ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕССТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ И ПНЕВМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛЯТОРАМИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК B62M9/04 F03D15/00 F16H47/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к системе, использующей бесступенчато-регулируемую трансмиссию с пневматическим усилением для управления частотой вращения на микроуровне и оптимизации выработки электроэнергии турбиной (ветряной или водяной) путем оценки электрических характеристик переменного тока и нагрузки/линии после осуществления выработки энергии всей силовой установкой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бесступенчато-регулируемые передачи (Continuous Variable Transmission, CVT) известны и используются в велосипедах, автомобилях, лебедках, подъемниках, для передачи мощности и т.п.Существует множество вариантов конструкции, которые были разработаны для этих устройств, в число типичных представителей которых входят шкивы с переменным диаметром с ремнями, тороидальные или роликовые, фрикционные, гидростатические, храповые, магнитные и т.д.

В число примеров патентов США, которые относятся к CVT, входят патенты под номерами 4565110, 4970862, 4945482, 4922717, 5072587, 4916900, 4914914, 4850192 и 4838024, каждый из которых полностью включен в настоящий документ путем ссылки. В известном уровне техники описывают бесступенчато-регулируемую передачу частоты вращения посредством насосов, поршней, шестерней, ремней, шкивов, муфт или клапанов для регулирования на макроуровне скорости вторичного вала для транспортных средств.

Другой пример CVT можно найти в патенте США №7679207, также включенном в настоящий документ. В этом патенте в общем виде описана система, которая содержит ветроэнергетическую установку, CVT, генератор и управление CVT. Ветряная установка описана очень подробно, в то время как CVT и тахометр определены в общих чертах. Методы управления бесступенчато-регулируемой передачей частоты вращения вала осуществляют на основе шага и отклонения лопаток турбин и посредством внедрения контроллера. Другими словами, контроллер компенсирует частоту вращения на выходе CVT путем регулирования частоты вращения привода турбины посредством физических характеристик самой турбины. Ветряная турбина любой конфигурации имеет приводной вал и это устройство можно рассматривать как двигатель. Вообще, бесступенчато-регулируемая передача (CVT) обеспечивает способ регулируемой передачи частоты вращения между двигателем и генератором, при этом генератор вырабатывает электричество в результате работы ветряной турбины или двигателя.

Однако существует потребность в усовершенствованиях CVT, учитывая их сложные с механической точки зрения и дорогостоящие конструкции, и ограниченные режимы управления. Для удовлетворения этой потребности в настоящем изобретении предложена усовершенствованная CVT.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении предложена пневмоусиленная гидравлическая CVT, которая не требует насосов, шестерней, ремней, шкивов, муфт или клапанов для изменения давления гидравлической жидкости для работы. Одна часть управления работой осуществляется с помощью программируемого логического контроллера или аналогичного устройства или средства, которое контролирует вывод с выхода инвертора на электрическую нагрузку/линию, а затем управляет системой, в том числе как гидравлическими, так и пневматическими аспектами, для управления переменной скоростью CVT для создания источника электроэнергии с реактивным балансом и минимизации нестабильности нагрузки.

В настоящем изобретении также предложен накопитель пневматической энергии для приведения в действие генератора при отсоединении от ветряной турбины для выработки электричества в условиях очень слабого или очень сильного ветра.

В число признаков настоящего изобретения входят:

устройство с гидравлической бесступенчато-регулируемой передачей (CVT) для регулировок частоты вращения на макроуровне;

пневматическая система для регулировок частоты вращения CVT на микроуровне;

способ накопления пневматической энергии для прямого привода генератора турбины;

способ пневматического управления для тормозного генератора, и

система управления, которая измеряет электрическую характеристику переменного тока на выходе энергетической системы в нагрузку/линию, причем система управления может активировать ряд управляющих клапанов для регулировки частоты вращения CVT на микроуровне.

Точнее говоря, настоящее изобретение включает как гидравлическую систему бесступенчатого регулирования скорости, так и способ ее использования. Система имеет выходной вал турбины и входной вал генератора. Система содержит гидравлическую систему, имеющую первую гидравлическую камеру, связанную с выходным валом турбины, и вторую гидравлическую камеру, связанную с входным валом электрогенератора. Первая и вторая гидравлические камеры гидравлически сообщаются друг с другом, причем первая и вторая гидравлические камеры предназначены для регулировки частоты вращения входного вала электрогенератора на макроуровне.

