СУДОВАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2022 года по МПК B63H9/61 F03D5/02 B63H9/67 F03D9/32 

Изобретение относится к области парусного вооружения судов. Наиболее распространенным видом парусов являются «мягкие» паруса, выполненные из ткани или пластмассовой пленки. Присущие им недостатки в некоторой степени устранены в системе «жестких» парусов (крыльев), выполненных из металла, дерева или пластмассы в виде пластин большого удлинения с аэродинамическим профилем поперечного сечения. Одним из преимуществ жестких парусов являются более высокие аэродинамические характеристики, особенно при их использовании в группе (Г.С. Смирнов «Рожденные вихрем», стр. 168, Изд-во «Знание». М., 1982) в виде решетки. А размещение группы на поворотной платформе, установленной на палубе судна, серьезно упрощает управление парусами, вплоть до того, что группой может управлять один человек через соединенный с платформой автоматизированный привод (В. Крутиков «Ветроходы атомного века», Журнал «Знание-сила», стр. 12, апрель, 1982 г). Принцип управления жесткими парусами путем их установки под нужным углом к ветру (угол атаки) остается тем же, что и для мягких парусов. Данное техническое решение можно принять за прототип.

Имея ряд преимуществ перед мягкими парусами, жесткие паруса сохраняют их серьезный недостаток - они вызывают крен судна и его боковой снос, на что расходуется значительная часть отбираемой у атмосферы энергии. Иными словами, использование энергии атмосферы жесткими парусами, как и мягкими, оставляет желать большего.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении степени использования энергии атмосферы жесткими парусами.

Техническим результатом изобретения будет судовая ветроэнергетическая установка (СЭУ), обеспечивающая продольное движение, но не создающая крена и бокового сноса судна и обеспечивающая полезное использование сэкономленной на крене и сносе извлеченной из атмосферы энергии.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в судовой ветроэнергетической установке, содержащей поворотную платформу с жесткими парусами и привод платформы с системой управления, жесткие паруса установлены на лентах продольными осями перпендикулярно плоскостям и хордами - под острыми углами к продольным осям лент, а сами ленты охватывают размещенные на платформе осями вращения горизонтально шкивы, механически соединенные с электрогенераторами.

На рис. 1 показана схема судовой ветроэнергетической установки. СЭУ состоит из группы жестких парусов - 1, установленных на ленте - 2 продольными осями перпендикулярно плоскости ленты, а хордами сечений - под одинаковым углом а к ее продольной оси. Лента замкнута в кольцо и охватывает шкивы - 3, установленные на поворотной платформе - 4 (рис. 4) со свободой вращения вокруг своих горизонтальных осей, при этом на замкнутой в кольцо ленте паруса нижнего ряда кажутся ориентированными хордами к продольной оси ленты под углом -а, если смотреть на ленту сверху, т.к оказываются противоположно направленными парусам верхнего ряда. Со шкивами -3 механически соединены электрогенераторы - 5. На платформе - 4 рядом с лентой - 2 параллельно ей и на одной с ней высоте относительно места установки ленты - 2 размещена лента - 6 с жесткими парусами - 7, установленными на ней продольными осями перпендикулярно ее плоскости, а хордами сечений - под одинаковым углом р к ее продольной оси.

Лента замкнута в кольцо и охватывает шкивы - 8, установленные на поворотной платформе - 4 со свободой вращения вокруг своих горизонтальных осей, при этом на замкнутой в кольцо ленте паруса нижнего ряда кажутся, как и в случае с лентой - 2, ориентированными хордами к продольной оси ленты - 6, если смотреть на ленту сверху, под углом - β, т.к оказываются противоположно направленными парусам верхнего ряда. Со шкивами - 8 механически соединены электрогенераторы - 9. На рис. 2 показан вид спереди на ленту - 6 с парусам и.- 7.

Платформа - 4 установлена на судне - 10 (рис. 4) со свободой вращения вокруг своей вертикальной оси и может быть механически соединена с приводом - 11, подключенным к системе автоматического управления - 12. В более простом случае роль привода платформы может играть традиционная система шкотов и полиспастов, управляемая вручную. В любом варианте задача привода заключается в выставке системы крыльев (жестких парусов) под нужным углом к ветру.

