поворотном движении. С другой стороны, как хорошо видно на фиг. 6, первый конец 71 соединительной тяги 7 имеет проушину 73, взаимодействующую с шарниром 62, закрепленным на втором поршне 61, в частности, расположенным на его внутренней стенке. Соединение между тягой 7 и вторым поршнем 61 посредством проушины 73 обеспечивает перемещение указанной тяги относительно шарнира 62 в процессе перемещения первого поршня 51.

Далее, в процессе направленного кверху перемещения первого поршня 51 и поворота лопасти 2 против часовой стрелки (а также коромысла 4), выполняемого до достижения мертвой зоны, второй конец 72 тяги 7 следует за поворотом коромысла 4 и тоже задает перемещение относительно шарнира 62, выполненного как единое целое со вторым поршнем 61, на который указанный поворот не оказывает влияния.

Для обеспечения точной синхронизации главного и реверсивного серводвигателей 5 и 60 необходимо выбрать соответствующие размеры проушины, принимая во внимание общую геометрию ротора (включая, например, размеры коромысла 4 и эксцентриситет тяги 7 на коромысле).

Как видно на фиг. 7, при расположении лопасти 2 в мертвой зоне второй поршень 61 начинает перемещение книзу, выполняемое до тех пор, пока шарнир 62 не упрется в нижний конец проушины 73. Таким образом, поршень 61 можно считать «командным», а поршень 51 «исполнительным» поршнем.

Реверсивный серводвигатель и, в частности, второй поршень 61 тоже работает под действием масла и взаимосвязан с контуром подачи масла (не показан на чертеже) для обеспечения возвратно-поступательного перемещения вдоль вала 31 узла 30. В частности, внутри роторного узла выполнено два отдельных контура, один для обслуживания перемещения, направленного кверху, а второй для обслуживания перемещения, направленного книзу.

Как видно на фиг. 8, перемещение поршня 61 приводит в движение тягу 7, перемещая ее книзу и, следовательно, коромысло 4 еще дальше поворачивается против часовой стрелки. Таким образом, дополнительный поворот коромысла 4 обуславливает дополнительный частичный поворот лопасти 2 за пределы мертвой зоны.

Как изображено на фиг. 9, в этот момент главный серводвигатель 5 снова приводится в действие и перемещается книзу, завершая переворачивание лопасти 2. После завершения поворота лопасти узел 30 может быть снова приведен в действие.

Хотя изобретение подробно описано применительно только к ограниченному числу вариантов выполнения, следует понимать, что оно не ограничено этими описанными вариантами. На самом деле, изобретение может быть видоизменено с включением любого числа вариантов, изменений, замен или эквивалентных конструкций, не описанных ранее, но которые соответствуют сущности и объему изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать лишь некоторые из них. Таким образом, следует считать, что изобретение ограничено не приведенным выше описанием, а исключительно объемом прилагаемой формулы изобретения.

Группа изобретений относится к устройству для переворачивания лопасти роторного узла и роторному узлу. Устройство для переворачивания лопасти (2) роторного узла (30) содержит кольцеобразное коромысло (4), прикрепленное к опорной цапфе лопасти (2) и установленное на узле (30) с возможностью поворота, главный серводвигатель, реверсивный серводвигатель, соединительную тягу (7). Главный серводвигатель содержит первый поршень (51), выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала (31) узла (30) и соединенный с коромыслом (4) с обеспечением первого поворота лопасти (2), осуществляемого до тех пор, когда поршень (51) достигнет положения мертвой зоны. Реверсивный серводвигатель содержит второй поршень (61), расположенный с обеспечением дополнительного поворота лопасти (2) из положения мертвой зоны. Первый конец (71) тяги (7) соединен с поршнем (61), а второй конец (72) закреплен на коромысле (4) с эксцентриситетом. Поршень (61) имеет кольцевую форму и расположен соосно с поршнем (51). Группа изобретений направлена на обеспечение простой и компактной конструкции устройства для переворачивания лопасти. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство (1) для переворачивания лопасти (2) роторного узла (30), содержащее:

- кольцеобразное коромысло (4), прикрепленное к опорной цапфе (21) лопасти (2) и установленное на роторном узле (30) с возможностью поворота;

- главный серводвигатель (5), содержащий первый поршень (51), выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала (31) роторного узла (30) и соединенный с кольцеобразным коромыслом (4) с обеспечением первого поворота лопасти (2), осуществляемого до тех пор, когда поршень (51) достигнет положения мертвой зоны;

- реверсивный серводвигатель (60), содержащий второй поршень (61), расположенный с обеспечением дополнительного поворота лопасти (2) из положения мертвой зоны;

- соединительную тягу (7), первый конец (71) которой соединен со вторым поршнем (61), а второй конец (72) закреплен на кольцеобразном коромысле (4) с эксцентриситетом,

отличающееся тем, что указанный второй поршень (61) имеет кольцевую форму и расположен соосно с указанным первым поршнем (51).

2. Устройство (1) по п. 1, в котором реверсивный серводвигатель (60) выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала (31) роторного узла (30).

3. Устройство (1) по любому из предшествующих пунктов, в котором на указанном первом конце (71) тяги (7) выполнена проушина (73), расположенная с возможностью взаимодействия с шарниром (62), закрепленным на указанном втором поршне (61), причем конфигурация проушины (73) обеспечивает перемещение относительно указанного шарнира (62) при перемещении главного серводвигателя (5).

4. Устройство (1) по п. 3, в котором указанный шарнир (62) расположен на внутренней стенке указанного второго поршня (61).

5. Устройство (1) по любому из предшествующих пунктов, в котором реверсивный серводвигатель (60) выполнен с масляным приводом.

6. Устройство (1) по любому из предшествующих пунктов, в котором кольцеобразное коромысло (4) содержит палец (42), расположенный с эксцентриситетом относительно оси поворота кольцеобразного коромысла (4), при этом указанный палец (42) расположен в канавке, выполненной в указанном поршне (51).

7. Устройство (1) по п. 6, содержащее гайку (512), расположенную вокруг указанного пальца (42) внутри указанной канавки.

8. Устройство (1) по любому из предшествующих пунктов, в котором главный серводвигатель (5) выполнен с масляным приводом.

9. Роторный узел (30), содержащий по меньшей мере одну лопасть (2), установленную на указанном узле с возможностью поворота, отличающийся тем, что он содержит устройство (1) для переворачивания указанной лопасти (2), выполненное по любому из предшествующих пунктов.