Парусная ветровая установка

Изобретение относится к ветроустановкам. На парусной ветровой установке экран-паруса, установленные на концах водил, автоматически совершая вращательные движения относительно вертикальной оси под действием потока ветра в пределах, ограниченных ходом гидравлического цилиндра плавного торможения в конечных точках, что позволяет получить крутящий момент на вертикальном валу даже при низких скоростях ветра и с большим коэффициентом полезного действия. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Заявляемое техническое решение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии в электрическую. 

Задача, на решение которой направлена заявляемое решение, заключается в получении максимальных крутящих моментов на приводе ветровой установки, простоту и надежность конструкции, не требующей устройства ориентации ветровой установки по направлению ветра, а также  отвечающая всем нормам безопасной эксплуатации. 

 Уровень техники:  

Наиболее близкой по технической сущности и достигнутому результату является ветродвигатель с вертикальной осью вращения (см. патент РФ 2307950 МПК F03D 3/00, 10.10.2007.). Этот ветродвигатель содержит преобразователь вращения, вращаемый парусными ветродвижителями, смонтированными на вертикальном валу и состоящими из горизонтальных мачт с соединенными с возможностью поворота верхней частью парусами. Мачты сгруппированы в ряды по высоте вертикального валас количеством мачт в каждом ряду не менее трех. Высота каждого паруса не превышает его ширину. Величина закрывания парусов отрегулирована через поводки тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра. Также через дополнительные поводки дополнительным тяговым устройством автоматически, в зависимости от скорости ветра, отрегулирована величина открывания парусов, расположенных на одном или нескольких рядах мачт. Тяговые устройства выполнены в виде вращающихся с вертикальным валом втулок с центробежными грузами, соединенными с соответствующими поводками и регулирующими ими соответственно величину закрывания и открывания паруса в зависимости от скорости вращения вертикального вала. К недостаткам этой установки, по сравнению с предлагаемой, является: 

- сложность конструкции, 

- большие шумовые уровни при работе, 

- невозможность допустить мгновенную остановку ветряка при различных ситуациях, 

- увеличенный вес ветродвигателя из-за множества отдельных мачт, 

- низкий коэффициент полезного действия.   

Также известен планетарный механизм парусной установки (пат. РФ 2481497, МПК F03D 7/06, F03D 3/06, В63Н 9/06 опубл.10.05.2013), содержащий главную ось, первый привод и рабочую часть парусной установки. Первый привод дополнительно содержит поворотную рамку с несколькими ребрами, передаточный механизм, установленный на ребре, закрепленную шестерню, установленную на главной оси и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом, и вращательную шестерню, размещенную по краю поворотной рамки и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом. Рабочая часть парусной установки содержит одну ось вращения, которая размещена на краю поворотной рамки, рамку для щитков паруса, узел для изменения основания, подвижный стержень, выдвижной щиток и несколько щитков паруса. Когда рабочая часть парусной установки вращается вокруг главной оси, вращательная шестерня и рабочая часть парусной установки также приводятся во вращение. При этом вращательная шестерня обкатывается вокруг закрепленной шестерни в разные стороны. Данное техническое решение имеет следующие недостатки: сложная конструкция передаточного планетарного механизма для осуществления функционирования парусного ветрогенератора, что ведет к снижению его надежности, увеличению веса парусной установки; низкий КПД преобразования кинетической энергии ветрового потока; нет защиты ветрогенератора от больших выше расчетных порывов ветра. 

И теперь сравним с широко применяемые в настоящее время лопастные ветрогенераторы с предлагаемой новой конструкцией ветровой установки и отметим существенные преимущества: 

- получение во много раз большего крутящего момента на приводе ветрогенератора (лопасти пропеллера перекрывают 10-25% площади набегающего потока и значительная доля ветровой энергии не реализуется), 

- простота  и надежность конструкции, т.к. изготовить экран-парус из сборного каркаса и ткани из современных легких и прочных материалов проще и дешевле, чем изготовить лопасти (на большую мощность лопасти достигают в длину 26 метров) и доставить их на место монтажа, 

- получается меньший шумовой уровень при работе (у лопастей за его плоскостью образуется турбулентность потока ветра), 

- не надо сложного устройства ориентации ветряка по направлению ветра. 