Система также имеет пневматическую систему, имеющую первую и вторую пневматические камеры. Первая пневматическая камера связана с выходным валом турбины для создания сжатого воздуха и сохранения его по меньшей мере в одном накопительном баке. Вторая пневматическая камера связана с входным валом электрогенератора и по меньшей мере одним накопительным баком для одного или более из микрорегулировки частоты вращения входного вала электрогенератора, торможения входного вала электрогенератора и прямого привода входного вала электрогенератора.

Система также содержит контроллер, причем контроллер контролирует выход электрогенератора, соединенного с входным валом электрогенератора, сравнивает выход на нагрузку/в линию электрораспределительной сети и регулирует частоту вращения вала электрогенератора на основе измерений нагрузки/линии электрораспределительной сети с использованием одного или более из гидравлической системы и пневматической системы для управления мощностью, подаваемой в электрораспределительную сеть.

Гидравлическая система может содержать ряд лопастных колес с гидравлическим приводом, при этом по меньшей мере одно лопастное колесо, связанно с первой гидравлической камерой и множество лопастных колес связаны со второй гидравлической камерой. Каждое лопастное колесо имеет выходной и выходной клапан, причем работой входного и выходного клапанов управляет контроллер.

Лопастные колеса во второй гидравлической камере имеют разный размер предпочтительно в диапазоне размеров от самого маленького до самого большого по направлению к электрогенератору, чтобы увеличивать или уменьшать частоту вращения входного вала электрогенератора. Гидравлическая система также содержит резервуар, гидравлически сообщающийся с первой и второй гидравлическими камерами.

Пневматическая система содержит по меньшей мере одно лопастное колесо, связанное с первой пневматической камерой, и по меньшей мере одно лопастное колесо, связанное со второй пневматической камерой.

Изобретение также включает в себя способ управления выходом турбины, включающий обеспечение вышеописанной гидравлической системы бесступенчатого регулирования частоты вращения между турбиной и электрогенератором и управление частотой вращения входного вала электрогенератора, гидравлической системой и пневматической системой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 изображен один вариант осуществления турбинной системы для генерирования электроэнергии посредством устройства управления энергией, который включает в себя CVT.

На Фиг. 2 приведено более подробное изображение CVT, показанной на Фиг. 1, включающее признаки, относящиеся к гидравлическому макроуправлению частотой вращения, пневматическому микрорегулированию частоты вращения и операциями резервирования CVT.

На Фиг. 3 показан пример конфигурации лопастного колеса пневматического и гидравлического модулей для CVT, изображенной на Фиг. 1 и 2.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 показан вариант осуществления системы 700, которая содержит турбину или ветряной двигатель 500, встроенную пневмоусиленную гидравлическую CVT 503 и генератор 505. CVT 503 расположена между двигателем 500 и генератором 505. CVT имеет переходники вала 101А и 101В для соединения с двигателем 500 и генератором 505, соответственно. Может быть добавлен тахометр 501 для работы пневматического предохранительного тормоза, если требуется.

CVT имеет ряд гидравлических клапанов 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 и 257. Эти клапаны обеспечивают выбора первичных гидравлических камер для управления частотой вращения. Также предусмотрены пневматические управляющие клапаны 306, 311, 314 и 319, и эти клапаны обеспечивают вспомогательную поддержку управлению частотой вращения CVT 503.

Предусмотрен гидравлический резервуар 290 с клапаном 291. Гидравлический резервуар 290 обеспечивает гидравлическую жидкость для работы. В состав системы также входят множество пневматических накопительных баков, из которых приведены два 308 и 338, но могут быть предусмотрены дополнительные накопительные баки, если существует потребность в большем объеме хранения. Пневматические накопительные баки 308 и 338 предназначены для операций с воздухом использованием множества отдельных управляющих клапанов, два из которых показаны как 329, 339, для вспомогательной поддержки CVT 503 и накопления пневматической энергии для непрерывного производства электроэнергии.

В целях безопасности на каждом пневматическом накопительном баке 308 и 338 предусмотрены предохранительные сбросные клапаны 330 и 340, соответственно.

Предусмотрен системный контроллер 502, который расположен после преобразователя/инвертора 508. Контроллер 502 контролирует выходные электрические характеристики системы 700 генерирования энергии по сравнению с нагрузкой или электрической распределительной сетью 510 для постоянного регулирования работы системы 700 генерирования энергии.

На Фиг. 2 подробно показана встроенная пневмоусиленная гидравлическая CVT 503. Переходник 101А вала присоединен к двигателю 500 и обеспечивает приводной вал 102 через верхнюю пневматическую камеру 350 и верхнюю гидравлическую камеру 200.

