СУДОВОЙ ГИБРИДНЫЙ РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИЖИТЕЛЬ С ПОВОРОТНЫМИ ДУГООБРАЗНЫМИ ЛОПАСТЯМИ Российский патент 2021 года по МПК B63H9/02 B63H1/00 

Предлагаемое изобретение судового гибридного роторного ветродвижителя с поворотными дугообразными лопастями относиться к конструкции устройства вспомогательного судового парусного вооружения.

Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного и безопасного судового ветродвижителя для увеличения скорости хода судна, экономии топлива и уменьшения объема выхлопных газов судовыми двигателями, а также для улучшения экологии морей и океанов.

Для этого предполагается обеспечить следующие исходные требования:

- использование энергии ветра для снижения расхода топлива при плавании судов;

- отсутствие энергопотребления от судовой сети для вращения ротора ветродвижителя;

- уменьшение вредных выбросов при работе судовых двигателей;

- полная безопасность использования ветродвижителей на судах;

- минимальный уровень обслуживания экипажем ветродвижительного комплекса;

- полная автоматизация всех процессов управления ветродвижительным комплексом;

- использование широкого диапазона ветровых нагрузок при движении судна;

- высокая надежность и дублирование всех важных систем управления ветродвижителем;

- энергоэффективность и экономичность использования ветродвижительного комплекса;

- выполнение классификационных требований и норм техники безопасности.

Для решения поставленной задачи и осуществления всех, выше перечисленных, требований автором предложена новая конструкция основных элементов роторного ветродвижителя на основе известных роторов Флеттнера и роторов Савониуса. Техническая новизна предлагаемого судового гибридного роторного ветродвижителя заключается в том, что в отличие от сплошной гладкой цилиндрической поверхности ротора Флеттнера в предлагаемом варианте ротор представляет собой открытую с торцов многоярусную конструкцию из стандартных дугообразных поворотных лопастей. А цилиндрическая поверхность ротора образована многочисленными поворотными лопастями дугообразного профиля с регулируемыми щелевыми зазорами между ними. При этом предлагаемому новому типа ротора не требуется, как для ротора Флеттнера, внешний судовой источник энергии и привод для его вращения. В предлагаемом варианте необходимый крутящий момент для вращения возникает, как на роторе Савониуса, за счет обтекания лопастей и ускорения воздушного потока в щелевидных соплах между ними. На ходу судна при достижении номинальных оборотов вращения ротора избыток крутящего момента может быть генерирован и направлен в судовую электросеть, а при стоянке судна на якоре или в дрейфе может работать даже в режиме электрогенератора. Существенное отличие нового типа ротора заключается также в том, что для того же направления тяги, как у ротора Флеттнера, он будет иметь противоположное вращение. Постоянное направление тяги по курсу судна при смене направления ветра на противоположный борт обеспечивается небольшим поворотом всех лопастей, остановкой ротора и изменением направления его вращения. При кратковременном усилении ветра ветровую нагрузку с ротора можно плавно уменьшить поворотом лопастей и изменением щелевых зазоров между ними, а при значительном усилении ветра за счет полного перекрытия щелевых зазоров между лопастями верхнего яруса ротора. При этом верхняя часть ветродвижителя будет создавать усилие в режиме вращающего ротора Флеттнера с восстанавливающим моментом, направленным в противоположную сторону от кренящего момента всех нижних ярусов ветродвижителя. Во время шторма многократно уменьшить ветровую нагрузку от ветродвижителя можно путем остановки вращения ротора тормозным устройством и поворотом всех лопастей вдоль ветрового потока.

Конструктивно новый тип роторного ветродвижителя может иметь форму удлиненного цилиндра с прямоугольными лопастями либо усеченного конуса с трапецеидальными лопастями. Ветродвижители цилиндрической формы могут использоваться, преимущественно, на крупных транспортных морских судах, круизных судах, паромах, научно исследовательских и других судах, а конусной формы в основном на средних и малых судах. Принципиальная конструкция гибридного роторного многоярусного ветродвижителя конусного типа по конструкции аналогична ветродвижителю цилиндрического типа. Основное отличие - это форма и размеры деталей, образующие форму ротора в виде усеченного конуса. Главное достоинство ветродвижителей конусного типа - это возможность создания более широкого типоразмерного ряда, что важно для большого разнообразия судов малых размерений.

Возможный вариант расположения многоярусных ветродвижителей цилиндрического типа на верхней палубе судна для перевозки навалочных грузов показан на фигуре 1.