Работа СЭУ состоит в следующем. После выставки системы крыльев в нужное положение относительно ветра, например в показанное на рис. 1, при обдувании крыльев ленты-2 ветровым потоком со скоростью V_в под углом атаки α (-α в нижнем ряду) на каждом крыле, как известно из аэродинамики паруса (см. Ч. Махрай, Теория плавания под парусом, изд-во «Физкультура и спорт», 1963 г., стр. 127), а также из практики плаванья, развивается аэродинамическая сила P₁ (рис. 3), направленная по нормали к профилю паруса, которую можно представить в виде векторной суммы силы Р₁₁ (рис. 3), направленной перпендикулярно продольной оси ленты, и силы Р₁₂, направленной вдоль продольной оси ленты в верхнем ряде ленты На крыльях нижнего ряда ленты развиваются силы Р₂, которые также можно представить в виде векторной суммы сил Р₂₁ и Р₂₂. При правильной установке системы парусов относительно ветра силы Р₁₁ и Р₂₁ направлены вдоль продольной оси судна, а силы P₁₂ и Р₂₂ ей перпендикулярно и противоположно друг другу, одна в сторону правого борта, другая - в сторону левого борта.

Одновременно стекающий с крыльев ленты - 2 воздух обтекает крылья - 7 ленты - 6 под углом атаки β (-β в нижнем ряде), и на них развиваются аэродинамические силы Р₃ на крыльях верхнего ряда и Р₄ на крыльях нижнего ряда, которые также можно представить (рис. 3) как векторные суммы (Р_31, Р₃₂) и (Р₄₁, Р₄₂). В соответствии с обычной практикой проектирования парусного вооружения углы атаки аир выбираются и конструкционно фиксируются при сборке установки на основании результатов экспериментальной продувки крыльев и из условия получения максимальных и одинаковых по модулю возникающих на крыльях аэродинамических сил при противоположно направленных движениях лент- 2 и 6.

Силы P₁₁, Р₂₁, Р₃₁, Р₄₁ создают тягу судна, а силы Р₁₂, Р₂₂, Р₃₂, Р₄₂ на поведение судна не влияют, т.к. одинаковы по модулю, но за счет соответствующего выбора угла атаки β попарно (Р_31, Р₃₂), (Р₂₂, Р₄₂) противоположны по направлению, следовательно сумма этих сил относительно судна (P₁₂+P₂₂+P₃₂+P₄₂)=0. Также попарно противоположны по направлению и по модулю создаваемые ими моменты крена: (P₁₂-P₃₂)l₁=0, (Р₂₂-Р₄₂)l₂=0, где l₁, l₂ - расстояние от нижней точки днища судна до точки приложения соответствующей силы.

В отличие от обычного парусного вооружения, где боковые силы взаимно не уравновешены и вызывают крен и боковой снос судна, эти силы в предлагаемой СЭУ вызывают только линейное движение ленты - 2 и ленты - 6. Ленты движутся встречно: лента - 2 со скоростью верхнего ряда V_л„ и скоростью нижнего ряда - V_л, лента - 6 со скоростью верхнего ряда - V_л и скоростью нижнего ряда V_л. Ленты - 2 и 6 вращают шкивы -3 и 8, а через них - электрогенераторы - 5, 9. Электроэнергия, вырабатываемая генераторами, может быть накоплена в электроаккумуляторах и использована по различным назначениям, например, для питания привода - 11 и системы управления -12.

Таким образом, в предлагаемой СЭУ отбираемая у атмосферы энергия используется в более высокой степени и с большей пользой, чем в устройстве-прототипе. Кроме того ликвидируются крен и боковой снос, что повышает безопасность плавания и скорость судна.

Судовая ветроэнергетическая установка предназначена для обеспечения движения судна под жесткими парусами. Состоит из нескольких групп жестких парусов, установленных на параллельных лентах, охватывающих шкивы с горизонтальными осями вращении. Шкивы соединены с электрогенераторами. Шкивы и ленты размещены на поворотной платформе, установленной на палубе судна, соединенной с приводом и системой управления. При обдувании парусов ветром на них развиваются аэродинамические силы, передающиеся на корпус судна. Составляющие этих сил направлены вдоль продольной оси судна, обеспечивают его продольное движение, боковые составляющие относительно судна взаимно уравновешиваются и в то же время приводят в движение ленты, которые вращают шкивы и соединенные с ними электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Техническим результатом благодаря взаимному уравновешиванию боковых сил является устранение крена и бокового сноса судна. 4 ил.

Судовая ветроэнергетическая установка, содержащая поворотную платформу с жесткими парусами и привод платформы с системой управления, отличающаяся тем, что жесткие паруса установлены на параллельных лентах продольными осями перпендикулярно их плоскостям и хордами - под острыми углами к их продольным осям, а сами ленты охватывают размещенные на платформе шкивы, механически соединенные с электрогенераторами.