Над пневматической камерой 350 предусмотрена коническая шестерня 301, которая прикреплена к приводному валу 102 для выборочной работы встроенного воздушного компрессора 303, находящегося в пневматической камере 350. Компрессор 303 работает, когда сопрягаемые коническая шестерня 302, которая соединена с валом 304, и коническая шестерня 301 вводятся в зацепление пневматическим исполнительным механизмом 321, который управляется клапаном 322. Пневматическую энергию подают в накопительный бак 308 через управляющий клапан 306 и отверстие 307. Эта пневматическая энергия может быть также использована для отключения исполнительного механизма 321 и разъединения шестерней 301 и 302. Приток и выпуск подаваемого воздуха происходит через отверстие 323 в пневматической камере.

CVT 503 также содержит гидравлические камеры 200 и 201, причем камера 200 является основным источником для подачи текучей среды. Через гидравлические камеры 200 и 201 проходит система гидравлических линий 204, 205, 214, 215, 224, 225, 234, 235, 244, 245, 254 и 255, тогда как каждая из внешних гидравлических линий 206, 207 соединяет между собой ряд управляющих клапанов 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 и 257. На линии 207 предусмотрен выпускной клапан 260 для выпуска воздуха. Для линии 206 предусмотрен резервуарный клапан 291, и этот клапан обеспечивает возможность перепуска гидравлической жидкости для гидравлического отключения двигателя 500 от генератора 505.

Гидравлическая камера 200 имеет основное гидравлическое лопастное колесо 202, которое находится во внутренней камере 203. Лопастное колесо 202 продвигает гидравлическую жидкость со скоростью, основанной на частоте вращения турбины, к выбранным вспомогательным гидравлическим приводам 212, 222, 232, 242 или 252, которые находятся во вспомогательной гидравлической камере 201. Гидравлическую жидкость направляют к одному или более вспомогательным гидравлическим приводам в зависимости от выбора пары управляющих клапанов 216/217, 226/227, 236/237, 246/247 или 256/257. Вспомогательные гидравлические приводы также представляют собой лопастные колеса 212, 222, 232, 242 и 252, причем эти лопастные колеса находятся во внутренних камерах 213, 223, 233, 243 и 253, соответственно. Размер лопастных колес 212, 222, 232, 242 и 252 пропорционален увеличению или уменьшению частоты вращения турбины, требуемой для макроопераций генератора 505 в широком диапазоне.

Между генератором и вспомогательной гидравлической камерой 201 предусмотрена и расположена вспомогательная пневматическая камера 351. Вспомогательная пневматическая камера 351 обеспечивает возможность оптимизации частоты вращения генератора 505 для сведения к минимуму дисбалансов нагрузки или линии 510. Для увеличения частот вращения генератора 505 подают сжатый воздух из накопительного бака 308 через отверстие 310, тогда как для уменьшения частот вращения генератора 505 используют отверстие 314. Для управления этими макрооперациями управления частотой вращения предусмотрены и используются управляющие клапаны 311, 314 и 319. Вспомогательная пневматическая камера 351 содержит лопастное колесо 317, которое находится во вспомогательной камере 318 вспомогательной пневматической камеры 351. Лопастное колесо 317 обеспечивает средство для регулировки частоты вращения генератора 505 небольшими приращениями, так что регулирование мощности, подаваемой на нагрузку/в линию 510, происходит почти мгновенно. Это позволяет управлять стабильностью и качеством мощности, подаваемой на нагрузку/в линию 510.

Встроенная пневмоусиленная повышающая гидравлическая CVT 503 может быть также использована для работы генератора 505 в условиях отсутствия или минимального вращения двигателя/турбины 500. С помощью серии накопительных баков 338 и т.д., сопряженных с основным накопительным баком 308, осуществляют управление управляющими клапанами 311, 314, 319, 320 и 329, которые подают сжатый воздух на лопастное колесо 317, и управляющими клапанами 260 и 291, которые могут перекрывать подачу гидравлики в гидравлические камеры 200 и 201, чтобы вращать внутренний вал 103, который, в свою очередь, вращает вал генератора 505 посредством муфты 101В сопряжения для производства электроэнергии при управляемой мощности, соответствующей нагрузке/линии 510.