Принципиальная конструкция гибридного роторного многоярусного ветродвижителя с поворотными дугообразными лопастями наглядно изображена на продольном сечении фигуры 2. Основными элементами предлагаемого ветродвижителя является вращающаяся конусовидная вертикальная трубчатая мачта (6) из алюминиевого сплава, связанная фланцевым соединением (10) с трубчатым стальным баллером (11), который расположен в закрытой палубной тамбучине (16) с высокой опорной колонной (12). Баллер вращается в нижнем радиально-упорном (17) и верхнем радиальном подшипниках (20). В нижней части баллера имеется зубчатая пара (14) для передачи крутящего момента через реверс-редуктор (19) на электрогенератор (13). Внутри вращающейся мачты и баллера проходит стационарная навигационная мачта (4), механически закрепленная на палубе судна, с проходящими в ней кабелями сигнальных огней и навигационных приборов. На наружной поверхности вращающей мачты расположены несколько ярусов обтекаемых алюминиевых краспиц (7), соединенных с плоскими кольцевыми реями (2), изготовленных из легких композитных панелей. Между реями установлены с помощью осей (3) и подшипниковых втулок (5) одинаковые по размеру поворотные лопасти (8) из легких высокопрочных композитных материалов. Все оси нижних ярусов поворотных лопастей кроме верхнего яруса скреплены между собой. Под нижней концевой реей по оси вертикальной сцепки всех нижних лопастей установлены электрические приводы (9), обеспечивающие их поворот и установку в нужное положение по заданной программе автоматического управления. Над верхней реей установлены электрические приводы (1), осуществляющие поворот и установку в нужное положение лопастей только верхнего яруса. Ко всем приводам лопастей подведены индивидуальные управляющие электрические кабели через закрытый вращающийся контактный коллектор (15) на нижнем торце баллера. Для фиксации вращения ротора под зубчатой парой баллера установлено дисковое тормозное устройство (18). К важным узлам топа мачты ветродвижителя, требующим контроля и профилактического обслуживания, обеспечен безопасный подъем с помощью механизированного фалового устройства. Вращающая мачта ротора и стационарная навигационная мачта имеют сборную конструкцию для возможности транспортировки в стандартных контейнерах. По мере снижения стоимости и повышения надежности гибких солнечных панелей (21) представляется перспективным их установка на наружной гладкой цилиндрической поверхности лопастей предлагаемого нового типа ветродвижителей, как дополнительного источника электроэнергии в светлое время суток.

Функциональные преобразования ветродвижителя за счет поворота дугообразных лопастей показаны на фигурах 3,4,5 и 6. Расположение лопастей ротора ветродвижителя при ходе судна правым галсом к вымпельному ветру показано на фигуре 3, левым галсом на фигуре 4, а при максимальном сбросе ветровой нагрузки на фигуре 5. Установка лопастей с образованием гладкой цилиндрической поверхности показано на фигуре 6. На представленных изображениях фигур 1-6 видна общая идея предлагаемого гибридного роторного многоярусного ветродвижителя цилиндрической формы с поворотными дугообразными лопастями, его особенность и техническая новизна, но без подробной детализации всех узлов конструкции.

Предложенная конструкция судовых гибридных роторных ветродвижителей обеспечивает выполнение всех исходных требований, а анализ возможности их использования на судах дает дополнительно следующие очевидные технические и эксплуатационные преимущества:

- простоту установки без изменений конструкции корпуса судна;

- простоту конструкции и технологии изготовления дугообразных лопастей;

- быстрое автоматическое управление всеми режимами и сброс ветровой нагрузки;

- улучшает управляемость судна на ходу;

- уменьшает амплитуду бортовой качки судна;

- возможность оборудования судов ветродвижителями максимальных размеров;

- аварийный ход судна при неработающем двигателе;

- может осуществлять поворот судна в режиме подруливающего устройства;

- работу в режиме ветрогенератора при стоянке на якоре или при дрейфе судна;

- защищает в закрытом палубном помещении все вращающие агрегаты и электрооборудование;

- защищает высоко расположенные легкие конструкции ветродвижителя в штормовых условиях;

- создает минимальный уровень шума при вращении ротора;

- установку на топе мачты ходовых огней и навигационных приборов;

- установку прожекторов освещения палуб на верхних частях колон тамбучин;

- установку гибких солнечных панелей на наружной поверхности лопастей;

- доступ к важным узлам ветродвижителя на топе мачты;

- ремонтопригодность и возможность замены отдельных элементов;

- создает весь размерный ряд ветродвижителей типовыми деталями и узлами;

- способствует выполнению жестких требований по вредным судовым выбросам в атмосферу;

- возможность контейнерной доставки ветродвижителей в разобранном виде к месту сборки;

- высокий экспортный потенциал из-за отсутствия зарубежных аналогов;

- возможность использования предлагаемых высокоэффективных гибридных роторных ветродвижителей для различных типов судов.