Технический результат заявленного решения - повышение удельной мощности парусной ветровой установки (далее по тексту – ветроустановка) за счет применения экран-парусов большой площади и оптимального выбора длины водил, при этом крутящий момент на приводе ветроустановки получается даже при очень низких скоростях ветра, 

- конструкция гидравлических цилиндров торможения позволяет гарантировать долговечную работу ветроустановки и позволяет произвести ее остановку путем ввода всех экран-парусов в режим флюгера, (также этот режим нужен при остановке ветроустановки на техническое обслуживание), 

- простота и надежность конструкции (не требуется сложного устройства ориентации ветроустановки по направлению ветра),  

- а также изготовление и монтаж экран-парусов может выполняться из сборно-разборных конструкций и легких и прочных современных материалов, 

- низкий шумовой уровень при работе ветроустановки.  

При этом, вкупе с автоматической коробкой передач (редуктором), управляемой искусственным интеллектом, можно получить оптимальные и максимальные показатели использования ветроустановки при различных, изменяющихся по скорости, потоков ветра.  

 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ 

Конструкция ветроустановки представлена на ФИГ. 1 – ФИГ.6, где:  

ФИГ.1 – ветроустановка – вид сверху; 

ФИГ.2а, ФИГ.2б – устройство для принудительной остановки ветроустановки при превышении расчетной для ветроустановки скорости ветра; 

ФИГ.3 - система фиксации дисков и их расфиксации. 

ФИГ.4 – нижний диск с устройством фиксации. 

ФИГ.5 - гидравлические цилиндры торможения с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе. 

ФИГ.6 - гидравлические цилиндры торможения с двухсторонним штоком. 

Где: 1 - ось; 

2 – верхний диск; 

2* - нижний диск; 

3 - водило; 

4 - клиновая шпонка; 

5 – упор; 

6 - электромагнит с тягами; 

7- верхний экран-парус; 

8 – нижний экран-парус; 

9 – противовес; 

10 - гидравлический цилиндр торможения; 

11 - токосъемные кольца; 

12 – пружина; 

13 - токосъемное устройство; 

14 - приводная шестерня; 

15 - вертикальный вал; 

16 – крестовина;

17 - запорный механизм; 

18 – поршень гидроцилиндра; 

19 - шток цилиндра; 

20 – клапан –диафрагма;  

22 – лыски. 

Ветроустановка состоит из вертикального вала поз.15 (фиг.2а), на котором на подшипниках качения установлена крестовина поз.16.  

На крестовину под углом 90 градусов друг к другу крепятся четыре водила поз.3.  

На каждом из концов водил, с возможностью вращения, устанавливаются вертикальная ось - поз.1 и верхний диск поз. 2.  

Возможность вращения как осей, так и дисков, обеспечивают подшипники качения, установленные на них.  

К каждой из осей поз.1 (см. фиг. 2а, 2б, фиг.3, фиг.4) жестко крепятся экран-паруса - верхний поз. 7 и нижний поз.8. 

Также на каждом водиле сверху установлена система фиксации и расфиксации верхних дисков, которая состоит из клиновой шпонки поз.4, электромагнитов с тягами поз. 6 и 11, пружины поз.12 и устройства запирания поз. 17.  

При наличии нижних дисков 2*, для управления ими, снизу на водилах установлена такая же система фиксации и расфиксации дисков, как и сверху. 

На нижние диски установлены упоры поз.5. 

В конструкции с большими экран-парусами (для разгрузки значительного усилия, получаемого на оси поз.1) может быть дополнительно использован нижний диск поз.2* с установленным на него упором поз.5 (см. фиг.2б, фиг.4) или гидравлическими цилиндрами торможения. В последнем случае вертикальная ось поз.1 крепится на водиле поз.3  жестко, а экран-паруса как верхний, так и нижний соединяются с вертикальным валом через подшипники качения. 

Диски поз. 2 и 2* фиксируются на водиле поз.3 подпружиненными клиновыми шпонками поз.4 (см. фиг. 2а, 2б, фиг.3, фиг.4). 

На крестовине поз. 16 устанавливается приводная шестерня поз.14 и токосъемное устройство поз.13 для управления электромагнитами.  