На Фиг. 3 приведены подробности лопастного колеса для использования в CVT 503. Как описано выше, камера 200 имеет лопастное колесо 202, а камера 201 имеет лопастные колеса 212, 222, 232, 242 и 252, причем каждое лопастное колесо расположено в своей соответствующей внутренней камере 203, 213, 223, 233, 243 и 253. Например, лопастное колесо 202 содержит ряд лопастей 209, которые находятся под углом X градусов при осевом вращении вокруг колеса 203. Вокруг внутренней камеры 203 под углом Y градусов при вращении вокруг оси находятся уплотнения 210, создающие четыре изолированные области во время вращения лопастного колеса 202. Одна из изолированных областей показана как «А», причем две лопасти 209' и 209'' сталкиваются с уплотнениями 210' и 210''. Периоды между протирками обеспечивают возможность самосмазки лопастного колеса 202.

Впускная труба 204 позволяет гидравлической жидкости поступать в камеру по мере необходимости в зависимости от выпуска жидкости из лопастного колеса 202 через трубку 205 по мере вращения вала 102. Жидкость из трубки 205 поступает в трубку 206 и протекает через выбранный управляющий клапан 217, 227, 237, 247 или 257 к соответствующему лопастному колесу 212, 222, 232, 242 и 252, причем выпущенная жидкость из внутренней камеры 213, 223, 233, 243 и 253 высвобождается через выпускные отверстия 214, 224, 234, 244 и 254 в трубку 207 через выбранный взаимодействующий управляющий клапан 216, 226, 236, 246 и 256. Трубка 207 возвращает жидкость в основную подающую трубку 204 камеры 203 лопастного колеса и лопастного колеса 202 для завершения гидравлического цикла макроуправления частотой вращения в CVT 503. Как правило, для этого макроуровня предусмотрены коэффициенты увеличения и уменьшения частоты вращения в 2 и 3 раза по сравнению с частотами вращения турбины.

Пневматический аспект CVT 503 позволяет устанавливать частоты вращения на микроуровне между соотношением частот вращения на макроуровне. Точнее говоря, когда коническая шестерня 301, прикрепленная к приводному валу 102, вводится в зацепление с конической шестерней 302 посредством поршня 304, воздушный компрессор 303 спирального или винтового типа приводится в действие при наличии скоростей ветра. Это позволяет атмосферному воздуху поступать во впускную трубку 323 в сжатом состоянии и выходить через управляющий клапан 306 в накопительный бак 308 через отверстие 307. После этого сжатый воздух может быть подан из накопительного бака 308 через отверстия 310 и 311. Управляющие клапаны 311 и 314 повторно активируются либо для уменьшения, либо для резкого увеличения частоты вращения вала 103 посредством лопастного колеса 317. Чтобы гидравлическая система могла выполнять эти микрорегулировки, выпускной клапан 260 и резервуарный клапан 291 мгновенно открываются для обеспечения компенсации давления. При увеличении частоты вращения вала генератора 505 давление воздуха сбрасывается через выпускной клапан 319. Уменьшение частоты вращения вала 103 происходит, когда управляющий клапан 314 приводится в действие, и выпускной клапан 319 закрывается импульсными циклами, так что сжатый воздух в линии 315 направляется обратно к лопастному колесу 317. Синхронизация этих импульсных циклов для управления частотой вращения на микроуровне формируется контроллером 502 для согласования формы электрического сигнала переменного тока нагрузки/линии 510, чтобы обеспечить максимальное увеличение коэффициентов мощности.

Две пневматические камеры 350 и 351 позволяют тормозить генератор до полной остановки путем полного открытия управляющего клапана/выпускного клапана 260 и резервуарного клапана 291 с закрытием при этом всех гидравлических управляющих клапанов 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 и 257. После этого жидкость просто циклически проходит из лопастного колеса 202 через резервуар 290, при этом пневматический управляющий клапан 314 открывается, а 319 закрывается, создавая противодавление для остановки вращения вала 103.

Множество пневматических накопительных баков 308, 338,... могут также подавать накопленную пневматическую энергию для вращения вала 103 и приведения в действие генератора 505, когда нет ветра для приведения в действие турбины 500. В этом режиме управляющий клапан/выпускной клапан 260 и резервуарный клапан 291 полностью открыты, а все гидравлические управляющие клапаны 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 и 257 закрыты. В этом рабочем состоянии гидравлическая система находится в нейтральном состоянии. Затем управляющие клапаны 311 и 319 могут быть открыты, и это позволяет пневматической энергии управлять лопастным колесом 317, что приводит к вращению вала 103 с надлежащей частотой вращения для управления генератором 505, чтобы согласовать с формой электрического сигнала переменного тока нагрузки/сети 510.