Учитывая новизну ветродвижителя, предлагается дать ему наименование - судовой гибридный роторный ветродвижитель с поворотными дугообразными лопастями.

Предполагается, что после разработки технической документации, изготовления опытных образцов ветродвижителей, систем управления и программного обеспечения, а также проведения необходимых испытаний и отработки технологического процесса их производства, будут сформулированы и поданы заявки на оформление международных патентов.

Предложенная конструкция судового гибридного роторного ветродвижителя с поворотными дугообразными лопастями отличается высокой энергоэффективностью и может стать основой для создания современного производства новых видов судового оборудования, систем управления и передовых технологий, что обеспечит монопольный вывод на мировой рынок уникальной высоко конкурентной продукции, защищенной международными патентами.

Изобретение относится к конструкции устройства вспомогательного судового парусного вооружения, а именно к судовым гибридным роторным ветродвижителям с поворотными дугообразными лопастями. Судовой гибридный роторный ветродвижитель с поворотными дугообразными лопастями представляет из себя конструкцию устройства вспомогательного парусного вооружения, которая состоит из цилиндрического или конического многоярусного ротора с открытыми торцами, установленного на вертикальной или наклонной мачте, соединенной по одной оси с баллером. Баллер вращается в подшипниках палубной тамбучины и опорной колонны, внутри которой находится стационарная навигационная мачта. Цилиндрическая поверхность ротора образована стандартными по размеру поворотными лопастями дугообразного профиля с регулируемыми щелевыми зазорами между ними, установленными с помощью осей и подшипниковых втулок между кольцевыми реями и краспицами. Достигается высокая энергоэффективность. 6 ил.

Судовой гибридный роторный ветродвижитель с поворотными дугообразными лопастями представляет из себя конструкцию устройства вспомогательного парусного вооружения, состоящую из цилиндрического или конического многоярусного ротора с открытыми торцами, установленного на вертикальной или наклонной мачте, соединенной по одной оси с баллером, который вращается в подшипниках палубной тамбучины и опорной колонны, внутри которой находится стационарная навигационная мачта, при этом цилиндрическая поверхность ротора образована стандартными по размеру поворотными лопастями дугообразного профиля с регулируемыми щелевыми зазорами между ними, установленными с помощью осей и подшипниковых втулок между кольцевыми реями и краспицами, отличающийся тем, что для вращения ротора не требуется внешний судовой источник энергии и привод для его вращения, а необходимый крутящий момент возникает за счет обтекания лопастей и ускорения воздушного потока в щелевидных соплах между ними, а на ходу судна при достижении номинальных оборотов вращения ротора избыток крутящего момента на баллере может быть генерирован через зубчатую пару, реверс-редуктор и генератор и направлен в судовую электросеть, при этом постоянное направление тяги по курсу судна при смене направления ветра на противоположный борт обеспечивается поворотом всех лопастей, остановкой ротора и изменением направления его вращения, а при кратковременном усилении ветра кренящий момент боковых сил вращающего ротора можно уменьшить поворотом лопастей и изменением размера щелевых зазоров между ними, а при значительном усилении ветра за счет полного перекрытия щелевых зазоров между лопастями верхнего яруса ротора, при этом верхняя часть ветродвижителя будет создавать усилие с восстанавливающим моментом, направленным в противоположную сторону от кренящего момента нижних ярусов ветродвижителя, а во время шторма многократно уменьшить ветровую нагрузку от ветродвижителя можно путем остановки вращения ротора тормозным устройством и поворотом всех лопастей вдоль ветрового потока с помощью электроприводов поворота вертикальных осей лопастей, установленных под нижней реей и над верхней реей, а для возможности транспортировки в стандартных контейнерах вращающая мачта ротора и стационарная навигационная мачта имеют сборную конструкцию, кроме того, для увеличения энергоэффективности ветродвижителя в светлое время суток на наружные поверхности лопастей можно установить гибкие солнечные панели.