На диски, как на верхние – поз.2, так и на нижние– поз.2 шарнирно устанавливаются гидравлические цилиндры торможения поз.10.  

Гидравлические цилиндры торможения могут быть выполнены либо с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе (см. фиг.5), либо с двухсторонним штоком (см. фиг.6), в обоих вариантах конструкций гидравлических цилиндров торможения рабочая жидкость повышенного давления запирается в замкнутом пространстве между поршнем и выступающей частью фланцев и не воздействует на уплотнение штока.      

Штоки гидравлических цилиндров соединены шарнирно с экран-парусами поз.7.  

Экран-паруса поз.7, поз. 8 выполнены с возможностью совершения вращательных движений относительно вертикальной оси под действием потока ветра в пределах конечных точек, ограниченных ходом гидравлического цилиндра, обеспечивающего при этом плавное торможение. 

Экран-паруса поз.7, поз. 8 изготовляются из легких и прочных материалов и могут иметь сборно-разборный каркас.  

На крестовине поз.16 установлена приводная шестерня поз.14, с которой на редуктор (автоматическую коробку передач) передается крутящий момент. На крестовине поз.16  устанавливается устройство для подачи электроэнергии на электромагниты поз.13 фиг.2а с токосъемными кольцами поз.6 и 11 (фиг. 2а, 2б).  

Устройство с токосъемными кольцами может быть расположено как на верхней, так и на нижней площадке крестовины, это зависит от конструктивного расположения редуктора с генератором выше или ниже крестовины. 

Возможен вариант конструкции ветроустановки -  на ней можно установить механизм изменения длины водил и выполнить водила телескопическими. При этом устройстве вкупе с автоматической коробкой передач (редуктором), управляемые искусственным интеллектом, можно получить оптимальные и максимальные показатели использования ветроустановки при различных изменяющихся по скорости потоков ветра. 

 Вместо гидравлического цилиндра торможения можно использовать и другие конструкции, например, подпружиненные упоры  или  конструкцию обгонной муфты и т.д., но все равно плавности и бесшумности можно добиться,  только используя  гидравлический цилиндр торможения. 

РАБОТА ВЕТРОУСТАНОВКИ.  

Предлагаемая конструкция предусматривает только способ преобразования ветроустановкой нагрузки в крутящий момент на ее приводе.  Крутящий момент может передаваться, например, на редуктор с генератором (автоматическую коробку передач – прототип автомобильной).  

Все экран-паруса перед монтажем балансируются, чтобы вес левой и правой частей относительно оси поз.1 были уравновешены с помощью противовесов поз.9 (фиг.2а, 2б).  

Как видно из фиг. 1, при определенном положении упоров  поз. 5 на дисках поз. 2 и 2* экран-парус под воздействием потока ветра любого направления будет вращать водила поз. 3 ветроустановки в одном направлении.  

Гидравлический цилиндр торможения поз.10 плавно останавливает экран-паруса (верхний поз. 7 и нижний поз.8) в определенной точке относительно диска.  

Торможение вращения экран-паруса относительно оси п.1 гидравлическим цилиндром торможения поз.10 должно быть таким, чтобы создать дополнительный крутящий момент на водиле поз.3.  

Поскольку верхний поз. 7 и нижний поз.8 экран-паруса закреплены жестко на одной оси поз.1, то гидравлический цилиндр торможения поз.10 управляет остановкой обоих экран-парусов.  

Так, если местоположение водил  на Фиг.1 отобразим относительно циферблата часов, то в районе 9-8-7-6-5 часов торможение экран-паруса начинается, например, от 20 градусов между водилом и экран-парусом и до положения водила к 3 часам этот угол составил бы 5 градусов, где произойдет полное торможение экран-паруса относительно водила.  

При проходе района 1-12-11-10 часового положения водила происходит свободное  вращение экран-паруса под воздействием потока ветра вокруг оси до угла, например,  в 100 градусов относительно водила до полной остановки с торможением до угла, например, 110 градусов  между экран-парусом и водилом.  

Такое торможение и остановка экран-парусов относительно водила создает дополнительный крутящий момент на приводе ветряка.  

Предлагается два варианта конструкции гидроцилиндров торможения.  