Система и способ настоящего изобретения обеспечивают гораздо усовершенствованный способ отбора вращения вала двигателя, например, ветряной турбины, и передачи этого вращения генератору с управлением частотой вращения как на макроуровне, так и на микроуровне. Настоящее изобретение также обеспечивает возможность либо отсоединения двигателя от генератора, либо работы генератора, когда двигатель не вращается или вращается на незначительном уровне.

Изобретение, как таковое, было описано в виде предпочтительных вариантов его осуществления, которые удовлетворяют всем без исключения целям настоящего изобретения, как указано выше, и обеспечивают новую и улучшенную систему для выработки энергии с использованием двигателя, CVT и генератора и способ ее использования.

Разумеется, специалисты в данной области техники могут предположить различные изменения, модификации и альтернативные варианты осуществления идей настоящего изобретения в пределах его заявленной сущности и объема. Предполагается, что данное изобретение ограничено лишь условиями приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Система бесступенчатого регулирования частоты вращения имеет выходной вал турбины и входной вал электрогенератора и содержит гидравлическую систему, пневматическую систему, контроллер для контроля выхода электрогенератора. Гидравлическая система имеет гидравлические камеры, связанные с турбиной и электрогенератором. Гидравлические камеры сообщаются друг с другом. Пневматическая система имеет пневматические камеры, связанные с турбиной и электрогенератором и накопительным баком. Контроллер для контроля выхода электрогенератора соединен с входным валом электрогенератора. Способ управления выходом двигателя включает обеспечение упомянутой гидравлической системы бесступенчатого регулирования частоты вращения между двигателем и электрогенератором и управление частотой вращения входного вала электрогенератора с использованием контроллера, гидравлической системы и пневматической системы. Достигается улучшение управления частотой вращения вала трансмиссии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система бесступенчатого регулирования частоты вращения, имеющая выходной вал турбины и входной вал электрогенератора, содержащая:

- гидравлическую систему, имеющую первую гидравлическую камеру, связанную с выходным валом турбины, и вторую гидравлическую камеру, связанную с входным валом электрогенератора, первая и вторая гидравлические камеры гидравлически сообщаются друг с другом, причем первая и вторая гидравлические камеры предназначены для регулировки частоты вращения входного вала электрогенератора на макроуровне;

- пневматическую систему, имеющую первую пневматическую камеры, связанную с выходным валом турбины для создания сжатого воздуха и сохранения его по меньшей мере в одном накопительном баке, вторую пневматическую камеру, связанную с выходным валом электрогенератора и по меньшей мере одним накопительным баком для одного или более из регулировки частоты вращения на макроуровне, торможения выходного вала электрогенератора и прямого привода входного вала электрогенератора, и

- контроллер для контроля выхода электрогенератора, соединенного с входным валом электрогенератора, сравнения выхода на нагрузку/в линию электрораспределительной сети и регулирования частоты вращения вала электрогенератора на основе измерений нагрузки/линии электрораспределительной сети с использованием одного или более из гидравлической системы и пневматической системы для управления мощностью, подаваемой в электрораспределительную сеть.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая ряд лопастных колес с гидравлическим приводом, причем по меньшей мере одно лопастное колесо связано с первой гидравлической камерой и множество лопастных колес связаны со второй гидравлической камерой, при этом каждое лопастное колесо имеет входной и выходной клапан, а работа входного и выходного клапанов управляется контроллером.

3. Система по п.2, в которой лопастные колеса во второй гидравлической камере разного размера.

4. Система по п.3, в которой размер лопастных колес во второй гидравлической камере меняется в диапазоне размеров от самого маленького до самого большого по направлению к электрогенератору, чтобы увеличивать или уменьшать частоту вращения входного вала электрогенератора.

5. Система по п.1, дополнительно содержащая резервуар, сообщающийся с первой и второй гидравлическими камерами.

6. Система по п.1, в которой пневматическая система содержит по меньшей мере одно лопастное колесо, связанное с первой пневматической камерой, и по меньшей мере одно лопастное колесо, связанное со второй пневматической камерой.

7. Способ управления выходом двигателя, включающий обеспечение гидравлической системы бесступенчатого регулирования частоты вращения по п.1 между двигателем и электрогенератором и управление частотой вращения входного вала электрогенератора с использованием контроллера, гидравлической системы и пневматической системы.

8. Способ по п.1, в котором двигатель является ветряной турбиной.