Первый – (см. Фиг.5) с емкостью для компенсации жидкости (масла) при работе гидравлического цилиндра, а второй (см. Фиг.6) - с двухсторонним штоком.          

Работа обоих вариантов гидроцилиндра торможения аналогична.

В крайних положениях поршня поз.18 поток масла плавно перекрывается в полости К и В. При перемещении поршня в обратном направлении (например - вправо), масло из полости Д через каналы С открывает резиновый клапан поз.20 и попадает в полость К. Поршень перемещается до следующего крайнего положения и также плавно останавливается, благодаря лыскам поз.22 в поршне поз. 18.  

Конструкции гидроцилиндров выполнены так, чтобы масло не могло вытекать из всех полостей при монтаже ветроустановки.  

Давление масла создается в закрытых полостях К и Д между поршнем и выступающей частью фланца гидравлического цилиндра, поэтому уплотнение штока работает в благоприятных условиях с малым воздействием давления масла (рабочей жидкости).  

Такая конструкция гидравлического цилиндра торможения дает большую гарантию на его долговечную работу.  

Для принудительной остановки ветроустановки и при превышении расчетной для ветроустановки скорости ветра предусмотрено устройство (см. фиг. 2а, фиг.2б).  

При срабатывании электромагнита поз.6 фиксаторы поз.4 выходят из зацепления с дисками поз.2 и 2* и удерживаются в этом положении запорным механизмом поз.17. При этом все экран-паруса поз.7 и поз.8 встают в положение флюгера и вращение ветроустановки прекращается.  

Чтобы возобновить работу ветроустановки,  включается  электромагнит поз.11, тем самым отключая запорный механизм поз.17 и под воздействием  пружины поз.12 (см. Фиг.3, Фиг.4) фиксаторы поз.4 упираются в диски поз.2 и 2*, а для того чтобы они зафиксировали диски, включается генератор в режиме электродвигателя и через редуктор осуществляет поворот всех водил до фиксации дисков.

Ветроустановка готова к работе.  

Из приведенного выше описания заявленного технического решения и сравнения его с другими видами ветроустановок для каждого специалиста  в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентования и критерию "промышленная применимость".

1. Парусная ветровая установка, состоящая из вертикального вала, на котором горизонтально, с возможностью вращения, установлена крестовина, отличающаяся тем, что на крестовине под углом 90 градусов друг к другу крепятся четыре водила, на концах которых, с возможностью вращения, установлены вертикальные оси, к каждой из которых жестко крепятся верхний и нижний экран-паруса, а также на водилах крепятся верхние диски на подшипниках, при этом на каждом водиле устанавливается система фиксации дисков и их расфиксации, которая состоит из клиновой шпонки, электромагнитов с тягами, пружины и устройства запирания, где верхние и нижние диски фиксируются на каждом водиле клиновой подпружиненной шпонкой, где на крестовине установлена приводная шестерня и токосъемное устройство для управления электромагнитами, где на диски шарнирно установлены гидравлические цилиндры торможения, при этом штоки гидравлических цилиндров соединены шарнирно с верхними экран-парусами, которые выполнены с возможностью совершения вращательных движений относительно вертикальной оси под действием потока ветра в пределах конечных точек, ограниченных ходом гидравлического цилиндра.  

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлические цилиндры торможения выполнены с емкостью для компенсации жидкости при работе. 

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлические цилиндры торможения выполнены с двухсторонним штоком. 

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ней дополнительно установлены нижние диски. 

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на нижние диски установлены упоры. 

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на нижних дисках установлен гидравлический цилиндр торможения, а экран-паруса как верхний, так и нижний соединяются с вертикальной осью через подшипники качения. 

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в конструкции гидравлического цилиндра торможения рабочая жидкость повышенного давления запирается в замкнутом пространстве между поршнем и выступающей частью фланцев и не воздействует на уплотнение штока. 

8 Установка по п. 1, отличающаяся тем, что подшипники качения использованы для вращения крестовины, вертикальных осей и дисков. 

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что экран-паруса изготовляются из сборно-разборного каркаса и ткани.  

10. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на крестовине установлена приводная шестерня, с которой снимается крутящий момент на редуктор, а также установлено устройство с токосъемными кольцами для подачи электроэнергии на электромагниты.